Технологическое описание промышленного получения окисленного битума

Битум дорожный включает в себя: 5 марок от БНД (битум нефтяной дорожный)-200/300 до БНД-40/60 и 4 марки БН (битум нефтяной) от БН-200/300 до БН 40/60, где числитель и знаменатель дроби – это допустимые пределы изменения показателей пенетрации для данной марки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

Показатели  качества дорожных битумов

Наименование	БНД 130/200	БНД 90/130	БНД 60/90	БНД 40/60
I. Глубина проникания иглы 0,1мм :              при 25 °С при 0 °С, не менее   2. Температура  размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже   3.Растяжимость, см., не менее при 25 °С при 0 °С   4. Температура   вспышки, оС,  не ниже   5. Температура  хрупкости, °С, не выше   6. Изменение  температуры размягчения  после  прогрева,  оС, не более   7.Индекс пенетрации	131-200 35     40     70 6,0   220   -18     6   от  –1  до  +1	91-130 28     43     65 4,0   230   -17     5   от –1  до  +1	61-90 20     47     55 3,5   230   -15     5   от  –1  до  +1	40-60 13     51     45 -   230   -12     5   от  –1  до  +1

 

Битум строительный состоит из:

- 3 марок: Битум  БН-50/50;Битум БН-70/30 и БитумБН-90/10, где числитель – показатель  температуры размягчения, а знаменатель  – среднее значение пределов  изменения показателя пенетрации – для общестроительных работ;

Таблица 2

Показатели  качества строительных битумов марок  БН

Наименование	БН 70/30	БН 90/10
1. Глубина проникания  иглы при 25 °С, 0,1мм   2. Температура  размягчения по кольцу и шару, °С   3. Растяжимость, при 25 °С см., не менее   4. Растворимость, %, не менее   5. Изменение  массы после прогрева, %, не более   6. Температура   вспышки, оС, не ниже   7. Массовая доля  воды	21-40   70-80   3,0   99,50   0,50   240   следы	5-20   90-105   1,0   99,50   0,50   240   следы

 

- марок БНК  (битум нефтяной кровельный)-45/180; БНК-90/40 и 90/30, а также БНК-45/190, где  числитель – показатель температуры  размягчения, а знаменатель –  среднее значение показателя  пенетрации – для кровельных  работ;

 

Таблица 3

Показатели  качества строительных битумов марок БНК

Наименование	БНК 40/180	БНК 45/190
1. Глубина проникания  иглы при 25 °С, 0,1мм    2. Температура  размягчения по кольцу и шару, °С   3. Растворимость  в толуоле или хлороформе, %, не  менее   4. Изменение  массы после прогрева, %, не более   5. Температура   вспышки, оС, не ниже   6. Массовая доля воды, не более   7. Массовая доля парафина, %, не более   8.Индекс пенетрации   9.Глубина проникания иглы  при 25 °С  в остатке после  прогрева, % от первоначальной величины, не менее	160-210   37-44   99,50   0,80   240   следы   -   -   60	160-220   40-50   99,50   0,80   240   следы   5,0   от 1,0 до 2,5   60

 

- битумов БНИ  (битум нефтяной изоляционный) марок  БНИ-IV-3, БНИ-IV и БНИ-V – для работ по изоляции поземных трубопроводов с целью защиты их от коррозии.

Таблица 4

Показатели  качества строительных битумов марок  БНИ

Наименование	БНИ - IV	БНИ -V
1. Температура  размягчения, °С   2. Глубина проникания  иглы 0,1мм :                  при 25 °С при 0 °С, не менее   3. Температура   вспышки, оС, не ниже   4. Растяжимость, при 25 °С, см, не менее   5. Изменение  массы после прогрева, %, не более   6.Водонасыщаемостьза 24 ч., %, не более	75-85     25-40 12   250   3   0,5   0,10	90-100     20-40 9   240   2   0,5   0,10

 

Кроме указанных  марок, существуют и жидкий битум  дорожный. Он обладает незначительной вязкостью и используется в дорожном строительстве в составе асфальтобетона при необходимости его укладки при пониженных температурах наружного воздуха. Жидкие битумы производятся путем смешивания вязких битумов БНД с дистиллятными фракциями-разжижителями, которые постепенно испаряются после укладки дорожного покрытия. Жидкий битум применяется редко в связи с его пожароопасностью и повышенным вредом для окружающей среды.

