ASOCIACION MEXICANA DEL ASFALTO AC

7 CONGRESO MEXICANO DEL ASFALTO

4-6 DE MAYO 2011 MAZATLAN SINALOA, MEXICO

TECNOLOGÍA ALTERNA PARA LA PRODUCCION DE ASFALTOS DE

CLASE MUNDIAL

Ricardo Azpe Meza, y Jorge Osuna Mendoza

Grupo Asfaltos Procesados SA de CV Calle Rio Elota 16 OTE, Colonia, Guadalupe CP 80220

Culiacán Sinaloa México Correo, ricardo.azpe@aspro1.com

Resumen:

La tecnología clásica para la producción de cemento asfaltico tanto a nivel

nacional como internacional es mediante la mezcla de residuos y desti lados

pesados provenientes de la refinación del petróleo y en particular de las plantas

de desti lación atmosfér ica y de vacío, la producción de este producto es

exclusiva de las grandes compañías petroleras ya que estas corrientes son

productos intermedios no comerciales en muchos de los casos, por los altos

costos de inversión de las plantas de desti lación de crudo aunado a la actual

legislación nacional excluyen la participación a las empresas particulares en la

producción del cemento asfalt ico de cualquier tipo, en el presente artículo se

revive la alternativa tecnológica de produc ir y formular asfaltos a partir de

residuos hidrocarburados comerciales tales como combustóleos y alquitrán de

hulla entre otras muchos productos ofertados por las industrias de la refinación

del petróleo, industrias metalúrgicas y empresas dedicadas a la comercialización

de combustibles residuales emulsionados, poniendo especial énfasis en el

tratamiento físico / químicos que se debe proporcionar a los productos antes

mencionados para la eliminación ó mitigación de los contaminantes perjudiciales

para el buen desempeño de los asfaltos ta les como agua, naftas, querosinas,

diesel, aceite cícl ico, material inorgánico (metales, carbón) y material de tipo

insaturado así como en la adición y reconstitución de los componentes deseables

en los propios asfaltos como son los compuestos de tipo poli aromático polar y

asfaltenico principalmente, en este contexto ASPRO ha desarrollado una

tecnología de producción de asfalto con valores negativos en la prueba de la

mancha (patente en trámite) con especificaciones de calidad en grado viscosidad

y superpave a partir del procesamiento de combustóleo pesado mediante las

operaciones de deshidratación /desti lación /adición de aditivos/ y reformulación

con productos químicos objeto de descripción en este articulo técnico y de sus

experiencias técnicas en la planta de Mazatlán- Vil la Unión.

MARCO DE REFERENCIA: COMBUSTOLEO PESADO Es un combustible residual comercial proveniente de la refinación del petróleo constituido

principalmente por un flux y un residuo pesado en una proporción volumétrica tal que debe cumplirse las propiedades de la tabla no 1 en este contexto se podría mencionar que la relación

volumétrica de tales subproductos es variable y depende principalmente del tipo de crudo

procesado, condiciones de operación y oferta y demanda de energéticos, los principales componentes del combustóleo dependiendo del esquema de proceso de refinación son:

Componentes ligeros (flux) de tipo:

Querosina,

Aceite cíclico ligero, Aceite cíclico pesado

Extractos aromáticos ligeros

Productos ligeros fuera de especificaciones de calidad (reciclado)

Componentes pesados

Residuo de vacio

Residuo de reductora de viscosidad

Residuo asfaltenico de plantas de lubricantes Aceite decantado

Extractos aromáticos pesados Productos pesados fuera de especificaciones de calidad (reciclados)

Los componentes ligeros para la formulación de asfaltos deben eliminarse ya que tienen altos

módulos viscosos no deseables en los asfaltos, además de que proporcionan bajas

temperaturas de inflamación con alta perdida de volátiles en la prueba RTFO ó TFOT en los residuales envejecidos por la misma prueba.

Los componentes pesados del combustóleo, proporcionan al asfalto altos módulos elásticos

deseados para asfaltos de alto desempeño, pero los provenientes de desintegración térmica ó

catalítica además de ser inestables químicamente infieren al asfalto prueba de la mancha positiva el cual es un inconveniente, estos compuestos deben mitigarse ya que su eliminación

por técnicas simples no son económicamente atractivas.

