Производство нефтяных битумов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Производство нефтяных битумов

Битумы являются с давних пор одним из наиболее известных инженерно-строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства использовались уже на заре цивилизации. В настоящее время области использования битумов чрезвычайно широки: дорожное строительство, изготовление кровельных материалов, строительство зданий и сооружений, для изоляции трубопроводов, применение в лакокрасочной и кабельной промышленности, для заливочных аккумуляторных мастик и др.

Битумы принято классифицировать по назначению на дорожные, кровельные, изоляционные, строительные и специальные.

В наибольшем объёме (около двух третьих от общего выпуска) выпускаются дорожные битумы, которые подразделяются на вязкие, предназначенные для выполнения основных дорожно-строительных работ, и жидкие трёх классов (быстрогустеющие - БГ, густеющие со средней скоростью - СГ и умеренно густеющие - МГ), предназначенные для удешевления дорожного строительства. Жидкие битумы готовят путём разжижения вязких битумов жидким нефтепродуктами (керосины, соляры и др.) с добавление ПАВ. Далее по количеству потребления идут кровельные битумы, которые подразделяются на пропиточные и покрывные. Значительную долю от общего выпуска составляют битумы, применяемые преимущественно в качестве гидроизоляционного материала. Изоляционные битумы используются в основном для изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии.

Элементарный состав битумов:

углерод - 80 - 85%;

водород - 8 - 11%;

кислород 0,2 - 4%;

сера - 0,5 - 7%;

азот - 0,2 - 0,5%, а также металлы (никель, ванадий, железо, натрий).

Они представляют сложную коллоидную систему, состоящую из асфальтенов, высокомолекулярных смол и масел: асфальтены придают твёрдость и высокую температуру размягчения; смолы повышают цементирующие свойства и эластичность; масла являются разжижающей средой, в которой растворяются смолы и набухают асфальтены.

Твёрдые битумы характеризуются показателями: твёрдостью - глубиной проникновения стандартной иглы (пенетрацией), температурой размягчения, растяжимостью в нить (дуктильностью), температурой хрупкости, адгезией, а также потерей массы при нагревании и изменением пенетрации после него, температурой вспышки и реологическими свойствами.

Свойства жидких битумов определяются вязкость, фракционным составом, качеством остатка после отгона фракции до 360С (глубиной проникновения иглы, растяжимостью).

Пенетрация характеризует глубину проникновения в битумы стандартной иглы при определённых условиях (при 25⁰С, нагрузке 1000 Н, прилагаемой в течение 5с). Она составляет (40 - 60) х0,1 мм.

Температура размягчения определяется по методу «кольцо в шаре» (К и Ш), колеблется от 25 до 150⁰С.

Растяжимость (дуктильность) битума характеризуется расстоянием, на которое его образец можно вытянуть при определённых условиях в нить до разрыва.

Температура хрупкости - это температура, при которой плёнка битума, нанесённая на стальную пластинку, даёт трещину при изгибе этой пластинки (от - 2 до - 30⁰С). Чем ниже эта температура, тем выше качество битума, Окисленные битумы имеют меньшую температуру хрупкости, чем остаточные битумы той же пенетрации.

Вязкость битумов наиболее полно характеризует их консистенцию при различных температурах применения. При максимальной температуре применения вязкость должна быть как можно выше.

Адгезию (прилипание) оценивают по степени покрытия битумом поверхности частиц щебня или гравия после обработки образца в кипящей воде.

Адгезионная способность битума зависит от его химического состава: а присутствии парафина она снижается, поэтому его содержание ограничивается (не более 5%). С повышением молекулярной массы асфальтенов, входящих в состав битумов, адгезионные его свойства улучшаются.

Для производства нефтяных битумов используют три основных способа:

1) концентрирование ТНО (тяжёлые нефтяные остатки) путём их перегонки под вакуумом (остаточные битумы);

2) окисление кислородом воздуха различных ТНО (окисленные битумы);

3) компаундирование остаточных и различных ТНО (компаундированные битумы).

