Виготовлення бітумів

1. Характеристика бітумів

Природні недоліки бітумів  поглиблюються та доповнюються вадами, пов’язаними з їх виробництвом на нафтопереробних заводах (НПЗ).

Серед причин випуску неякісних  бітумів можна виділити:

• використання малопридатних легких малосмолистих парафінистих нафт;
• не оптимально підібраними відходами нафтопереробки;
• окислення бітумної сировини не у «м’яких» умовах, при невисоких температурах, а в «інтенсивному» режимі, коли температуру та швидкість подачі повітря піднімають до можливої межі, щоб скоротити час процесу переробки до 4–6 годин при відносному збереженні фізико-механічних властивостей бітуму, що нормуються паспортом.

Як наслідок, отримують  бітуми погіршеної структури, що характеризуються невідповідним співвідношенням  і незадовільним якісним станом складових: асфальтенів, смол, масел, а  також перевищеним вмістом парафінів.

Такі матеріали відзначаються:

• зниженою когезійною міцністю;
• погіршеними деформативними та реологічними характеристиками;
• значною зістареністю та малою довговічністю;
• нестабільністю властивостей при нагріванні до технологічних температур (зокрема різким підвищенням в’язкості та значною втратою у масі);
• технологічними проблемами при застосуванні (кипіння та розбризкування при нагріванні до температури +140°С і вище).

Використання бітумів  погіршеної якості призводить до швидкого старіння покриттів, втрати ними несучої  здатності та руйнування.

В ідеалі дорожні в’яжучі  повинні мати:

• теплостійкість, що обумовлює відсутність колійності на дорожніх покриттях за найвищої температури даного регіону;
• низькотемпературні властивості, що забезпечують роботу покриттів без утворення тріщин за найнижчої для даного регіону температури;
• таку когезійну міцність та еластичність, які б дозволяли дорожнім покриттям максимально тривалий час перебувати в пружній стадії з мінімальними залишковими напругами, і, як наслідок, без виникнення тріщин від утоми матеріалу;
• високу адгезію до кам’яних матеріалів усіх гірських порід, що забезпечує водостійкість дорожніх покриттів, відсутність на них вибоїн та ям;
• високу стійкість до старіння - мінімально змінювати свої властивості під дією технологічних температур та природно-кліматичних факторів;
• властивості, що максимально відповідають спеціальним вимогам різних дорожніх технологій.

 

4. Характеристика бітумного матеріалу та економічна доцільність його використання

За хімічним складом бітуми - складні суміші вуглеводнів та їх неметалевих похідних (сполук вуглецю з сіркою, киснем та азотом). Вони розчинні у сірководні, хлороформі, бензолі та деяких органічних розчинниках та не розчинні у воді. В залежності від вихідної сировини розрізнюють природні (просочуючі гірські породи) та штучні нафтові (які одержуються з нафти різними способами) бітуми. За переважним призначенням бітуми поділяють на дорожні, будівельні, покрівельні, ізоляційні та спеціальні.

За фізико-хімічними властивостями  нафтові бітуми поділяють на марки  за наступними показниками: - в'язкість, розтяжність . В'язкість (твердість або пенетрація) визначаються на приладі пенетрометрі (рис. 4.1) за глибиною проникнення стандартної голки у випробуваний бітум при певній температурі 25 ⁰С та 0 ⁰С, навантаженні 100 г та 200 г відповідно, тривалістю занурення 5 та 60 с.

 

 

 

 

Глибину занурення голки  виражають в градусах, які визначаються за диском пенетрометра, причому кожний градус відповідає зануренню голки  на 0,1 мм.

Визначення виконують  три рази й беруть середнє значення. Дані, одержані при випробуванні, заносять до лабораторного журналу.

Розтяжність (дуктильність) визначають на приладі дуктилометр.

Розплавлений бітум заливається  у форми «вісімки» (рис.4.2), після  охолодження їх витримують у воді при температурі 25 ⁰С протягом 1-1,5 год. Після цього зразки поміщують до дуктилометра та розтягують зі швидкістю 5 см/хв. Величина подовшення зразка в момент розриву (в см) й характеризує розтяжність бітума.

Для бітумів покращених марок  дуктильність визначають і при температурі 0 ⁰С.  

Для кожного виду бітуму виконують три досліди й кінцевий результат беруть як середнє з  трьох визначень.

