Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen von Bitumen aus Asphalt

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtrennen von Bitumen aus Asphalt, insbesondere zu analytischen Zwecken. Dabei wird der Bitumenanteil von den Mineralstoffen (Straßenasphalt) mit Hilfe von heißem Wasser unter Druck abgetrennt. In dem Druckbehälter, in dem die Trennung erfolgt, befindet sich das feste Bitumen-Mineralstoff-Gemisch. Dieses wird von Wasser im siedenden Zustand durch einen selbsttätigen inneren Wasserkreislauf über- und durchströmt. Dabei löst sich das Bitumen im Wasser und kann als getrennte Phase aufgefangen werden. Als Betriebsbedingungen eignen sich bezüglich Wasser unterkritische Temperaturen zwischen 300 und 374°C, bevorzugt zwischen 320 und 350°C bei Drücken im Bereich von ca. 86 bis 2220 bar (115 bis 165 bar im bevorzugten Bereich). Es können auch bezüglich Wasser überkritische Temperaturen (T> 374°C) angewendet werden, vorzugsweise zwischen 374°C und 450°C, bei Drücken zwischen 220 und 300 bar (vgl. Abb. 1).
Das Trennergebnis zwischen Bitumen und Mineralstoffen ist in guter Übereinstimmung mit dem Analyseergebnis nach DIN 52014 (Prüfung von Bitumen mit Trichlorethen als Lösungsmittel und kann letzteres ersetzen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtrennen von Bitumen aus Asphalt nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Die DE-A-32 01 719 beschreibt ein Verfahren, bei dem z.B. Ölschiefer oder Teersande mit überkritischem Wasser bei 360-600°C und 130-700 bar behandelt werden. Dabei fällt nach Kondensation des Wassers eine organische Phase an, die frei von feinsten Partikeln ist. Letzteres ist das größte Problem bei der Ölgewinnung aus Ölschiefer bzw. Teersanden mit herkömmlichen Verfahren (Schwelverfahren von Ölschiefer, Heißwasserextraktion von Teersanden). Andere Probleme bei herkömmlichen Verfahren: großer Energieverbrauch, unvollständiges Abtrennen der hochmolekularen Bitumenfraktion.
Die Extraktion wird durch Zugabe von Salzen (NaCl, K₂CO₃ u.a.) beschleunigt, wenn diese im Bereich von 0,05-0,2 Gew% im Wasserdampf gelöst sind, wobei die Löslichkeit der Salze von Temperatur und Druck bestimmt werden. Mit im Wasser gelösten Salzen geht die Extraktion schneller und die Abscheidung besser (weniger org. Rest im Wasser).
Das kondensierte Wasser kann nach der Ölabtrennung ohne weitere Aufarbeitung wieder eingesetzt werden.

[0003] Diese Entgegenhaltung beschreibt also ein Produktionsverfahren, jedoch kein Analysenverfahren. Es wird ausschließlich im überkritischen Bereich gearbeitet. Es wird ein Wasserkreislauf nach erfolgter Abscheidung der organischen Phase vorgeschlagen. Die Abscheidung erfolgt nach einer Abkühlung des Wassers.

[0004] In der US-A-5,053,118 wird ein Verfahren zur vollständigen Bitumenabtrennung einer Asphaltprobe beschrieben, bei dem ein alicyclischer Kohlenwasserstoff, hier Cyclohexan, unter unterkritischen Bedingungen als Extraktionsmittel eingesetzt wird. Ziel der Abtrennung ist die Analyse der Probe. Herkömmliche Analyseverfahren verwenden Trichlorethen, 1,1,1-Trichlorethan oder Methylenchlorid. Alternativ wird ein mit dem Handelsnamen BIOACT-DG-1 bezeichnetes Extraktionsmittel eingesetzt, das hauptsächlich aus Limonen besteht. Nachteilig beim Einsatz des terpenhaltigen Lösungsmittels ist der hohe Preis, die längere Extraktionszeit sowie der hohe Siedepunkt des Extraktionsmittels, der dessen Abtrennung vom Bitumen erschwert. Xylol wurde getestet, aber aus gesundheitlichen Gründen verworfen. Xylol oder Toluol haben des weiteren einen höheren Siedepunkt als die meisten einsetzbaren chlorierten Kohlenwasserstoffe und sind deshalb weniger geeignet.