Поскольку битумы не обладают техническими характеристиками, соответствующими современным требованиям, то на их основе выпускаются битумно-полимерные мастики различного назначения. В состав мастик, кроме нефтяного битума, входят модифицирующие и полимерные добавки и пластификаторы, что позволяет мастикам значительно превосходить битум строительный, и дорожный по основным характеристикам, в частности: эластичности, гибкости, адгезии к бетону и металлу, долговечности, термостойкости и морозоустойчивости. Область применения битумно-полимерных мастик в дорожном строительстве весьма широка, они используются для герметизации швов и трещин покрытий автодорог, для устройства деформационных швов в мостовых сооружениях. [3]

 

 

3. 5 СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМА

Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина) смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки после отбора более легких по массе фракций — гудрон, крекинг — в дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных битумов заданных свойств. В настоящее время нефтяные битумы получают при атмосферно-вакуумной перегонке нефти (остаточные битумы); окислением нефтяных остатков (окисленные битумы) и смешением остатков, образующихся при перегонке нефти (компаундированные битумы).

В промышленности битумы получают: глубоким отгоном  масляных фракций из гудрона (остаточные битумы); окислением гудронов кислородом воздуха, крекинг-остатков или экстрактов от селективной очистки масел и их смесей (окисленные битумы). Остаточные битумы — мягкие легкоплавкие продукты, окисленные — эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг-остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства.

Непосредственно битум получают несколькими способами, при которых применяются различные  схемы производства битума. Наиболее распространенный способ – продувка воздухом гудронов, в результате чего получается окисленный битум. Повсеместная распространенность такого битума определяется экономичностью аппаратов непрерывного действия, участвующих в процессе производства. Также битум (остаточный и осажденный) получают в результате вакуумной перегонки мазутов и деасфальтизации гудронов пропаном. Кроме того, используют и компаундирование битумов, полученных с помощью разных процессов.

Для производства нефтяных битумов используют процессы вакуумной перегонки, окисления  и деасфальтизации. Сырьем вакуумной перегонки обычно является мазут; для окисления и деасфальтизации применяют гудрон. Товарные битумы получают как непосредственный продукт того или иного процесса либо компаундированием продуктов разных процессов, либо одного и того же процесса. Качество готовых битумов зависит в первую очередь от качества сырья, а для окисленных битумов еще и от температуры, продолжительности окисления и расхода воздуха.

Гудро́н (фр. goudron) — остаток, образующийся в результате отгонки из нефти при атмосферном давлении и под вакуумом фракций, выкипающих до 450—600 °C (в зависимости от природы нефти).

Выход гудрона  — от 10 до 45 % от массы нефти. Гудрон — вязкая жидкость или твердый  асфальтоподобный продукт черного  цвета с блестящим изломом. Содержит парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды (45-95 %), асфальтены (3-17 %), а также нефтяные смолы (2-38 %), адсорбируемые силикагелем из деасфальтизированного продукта.

Зольность гудрона  обычно менее 0,5 %. Элементный состав (в % по массе): 85-87 С, 9,3-11,8 Н, 0,2-6,3 S, 0,2-0,7 N, 0,08-1,25 О.

Кроме того, в  гудроне концентрируются практически  все присутствующие в нефти металлы; так, содержание ванадия может достигать 0,046 %, никеля — 0,014 %.

