Производство битумов

 
 
 
 
Производство нефтяных битумов является одним из термических процессов  нефтепереработки. Основные параметры  термических процессов, влияющие на ассортимент, материальный баланс и  качество получаемых продуктов, - качество сырья, давление, температура и продолжительность  термолиза (термического процесса).  
 
 
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). Нефть считается пригодной для производства окисленных битумов, если выполняется условие: 
 
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. 
 
 
1.5.2. Технология  
 
Остаточные битумы вырабатывают из мазутов с высокой концентрацией асфальтосмолистых веществ вакуумной перегонкой как остаток этой перегонки. Напомним, что мазут является остатком от атмосферной перегонки нефти. 
Более подробно остановимся на окислении гудронов или остаточных битумов кислородом воздуха. Основными параметрами процесса являются температура, расход воздуха и давление.  
Чем выше температура, тем быстрее протекает процесс окисления, но при слишком высокой температуре ускоряется образование карбенов и карбоидов, которые предают битумам нежелательную повышенную хрупкость. Обычно температуру поддерживают на уровне 250 – 280 ⁰С. 
Чем больше расход воздуха, тем меньше требуется времени на окисление. При чрезмерно большом расходе воздуха температура в окислительной колонне может возрасти выше допустимой. Поэтому расход воздуха является основным регулирующим параметром для поддержания нужной температуры. Общий расход воздуха зависит от химического состава сырья и качества получаемого битума и составляет от 50 до 400 м³ / т битума. 
Давление в зоне реакции при его повышении интенсифицирует процесс, и качество окисленного битума улучшается. В частности, повышается пенетрация битума при неизменной температуре размягчения. Обычно давление колеблется от 0,3 до 0,8 МПа.  
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 
Основным аппаратом является окислительная колонна диаметром 3400 мм и высотой 21 500 мм. 
Технологический режим процесса следующий: 
температура, ⁰С: 
сырья на выходе из печи …………………… 180 – 250 
в окислительной колонне, не выше ……….. 290 
битума на выходе из холодильника ……….. 170 – 200 
налива битума в цистерны …………………. 170 – 180 
давление в окислительной колонне, МПа …….. 0,3 – 08 
расход воздуха, м³ / т битума ………………….. 50 – 400 
тепловой эффект процесса, кДж / кг битума ….. 168 – 502 
содержание кислорода в газообразных 
 продуктах окисления, % …………… 3 -11 
отношение рециркулят : сырьё ………………… 6 : 1 
 
Наконец, третий способ получения битумов – это компаундирование. Способ этот является завершающей стадией получения битумов и использует в качестве компонентов как битумы, полученные в виде остатков вакуумной перегонки, так и окисленные битумы. Кроме того, одними из важных компонентов компаундов являются экстракты селективной очистки дистиллятных масел и деасфальтизаты, так как, являясь концентратом полициклической многокольчатой ароматики, они придают битуму эластичность и хорошую растяжимость. 
Технологический режим такой установки: 
температура, ⁰С: 
сырья на входе в установку ……………………. 100 – 120 
окисления в реакторах …………………………. 260 
битума после холодильников ………………….. 170 
давление, МПа: 
воздуха на входе в смесители ………………….. 0,9 
смеси на входе в реактора ……………………… 0,8 
расход воздуха, м³ / м³  продукта …………………… 100 – 150 
отношение рециркулят : сырьё ………………………. 6 : 1 
 
Мощность установок производства битума – от 120 до 500 тыс. т / год. Материальный баланс подобной установки переработки смешанного сырья приведён в таблице ниже.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Назначение – получение битумов различных сортов и марок. Для производства битумов применяются следующие способы:

• Глубокая вакуумная перегонка (получаемый при этом продукт называется остаточным битумом);
• Окисление нефтепродуктов воздухом при высокой температуре (с получением так называемых окисленных битумов
• Компаундирование остаточных и окисленных битумов.