[0005] Zur Asphaltanalyse wurde Cyclohexan im siedenden Zustand unter erhöhten Temperaturen und Drücken eingesetzt. Die Probe wird im Druckraum ohne Zirkulation des Extraktionsmittels behandelt.

[0006] Das Herstellungsverfahren nach der DE-A-42 23 246 dient zur Trennung von Teer und Feststoffen. Dabei werden niedrigmolekulare Kohlenwasserstoffe (Alkohole, Aceton), Wasserstoff, Wasser und/oder Kohlendioxid überkritisch bei P > 70 bar und T > 100°C eingesetzt. Ziel ist es, die Teermoleküle zu cracken. Teer wurde früher im Straßenbau eingesetzt, während heute (in Deutschland) ausschließlich Bitumen verwendet wird. Um eine erfolgreiche Behandlung des Materials zu erreichen, wird vorgeschlagen, eine Korngröße unterhalb 6 mm einzustellen.

[0007] Teersand soll nach dem Verfahren der US-A-4,005,005 mit Wasser zwischen 301 und 468°C und einer Dichte von mindestens 0,1 g/cm³ behandelt werden, wobei der überkritische Bereich eingesetzt wird. Die Abscheidung der organischen Fraktion erfolgt mittels Druck- bzw. Temperaturabsenkung. Von einer Analyse ist nicht die Rede.

[0008] Nach der US-A-3,051,644 wird Ölschiefer mit Wasserdampf im überkritischen Bereich behandelt, eine Ölfraktion gewonnen und das Wasser rezirkuliert. Der Ölschiefer wird auch hier auf Korngrößen unterhalb 1/4 Zoll zerkleinert, um eine kontinuierliche Förderung der Suspension bzw. des Schlammes mit Wasser zu ermöglichen.

[0009] Es handelt sich um ein Produktionsverfahren. Schieferöl wird in überkritischem Wasser gelöst, die Behandlung des Materials ist seitens des Verfahrens kaum mit dem vorliegenden Verfahren zu vergleichen.

[0010] Straßenasphalt beispielsweise setzt sich aus einem Mineralstoffgemisch und Bitumen zusammen. Je nach Anforderungen werden unterschiedliche Anmischungen hergestellt. Variiert wird dabei u.a. die Art der Mineralstoffe, deren Korngrößenverteilung und die Art des zusammengesetzten Bitumens. Die Analyse einer Asphaltprobe gibt Aufschluß darüber, ob die Zusammensetzung des Asphalts den Anforderungen entspricht.

[0011] Bei der derzeit angewendeten Methode nach DIN 52014 wird die Asphaltprobe in Trichlorethen gelöst, wodurch eine bitumenfreie Mineralstofffraktion erhalten wird. Das im Trichlorethen gelöste Bitumen wird nach einer Destillation des Lösungsmittels zurückgewonnen und kann einer Qualitätsanalyse (Härte, Erweichungspunkt etc.) unterworfen werden.

[0012] Nachteilig an der konventionellen Methode ist der Einsatz der halogenhaltigen und damit ozonzerstörenden Verbindung Trichlorethen. Außerdem muß nach der Mineralstoff-Abscheidung in einem zweiten Arbeitsschritt das Lösungsmittel vollständig abdestilliert werden, um die Analyse des Bitumens zu ermöglichen.

[0013] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und Vorrichtung derart zu verbessern, daß auf den Einsatz organischer Lösungsmittel verzichtet werden kann, ohne daß eine Verschlechterung des Trennungsergebnisses in Kauf genommen werden muß.

[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. durch die im Anspruch 8 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

[0015] Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß es möglich ist, mittels Wasser bei hohen Temperaturen und Drücken die Trennung des Asphalts in bitumenfreie Mineralstofffraktion und in eine mineralstoffreie Bitumenfraktion in einem Arbeitsgang ohne Verwendung von organischen Lösungsmitteln zu erreichen. Aus dem Asphalt wird in einem Druckbehälter der Bitumenanteil mit Hilfe von heißem Wasser vorteilhafterweise bei Temperaturen zwischen 320 und 350°C und einem Druck, der wenigstens dem zugehörigen Dampfdruck entspricht, abgetrennt, so daß die Mineralstoffe bitumenfrei zurückbleiben. Die erhaltenen Fraktionen enthalten praktisch kein Wasser, so daß es ggf. möglich ist, sie unmittelbar einer weiteren Analyse zu unterziehen.

