Что такое битум, способы получения

Что такое битум, способы получения.

Би́тумы — твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы нерастворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95—1,50 г/см3.

Классификация

Природные битумы — полезные ископаемые органического происхождения с первичной углеводородной основой. К ним относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления. По составу, зависящему от состава исходных нефтей и условий их преобразования, условно подразделяются на несколько классов: мальты, асфальты, асфальтены, кериты и антраксолиты. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески).

Искусственные (технические) битумы — это остаточные продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами.

.      По происхождению: 
• Битумы природные — твердые органические вещества или вязкие жидкости темно-коричневого или черного цвета, которые образовались в процессе естественной окислительной полимеризации нефти. Редко встречаются в чистом виде, чаще в осадочных горных породах. 
• Битумы нефтяные (искусственные) — получают путем переработки нефтяного сырья. 

2.      По типу сырья: 
• Битумы торфяные — выделяются из торфа при помощи органических растворителей и их смесей.  
• Битумы угольные — получаются из некоторых видов угля также при помощи органических растворителей. В дальнейшем из угольного битума выделяют воск и смолы для производства клеев и лакокрасочных материалов. 
• Битумы нефтяные делятся так: 
- битумы остаточные (продукт атмосферно-вакуумной перегонки нефти);  
- битумы окисленные (получены путем окисления нефтяных остатков); 
- битумы компаундированные (получены путем смешения нефтяных остатков). 

3.      По назначению: 
• Битумы дорожные — используются для производства асфальтобетонных смесей, дорожных мастик и битумных эмульсий.  
• Битумы кровельные — делятся на пропиточные и покровные. Пропиточные битумы используются для гидроизоляции покрытий и других конструкций. Покровные битумы применяются для производства материалов для крыш (битумная черепица, рубероид, пергамин). 
• Битумы изоляционные — используются для гидроизоляции материалов (металлоизол, гидроизол, стеклоизол, битумная мастика). 

Для битумов характерны такие физические свойства, как атмосферостойкость, гидрофобность, повышенная деформативность, растворимость в органических растворителях, размягчение при нагревании. Важным химическим свойством битумных материалов является их устойчивость к воздействию агрессивной среды, они устойчивы к действию щелочей.  
Все эти свойства и обусловили применение битумов в производстве антикоррозионных, гидроизоляционных и кровельных материалов, мазута и смазочных масел. Также, битум нашел широкое применение в дорожном и гидротехническом строительстве. Битум хорошо совмещается с резиной и полимерами, что способствовало значительному расширению области применения, а также существенному улучшению качества органических вяжущих веществ в соответствии с запросами современного строительства.

Способы получения битума:

Изобретение относится к области нефтепереработки. Способ включает вакуумную перегонку мазута при остаточном давлении верха колонны 20-30 мм рт.ст. с получением утяжеленного гудрона. Затем разделяют полученный утяжеленный гудрон на два потока, окисляют часть потока кислородом воздуха при температуре 220-230°C с получением продукта, характеризующегося глубиной проникания иглы при 25°C 35-45·0,1 мм. Далее компаундируют окисленный продукт со второй частью утяжеленного гудрона в соотношении от 90:10 до 70:30 до получения продукта с глубиной проникания иглы при 25°C 40-200·0,1 мм. Полученный битум обладает повышенными эксплуатационными характеристиками, в частности, повышенной температурой хрупкости после прогрева, которая характеризует морозоустойчивость асфальтобетонной смеси, и повышенной растяжимостью после прогрева, которая обеспечивает прочность и водостойкость асфальтобетонной смеси.

Изобретение относится к области нефтепереработки, в частности к способу получения битума. Наиболее широко распространенным способом получения битума является процесс окисления тяжелых остатков нефтепереработки. Качество получаемого битума определяется природой и соотношением компонентов тяжелого остатка, которые зависят от состава исходной нефти, условий процесса ректификационного ее разделения на дистиллятные фракции и тяжелый остаток, условий окисления последнего, а также объема и природы углеводородных добавок, вводимых как в окисляемое сырье, так и в окисленный продукт.

Известен способ получения битума, включающий вакуумную перегонку мазута с получением утяжеленного гудрона, смешение утяжеленного гудрона с модифицирующими добавками и окисление подготовленного гудрона кислородом воздуха при повышенной температуре с получением целевого продукта. При этом при вакуумной перегонке мазута получают утяжеленный гудрон с содержанием парафиновых углеводородов не более 2% мас. и парафино-нафтеновых углеводородов не менее 20% мас. и окислению подвергают 80-90% подготовленного гудрона при температуре 240-270°C. Оставшееся количество подготовленного гудрона вводят в целевой продукт. В качестве модифицирующих добавок используют концентраты полициклических ароматических углеводородов, являющихся продуктами переработки нефти (Пат. РФ 2235109, C10C 3/04, опубл. 27.08.2004).

