Производство битумов
Реферат
по дисциплине: «Теория
процессов переработки
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
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.
- 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
Наилучшим сырьем для производства
битума служат остаточные продукты переработки
тяжелых смолисто-
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
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.
- 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.
- Характеристики получаемых битумов
Современный битум – это
в большинстве случаев
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
Изоляционные свойства битума широко используются при производстве рулонных гидроизоляционных материалов.
Битумы представляют собой
сложную смесь
Характерно, что с увеличением
содержания серы в битуме повышаются
его плотность (рис. 1) и коэффициент
рефракции его масляного
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
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.
Асфальтены рассматриваются как продукт уплотнения смол. В свободном виде они представляют собой твердые неплавящиеся хрупкие вещества черного или бурого цвета. В отличие от других компонентов битумов они нерастворимы в насыщенных углеводородах нормального строения (С5—С7), а также в смешанных полярных растворителях — спирто-эфирных смесях и низкокипящих спиртах, в нефтяных газах (метане, этане, пропане и др.), но легко растворимы в жидкостях с высоким поверхностным натяжением более 24 дин/см (24 мн/м) — бензоле и его гомологах, сероуглероде, хлороформе и четыреххлористом углероде.
Смолы при обычной температуре — это твердые вещества красновато-бурого цвета. Их плотность 0,99— 1,08 г/см^3 (990-1080 кг/м^ 3 ). Смолы являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Они относятся к структуры высокой степени конденсации, соединенным между собой алифатическими цепями.
В их состав входят кроме углерода (79—87%) и водорода (8,5—9,5%) кислород (1—10%), сера (1—10%), азот (до 2%) и много других элементов, включая металлы (Fe, Ni, V, Cr, Mg, Со и др.) . Молекулярный вес смол 300—2500. Химический состав асфальтенов вследствие его сложности изучен недостаточно. Предложено несколько типов полициклических структур как основных звеньев молекул смол и асфальтенов.
Технология получения битумов существенно влияет на их состав. Так, содержание смол в битумах одной и той же температуры размягчения, полученных непрерывным окислением сырья в колонном аппарате и в змеевиковом реакторе, ниже, а содержание асфальтенов и масел несколько выше, чем в битумах, полученных окислением того же сырья в периодическое кубе. Отличаются также структура компонентов и свойства готовых битумов, полученных различными способами.
Смешением различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов между собой получают компаундированные битумы.
Остаточные битумы
– мягкие легкоплавкие
- Схема химической реакции
В начальный период окисления свободные радикалы образуются при взаимодействии исходного углеводорода с растворенным в нем кислородом:
RH, O2 → R.
Радикал R присоединяет к себе молекулу кислорода и превращается в перекисный радикал RO2 , который далее отрывает атом водорода от молекулы углеводорода и образует гидроперекись и свободный радикал R, продолжающий цепь. Обрыв цепей (уничтожение свободных валентностей) происходит в результате взаимодействия двух свободных радикалов. В процессе окисления накапливается гидроперекись, молекулы которой сравнительно медленно распадаются на радикалы:
ROOH → RO+ OH.
В целом механизм цепного окисления углеводородов может быть представлен:
RH O2 R (зарождение цепей)
R +
O2 → RO2
RO2 + RH→ ROOH + R
ROOH →RO+OH (вырожденное разветвление)
R + R → R R
RO2 + R → ROOR (обрыв цепей)
RO2+ RO2 → ROH + R1 COR2 + O2
- Описание механизма реакции
Широкое развитие вторичных процессов и использование их остатков в качестве сырья для производства битумов является предпосылкой для развития процессов окисления в промышленном производстве битумов. Процесс окисления сырья при получении битумов протекает по радикально цепному механизму. Кислород при взаимодействии с органическим соединением отщепляет водород или внедряется в молекулу, или то и другое одновременно. При этом происходит образование свободных радикалов и гидроперекисей в качестве промежуточных продуктов. Возникает цепная реакция. Обрыв цепей происходит в результате рекомбинации радикалов. Одновременно протекает множество реакций: окислительное дегидрирование, деалкилирование, окислительная полимеризация, поликонденсация, крекинг с последующим уплотнением его продуктов. Наиболее реакционноспособными являются нефтяные углеводороды (масла), в процессе окисления они превращаются в основном в двух направлениях:
Рисунок 1. Схема окисления углеводородов
Образование в процессе окисления смол и асфальтенов в значительной мере определяет свойства полученного битума. В зависимости от природы и консистенции сырья меняется качество окисленного битума. Окисленные битумы лучших сортов получают из остатков высокосмолистых малопарафинистых нефтей, главным образом из гудрона.
- Способы получения битумов
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
2. Окислением кислородом
воздуха различных нефтяных
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 –
5.1 Теоретические основы производства остаточных битумов
Остаточные битумы
вырабатывают из мазутов с
высокой концентрацией
Технология производства остаточных битумов основана на концентрации тяжелых нефтяных остатков путем вакуумной перегонки. При вакуумной перегонке, являющейся наиболее известным и широко применяемым в настоящее время за рубежом способом, если нагревание остатков не превышает 300 С, преобладают процессы отгонки более легких углеводородов и концентрация асфальто-смолистых составляющих. Показателем этих изменений служит увеличение доли асфальтенов и появление карбенов и карбоидов.