В зависимости  от природы нефти и степени  извлечения газойлевых фракций плотность гудрона составляет от 0,95 до 1,03 г/см³, коксуемость от 8 до 26 % по массе, температура плавления 12—55 °C, температура вспышки от 290—350 °C, плотность – 0,95 – 1,03. Гудрон используют для производства дорожных, кровельных и строительных битумов, малозольного кокса, смазочных масел, мазута, горючих газов и моторного топлива.

Кислый гудрон — это отходы, которые образуются при очистке некоторых нефтепродуктов (например, смазочных масел) концентрированной  серной кислотой; вязкая жидкость черного цвета, содержащая наряду с органическими веществами 15-70 % серной кислоты.

Основным сырьём для производства битума в нашей  стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки  масляных фракций и др.

Различают три основных способа получения  нефтяных битумов:

1. Концентрированием нефтяных остатков путём перегонки их в вакууме получают остаточные битумы. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырьё с большим содержанием асфальтосмолистых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжёлых высокосмолистых сернистых нефтях. В процессах вакуумной перегонки и деасфальтизации получают остаточные и осаждённые битумы. Главное назначение этих процессов – извлечение дистиллятных фракций для выработки моторных топлив – в случае первого, подготовка сырья для производства базовых масел (начальный этап) – в случае второго. В то же время побочные продукты этих процессов – гудрон перегонки и асфальт деасфальтизации – соответствуют требованиям по сырью в производстве битумов или их используют в качестве сырья в производстве окисленных битумов.

2. Окислением кислородом воздуха различных нефтяных остатков и их композиций при температуре 180 – 300 0С (окисленные битумы). Окисление воздухом позволяет существенно увеличить содержание асфальтосмолистых веществ, наиболее желательного компонента в составе битумов. Для производства окисленных битумов БашНИИНП предложено классифицировать нефти по содержанию (%, мас.) в них асфальтенов (А), смол (С) и твёрдых парафинов (П).

Основным процессом  производства битумов является окисление  – продувка гудронов воздухом. Окисленные битумы получают в аппаратах периодического и непрерывного действия. Последние  более экономичные и простые  в обслуживании. Принцип получения окисленных битумов основан на реакциях уплотнения при повышенных температурах в присутствии воздуха, приводящих к увеличению концентрации асфальтенов, способствующих повышению температуры размягчения битумов, и смол, улучшающих адгезионные и эластичные свойства товарного продукта. 
Аппараты, используемые в производстве битумов – трубчатые реактора или окислительные колонны. При получении строительных битумов предпочтительны первые, дорожных – вторые.

3. Смешением различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов между собой получают компаундированные битумы. Остаточные битумы – мягкие легкоплавкие продукты, окисленные – эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг-остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства. [4]

 

3. 6 ХИМИЗМ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ОКИСЛЕННОГО БИТУМА

Битумы представляют собой сложною смесь углеводородов  нефти и их гетеропроизводных различного строения, не выкипающую при традиционных температурах перегонки.

Состав битумов  и соотношение в нем отдельных  компонентов определяют его коллоидную структуру и реологические характеристики. В свою очередь, коллоидная структура  битума обуславливает его технические свойства, характеризующиеся условными показателями качества, определяемыми в стандартных условиях.

Битумы состоят  из асфальтенов, смол и масел. Сумму  масел и смол называют мальтенами.

К маслам принято  относить парафиновые  соединения нормального и изостроения, нафтеновые структуры и ароматические соединения. Масла снижают твёрдость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость.

 Смолы это  высокомолекулярные органические  соединения циклической структуры высокой степени конденсации, связанные между собой алифатическими цепями. Смолы придают битуму твёрдость, пластичность и растяжимость.

Асфальтены  – это концентрат наиболее высокомолекулярных соединений нефти, рассматриваемые  как продукты  уплотнения смол.

Соотношение компонентов  битума значительно влияет на его  свойства.

С химической точки  зрения битумы представляют собой сложную  смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы. Элементный состав битумов примерно следующий         (% масс): углерода 80-85;  водорода 8,0-11,5;  кислорода 0,2-4,0;  серы 0,5-7,0;  азота       0,2-0,5.