Ниже рассматривается  процесс производства битумов окислением тяжелых нефтяных фракций.

Сырье и продукция. Сырьем являются остатки атмосферно-вакуумной перегонки нефти (гудроны), побочные продукты производства масел (асфальты и экстракты). Наилучшим сырьем считаются остатки высокосмолистых, малопарафинистых нефтей, наихудшим – остатки высокопарафинистых нефтей, поскольку при окислении этих продуктов образуется большое количество асфальтенов и карбенов, вследствие чего битум становится хрупким и неэластичным.

Продукцией являются:

• дорожные битумы, применяемые в дорожном строительстве для приготовления асфальтобетонных смесей;
• кровельные битумы, используемые при изготовлении кровельных покрытий и различных изделий;
• строительные битумы, используемые при выполнении различных строительных работ, в частности, для гидроизоляции фундаментов зданий;
• специальные битумы, используемые в различных отраслях промышленности.

Технологическая схема. Окисление остатков проводится как периодическим (в кубах), так и непрерывным (в трубчатых реакторах и окислительных колоннах) способом. Воздух подается с помощью компрессоров или вращающихся диспергаторов (при получении битумов бескомпрессорным методом на установках малой мощности).

Установка состоит из двух блоков – на первом получают строительные, на втором - дорожные вязкие битумы. Гудрон через печь П-1 поступает в емкость  Е-1, а затем в смесителях М-1 и  М-2 контактирует с воздухом и рециркулирующим окисленным продуктом и далее смесь направляется в трубчатые реакторы первого блока Р-1, Р-2. Продукты окисления из реакторов переходят в испаритель К-1, где происходит отделение газообразной фазы от жидкой. Газы (воздух, пары отгона, окислы углерода и серы) через холодильник Х-1 направляются в сепаратор К-3. Из К-3 выводятся несконденсировавшиеся газы окисления – на сжигание в печь П-3, отгон – через холодильник Х-5 с установки.

Окисленный продукт с  низа испарителя К-1 частично возвращается в смесители М-1 и М-2 на рециркуляцию, а балансовый избыток откачивается в емкости Е-3 – Е-6. Из емкостей строительный битум поступает на розлив в крафт-мешки и автобитумовозы.

Дорожные битумы получают окислением асфальта деасфальтизации по схеме, аналогичной описанной выше (смесители М-3 и М-4 - реакторы Р-3 и Р-4 - испаритель К-2). Окисленный продукт из испарителя К-2 подается в смеситель М-5 на компаундирование с поверхностно-активными веществами и экстрактом селективной очистки масел, а затем попадает в емкости Е-7 – Е-14. Если на предприятии отсутствуют асфальты и экстракты (НПЗ топливного профиля), то дорожные битумы получают окислением гудрона.

Дорожные вязкие битумы разливаются  из емкостей Е-7, Е-8 в железнодорожные  цистерны, бункерные полувагоны и  автобитумовозы. Для получения дорожных жидких битумов вязкие битумы в смесителе М-6 смешиваются с разжижителем – керосино-газойлевой фракцией.

Технологический режим:

Температура, °С:
Сырья на входе на установку	100-120
Окисления в Р-1 – Р-4	260
Битума после Х-2, Х-3, Х-4	170
Давление, кг/см2
Воздуха на входе в смесители	9
Смеси на входе в Р-1 –  Р-4	8
Расход воздуха, м3/ м3 продукта	100-150
Отношение рециркулят: сырье	6:1

 

 

 

Интересные факты  о битуме.

Битум — аморфное вещество, то есть в твёрдом состоянии проявляет  свойства жидкости. Чтобы доказать это, в 1927 г. сотрудник Квинслендского университета Томас Парнелл поместил битум в воронку и стал ждать, когда он капнет. Эксперимент удался: первая капля упала через восемь лет, за что Парнелл и удостоился Шнобелевской премии.