[0016] Bitumen und Mineralstoffe werden auch bei der Verarbeitung von Teersanden getrennt. Dabei wird Wasser bei Temperaturen von ca. 75 bis 92°C unter Normaldruck dazu verwendet, das Bitumen von den Mineralpartikeln abzulösen. Dies gelingt allerdings nur bei Partikeln, die zwischen Bitumen und Mineralstoft eine Wasserschicht aufweisen. Aus Straßenasphalt kann unter derartigen Bedingungen kein Bitumen abgetrennt werden. Eine andere Möglichkeit, Bitumen von Mineralstoffen abzutrennen, besteht darin, die Mischung derart hoch zu erhitzen, daß das Bitumen flüchtig wird und sich dadurch von den Mineralstoffen trennt. Unter derartig hohen Temperaturen ist das Bitumen jedoch nicht mehr beständig. Es wird vielmehr gekrackt und man erhält ein flüchtiges Produkt und einen koksartigen Rückstand auf den Mineralstoffpartikeln (J.G. Speight (Hsrs.): Fuel Science and Technology Handbook, Marcel Dekker, New York und Basel, 1990, S. 343 ff.).

[0017] Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es versteht sich, daß diese Beispiele nicht einschränkenden Charakter haben.

[0018] Es zeigt:

Abb. 1

eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus mit einem im Druckbehälter angeordneten Probengefäß;

Abb. 2

eine detailliertere Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Probengefäßes;

Abb. 3

eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform für das Probengefäßt; und

Abb. 4

eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trennen von Bitumen und Mineralstoffen mittels heißem Wasser.

[0019] Die Abtrennung des Bitumenanteils einer Asphaltprobe erfolgt in einem Druckbehälter nach dem Prinzip der Soxhlet-Extraktion.

Abb. 1: Versuchsaufbau

[0020] Ein Probengefäß 2 befindet sich in einem Druckbehälter 1, der beispielsweise ein Innenvolumen von 1,5 Litern umfaßt. Die Größe des Behälters richtet sich nach der zu analysierenden Probenmenge. Die angegebene Größe reicht für eine Probenmenge von bis zu 500g. Die Asphaltprobe befindet sich innerhalb des Druckbehälters in einem Probengefäß. Die Asphaltprobe ist in Abb. 1 schraffiert dargestellt. Unterhalb des Probengefäßes ist als Trennmittel Wasser 4 vorgelegt und befindet sich im Siedezustand. Der Druckbehälter 1 wird mit einer elektrischen Heizung 3 beheizt und ist isoliert, um Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren.

[0021] Oberhalb des Probengefäßes kondensiert der aufsteigende Wasserdampf und tropft direkt auf die Asphaltprobe. Der Kondensator 5 ist als Kegel oder Pyramide ausgelegt.

[0022] Während des Versuches können der Druck P, die Temperatur des Wassers oberhalb der Asphaltprobe T1 und die des Wasservorrates T2 bestimmt werden.

[0023] Als Kühlmedium eignet sich aufgrund der hohen Temperaturen im Druckbehälter beispielsweise Druckluft 6.

[0024] Abb. 2 zeigt die Vorgänge im Probengefäß. Das auf das Probenmaterial tropfende Wasser steigt bis zu einem bestimmten Niveau und fließt dann ab. Das Probenmaterial befindet sich in einem Einsatz 7, der derart mit dem Überlaufgefäß 8 verbunden ist, daß sich am Boden ein Spalt von ca. 1 - 2 mm ergibt, so daß die Probe kontinuierlich von Kondensatwasser durchströmt wird.

Abb. 2: Probengefäß A

[0025] Ein Großteil des Bitumens scheidet sich bei der Versuchsanordnung nach Abb. 2 oberhalb des Wasserniveaus 7 ab. Ein geringerer Teil verteilt sich auf die Gefäßwand 8 und den Wasservorrat 4.

[0026] Nachdem der Versuch abgeschlossen, die Anlage abgekühlt und das Probengefäß 2 entnommen ist, kann die aufschwimmende Bitumenschicht entfernt und einer weiteren Analyse zugeführt werden. Die Mineralstofffraktion kann bitumenfrei über eine Leitung mit Auslaßventil V entnommen werden.

Verbesserter Versuchsaufbau

[0027] Mit der oben vorgestellten Versuchsführung ist es aus konstruktiven Gründen nicht vollständig möglich, daß oberhalb der Mineralstoffe keine Bitumenreste verbleiben. Wenn das heiße Wasser jedoch die Probe von unten nach oben durchströmt, läßt sich die Bitumenfraktion gesondert auffangen.

