Производство битумов

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине: «Теория  процессов переработки природных  энергоносителей и углеродных материалов»

на тему: «Производство  битумов»

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Введение

1. Характеристики сырья битумов

    1.1 Гудроны

    1.2 Асфальтены

    1.3 Экстракты

2. Характеристики получаемых битумов

3. Схема химической реакции

4. Описание механизма реакции

5. Способы получения битумов

    5.1 Теоретические основы производства остаточных битумов

    5.2 Теоретические основы окисления кислородом воздуха различных нефтяных остатков

    5.3 Теоретические основы компаундирования

6. Основы управления процессом

6.1 Управление процессом  производства остаточных битумов

6.2 Управление процессом  окисления кислородом воздуха  различных нефтяных остатков

6.3 Управление процессом компаундирования

7. Выводы об организации процесса на основе теоретических представлений

    Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Битумы применялись в  качестве строительного материала  еще в глубокой древности. За 3000 лет  до нашей эры в Вавилоне и Ассирии, расположенных в междуречье Тигра  и Евфрата, природный битум использовали в качестве цементирующего и водоизолирующего материала.

Органические вяжущие  вещества делят на две основные группы: битумные и дегтевые.

К битумным материалам относятся  следующие:

Природные битумы — вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводов и их неметаллических производных. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы.

Асфальтовые породы — пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка.

Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного  сырья, в зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего  глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в  специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.

Гудрон — остаток после  отгонки из мазута масляных фракций;

он является основным сырьем для получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве.

К дегтевым материалам относят  различные виды дегтя и пеки.

Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-гражданском  строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материалов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.

Возникла новая отрасль, производящая гидроизоляционные материалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья. Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов осуществляется на полностью механизированных поточных линиях непрерывного действия.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Характеристики сырья битумов

 

Сырьем для производства битумов являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций.

В настоящее время техническое  перевооружение, связанное с увеличением  выпуска основной продукции (моторных и котельных топлив), повлекло за собой уменьшение и утяжеление сырьевых компонентов для производства битума (гудрона, слопа, асфальта), что, безусловно, сказалось как на качестве получаемых битумов, так и уменьшении количества производимого нефтяного битума.

Кроме того, с каждым годом  дефицит нефти становится все  значительнее, что сопровождается  постоянным  повышением  цен на нефть и нефтепродукты. В скором времени нефтяной битум будет  иметь цену, сопоставимую  с высококачественным топливом. В связи с этим  целесообразно  обратить внимание на альтернативное углеводородное сырье и, в частности,  угольные жидкие продукты, которые  по своим качествам сопоставимы  с нефтепродуктами. Одним из вариантов  покрытия дефицитного сырья является получение дорожного битума на основе термического растворения угля.

В качестве растворителя целесообразно  использовать частично нефтепродукты  и в частности, мазут и  нефтяные остатки. Известно, что и мазут  и тяжелые нефтяные остатки содержат ароматические и гидроароматические фрагменты, которые с одной стороны  обеспечивают совместимость нефтепродукта  с углем, с другой стороны являются донорами водорода. При мягком термическом  растворении угля, происходит перераспределение  водорода между угольным веществом  и нефтяными продуктами. Деструкция угольного вещества сопровождается отщеплением парафинов  и их распадом с образованием насыщенных углеводородов  с меньшим молекулярным весом.

Наилучшим сырьем для производства битума служат остаточные продукты переработки  тяжелых смолисто-асфальтеновых  нефтей: гудроны, крекинг - остатки, асфальты и экстракты очистки масел. Чем больше содержание смолистоасфальтеновых компонентов в нефти, чем выше отношение асфальтены: смолы и чем меньше содержание твердых парафинов, тем выше качество получаемых битумов и проще технология их производства. Высокое содержание парафина в нефтях отрицательно сказывается на важнейших эксплуатационных показате-лях битумов: прочность и прилипаемости к минеральным покрытиям. Нефти, из которых получают битумы, должны быть хорошо обессолены.

 

1.1 Гудроны

 

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.

 

Применение: Гудрон используют для производства дорожных, кровельных и строительных битумов, малозольного кокса, смазочных масел, мазута, горючих  газов и моторного топлива.

Кислый гудрон — 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.

 

2. Асфальтены

 

Асфальты образуется из тяжёлых фракций нефти или их остатков в результате испарения её лёгких составляющих и окисления под влиянием гипергенеза. Встречается в виде пластовых жильных залежей, а также пропитанных проницаемых пластов (т. н. закирований) и озёр в зонах естественного выхода нефти на земную поверхность (содержание в породах от 2-3 до 20 %). Твёрдая легкоплавкая масса чёрного цвета с блестящим или тусклым раковистым изломом. Плотность 1,1 г/см³, температура плавления 20-100 °C. Содержит 25-40 % масел и 60-75 % смолисто-асфальтеновых веществ. Элементный состав (%): 80-85 C, 10-12 Н, 0,1-108, 2-3 О. Месторождения асфальта имеются на территории бывшего СССР, в Венесуэле, Канаде, Франции, на о. Тринидад и др. Смешиваясь с минеральными составляющими (песком, гравием и пр.) он превращается в более или менее мощную кору на поверхности больших «нефтяных озёр». Такой асфальт широко распространён в районах неглубокого залегания или выхода на поверхность земли нефтеносных пород и обычно заполняет трещины и каверны в известняках, доломитах и других породах.

