Производство битумов в России

Содержание.

Введение

1. Технологическая часть.
2. Расчетная часть.

Выводы.

Введение.

Битум с давних пор является 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, применение в лакокрасочной и кабельной промышленности, строительство зданий и сооружений, прокладку трубопроводов и др.

В соответствии с большой потребностью выпуск битума в промышленно развитых странах достигает больших размеров.

Основным сырьем для производства битумов в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций. Однако, природные битумы используют незначительно.

Производство нефтяных битумов  осуществляют разными способами: продувкой гудронов воздухом (окислением), перегонкой мазутов с глубоким отбором дистиллятов, деасфальтизацией гудронов пропаном. Широко применяют также компаундирование продуктов различных процессов.

В процессах вакуумной перегонки  и деасфальтизации получают остаточные и осажденные битумы. Главное назначение этих процессов — извлечение дистиллятных фракций для выработки моторных топлив и деасфальтизации — подготовка сырья для масляного производства. В то же время побочные продукты этих процессов — гудрон перегонки и асфальт деасфальтизации — соответствуют требованиям на битум или их используют в качестве компонентов сырья при производстве окисленных битумов.

Основным процессом производства битумов в нашей стране является окисление — продувка гудронов воздухом. Окисленные битумы получают в аппаратах периодического и непрерывного действия, причем доля битумов, полученных в аппаратах непрерывного действия, — более экономичных и простых в обслуживании — постоянно увеличивается. Среди аппаратов непрерывного действия наиболее эффективными являются пустотелые колонны с разделенными секциями реакции и сепарации прореагировавших фаз.

Каждый из процессов имеет свои особенности, заключающиеся в неодинаковой степени решенности характерных проблем, к числу которых нужно отнести уровень энергетических, материальных и трудовых затрат, а также соответствие требованиям экологии и охраны труда. Свойства битумов зависят как от технологии производства, так и от природы исходной нефти. Это позволяет получать битумы, различающиеся по качеству и пригодные для применения в разнообразных областях.

Потенциальная возможность получения высококачественных битумов из нефтей разной природы (сернистых или парафинистых) реализуется лишь при правильном определении не только вклада того или иного процесса в общую технологическую схему производства, но и последовательности их проведения.

В соответствии со способами производства битумы разделяют на окисленные, остаточные, осажденные и компаундированные. Классифицируют битумы и по областям применения.

В наибольшем объеме выпускаются дорожные битумы, которые подразделяются на вязкие (ГОСТ 22245—76), предназначенные для выполнения основных дорожно-строительных работ, и жидкие (ГОСТ 11955—74), предназначенные для удлинения сезона дорожного строительства. Далее по количеству потребления битумов идет кровельная промышленность, и кровельные битумы (ГОСТ 9548—74) подразделяются на пропиточные (для пропитки кровельной основы) и покровные (для создания покровного слоя). Значительная доля битумов используется в строительных работах; это — строительные битумы (ГОСТ 6617— 76). Кроме того, выпускают высокоплавкие мягчители (ГОСТ 781—78) для резинотехнической и шинной промышленности, специальные битумы (ГОСТ 21822-^76) для резинотехнической, шинной и электротехнической отраслей промышленности, изоляционные битумы (ГОСТ 9812—74) для изоляции трубопроводов и битумы для заливочных аккумуляторных мастик (ГОСТ 8771—76).

1. Технологическая часть.
1. Производство битумов в России.

Мировые мощности по производству нефтебитумов в 2001 г. составляли 111,5 млн.т. Доля России составляет 9,1% (2 место) мировой мощности производства нефтебитумов.

В статье «Применение остатков вторичной переработки нефти в качестве компонентов дорожных битумов» журнала «Нефтехимия и нефтепереработка» говорят, что перед нефтеперерабатывающим комплексом страны остро стоит вопрос увеличения глубины переработки нефти и качественного использования тяжелых нефтяных остатков и приводят следующие данные: глубина переработки нефти на отечественных НПЗ не превышает 70%, тогда как среднее значение этого показателя в странах ЕС — 85%, США — 94% [].