[0028] Abb. 3 zeigt ein Probengefäß, bei dem keine Bitumenreste im Probeneinsatz verbleiben, sondern mit dem Wasser abfließen. Die Tropfen werden in einem Trichter 9 gesammelt, dessen Schaft 1 - 2 mm über dem Einsatzboden endet. Auf diese Weise wird die Probe von unten durchströmt. Das Probengefäß ist konisch geformt, um Toträume im durchströmten Material zu vermeiden. Für eventuell mitgerissenes Feinkorn ist ein weiteres Auffangbecken 10 vorgesehen.

Abb. 3: Probengefäß B

Andere Ausführungen der Trennapparatur

[0029] Die Abscheidung des vom Mineralstoff abgelösten und im Wasser gelösten Bitumens erfolgt bei der Abkühlung und Entspannung des Extraktionsraumes teilweise an der Autoklavenwand.

[0030] Durch einen externen Abscheider mit herausnehmbarem Einsatz können Wasser und Bitumen vollständig getrennt werden und das Bitumen vollständig im Einsatz des Abscheiders gefunden werden. Eine Entspannung des vom flüssigen Wasser geleerten Autoklaven läßt trockene bitumenfreie Mineralstoffpartikel zurück. Der Autoklav kann im heißen Zustand entleert und wieder beschickt werden.

[0031] Diese Apparaturvariante ist schematisch in Abb. 4 wiedergegeben. Wasser aus dem Vorratsbehälter 2 durchströmt das Asphaltgemisch im Extraktionsbehälter 1. Das Wasser mit dem gelösten Bitumen wird in einen Abscheider 3 geführt, in dem sich bei tieferer Temperatur Wasser und Bitumen trennen. Das Bitumen wird bei Extraktionsende aus dem Abscheider mittels eines herausnehmbaren Einsatzes entfernt, das Wasser wird in den Vorratsbehälter zurückgeführt.

Abb. 4: Schematische Darstellung der Apparatur zur Trennung von Bitumen und Mineralstoffen mittels heißem Wasser

Versuchsbeschreibung

[0032] In das Probengefäß (2) wird eine genau abgewogene Menge Asphalt (ca. 20g) gefüllt. Befindet sich das Gefäß im Druckbehälter (1), wird dieser verschlossen. Im dichten Behälter wird ein Vakuum erzeugt, indem der Behälter über das Ventil (V) am Boden an eine Vakuumpumpe oder Wasserstrahlpumpe evakuiert wird. Es wird anschließend die benötigte Wassermenge, z.B. 200 ml, über das Bodenventil eingesaugt und mit dem Heizvorgang begonnen.

[0033] Das Erreichen der gewünschten Versuchstemperatur T2 kann als Beginn des Versuches definiert werden. Der Druck und die Temperaturen T1 und T2 sollen während der Versuchsdauer konstant sein. Nachdem die Temperaturen eine Zeitlang konstant gehalten wurden und die Abtrennung des Bitumens erfolgt ist, wird die Heizung abgestellt. Das Probengefäß wird nach der Abkühlung entnommen, die oberhalb der Probe auf einer Wasserschicht aufschwimmende Bitumenfraktion entfernt und danach die bitumenfreien Mineralstoffe entnommen. Nach einer kurzen Trocknung in einem Trockenschrank werden die Mineralstoffe gewogen und aus der Differenz zur eingewogenen Probenmenge der abgetrennte Bitumenanteil bestimmt.

Beispielversuche

[0034] Es wurden Trennversuche mit einem Asphaltbeton 0/5 bei verschiedenen Temperaturen und mit unterschiedlicher Versuchszeit durchgeführt. Der Mineralstoffanteil dieses Asphalts setzte sich aus Brechsand, Kalksteinmehl, Quarzit und Natursand zusammen. Die Kornfraktion unterhalb von 0,09 mm stellte 9,7 Gew% der Mineralkomponenten dar.

[0035] Das Trennergebnis wurde zunächst rein optisch beurteilt, inwiefern noch Bitumen an den Mineralien haftete. Bei Temperaturen unterhalb 320°C konnte bei einer relativ langen Versuchsdauer von 4 Stunden kein befriedigendes Ergebnis erzielt werden. Auch bei 325°C waren nach dreistündiger Extraktion noch Bitumenreste zu erkenne. Ein Versuch bei 330°C zeigte nach vierstündiger Versuchsdauer schließlich eine optisch bitumenfreie Mineralstofffraktion.