Дані, одержані при випробуванні, заносять до лабораторного журналу.

З усіх компонентів асфальтобетону бітуми найбільш чутливі до дії транспорту та температури. Тому поліпшення їх міцності та деформативних характеристик  шляхом модифікації полімерами дозволяє суттєво подовжити строк служби  дорожніх покривів.

Однією з основних перешкод широкого застосування  модифікованих  бітумів є їх висока вартість.  Так, модифікація бітумів  ефективними, але дорогими термоеластопластами  підвищує вартість в'яжучого в 1,5 – 2,5 рази.

Комплексне використання різних видів полімерних добавок  для модифікації бітумів дозволяє:

• Знизити вартість модифікованих бітумів за рахунок зміни більш дорогої добавки на дешеву при умові відповідності отриманого в'яжучого вимогам нормативних документів;
• Підсилити дію модифікації за рахунок введення більш ефективного, хоча і більш дорогого модифікатора;
• Надати модифікованому бітуму додаткових властивостей.

При комплексній модифікації  бітумів застосовується такий принцип  підбору добавок. За основу приймається  більш дешева добавка, а для надання  модифікованому бітуму потрібних властивостей вона комбінується з мінімально необхідно. Кількістю більш ефективного  або вузькоспеціалізованого модифікатора.

 

 

 

 

 

 

5. Опис технологічного процесу та фізико-хімічних основ виробництва бітумів

Виробництво нафтових бітумів  є одним з термічних процесів нафтопереробки. Основні параметри  термічних процесів, що впливають  на асортимент, матеріальний баланс і  якість отримуваних продуктів, —  якість сировини, тиск, температура  і тривалість термолізу (термічного процесу).

 Основною сировиною  для виробництва бітуму в нашій  країні є залишкові продукти  нафтопереробки: гудрони, асфальти  деасфальтизації, екстракти селективного  очищення масляних фракцій і  ін

Розрізняють три основних способи одержання нафтових бітумів.

1. Концентрування нафтових  залишків шляхом перегонки їх  у вакуумі отримують залишкові  бітуми. Для отримання залишкових  бітумів може бути використано  тільки сировина з великим  змістом асфальтосмолисті речовин,  які в достатній кількості  присутні у важких високосмолістих сірчистих нафтах. У процесах вакуумної перегонки і деасфальтизації отримують залишкові і обложені бітуми. Головне призначення цих процесів — витягання фракцій дистилятів для вироблення моторних палив — у разі першого, підготовка сировини для виробництва базових масел (початковий етап) — у разі другого. У той же час побічні продукти цих процесів — гудрон перегонки і асфальт деасфальтизації — відповідають вимогам по сировині у виробництві бітумів або їх використовують як сировину у виробництві окислених бітумів.

2. Окисленням киснем повітря  різних нафтових залишків і  їх композицій при температурі  180 — 300 0С (окислені бітуми). Окислення  повітрям дозволяє істотно збільшити  зміст асфальтосмолисті речовин,  найбільш бажаного компоненту  у складі бітумів. Для виробництва  окислених бітумів БашНІІНП запропоновано класифікувати нафти за змістом (%, мас.) У них асфальтенів (А), смол © і твердих парафінів (П). Нафта вважається придатною для виробництва окислених бітумів, якщо виконується умова:

Основним процесом виробництва  бітумів є окислення — продування гудронів повітрям. Окислені бітуми отримують  в апаратах періодичної і безперервної дії. Останні більш економічні і  прості в обслуговуванні. Принцип  отримання окислених бітумів  заснований на реакціях ущільнення при  підвищених температурах у присутності  повітря, що призводять до збільшення концентрації асфальтенів, що сприяють підвищенню температури розм'якшення  бітумів, і смол, поліпшуючих адгезійні і еластичні властивості товарного продукту.

Апарати, використовувані  у виробництві бітумів, — трубчасті  реактора або окислювальні колони. При отриманні будівельних бітумів  переважні перші, дорожніх — другі.

3. Змішанням різних окислених  і залишкових бітумів, а також  нафтових залишків і дистилятів  між собою отримують компаундують  бітуми.