Cuando los combustóleos son adquiridos por distribuidores de combustibles particulares y transportados inadecuadamente (tanques contaminados, alta temperatura de transporte), y

adquiridos en época de lluvias, y/ ó almacenados por grandes periodos hay que añadir la

eliminación de contaminantes tales como:

Agua Nafta de desintegración

Compuestos olefinicos

Compuestos oxidados (aldehídos cetonas, ácidos fuertes y débiles) Material inorgánico (lodos)

ALQUITRAN DE HULLA El carbón mineral utilizado en la producción de hierro por la técnica del alto horno debe estar

libre de volátiles los cuales son eliminados mediante el proceso de coquización del carbón

(proceso térmico), estos vapores son condensados mediante enfriamiento en plantas metalúrgicas de recuperación de volátiles, el condensado así obtenido es fraccionado en torres

de destilación para producir material petroquímico de tipo aromático y el residual de este fraccionamiento es el alquitrán de hulla material semejante al residuo de vacío de las plantas de

destilación de petróleo crudo utilizado en la formulación del asfalto típico, pero con el

inconveniente de poseer alto contenido de material poliaromatico altamente cancerígeno aunque de beneficio para el asfalto pero inconveniente para el ambiente además de que

también proporciona valores positivos en la prueba de la mancha (AASHTO T 102)

En este artículo técnico solo se describirá la experiencia de ASPRO en la producción de asfalto con combustóleo y no con alquitrán de hulla.

METODOLOGIA: En base a los componentes del asfaltos y sus contaminantes, se realizo una investigación

primeramente bibliográfica seguida de experimentación en laboratorio y escalada a nivel de planta industrial para la eliminación y/o mitigación de los componentes no deseables del asfalto

y para incrementar la concentración de los componentes con altos módulos elásticos de naturaleza polar (compuestos de azufre, nitrógeno, oxigeno, aromáticos) que son los

responsables en gran medida del comportamiento del asfalto, ejecutándose las siguientes

etapas de estudio:

Estas etapas de estudio se escalaron en ASPRO para la operación continua de una planta con capacidad de procesamiento de combustóleo pesado de 300 m3/d ver figura no 1 y figura 2

Caracterización de combustóleo: En la tabla no 1 se indica una caracterización típica de combustóleo utilizada como alimentación

al complejo de ASPRO para la producción de asfaltos grados viscosidad, en esta tabla se observa que el combustóleo no es corrosivo ni contiene agua (<0.05 % vol) con pequeñas

cantidades de productos ligeros (5.0 % vol) de desintegración con temperatura final de ebullición de 210 °C y 29.0 % de productos con módulos viscosos del tipo querosina y ACL (ver

grafico 3) y 66.0 % vol de residual de vacio +420 °C base para la producción de asfalto con

prueba de la mancha negativa.

Producción de asfalto virgen

Una vez eliminados los contaminantes (agua y lodos) y ligeros de desintegración del

combustóleo pesado este se envía previo precalentamiento a una torre de destilación húmeda en donde se recuperan destilados que sirven principalmente como energético de autoconsumo

de la misma planta y un residuo base para la producción de asfaltos grado viscosidad y

superpave, con el inconveniente que este residuo presenta valores positivos en la prueba de la mancha motivo por el cual en 1920-1930 se dejo de utilizar en E.U esta tecnología1, este

inconveniente fue motivo de investigación en ASPRO el cual derivo en el uso de un mejorador2 (patente en registro) que actúa como secuestrador principalmente del carbón libre generado en

el proceso de desintegración para la producción de gasolinas de las grandes refinerías de petróleo crudo, que además de actuar como secuestrante tiene la función de incrementar en el

asfalto la ductilidad y de ajustar la calidad del residuo hacia una calidad de asfalto al grado

viscosidad AC -10, AC-20, AC-30 y AC40 dependiendo de las condiciones de operación de la torre de destilación y el % volumétrico utilizado de mejorador, tal como se indica en la tabla 2,

es de mencionar que esta tecnología por parte de ASPRO también se encuentra en trámite de patente ante el Instituto Mexicano de Protección Intelectual (IMPI)

Producción de asfalto polimerizado

El asfalto virgen del inciso anterior es polimerizado según lo demande el mercado de

construcción de carreteras con polímeros del tipo SBS, SBR, EVA, EVALOY , hule de llanta para obtener asfaltos polimerizados del tipo I, II, y III, en la tabla 3 y figura 4 se indica la calidad del

asfalto y su dispersión con Evaloy y SBS en el asfalto virgen obtenido en la planta de ASPRO ubicada entre las ciudades de Mazatlán y Villa Unión.