 

1.3 Экстракты

 

Экстракты – используются как сырье для производства битумов, технического углерода, являются компонентами сажемаслонаполненных каучуков. Характеристика рафинатов и экстрактов приводится в табл.

 

2. Характеристики получаемых битумов

 

Современный битум – это  в большинстве случаев вещество, полученное промышленным способом, путем  переработки и смешивания нефтепродуктов, разнообразных смол и прочих органических компонентов. Технические качества битума определяются его составом и  способом производства. Различные виды битума имеют разные характеристики по твердости, прочности, эластичности, а также разные температуры перехода от твердого состояния к размягченному. В зависимости от сферы применения и технических характеристик, битум подразделяют на дорожный, строительный, кровельный и изоляционный.

Дорожный битум – наиболее востребованный среди всех перечисленных  видов материал. Распространенность данного вида битумов объясняется  масштабным дорожным строительством. Данный вид битума может быть вязким или жидким. Вязкий используется в качестве основного вяжущего компонента при укладке дорог, а также при их ремонте, – он повышает эластичность и мягкость горячего асфальта, тем самым облегчая его укладку. Жидкий дорожный битум производится с помощью добавления нефтяных растворителей к вязкому. Тип дорожного битума (БН, БНД) выбирается, исходя из климатических особенностей конкретного региона.

Строительный битум широко применяется для выполнения разного  вида работ, в том числе для  гидроизоляции бетонных сооружений, подвалов домов и фундаментов. Пластичность материалов, имеющих в своем составе  битум, позволяет заделывать ими  достаточно широкие трещины (до 0,5 см). Строительный битум применяется, как  правило, в горячем виде. Для того чтобы применять его в холодном виде, он должен иметь форму эмульсии или разбавляться растворителями.

Кровельный битум используется при производстве кровельных материалов. Битум может использоваться как  для покрытия кровельной основы (покровные  битумы), так и для ее пропитки (пропиточные битумы). Покровный  битум может быть простым (сырьевым) или окисленным. Окисленный битум  имеет лучшие характеристики по теплостойкости. Для верхнего слоя кровельных материалов в мире широко используются битумы, модифицированные разнообразными полимерными  добавками. Такое усовершенствование значительно повышает прочность  и долговечность материала, его  тепло- и морозоустойчивость.

Изоляционные битумные покрытия используются в основном для длительной защиты разнообразных труб от коррозии. Мастики на основе битума могут иметь  в своем составе пластификаторы (нефтяные масла, каучук), которые способствуют сохранению эластичности битумной изоляционной мастики при нанесении в условиях низких температур. Добавление в битумные мастики различных порошкообразных  наполнителей – порошка гранита, слюды, измельченной резины, - способствует повышению прочности битумного  изоляционного покрытия.

Изоляционные свойства битума широко используются при производстве рулонных гидроизоляционных материалов.

Битумы представляют собой  сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.). Элементарный состав битумов примерно следующий (в вес.%): углерода 80—85; водорода 8—11,5; кислорода 0,2—4; серы 0,5—7; азота 0,2— 0,5.

Характерно, что с увеличением  содержания серы в битуме повышаются его плотность (рис. 1) и коэффициент  рефракции его масляного компонента (рис. 2)

 

 

 

Для разделения битумов на группы разработано большое число  методов. Наиболее характерными и широко применяемыми в практике являются методы Маркуссона , ГрозНИИ , Н. Фурби , Н.И. Черножукова и Г.А. Тилюпо , С.Р. Сергиенко и сотрудников , О'Доннелля , Л.P. Клейншмидта, А. Бестужева и Д. Баргмана , ВНИИ НП и СоюзДорНИИ . Применяя различные методы разделения битумов и растворители, получают различные результаты по числу групп, их содержанию и структуре. Так, доля асфальтенов, осажденных при помощи петролейного эфира, меньше, чем при использовании н-гептана, и т. д . По методу Маркуссона битумы разделяют на масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Часто пользуются делением битума на асфальтены и мальтены, представляющие собой сумму масел и смол.

Масла снижают твердость  и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость. Элементарный состав масел: углерода 85—88%, водорода 10—14%, серы до 4,5%, а также  незначительное количество кислорода  и азота. Молекулярный вес масел 240—800 (обычно 360—500), отношение С:Н (атомное), характеризующее степень ароматичности, обычно равно 0,55—0,66. Плотность масел меньше 1 г/см ^3 (103 кг/м ^3 ).

Характеристика масляных соединений, входящих в состав битумов, следующая. Парафиновые соединения нормального и изостроения с числом углеродных атомов 26 и более, имеют плотность 0,79-0,82 г/см ^3 (790 — 820 кг/м ^3 ), коэффициент рефракции 1,44—1,47, молекулярный вес 240 — 600, температуру кипения 350 — 520°С, температуру плавления 56—90°С. Нафтеновые структуры содержат от 20 до 35 углеродных атомов, плотность 0,82—0,87 г/см^3 (820-870 кг/м^ 3 ), коэффициент рефракции 1,47—1,49, молекулярный вес 450—650.