СПОСОБЫ И КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ И СМЕРЗАНИЕМ
METHODS AND COMPOSITIONS FOR DUST AND FREEZE CONTROL

Область техники
Данное изобретение относится к борьбе с пылью и смерзанием. В частности, данное изобретение относится к композициям для борьбы с пылью и смерзанием, включающим содержащие глицерин побочные продукты процесса получения биодизельного топлива или реакций трансэтерификации с участием триглицеридов, и к способам применения этих текучих сред.
Уровень техники
Пыль от дорожного движения на грунтовых дорогах, а также от переработки сыпучих продуктов, может создавать значительные проблемы в области здоровья, окружающей среды и безопасности. На оборудовании по добыче полезных ископаемых, промышленных и строительных площадках образование пылевого облака может значительно затруднять работу. Кроме того, пыль может вредно влиять на здоровье людей и состояние окружающей среды.
Известные агенты для борьбы с пылью включают масла, побочные продукты процесса изготовления бумаги, такие как лигно-сульфонатные дисперсии, и воду, и возможно содержат различные соли, такие как хлорид магния и кальция, или же хлорид натрия. Патент США №6589442 указывает, что в качестве агента для борьбы с пылью можно использовать частично омыленную смесь неочищенного таллового масла и растительного масла, эмульгированную в воде.
Проблемы образования пыли могут существовать даже при минусовых температурах. Для борьбы с пылью желательно использовать эффективные по цене агенты, которые являются безопасными для окружающей среды и происходят из возобновляемых источников.
При операциях переработки сыпучих и/или агрегированных материалов морозная погода может остановить работу. Например, в угле может находиться значительное количество влаги. Влага на поверхности угля и в угле при замерзании заставляет куски угля объединяться в большие, громоздкие глыбы, что создает проблемы при обработке. Уголь может также примерзать к стенкам бункеров и вагонов, которые используют для транспортирования угля, что в дальнейшем вызывает проблемы при обработке материала. Было бы желательно отыскать экономичный и в высокой степени эффективный агент для борьбы со смерзанием, который является безопасным для окружающей среды и происходит из возобновляемых источников.
В Патенте №6890451 описаны композиции для защиты от обледенения и противообледенительные композиции, включающие содержащие глицерин побочные продукты процессов переработки триглицеридов. В заявке США 2005/0087720 А1 раскрыты композиции для защиты от обледенения и противообледенительные композиции, содержащие многоатомные спирты с короткими цепями, включая глицерин, и различные смачивающие агенты, антиоксиданты/консерванты, буферные добавки и/или вещества, понижающие температуру замерзания. В последующих ссылках следует понимать, что «защита от обледенения» означает удаление замерзшего отложения с поверхности после того, как он уже образовался. «Противообледенительный» относится к применению противообледенительной жидкости на поверхности перед появлением льда, чтобы снизить температуру замерзания любого отложения, которое контактирует с поверхностью, таким образом предохраняя его от превращения в лед.
Краткое изложение изобретения
Данное изобретение относится к композициям для борьбы с пылью и/или смерзанием, включающим содержащий глицерин побочный продукт процесса получения биодизельного топлива или реакций трансэтерификации с участием триглицеридов. Композиции для борьбы с пылью и смерзанием по данному изобретению являются эффективными в отношении стоимости, безопасными для окружающей среды и происходят из возобновляемых источников.
В одном из примеров реализации данное изобретение представляет собой способ предотвращения агломерации сыпучего материала и его прилипания к поверхностям под воздействием минусовой температуры, включающий: a) обеспечение не агломерированного сыпучего материала; b) обеспечение композиции, включающей содержащий глицерин побочный продукт, полученный в производственном процессе получения сложных эфиров жирных кислот из по меньшей мере одного масла, выбранного из группы, состоящей из растительного масла и животных жиров, и c) нанесение указанной композиции на не агломерированный сыпучий материал в количестве, достаточном для подавления агломерации этого сыпучего материала и его прилипания к поверхностям под воздействием указанной минусовой температуры.
В другом примере реализации данное изобретение представляет собой способ предотвращения образования пыли из сыпучего материала, включающий: a) обеспечение сыпучего материала; b) обеспечение композиции, включающей содержащий глицерин побочный продукт, образованный в производственном процессе получения сложных эфиров жирных кислот из по меньшей мере одного масла, выбранного из группы, состоящей из растительного масла и животных жиров, и c) нанесение указанной композиции на сыпучий материал в количестве, эффективном для смачивания поверхности этого сыпучего материала и существенного предотвращения образования пыли из сыпучего материала.