RESULTADOS ANALITICOS:

PROPIEDADES METODOS UNIDADESCOMBUSTOLEO

CARGA ASPRO

ESPECIFICACION

PEMEX 405/2004

Peso específico 60/60°F 0.9400

°API 19.03

Azufre ASTM D 4294 % peso 4.090 4.0 MAX

Viscosidad cinemática @ 40°C ASTM D 445 mm2/s 2,024.20

@ 50.0°C mm2/s 960.50 1008/1116

Inflamación ASTM D 92/93 °C 83 66 MIN

Corrosión a la lamina de cobre (3h/50°C) ASTM D 130 1b

Temperatura de desintegración por TGA, °C ASTM E 1131 % peso 440

Asfaltenos ASTM D 3279 % peso 12.0 INFORMAR

Metales Ni ASTM D 5863 mg/kg 57.09

V 284.38 INFORMAR

Agua por destilación ASTM D 95 % vol 0.05 1.0 MAX

Carbón ramsbottom ASTM D 524 % peso 14.59

Poder calorífico neto ASTM D 240 BTU/lb 16,773

bruto ASTM D 240 17,792

Poder calorífico neto ASTM D 240 MJ/kg 39.0 40 MIN

bruto ASTM D 240 41.4

Prueba de la mancha (Oliensis) AASHTO T 102 --- Positiva

TABLA No 1

CARACTERIZACION DE COMBUSTOLEO

PROPIEDADES METODOS UNIDADESRESIDUO

DE VACIO

ASFALTO

AC20

ESPECIFICACION

DE ASFALTO AC 20

ASTM D 3381

ESPECIFICACION

DE ASFALTO AC 20

SCT

Peso específico 60/60°F 1.0434 1.0423

°API 4.11 4.26

Azufre ASTM D 4294 % peso 4.7

Viscosidad cinemática ASTM D 445 mm2/s100 °C 1,071.28 3,614.5

135 °C 462.9 210 MIN 300 MIN

Viscosidad absoluta @ 60°C ASTM D 2171 Pa.s 235.30 160/240 160/240

@ 60°C Poises (P) 2,353.0

Viscosidad saybolt furol @ 135°C ASTM D 88 SSF 205.1 120 MIN

Inflamación ASTM D 92/93 °C 291 316 230 MIN 232 MIN

Penetración @ 25°C ASTM D 5 dmm 65.0 40 MIN 60 MIN

Solubilidad en tricloroetileno ASTM D 2042 % peso 99.86 99.0 MIN 99.0 MIN

Perdida por calentamiento ASTM D 1754 % peso 0.40 0.5 MAX

Ductilidad ASTM D 113 mm 160.0

Temperatura de ablandamiento ASTM D 36 °C 48.0 48/56

Viscosidad absoluta retenida @ 60°C ASTM D 2171 Pa.s 430.5 1000 MAX 800 MAX

@ 60°C Poises (P) 4,304.5 10000 MAX 8000 MAX

Ductilidad retenida ASTM D 113 mm 60.0 20 MIN 50 MIN

Prueba de la mancha (Oliensis) AASHTO T 102 --- POSITIVA NEGATIVA

TABLA 2

CARACTERIZACION DE RESIDUO Y ASFALTO AC 20

Tabla No 3

METODO ASFALTOS

ESPECIFICACIÓN AASHTO MP 1

P R O P I E D A D

ASFALTO ORIGINAL O BINDER RESIDUO DE VACIO

ASFALTO VIRGEN

ASFALTO POLIMERIZADO

---

TEMPERATURA DE ENSAYE, ºC AASHTO MP1 64 64 70

MODULO DINAMICO, G*/(SENO delta), kPa,

10rad. AASHTO TP-5 2.03 1.61 1.70 MINIMO 1.000 kPa

RESIDUO DE PRUEBA DE PELICULA

DELGADA ROTATIVA, RTFOT

---

PERDIDAS POR CALENTAMIENTO, %peso AASHTO T-240 0.4712 0.6607 0.5851 MAXIMO 1.000%

TEMPERATURA DE ENSAYE, ºC AASHTO MP1 70 70 82 ---

MODULO DINAMICO, G*/(SENO delta), kPa, 10rad.