 Залишкові бітуми —  м'які легкоплавкі продукти, окислені  — еластичні і термостабільні. Бітуми, що отримуються окисленням  крекінг-залишків, містять велику  кількість карбенів і карбоїдів, які порушують однорідність бітумів і погіршують їх цементуючі властивості.

 Залишкові бітуми виробляють  з мазуту з високою концентрацією  асфальтосмолисті речовин вакуумною  перегонкою як залишок цієї  перегонки. Нагадаємо, що мазут  є залишком від атмосферної  перегонки нафти.

 Більш докладно зупинимося  на окисленні гудронів або  залишкових бітумів киснем повітря.  Основними параметрами процесу  є температура, витрата повітря  і тиск.

 Чим вище температура,  тим швидше протікає процес  окислення, але при дуже високій  температурі прискорюється утворення  карбенів і карбоїдів, які зраджують бітумів небажану підвищену крихкість. Зазвичай температуру підтримують на рівні 250 — 280 0С.

Чим більше витрата повітря, тим менше потрібно часу на окислення. При надмірно великій витраті  повітря температура в окислювальній  колоні може зрости вище допустимої. Тому витрата повітря є основним регулюючим параметром для підтримки потрібної  температури. Загальна витрата повітря  залежить від хімічного складу сировини і якості одержуваного бітуму і складає  від 50 до 400 м3 / т бітуму.

 Тиск в зоні реакції  при його підвищенні інтенсифікує  процес, і якість окисленого бітуму  поліпшується. Зокрема, підвищується  пенетрація бітуму при незмінній температурі розм'якшення. Зазвичай тиск коливається від 0,3 до 0,8 МПа.

 Принципова схема отримання  окисленого бітуму показана на  малюнку нижче.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.1.Принципова схема установки отримання окислених бітумів

 

 

1 — окислювальна колона; 2 — отпарной колона (проміжний  сепаратор ), 3 — збірка соляру (сепаратор), 4 — скрубер, 5 — піч; 6 — теплообмінник, 7 — насоси;

потоки: I — гудрон, II —  легкі продукти окислення з відпрацьованим повітрям, III — бітум на відпарювання , IV — готовий бітум, V — пари стабілізації бітуму, VI — відпрацьоване повітря, VII — очищений відпрацьоване повітря, VIII — свіже повітря, IX — соляр, X — вода, XI — забруднена нафтопродуктом вода, XII — водяна пара, XIII — рециркулят.

Основним апаратом є окислювальна колона діаметром 3400 мм і висотою 21 500 мм.

Технологічний режим процесу  наступний:

• температура, 0С:
• сировини на виході з печі ... ... ... ... ... ... ... ... 180 — 250
• у окисної колоні, не вище ... ... ... ... 290
• бітуму на виході з холодильника ... ... ... ... 170 — 200
• наливу бітуму в цистерни ... ... ... ... ... ... ... 170 — 180
• тиск в окислительной колоні, МПа ... ... ... 0,3 — 08
• витрата повітря, м3 / т бітуму ... ... ... ... ... ... ... ... 50 — 400
• парниковий ефект процесу, кДж / кг бітуму ... ... 168 — 502
• вміст кисню в газоподібних
• продуктах окислення,% ... ... ... ... ... 3 -11
• ставлення рециркулят: сировина ... ... ... ... ... ... ... 6: 1

Нарешті , третій спосіб отримання  бітумів — це компаундування. Спосіб цей є завершальною стадією отримання  бітумів і використовує в якості компонентів як бітуми, отримані у  вигляді залишків вакуумної перегонки, так і окислені бітуми. Крім того, одними з важливих компонентів компаундів є екстракти селективного очищення дистилятів масел і деасфальтізати, так як, будучи концентратом поліциклічної многокольчатой  ароматики, вони додають бітуму еластичність і хорошу розтяжність.

 Технологічний режим  такої установки:

• температура, 0С:
• сировини на вході в установку ... ... ... ... ... ... ... ... 100 — 120
• окислення в реакторах ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 260
• бітуму після холодильників ... ... ... ... ... ... ... ... 170

тиск, МПа:

• повітря на вході в змішувачі ... ... ... ... ... ... ... ... 0,9
• суміші на вході в реактора ... ... ... ... ... ... ... ... ... 0,8
• витрата повітря, м3 / м3 продукту ... ... ... ... ... ... ... ... 100 — 150
• ставлення рециркулят: сировина ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6: 1