Недостатком данного способа является, во-первых, то обстоятельство, что для получения утяжеленного гудрона подходит не любой мазут, а лишь такой, который может обеспечить при его вакуумной перегонке содержание парафиновых углеводородов не более 2% мас., а парафино-нафтеновых - не менее 20% мас. Получение такого гудрона представляет собой весьма сложную техническую задачу, поскольку требует, во-первых, проведения детального структурно-группового состава исходного мазута, затем, в соответствии с результатами этого анализа, выбор технологических параметров процесса вакуумной ректификации, а затем вновь анализ структурно-группового состава утяжеленного гудрона. Если еще учесть отсутствие твердо установленных зависимостей между технологическими параметрами процесса вакуумной ректификации и изменением структурно-группового состава в ходе ее проведения, то становится понятным, что предлагаемый в аналоге процесс весьма трудноуправляем и не может обеспечить стабильного качества получаемых продуктов. Другим недостатком известного способа является то, что получаемые согласно ему продукты обладают недостаточной стабильностью при старении, которая характеризуется показателями после прогрева (5 часов, 163°C), а именно эти показатели в конечном счете определяют качество дорожного покрытия и являются вследствие этого особо важными. Причина этого заключается в том, что окисление подготовленного гудрона проводится согласно аналогу до получения продуктов с неоптимальным уровнем пенетрации при 25°C 56-110·0,1 мм. Кроме того, согласно примерам аналога, 2 из 4 марок битума (БДД 90/130 и БДД 40/60) получены окислением подготовленного гудрона без последующего компаундирования с ним, что не позволяет обеспечить высокий уровень качества битума, особенно в части стабильности при старении (т.е. долговечность). Еще одной причиной этого является то обстоятельство, что согласно аналогу не регламентируется давление в колонне вакуумной ректификации, что приводит к образованию значительных количеств карбенов и карбоидов за счет протекания неуправляемых термических процессов, ухудшающих качество битума. Согласно предложенному способу, контроль за составом гудрона осуществляется лишь по трем показателям: содержанию парафинов, парафино-нафтенов и полициклических ароматических углеводородов, что в сумме составляет лишь около 40% от массы гудрона, и что явно недостаточно для контроля за сырьем окисления.

Наиболее близким (прототип) к заявляемому техническому решению является способ получения битума, включающий вакуумную перегонку мазута с получением утяжеленного гудрона при остаточном давлении верха колонны 30-50 мм рт.ст., смешение полученного утяжеленного гудрона с сырьевыми органическими добавками, представляющими собой продукты переработки нефти, в соотношении от 80:20 до 98:2, окисление полученной смеси кислородом воздуха при температуре 230-270°C до получения продукта, характеризующегося глубиной проникания иглы при 25°C 35-45·0,1 мм. Затем окисленный продукт компаундируется со смесью утяжеленного гудрона и сырьевой органической добавки, которая именуется подготовленным гудроном, в соотношении от 80:20 до 90:10 до получения продукта с глубиной проникания иглы при 25°C 50-200·0,1 мм. (Пат. РФ 2276181, C10C 3/04 опубл.10.05.2006, Бюл. №13).

Недостатком данного способа является то обстоятельство, что в составе товарного битума по предлагаемой технологии невозможно обеспечить оптимальное содержание ароматических углеводородов. Дело в том, что ароматические углеводороды, входящие в состав сырья окисления, являются весьма реакционноспособными веществами и активно окисляются в окислительной колонне. В потоке же подготовленного гудрона, поступающего на компаундирование с продуктом окисления для получения товарного битума, содержится лишь около 30% мас. ароматических углеводородов, в связи с чем с компаундирующим потоком неизбежно введение в состав битума нецелевых компонентов, снижающих качество товарного продукта.

Задачей изобретения является разработка способа получения битума, отличающегося повышенными эксплуатационными характеристиками, в особенности, после старения, использования мазутов любого структурно-группового состава и повышения эффективности воздействия условий процесса на качество получаемого битума.

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения битума, включающий вакуумную перегонку мазута с получением утяжеленного гудрона при остаточном давлении верха колонны 20-30 мм рт.ст., разделение полученного утяжеленного гудрона на два потока, первый из которых поступает в колонну окисления, а второй смешивается с полученным в этой колонне окисленным гудроном с образованием товарного битума. Массовое соотношение окисленного продукта и утяжеленного гудрона варьируется от 90:10 до 70:30 до получения продукта с глубиной проникания иглы при 25°C 40-200·0,1 мм в зависимости от марки товарного битума. Таким образом оказывается возможным из одного и того же утяжеленного гудрона получать битумы всех возможных марок. Температура окисления поддерживается на уровне 220-230°C. Окисление производят до получения продукта, характеризующегося глубиной проникания иглы при 25°C 35-45·0,1 мм.