AASHTO TP-5 2.92 2.40 2.28 MINIMO 2.200 kPa

RESIDUO RECIPIENTE DE

ENVEJECIMIENTO A PRESION, PAV ---

TEMPERATURA DE ENVEJECIMIENTO, ºC AASHTO PP1 100 100 100 ---

TEMPERATURA DE ENSAYE, ºC AASHTO MP1 25 22 22 ---

MODULO DINAMICO, G* (SENO delta), kPa,

10rad. AASHTO TP-5 4030 4380 3970 MAXIMO 5000 kPa

GRADO PG ALCANZADO AASHTO MP1, AASHTO PP-6

PG 64-22* PG 64-28* PG 70-34* ---

Figura No1

ACONDICIONAMIENTO DE CARGA(SEDIMENTACION,DESHIDRATACION, ELIMINACION

DE LIGEROS)

DESTILACIONMEJORADOR

POLIMEROS

ASFALTO AC Y PG

COMBUSTIBLE DE AUTOCONSUMO

RESIDUO

ASFALTOPOLIMERIZADO

COMBUSTIBLES ISOA VENTAS

TRATAMIENTO DE DESTILADOS

COPE

FIGURA No 2

Figura No 3

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

TEM

PE

RA

TUR

A, A

ET

(°C

)

% VOLUMEN

DESTILACIÓN TBP COMBUSTÓLEO CARGA ASPRO

Figura No 4

CONCLUSIONES:

Los asfaltos producidos por ASPRO SA de CV a partir de combustóleo pesado cumplen con especificaciones de calidad de las normas de viscosidad ASTM D 3381 y N-CMT-4-05-001-06 AC de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes tal como se indica en la tabla no 2

La calidad y rendimiento de asfaltos virgen al procesar combustóleo bajo la metodología de ASPRO son dependientes del tipo de combustóleo, y condiciones de operación de la torre de destilación, en promedio el rendimiento residuo / combustóleo es de 65-70 % vol.

Debido a que el residuo de vacio producido a partir del combustóleo se le incorporan productos químicos como plastificante y secuestrante de partículas de carbón, la resistencia al envejecimiento por oxidación en las pruebas RTFO y PAV son superiores que en los asfaltos comerciales, tal como se indica en tabla 2 y 3

La afinidad y dispersión de polímeros en el asfalto derivado de combustóleo es superior que en los asfaltos comerciales tal como se indica por la figura no 4

Por lo anterior, técnica y económicamente es factible la producción de asfalto grado viscosidad y PG a partir de combustóleo pesado tal como lo ha demostrado desde 2004 la operación continua de la planta de ASPRO SA de CV.

BIBLIOGRAFIA:

Insertar de lo asfaltos 1940

1) Richard E. Root and Richard B. Moore “The use of conversion residue as a component in asphalt cement”, Strategic Highway research program SHRP ID/UFR 92-610, 1992

2) L. Manriquez O, Martín J Ramos Toriello, Edmundo Reyes Tenorio Lara, “Nueva tecnología de formulación de asfalto”, 6 Congreso del Mexicano del asfalto 2009, Cancún México

3) SHRP, Superpave, Performance Graded Asphalt Binder Specification and Testing Superpave Series No. 1 (SP-1), 1994.

4) Abraham, "Asphalt and Allied Substances", 6th. ed., Vol. III, p 12-26, Van Nostrand, New

York, 1962. 5) Manriquez O.L., Ramos Toriello M.J. et al, “Tendencias hacia el año 2000 de los asfaltos en

México”, Memorias de la XXXVI Convención Nacional del IMIQ, Octubre 2-4, 1996, VT-5, Monterrey Nvo.Leon, México.

6) Nelson, The Oil and Gas Journal, Sep. 5, 1966, p 191, March 25, 1963, p 187, March 2,

1950, p 83. 7) Asphalt Institute, Specifications for Paving and Industrial Asphalts, Specification Series No.

2 (SS-2), 1987-88 edition. 8) Huekelom W., A Bitumen Test Data Chart for Showing the Effect of Temperature on the

Mechanical Behaviour of Asphaltic Bitumen’s, Journal of the Institute of Petroleum, Vol. 55 N. 546, November 1969, page 404-417.

Agradecimiento:

Al Ing. Leonardo Manriquez O por sus grandes aportaciones técnicas en la elaboración

del presente artículo técnico.