В другом примере реализации данное изобретение представляет собой способ предотвращения образования пыли на грунтовых дорогах, включающий: a) обеспечение грунтовой дороги; b) обеспечение композиции, включающей содержащий глицерин побочный продукт, образованный в производственном процессе получения сложных эфиров жирных кислот из по меньшей мере одного масла, выбранного из группы, состоящей из растительного масла и животных жиров, и c) нанесение указанной композиции на грунтовую дорогу в количестве, эффективном для смачивания поверхности грунтовой дороги и существенного предотвращения образования пыли на грунтовой дороге.
Подробное описание изобретения
В данном изобретении используют содержащие глицерин побочные продукты реакций трансэтерификации с участием триглицеридов, включая процессы получения биодизельного топлива, с целью предотвращения агломерации и прилипания сыпучих материалов к поверхностям при минусовых температурах, для подавления образования пыли из сыпучих материалов и на грунтовых дорогах. Полученный в качестве побочных продуктов глицерин, полученный, как это описано в настоящем описании, является эффективным в отношении стоимости и «экологически безопасным», то есть неопасным, нетоксичным, биологически разлагаемым, безопасным в отношении окружающей среды, и/или он происходит из возобновляемых источников.
Использующийся в настоящем описании термин «реакции трансэтерификации с участием триглицеридов» относится к расщеплению сложных эфиров триглицеридов, полученных из растительных масел и/или животных жиров, в присутствии основания и моноатомного спирта, например метанола или этанола, с получением моноэфиров жирных кислот, включающих исходные триглицериды.
Триглицериды, основные компоненты животных жиров и растительных масел представляют собой сложные эфиры глицерина, трехатомного спирта, с различными жирными кислотами с различной молекулярной массой, связанными с конкретным жиром или маслом. Наиболее обычные жирные кислоты, источником которых являются природные жиры и масла, включают пальмитиновую, стеариновую и линолевую кислоту. Примеры жиров и масел, применяемых в описанных здесь реакциях трансэтерификации, включают топленый животный жир низших сортов, неочищенное талловое масло, неочищенные растительные масла, сою, горчицу, канолу, кокосовые орехи, семена рапса, пальму, продукты переработки домашней птицы, рыбий жир, использованные масла для жарки и/или сало из уловителей и т.п.
В одном из примеров реализации содержащий глицерин побочный продукт получают из процесса получения биодизельного топлива.
Биодизельное топливо представляет собой топливо более чистого горения, заменяющее дизельное топливо, полученное из природных, возобновляемых источников. Например, биодизельное топливо может включать алкиловые эфиры жирных кислот, применяемые в качестве топлива более чистого горения, заменяющего дизельное, изготовленные из таких источников, как свежие или использованные растительные масла и животные жиры.
Согласно сведениям Американского центра топливных данных Энергетического Департамента США, в настоящее время приблизительно 55% биодизельного топлива производят из рециклируемых отходов жира или масел, включая рециклируемые жиры для жарки. Остальная половина этого производства ограничена растительными маслами, наименее дорогим из которых является соевое масло. Индустрия сои явилась движущей силой коммерциализации биодизельного топлива из-за избытка производственных мощностей, избытка продукта и снижающихся цен. То же самое справедливо для рециклируемого жира и индустрии животных жиров, хотя это сырье является еще менее дорогим, чем соевые масла. Основываясь на объединенных ресурсах обеих отраслей промышленности, имеется достаточно сырья для производства 7,19 миллиардов литров (1,9 миллиарда галлонов) биодизельного топлива.
Биодизельное топливо обычно получают посредством химического процесса, называемого трансэтерификацией, в котором растительное масло или животные жиры превращают в алкиловые эфиры жирных кислот и глицериновые побочные продукты. Жирные кислоты и алкиловые эфиры жирных кислот можно получить из масел и жиров посредством катализируемой основаниями трансэтерификации масла, прямой катализируемой кислотами этерификации масла и превращения масла в жирную кислоту с последующей этерификацией до биодизельного топлива.
