Modelos cinéticos del proceso de oxidación de un asfalto de origen nacional en función de sus propiedades físicas y el efecto de las variables operativas en la oxidación

Abstract

El asfalto es definido como un material aglomerado sólido o semisólido de color que varía de negro a pardo oscuro y que se licúa gradualmente al calentarse. Este proviene de los componentes pesados del petróleo y normalmente es obtenido como un residuo de su destilación al vacío, denominándose en este caso asfalto directo o simplemente residuo de vacío. El asfalto oxidado es el nombre genérico de un grupo de asfaltos para uso industrial y en construcción en general, que se obtiene a partir del residuo de la destilación al vacío de petróleo oxidándolo con aire a alta temperatura, para generar cambios químicos en la composición del material básico que lo hagan apto para estos usos especiales. Estos cambios originan en el producto mejores características plásticas de flujo (comparativamente al material básico) como una mayor consistencia frente a la elevación de temperatura, durabilidad, estabilidad al intemperismo y una mayor resistencia mecánica y eléctrica. En la presente tesis se analiza el proceso de oxidación para un asfalto de origen nacional en base a modelos simplificados, para determinar constantes pseudocinéticas globales que permitan proyectar la velocidad de cambio de las propiedades clave de especificación del asfalto oxidado, como son la Penetración y el Punto de Ablandamiento; obtener expresiones para la relación de la Penetración y el Punto- de Ablandamiento durante la oxidación y analizar los efectos primarios y de interacción de las variables de oxidación como la temperatura, flujo de aire y agitación con respecto a su influencia en la velocidad de oxidación y en la variación de las propiedades del asfalto. También plantea una expresión de la constante pseudocinéticas relacionada al Punto de Ablandamiento, segregando los términos para la reacción química de los efectos de transporte que afectan la oxidación. Para la obtención de la data, la metodología consistió en el desarrollo de pruebas experimentales de oxidación a nivel piloto de un asfalto nacional, para un diseño factorial 2n el cual considera las principales variables operativas en los rangos usuales para este proceso. Todo el análisis se lleva a cabo empleando herramientas estadísticas para la determinación de las correlaciones, las constantes y los efectos de las variables y su grado de exactitud.

The asphalt is defined as a solid or semi-solid material that varies from black to dark brown color and that is gradually liquefied while it is heat up. It comes from the heavy components of crude oil and it is normally obtained as a residue of the vacuum distillation named, in this case, straight run asphalt or vacuum residue. Oxidized asphalt is the generic name of a group of asphalts for use in manufacture and construction industries, which is generally obtained from vacuum residue or straight run asphalt by oxidizing it at high temperature with air, to produce chemical changes in the composition of the basic material, making it suitable for the uses mentioned above. These changes mean best plastic flow characteristics (comparatively to the basic material) as greater consistency to high temperatures, durability, stability to the weather conditions and greater mechanical and electrical resistance. This thesis analyses the process of oxidation for a Peruvian origin asphalt, based on models simplified to determine pseudo-kinetics global constants, allowing you to project the rate of change of the key properties of asphalt specification, such as Penetration and the Softening Point, whereas the oxidize process takes place. Also, an expression for the relationship of the Penetration and the Softening Point during the oxidation is obtained, but besides that it is not depending on the operating variables, in the usual ranges in which oxidizing process is realized. By other hand, primary and interaction effects of the variables of oxidation - temperature, air flow and agitation are determined with respect to their influence on the speed of oxidation and on variations in the properties of the asphalt. Finally, the thesis discusses an expression of a kinetic equation related to the Softening Point, segregating the terms of the chemical reaction and the transport effects, affecting the oxidation. To obtain the data, the methodology consisted in the development of experimental tests o oxidation at pilot level of a Peruvian asphalt for a factorial design 2n, which considers the main operating variables within the usual range for this process. The analysis is carried out using statistical tools for the determination of the correlations, constants and the effects of variables and their degree of accuracy