Сырьем для производства остаточных битумов служат мазуты и гудроны, получаемые из различных нефтей, преимущественно содержащих значительное количество смол и асфальтенов. Температура плавления остаточного битума при данном сырье зависит от глубины отгона от него масляных фракций. Основное количество нефтяных битумов получается окислением смолистых нефтяных остатков.
Затраты на производство
остаточных битумов минимальны
в сравнении с любыми другими
технологиями. По затратам на
производство стоимость
Существенным недостатком
процесса производства
5.2 Теоретические основы окисления кислородом воздуха различных нефтяных остатков
Основными параметрами процесса являются температура, расход воздуха и давление.
Чем выше температура,
тем быстрее протекает процесс
окисления, но при слишком
Чем больше расход
воздуха, тем меньше требуется
времени на окисление. При
Давление в зоне
реакции при его повышении
интенсифицирует процесс, и
Принципиальная схема получения окисленного битума показана на рисунке ниже.
Рисунок 1
Принципиальная схема установки получения окисленных битумов
1 – окислительная колонна; 2 – отпарная колонна (промежуточный сепаратор); 3 – сборник соляра (сепаратор); 4 – скруббер; 5 – печь; 6 – теплообменник; 7 – насосы;
потоки: I - гудрон, II – лёгкие продукты окисления с отработанным воздухом, III – битум на отпарку, IV – готовый битум, V – пары стабилизации битума, VI – отработанный воздух, VII – очищенный отработанный воздух, VIII – свежий воздух, IX - соляр, X - вода, XI – загрязнённая нефтепродуктом вода, XII – водяной пар, XIII – рециркулят
5.3 Теоретические основы компаундирования
Наконец, третий способ
получения битумов – это
Мощность установок производства битума – от 120 до 500 тыс. т/год. Материальный баланс подобной установки переработки смешанного сырья приведён в таблице ниже.
Компаундирование широко применяют при производстве строительных битумов. Дорожные битумы хорошего качества с высокими пенетрацией, растяжимостью при 0° С и низкой температурой хрупкости получают компаундированием переокисленного компонента и разжижителей.
Рассмотрим варианты получения компаундированных битумов.
1. Производство битумов по методу переокисление – разбавления. Для повышения пластичности битумов, получаемых из сырья с большим содержанием отходов масляного производства, на Новокуйбышевском НПЗ используется один из вариантов метода переокисления – разбавления . Получение так называемой переокисленной основы – фактически строительного битума БН -осуществляют в нетеплоизолированной колонне, в которую подают гудрон с температурой 240° С и воздух. Температура окисления составляет 260° С. Для уменьшения взрывоопасности в верхнюю часть колонны подают водяной пар. Битум из колонны откачивают через теплообменник, в котором температура продукта снижается до 200° С, частично в емкости готовой продукции, частично – в кубы.
В кубы закачивают также асфальт и экстракт. После перемешивания воздухом компаунд отгружают в качестве дорожного битума. Определенное неудобство при работе по такой схеме представляет периодичность процесса смешения компонентов дорожного битума.
2. Производство битумов переокислением – разбавлением – перегонкой. В настоящее время высокопарафинистые нефти не используют для получения дорожных битумов на НПЗ топливного профиля. Потенциальным сырьем битумного производства на таких заводах могут быть только гудроны, из которых при окислении получаются битумы с неудовлетворительной дуктильностью.
Основной причиной неудовлетворительной дуктильности битумов является относительно низкое содержание ароматических углеводородов в конечном продукте. Невысокое содержание ароматических углеводородов в битумах, получаемых из высокопарафинистых нефтей, объясняется, прежде всего, недостаточным содержанием этих углеводородов в исходном сырье. Кроме того, при переработке сырья происходит дальнейшее снижение содержания соединений с ароматической структурой. В связи с этим, предложено проводить предварительное окисление части легкого высокопарафинистого сырья с тем, чтобы в какой-то степени перевести ароматические углеводороды в более высококипящие соединения, которые при последующей перегонке не выкипали бы, а оставались в остатке, что позволило бы увеличить дуктильность битумов .

- Производство битумов
- Производство блоков из пеностекла
- Производство блоков из пеностекла
- Производство бутилкаучука сополимеризацией бутадиена и стирола
- Производство важнейших неорганических продуктов и охрана окружающей среды. Каустическая сода
- Производство важнейших неорганических продуктов и охрана окружающей среды. Каустическая сода
- Производство валяной обуви
- Производство батона нарезного
- Производство безводного и десятиводного сульфата натрия
- Производство бетона
- Производство бетонных работ в зимнее время
- Производство бетонных работ в зимних условиях
- Производство биогаза
- Производство битумов