Большую часть алкиловых эфиров жирных кислот получают способом с основным катализатором. В общем, в качестве катализатора, используемого для трансэтерификации масла с получением биодизельного топлива, можно применять любое основание, однако в большинстве коммерческих процессов применяют гидроксид натрия или гидроксид калия.
В процессе получения биодизельного топлива масла и жиры можно фильтровать и подвергать предварительной обработке для удаления воды и загрязняющих примесей. Если присутствуют свободные жирные кислоты, их можно удалить или перевести в биодизельное топливо с использованием специальных технологий предварительной обработки, например этерификации, катализируемой кислотами. Затем предварительно обработанные масла и жиры можно смешать со спиртом и катализатором (например, основанием). Используемое для этой реакции основание обычно представляет собой гидроксид натрия или гидроксид калия, растворенный в спирте (обычно этаноле или метаноле), который используют для образования соответствующего алкоксида, при стандартном взбалтывании или перемешивании. Следует заметить, что можно использовать любое пригодное основание. Затем алкоксид можно загрузить в закрытый реакционный сосуд и добавить масла и жиры. Затем систему можно закрыть и выдержать приблизительно при 71°С (160°F) в течение периода приблизительно от 1 до 8 часов, хотя для некоторых систем рекомендуют, чтобы реакции протекали при комнатной температуре.
После завершения реакции молекулы масла (например, триглицериды) гидролизованы и получают два основных продукта: 1) фазу сырых алкильных эфиров жирных кислот (то есть фазу биодизельного топлива) и 2) фазу глицеринового побочного продукта. Обычно фаза сырых алкильных эфиров жирных кислот образует слой поверх более плотной фазы глицеринового побочного продукта. Поскольку фаза глицеринового побочного продукта является более плотной, чем фаза биодизельного топлива, эти две фазы можно разделить гравитационным способом. Например, фазу глицеринового побочного продукта можно просто слить из нижней части сосуда для отстаивания. В некоторых случаях можно использовать центрифугу для того, чтобы ускорить разделение этих двух фаз.
Фаза глицеринового побочного продукта обычно состоит из смеси глицерина, метиловых эфиров, метанола, отстоя и неорганических солей и воды. Отстой представляет собой «органическое вещество, не являющееся глицерином». Отстой обычно состоит из разных видов мыла, свободных жирных кислот и других примесей.
Метиловые эфиры и метанол обычно присутствуют в количестве приблизительно от 0,01 до 5%.
Типичные неорганические соли включают, например, соли (например, хлориды и сульфаты) натрия, калия и/или кальция. В одном из примеров реализации побочные продукты могут содержать приблизительно от 0,01 до 15 мас.%, неорганических солей. В одном из примеров реализации эти неорганические соли выбирают из хлорида натрия, хлорида калия, хлорида кальция и их смесей.
В одном из примеров реализации содержащий глицерин побочный продукт включает приблизительно от 45 до 90 мас.%, глицерина, приблизительно от 5 до 50 мас.%, воды и приблизительно от 0,01 до 15 мас.%, неорганических солей.
Возможно разбавление содержащего глицерин побочного продукта соответствующим разбавителем, чтобы снизить цену обработки квадратного метра поверхности. Предпочтительным разбавителем является вода. Количество разбавителя может меняться в зависимости от условий и может быть определено в данном месте применения, в зависимости от природы сыпучего вещества (грунтовые дороги, штабеля угля, кучи песка и т.п.) и температуры во время применения.
В одном из примеров реализации содержащий глицерин побочный продукт разбавляют приблизительно от 10 до 400 мас.%, воды, в расчете на массу указанного побочного продукта.
Заявители обнаружили, что применение композиций, включающих описанные здесь содержащие глицерин побочные продукты, эффективно предотвращает агломерацию сыпучих материалов и прилипание этих сыпучих материалов к поверхностям при минусовых температурах. Это явление обозначено как «улучшение режима замерзания».
Не ограничиваясь рамками теории, предполагают, что улучшение режима замерзания является результатом ослабления связей между образующимися кристаллами льда из-за глицерина и других примесей, которые содержатся в побочном продукте, тем самым предотвращая агломерацию сыпучего материала с образованием сплошной массы. Таким образом, хотя при обычном применении вода, которая содержится в сыпучем материале, замерзает, этот сыпучий материал не смерзается в сплошную массу.