На состояние и развитие битумного производства в России оказывает существенное влияние  ряд специфических факторов:  
• первый из них - сезонность выработки битумов основных марок - дорожных, связанная с четко определенными периодами выполнения дорожно-строительных работ и порождающая проблемы для непрерывно функционирующих нефтеперерабатывающих предприятий

• второй фактор - небольшое  различие цены продукта (битума) и сырья  и сложность проведения технологических  операций с таким высоковязким и  низкозастывающим продуктом, как битум.

• третий фактор - неконтролируемый разброс показателей качества поступающего на переработку сырья.

По данным Центрдорконтроля РДА о том, что около 50% ежегодно выпускаемых дорожных битумов не соответствует требованиям нормативных  документов, прежде всего ГОСТ 22245—90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». 

Кроме того, в связи с  огромной территорией России и неравномерным  размещением на ней нефтеперерабатывающих  предприятий в современных условиях транспортные расходы составляют значительную долю в стоимости битумов и  без того являющихся наиболее дорогой  составляющей в цене готового асфальтобетонного  покрытия.

Большинство российских нефтеперерабатывающих  заводов не заинтересовано в получении  высококачественных битумов: во-первых, российские НПЗ перерабатывают легкие западносибирские нефти с высоким  содержанием светлых нефтепродуктов - до 60%. Светлые нефтепродукты в  четыре раза дороже битумов, и именно они определяют экономику нефтеперерабатывающего завода. А повышение качества выпускаемых  битумов связано с дополнительными  затратами при низком экономическом  эффекте. Во-вторых, свойства массовых западносибирских нефтей не дают возможности  выпуска высококачественных битумов.

Следствием указанных  причин является ситуация, при которой 50 % дорожных битумов не отвечают требованиям  ГОСТ 22245-90. При этом требования ГОСТа  давно не удовлетворяют потребителя.

Сегодня дорожники в своем  стремлении к повышению долговечности  дорог стоят перед дилеммой: покупать битумы за рубежом, при этом транспортные расходы будут весьма велики, или строить специализированные НПЗ по производству битума с использованием в качестве сырья специальных «тяжелых нефтей». Очевидно, что второй путь предпочтительней.

Низкое качество дорожных битумов по ГОСТ 22245-90 – неудовлетворительная, недостаточная для условий России трещиностойкость, эластичность, адгезия  – является одной из главных причин преждевременного разрушения дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий. Это приводит к неоправданно высоким затратам на ремонты, а следовательно, сдерживает развитие сети автомобильных  дорог в России с твердым покрытием. Кроме того, плохим качеством дорог  обусловлены 25% ДТП, 25% дополнительных расходов по моторесурсу и 30% дополнительного  расхода топлива.

Только комплексный подход к решению данной проблемы позволит вывести производство битумов на современный уровень. Такой подход включает:

• улучшение качества сырья  для битумного производства за счет оптимизации его группового химического  состава, введения активирующих добавок, использования активирующего воздействия  энергетических полей (например, ультразвука, виброполя);

• оптимизацию работы узла окисления за счет увеличения межфазной  поверхности окисления и времени  контакта фаз (это достигается не только активированием сырья, но и модернизацией  конструкции маточника и узла ввода сырья);

• создание блока компаундирования битума с сырьем с целью расширения ассортимента марок дорожных битумов  и исключения отрицательного воздействия  утяжеления сырья на качество получаемой продукции;

• создание блока введения полимерных добавок для модифицирования  свойств битумов, что позволит организовать производство вяжущих для строительства  автомагистралей 1 категории;

• автоматизация как процесса окисления, так и процессов компаундирования битумов с сырьем с одновременной  заменой устаревшего оборудования;

• внедрение в практику дорожного строительства такого перспективного вяжущего материала, как  битумные эмульсии.

Реализация указанных  мероприятий позволит не только повысить качество производимой продукции, но и  придаст производству необходимую  гибкость по ассортименту выпускаемой  продукции.