Отличие заявляемого технического решения от известного заключается, во-первых, в том, что на смешение с окисленным в колонне продуктом направляется не подготовленный гудрон, представляющий собой смесь гудрона с углеводородной добавкой, а утяжеленный гудрон в необходимом массовом соотношении к окисленному гудрону. Во-вторых, для каждой марки товарного битума регламентируется соотношение гудрона, поступающего на окисление, к гудрону, поступающему на смешение с окисленным гудроном, что повышает возможности эффективного регулирования качества получаемого битума.

Это позволяет, независимо от структурно-группового состава исходного мазута после компаундирования окисленного продукта с утяжеленным гудроном в массовом соотношении от 90:10 до 70:30 до получения продукта с глубиной проникания иглы при 25°C 40-200·0,1 мм гарантированно получать товарный битум с улучшенной растяжимостью и повышенными показателями качества после старения. Регламентация соотношения потоков, направляемых на окисление и на смешение с окисленным гудроном, позволяет получить товарный продукт с необходимым уровнем пенетрации для каждой марки битума. Это обеспечивает высокую управляемость процесса и стабильность качества битума. Весьма важным представляется соблюдение такого технологического параметра, как остаточное давление верха вакуумной колонны, равное 20-30 мм рт.ст. Более низкое по сравнению с прототипом остаточное давление дает возможность получить из мазута дополнительное количество вакуумного газойля - ценного сырья каталитического крекинга, и позволяет получить гудрон с условной вязкостью при 80°C ВУ80 70-80с, в то время, как при остаточном давлении верха вакуумной колонны, равном 30-50 мм рт.ст. получается гудрон с BУ80 30-70с. Другое отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что процесс окисления производится при более низкой температуре 220-230°C по сравнению с 230-270°C по прототипу. Это оказывается возможным, поскольку в гудроне с ВУ80 70-80с содержится в 1,3 раза больше асфальтенов и тяжелых полициклических ароматических соединений, для образования которых и требуется высокая температура при окислении низковязких гудронов. Таким образом, значительная часть компонентов, обычно образующихся в процессе окисления и обеспечивающих высокую растяжимость, уже содержится в исходном гудроне. С другой стороны, в гудроне с BУ80 70-80с содержится на 20% меньше парафино-нафтеновых углеводородов, снижающих растяжимость. Кроме того, скорость окисления гудронов с ВУ80 70-80с в 2-2,5 раза выше, чем скорость окисления гудронов BУ80 30-70с. Все это позволяет снизить температуру окисления до 220-230°С. Это приводит как к снижению энергозатрат, так и обеспечивает более высокое содержание ароматических углеводородов, поскольку они наиболее активно (обычно с конверсией до 60%) вступают в реакцию окисления. Тот факт, что они в достаточном количестве содержатся в окисленном гудроне, делает возможным исключить стадию введения высокоароматизированных продуктов в окисленный гудрон и, тем самым, существенно упростить процесс.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами (Таблица).

Примеры 1-4 осуществляются в условиях согласно прототипу.

Пример 5. Мазут, полученный при переработке западно-сибирских нефтей, нагревают в трубчатой печи до 400°C и подвергают вакуумной перегонке при остаточном давлении 20 мм рт.ст. Отобранный из куба колонны утяжеленный гудрон обладает следующими физико-химическими характеристиками:

1. Плотность при 20°C, г/см3	0,970
2. Температура размягчения  по КиШ, °C	40
3. Вязкость условная при 80°C, с	80
4. Температура вспышки, °C	255
5. Пенетрация при 25°C, 0,1 мм	460

 

Полученный утяжеленный гудрон поступает в окислительную колонну, где происходит процесс окисления в следующих условиях:

1. Температура, °C

- сырья на входе в  колонну	180-210
- воздуха	50
- верха колонны	200
- низа колонны	220-230

 

2. Расход, м3/час

- сырья	35
- воздуха	1700-2100

 

3. Выход битума на сырье, % мас. 99

4. Время пребывания массы  в окислительной колонне 1,0 час.

Получаемый после окисления продукт имеет следующие характеристики:

Пенетрация при 25°C, 0,1 мм	42
Температура размягчения по КиШ, °C	55

 

Окисленный продукт компаундируется многократной циркуляцией при температуре 100-150°C. Массовое соотношение окисленный продукт:утяжеленный гудрон равно 90:10. Получаемый битум имеет показатели качества, приведенные в таблице.

Примеры 6-12: способ осуществляют при технологических параметрах, аналогичных примеру 5. Условия получения битума и качество товарного продукта приведены в таблице. Примеры 5-12 позволяют получать улучшенные битумы, превосходящие по качеству битумы, полученные по способу согласно прототипу. В первую очередь, это касается таких показателей, как качество битума марки БНД 60/90 по растяжимости при 25°C после прогрева.