Таким образом, улучшение режима замерзания отличается от защиты от обледенения, при которой образованный лед превращается в воду за счет снижения температуры замерзания льда, или от противообледенительных мер, при которых агент наносят на поверхность или материал, чтобы предотвратить образование льда, если эта поверхность или материал контактируют путем осаждения. Что наиболее важно, дозировка, необходимая для улучшения режима замерзания, существенно ниже, чем дозировка, необходимая для борьбы с обледенением или в случае применения противообледенительных мер.
В качестве примера, тонна угля может содержать 8% (72,58 кг или 160 фунтов) воды. Для того чтобы понизить температуру замерзания воды до -31,7°С (-25°F), этот уголь следует обработать приблизительно 38,56 кг (85 фунтами) чистого глицерина. В противоположность этому можно эффективно предотвратить агломерацию угля при этой же температуре путем нанесения на не агломерированный уголь композиции, содержащей 0,91-1,36 кг (2-3 фунта) содержащего глицерин побочного продукта, как описано в настоящем описании. Этот пример демонстрирует, что, хотя влага, содержащаяся в угле, обработанном согласно настоящему изобретению, замерзает, уголь остается не агломерированным, и с ним легко можно обращаться, при использовании лишь части дозы, необходимой для защиты от обледенения.
Соответственно, в одном из примеров реализации данное изобретение представляет собой способ предотвращения агломерации сыпучего материала, такого как уголь, древесные стружки, удобрения и заполнители, и для предотвращения прилипания его к поверхностям при минусовых температурах, который включает нанесение на указанный сыпучий материал содержащего глицерин побочного продукта, в то время как этот сыпучий материал находится в не агломерированном состоянии, в количестве, эффективном для предотвращения агломерации этого материала под воздействием указанной минусовой температуры.
Используемый в настоящем описании термин «заполнители» относится к смеси сыпучих минеральных материалов, включая полезные ископаемые и минеральные руды, песок, гравий, фосфаты, кальцинированную соду, каолин, оксид кремния, цемент, железо, таконит, алюминиевый боксит и т.п.
В каком-либо типичном применении, включающем борьбу со смерзанием, этот содержащий глицерин побочный продукт разбавляют водой, чтобы обеспечить композицию, содержащую приблизительно от 20 до 60 мас.%, глицерина.
Например, для того, чтобы предотвратить агломерацию угля, на тонну угля наносят приблизительно от 0,99 до 1,89 л (от 2 до 4 пинт) композиции с содержащим глицерин побочным продуктом. Как было показано, эта доза эффективно ослабляет кристаллы льда, чтобы предотвратить агломерацию при погоде с минусовой температурой.
Эту композицию наносят на сыпучий материал, в то время как он находится в не агломерированном, свободно перетекающем состоянии, например, разбрызгивая ее на этот материал, в то время как материал падает из лотка (желоба), или его транспортируют на конвейере.
В некоторых примерах реализации данную композицию наносят на сыпучий материал в дозировке приблизительно от 200 до 1400 г глицерина на тонну сыпучего материала.
Как описано в настоящем описании, данное изобретение обеспечивает эффективную борьбу со смерзанием, предотвращая агломерацию сыпучего материала (например, угля) при замерзании. Неожиданным преимуществом содержащего глицерин побочного продукта являются его способность понижать температуру замерзания. Данное изобретение дает более значительное понижение температуры замерзания, чем это предполагали. Например, 50% водный раствор чистого глицерина замерзает приблизительно при -27,2°С (-17°F). 50% водный раствор предпочтительного состава по данному изобретению замерзает приблизительно при -40°С (приблизительно -40°F). Таким образом, композицию по данному изобретению можно использовать в качестве агента, препятствующего агломерации/прилипанию, и для борьбы с пылью даже в условиях арктической зимы, поскольку эта композиция не будет замерзать при хранении или применении. Равным образом не является необходимым добавлять к этой композиции дополнительные агенты, снижающие температуру замерзания.
В некоторых примерах реализации содержащий глицерин побочный продукт имеет температуру замерзания по меньшей мере примерно -35°С.
Композиции по данному изобретению также способствуют борьбе с пылью благодаря присущим им связывающим и гигроскопическим свойствам. Соответственно, в некоторых примерах реализации данное изобретение обеспечивает способы предотвращения образования пыли из сыпучих материалов, включающие добавление некоторого количества композиции из содержащего глицерин побочного продукта, эффективного для смачивания поверхности сыпучего материала и предотвращения образования пыли.