2. Принципы получения окисленных битумов:

Битумы вырабатывают тремя способами: 1) концентрированием нефтяных остатков перегонкой в вакууме (остаточные битумы); 2) окислением кислородом воздуха при температурах 180 - 300°С нефтяных остатков — мазутов, полугудронов, гудронов, асфальтов деасфальтизации, крекинг-остатков и др. (окисленные битумы); 3) смешением (компаундированием) нефтяных остатков с дистиллятами и остаточными или окисленными битумами (компаундированные битумы).

Основное количество битумов  в мире (от 75 до 80%) вырабатывается окислением. Этот метод заключается в продувке слоя нефтяного остатка определенным количеством технического воздуха  через перфорированный маточник в специальном аппарате либо периодического действия (куб-окислитель), либо колонного  типа с постоянной подачей в колонну  гудрона или другого сырья. В  последнем случае процесс получения  битума непрерывный. При подаче воздуха  в гудрон при температуре 200-300 С  нефтяные углеводороды начинают окисляться, при этом реакции окисления сопровождаются выделением тепла, в результате чего температура в колонне по мере окисления растет.

Процесс окисления органических соединений кислородом воздуха идет путем образования, последовательного превращения и гибели свободных радикалов. Свободные радикалы могут образовываться из молекул исходных веществ при би- и тримолекулярном взаимодействии. Далее происходит последовательное превращение одних свободных радикалов в другие и образование продуктов реакции. Реакция заканчивается обрывом цепи последовательных превращений, представляющим собой, как правило, рекомбинацию радикалов. Процесс ускоряется при введении в систему специальных веществ — инициаторов, легко образующих свободные радикалы. В качестве инициаторов обычно используют пероксиды (перикиси, соединения, в которых атомы кислорода связаны и друг с другом и с атомами более электроположительного элемента - пероксид водорода - Н₂О₂, пероксид бария - ВаО₂). С другой стороны, для замедления процесса вводят добавки иного рода — ингибиторы, которые приводят к обрыву цепей. Наиболее распространенными ингибиторами являются соединения класса фенолов и аминов, а также серосодержащие соединения. При окислении многокомпонентной системы наряду с реакциями окисления, характерными для индивидуальных углеводородов, протекают различные перекрестные реакции продолжения и обрыва цепи.

1. Распределение кислорода в реакциях окисления.

Взаимно действующий с нефтяным сырьем кислород воздуха расходуется в различных реакциях окисления. Часть кислорода образует воду и диоксид углерода, остальное количество химически связывается компонентами сырья; содержание кислорода в битуме составляет 1—2% (масс.). Распределение кислорода между битумом и газом зависит от температуры окисления и природы сырья. При повышении температуры процесса и уменьшении ароматизованности гудрона количество кислорода в окисленном битуме уменьшается.

Установлено, что кислород связывается с молекулами битума в виде гидроксильных, карбонильных, карбоксильных и сложноэфирных групп. В среднем в сложноэфирных группах содержится 60% химически связанного кислорода. Остальные 40% распределены примерно поровну между гидроксильными, карбоксильными и карбонильными группами в битумах, полученных при температуре окисления 150 °С, а в битумах, полученных при 250 °С, на гидроксильные и карбонильные группы приходится приблизительно по 16—18% и на карбоксильные 5—8%. С повышением температуры окисления увеличивается доля кислорода, расходуемого на образование воды. Образование воды связано как с реакциями образования кислородсодержащих функциональных групп, так и с другими реакциями (дегидрирования). Повышение температуры окисления сопровождается возрастанием роли реакций дегидрирования. Повышение температуры сопровождается увеличением содержания диоксида углерода в отходящих газах окисления и, как отмечалось, уменьшением количества карбоксильных групп. Это может быть объяснено меньшей стабильностью карбоновых кислот при высоких температурах. Разложение кислот приводит к увеличению содержания диоксидов углерода в газах. Происходящее при окислении образование молекул с большой молекулярной массой обусловлено в основном реакциями двух типов: связыванием двух молекул через сложноэфирную группу и посредством связи углерод — углерод. Конденсация по первому типу преобладает при низких температурах, по второму — при высоких.