[0036] Bei 335°C wurden die Proben der Versuchstemperatur 45 Minuten, ein, zwei und drei Stunden ausgesetzt. Erst nach zwei Stunden konnte die Probe optisch als bitumenfrei bezeichnet werden. Daher wurden wiederholte Analysen bei 335°C und dreistündiger Versuchsdauer durchgeführt, die als Ergebnis 6,6 bzw. 6,7 Gew.% Bitumenanteil ergaben. Aus einer Laboranalyse, die nach der bisher anerkannten Methode mit Trichlorethen nach DIN 52014 durchgeführt wurde, ergab sich derselbe Wert von 6,6 Gew.% in Trichlorethen gelöstem Bitumen.

[0037] Mit höherer Versuchstemperatur läßt sich die Versuchszeit erheblich verkürzen. So war beispielsweise bei 340°C eine Versuchsdauer von einer Stunde zur vollständigen Abtrennung des Bitumens ausreichend.

Ansprüche

1. Verfahren zum Abtrennen von Bitumen aus Asphalt, mittels eines flüssigen Lösungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel heißes Wasser eingesetzt und die Abtrennung bei Temperaturen von 300 bis 450°C und unter dem Dampfdruck des Wassers bei diesen Temperaturen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine für Wasser unterkritische Temperatur von 320 - 350°C bei einem Druck von 86 bis 220 bar.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine für Wasser überkritische Temperatur (T > 374°C) und Drücken zwischen 220 und 300 bar.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser im Kreislauf geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf des Wassers über einen externen Abscheider geführt wird, der bei unterhalb der Extraktionstemperatur liegenden Temperaturen betrieben wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend eine analytische Gehaltsbestimmung von Bitumen im Asphalt durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer automatisch arbeitenden Laborapparatur durchgeführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
ein Probengefäß (2), das hochmolekulare Kohlenwasserstoffe aufnimmt und einen in einem Überlaufgefäß (8) angeordneten Einsatz (7) umfaßt, ist in einem verschließbaren Druckbehälter (1) angeordnet, der mit einer elektrischen Heizung (3) ummantelt ist und Wasser (4) aufnimmt;
oberhalb des Probengefäßes (2) ist ein Kondensator (5) zur Kondensation von aufsteigenden Wasserdampf angeordnet; ein Druckmeß- und -steuergerät (P);
Meßgeräte (T1, T2) für die Wasser- und Wasserdampftemperatur.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trichter (9) zur Aufnahme des Kondenswassers innerhalb des Einsatzes (7) angeordnet ist, dessen Schaft unmittelbar vor dem Boden des Überlaufgefäßes vorgesehen ist, so daß das heiße Waser die Probe von unten nach oben durchströmt.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

1. Verfahren zum Abtrennen von Bitumen aus Asphalt, mittels eines flüssigen Lösungsmittels zur Analyse des Bitumens, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel heißes Wasser eingesetzt und die Abtrennung bei einer für Wasser unterkritischen Temperatur von 320 - 350°C und einem Druck von 86 bis 220 bar durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser im Kreislauf geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf des Wassers über einen externen Abscheider geführt wird, der bei unterhalb der Extraktionstemperatur liegenden Temperaturen betrieben wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend eine analytische Gehaltsbestimmung von Bitumen im Asphalt durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer automatisch arbeitenden Laborapparatur durchgeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
ein Probengefäß (2), das hochmolekulare Kohlenwasserstoffe aufnimmt und einen in einem Überlaufgefäß (8) angeordneten Einsatz (7) umfaßt, ist in einem verschließbaren Druckbehälter (1) angeordnet, der mit einer elektrischen Heizung (3) ummantelt ist und Wasser (4) aufnimmt;
oberhalb des Probengefäßes (2) ist ein Kondensator (5) zur Kondensation von aufsteigenden Wasserdampf angeordnet; ein Druckmeß- und -steuergerät (P);
Meßgeräte (T1, T2) für die Wasser- und Wasserdampftemperatur.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trichter (9) zur Aufnahme des Kondenswassers innerhalb des Einsatzes (7) angeordnet ist, dessen Schaft unmittelbar vor dem Boden des Überlaufgefäßes vorgesehen ist, so daß das heiße Waser die Probe von unten nach oben durchströmt.

Zeichnung