Эта композиция может быть пригодна для применения для любого сыпучего материала, способного образовывать пыль при его перемешивании, транспортировании или обработке.
В некоторых примерах реализации данный сыпучий материал выбирают из угля, древесных стружек, удобрений, почвы, грунта и заполнителя.
В других примерах реализации данное изобретение обеспечивает способы предотвращения образования пыли на грунтовых дорогах, включающие добавление композиции содержащего глицерин побочного продукта в количестве, эффективном для смачивания поверхности дороги и предотвращения образования пыли.
Термин «грунтовые дороги» относится к немощеным поверхностям, включая дороги, проходы, тропинки, места для парковки автотранспорта и т.п., и замощенные поверхности, описанные выше, содержащие способное образовать пыль количество сыпучего материала, например грунта, песка, гравия и т.п.
В применениях по борьбе с пылью содержащий глицерин побочный продукт обычно разбавляют водой, чтобы обеспечить композицию, содержащую приблизительно от 20 до 80 мас.% глицерина.
В примерах реализации, связанных с борьбой с пылью, композицию наносят на сыпучий материал в дозировке приблизительно от 200 до 2400 граммов глицерина на тонну сыпучего материала.
Для применения на грунтовых дорогах данную композицию можно наносить на дорогу в дозировке приблизительно от 239 до 1196 граммов глицерина на квадратный метр (от 200 до 1000 граммов глицерина на квадратный ярд) поверхности дороги.
Изложенное выше можно понять лучше со ссылкой на последующие примеры, которые представлены для целей иллюстрации, а не ограничения объема данного изобретения.
Пример 1: Борьба с пылью
Неочищенный раствор глицерина получают в процессе синтеза биодизельного топлива. В этом примере реализации компонент неочищенного глицерина содержит приблизительно 80 мас.% глицерина, приблизительно 10-11 мас.% воды, около 7 мас.%, хлорида натрия и приблизительно 1-2 % масс. жирных кислот и их метиловых эфиров. Этот продукт разбавляют 100 мас.% воды с получением 40% раствора неочищенного глицеринового побочного продукта. Эту композицию наносят на грунтовую дорогу в дозировке 1,13 литра на квадратный метр (одна кварта на квадратный ярд).
Разбавленный неочищенный глицерин является высокоэффективным для снижения образования пыли при прохождении автомобилей. Образование дорожной пыли предотвращают на четыре недели, до того как потребуется повторное нанесение. Обычной промышленной практикой для борьбы с пылью на дорогах является применение воды или соли. Эти применения являются эффективными, но они действуют только в течение от часа до нескольких дней до того, как потребуется повторное применение. Обработка в соответствии с данным изобретением может продержаться в течение недель.
Кроме того, этот разбавленный продукт удерживает температуру замерзания приблизительно на уровне -28,8°С (приблизительно -20°F). Для сравнения, температура замерзания 40% раствора чистого глицерина в воде составляет приблизительно -17°С (приблизительно 1°F). Таким образом, разбавленный продукт по данному изобретению в высокой степени применим для использования при температурах ниже нуля, для подавления образования пыли и/или для борьбы со смерзанием сыпучих продуктов, например угля, как описано выше.
Пример 2: Борьба со смерзанием
Композицию содержащего глицерин побочного продукта Примера 1 наносят на не агломерированный уголь в открытом вагоне с использованием распылительного сопла, которое наносит композицию, в то время как уголь проходит на ленте конвейера и загружается в этот открытый вагон. Применяют уровень дозировки приблизительно от 0,99 до 1,89 л (от 2 до 4 пинт) материала, нанесенного на тонну угля.
Затем этот уголь доставляют на электростанции при температурах ниже нуля в течение зимних месяцев, куда он прибывает в не агломерированном состоянии; его можно легко выгрузить из открытых вагонов и применять на электростанциях.
В то время как настоящее изобретение описано выше в связи с представительными или иллюстративными примерами реализации, эти примеры реализации, как предполагают, не являются исчерпывающими или ограничивающими это изобретение. Скорее, предполагают, что это изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, включенные в сущность и объем изобретения, как они определены в прилагаемой формуле изобретения.