Битумы вырабатываются в основном их тяжёлых нефтяных остатков: гудронов, мазутов тяжёлых нефтей, асфальтов деасфальтизации, крекинг - остатков и др. Оптимальным сырьём для производства битумов являются остатки из асфальто-смолистых нефтей нафтенового или нафтено-ароматического основания. Чем выше в нефти отношение асфальтенов к смолам и ниже содержание твёрдых парафинов, тем лучше качество получаемых из них битумов и проще технология их производства. Нефти, из остатков которых вырабатывают битумы должны быть хорошо обессолены. Наличие сернистых и других гетеросоединений в сырье не ухудшает товарных свойств битумов.

При окислении ТНО часть масел превращается в асфальтены. В результате количество смол практически остаётся неизменным, а соотношение А/С и (А+С)/М приближается к оптимальным.

Наибольшее распространение получило производство окисленных битумов.

Основными факторами процесса окисления (окислительной дегидроконденсации) являются температура, расход воздуха, давление.

Чем выше температура окисления, тем быстрее протекает процесс. Но при слишком высокой температуре ускоряются реакции образования карбенов и карбоидов, что недопустимо.

Чем больше вводится в зону реакции воздуха, тем меньше времени требуется для окисления (то есть кислород является инициатором процесса). При слишком большой подаче воздуха температура в реакционной зоне может подняться выше допустимой. Так как реакция окисления экзотермическая, то изменением расхода воздуха можно регулировать температуру процесса.

С повышением давления в зоне реакции процесс окисления интенсифицируется и качество окисленных битумов улучшается благодаря конденсации части масляных паров. В частности, повышается пернетрация битума при одинаковой температуре его размягчения. Обычно давление колеблется от 0,3 до 0,8 МПа.

Основным аппаратом установок непрерывного действия для производства битума является либо трубчатый реактор, либо окислительная колонна.

Окислительные колонны предпочтительны для производства дорожных битумов, трубчатые реакторы - в производстве строительных битумов. Отдельные установки в своём составе имеют оба аппарата.

Технологическая схема

Если сырьё поступает из резервуаров, то для его нагрева на установке имеются теплообменники и трубчатая печь 1. Если же оно поступает в горячем виде непосредственно с АВТ, тогда сырьё вводят в реактор минуя теплообменники и печь. В реактор колонного типа 6 вводят непрерывно сырьё (с температурой 14 - 200⁰С), сжатый воздух и битум - рециркулят. На верх колонны для регулирования температурного режима и для понижения концентрации кислорода подают водяной пар и воду. Окисление сырья в колонне осуществляется в барбатажном режиме при температуре 240 - 270⁰С.

Поток сырья, направляемый в реакторы змеевикового типа, сначала поступает с температурой 260 - 270⁰С в смеситель 2, где смешивается со сжатым воздухом и битумом - рециркулятом, затем в змеевиковый реактор 3. Процесс окисления сырья кислородом воздуха начинается в смесителе 2 в пенном режиме и продолжается в змеевике реактора 3. Для съёма тепла экзотермической реакции окисления в межтрубное пространство реактора 3 вентилятором подаётся воздух. Смесь продуктов окисления из реактора 3 поступает в испаритель 4, в котором газы отделяются от жидкости. Отработанный воздух, газообразные продукты окисления, пары нефтепродуктов и воды направляются через конденсаторы - холодильники (воздушного охлаждения) в сепаратор 5. С верха сепаратора несконденсировавшиеся газы и пары направляются в печи дожига. Конденсат, так называемый «чёрный соляр», используется как котельное топливо. Целевой продукт установки - битум - после охлаждения направляется в приёмники - битумораздаточники. Выход дорожных окисленных битумов на сырьё составляет около 98% масс., а строительных - 94 - 96% масс.

Комбинированное применение на одной битумной установке реакторов 2-х типов позволяет одновременно получать различные марки битумов, более полно использовать тепло реакции и отходящих потоков.

битум адгезионный адгезионный строительный

Принципиальная технологическая схема установки получения окисленного битума с реакторами колонного и змеевикового типа: 1 - печь; 2 - смеситель; 3 - змеевиковый реактор; 4 - испаритель; 5 - сепаратор; 6 - окислительная колонна; 7 - сепаратор смешения; I - сырье; II - сжатый компрессором воздух; III - воздух на охлаждение змеевикового реактора; IV - битум; V - черный соляр; VI - газы в печь; VII - водяной пар; VIII - вода