Исследование возможности вовлечения продуктов углехимии в производство дорожных битумов
|
Введение 5
1 Литературный обзор 8
1.1 Битумы и их свойства 8
1.2 Требования к битумам 14
1.3 Сырье для производства битумов 18
1.4 Способы улучшения качества битума 20
2 Экспериментальная часть 28
2.1 План эксперимента 28
2.2 Описание технологии термообработки 32
2.3 Анализируемые показатели 35
2.4 Результаты эксперимента 37
2.4.1 Используемые методы анализа и состав образцов 37
2.4.2 Определение пенетрации 38
2.4.3 Определение температуры размягчения 38
2.4.4 Определение растяжимости при 0°С 39
3 Анализ полученных результатов 40
3.1 Сравнительный анализ результатов 40
Заключение 45
Список использованных источников 48
Приложение
1 Литературный обзор 8
1.1 Битумы и их свойства 8
1.2 Требования к битумам 14
1.3 Сырье для производства битумов 18
1.4 Способы улучшения качества битума 20
2 Экспериментальная часть 28
2.1 План эксперимента 28
2.2 Описание технологии термообработки 32
2.3 Анализируемые показатели 35
2.4 Результаты эксперимента 37
2.4.1 Используемые методы анализа и состав образцов 37
2.4.2 Определение пенетрации 38
2.4.3 Определение температуры размягчения 38
2.4.4 Определение растяжимости при 0°С 39
3 Анализ полученных результатов 40
3.1 Сравнительный анализ результатов 40
Заключение 45
Список использованных источников 48
Приложение
Важной частью экономического развития страны является дорожное строительство, и самой актуальной проблемой является улучшение качества дорожного покрытия. На выбор типа покрытия и способа его строительства влияют местные условия, характер автотранспорта и интенсивность движения по дороге. Дорожные покрытия являются сочетанием минеральных наполнителей и битума, в которых битум используется в качестве прочной водонепроницаемой связующей среды. Дорожное строительство осуществляется обработкой битумом дороги и смешением битума с каменным материалом на дороге. Вяжущие материалы выбирают в зависимости от способа строительства дорог, интенсивности движения автотранспорта, климата и различных экономических факторов. В наши дни усилилось техногенное воздействие на автодороги, возросли транспортные нагрузки, часто происходят перепады температур. Все эти факторы ведут к усиленному разрушению покрытий дорожных магистралей. В настоящее время при создании дорожных покрытий используют в качестве связующего различные сорта битума. В России для дорожного строительства традиционно используют марки окисленных битумов нефтяных дорожных (БНД), выпускаемых по ГОСТ 33133-2014.
Одним из недостатков современной нефтепереработки является несоответствие современным требованиям качества дорожных битумов. Ряд испытаний показывает, что 70% дорожных битумов, применяемых для асфальтобетонных смесей, не удовлетворяет требованиям даже старого ГОСТ 22245-90 хотя бы по одному из физико-механических показателей, а новый ГОСТ 33133-2014 включает в себя ряд новых параметров, которые до этого не использовались и не проверялись, следовательно, еще больший процент битумов не удовлетворяет требованиям. Битумы такого качества не позволяют получить дорожные покрытия с нужным комплексом. Это и является одной из причин нестойкости асфальтобетонных покрытий. В связи с этим, основным направлением повышения качества и долговечности дорожных покрытий 5
является модификация битума за счет введения в него различных добавок. Применение такого битума позволяет улучшить основные свойства дорожного покрытия, повысить его однородность, прочность, влагостойкость, стойкость к высоким температурам и так далее [19].
Главная цель модифицирования — получение битумов или материалов на их основе, которые позволяют увеличить интервал пластичности битумов, усилить адгезию к металлическим и минеральным материалам, увеличить устойчивость к старению, обеспечить коллоидную и механическую прочность, расширить рабочий интервал температур, обеспечить экологическую безопасность получения и применения модифицированных битумов. Также необходимо отметить то, что битумы обладают хорошей совместимостью с различными органическими веществами и полимерами, которые способны придать битуму улучшенные свойства. Битум является устойчивой дисперсной системой. Регулировать свойства битумов возможно, изменяя его дисперсную структуру добавками. В результате подбора наилучшего соотношения битум/добавка можно достичь по необходимости улучшения одного или нескольких свойств готового битумного материала. В данной работе рассматривается одна из актуальнейших тем нефтепереработки — это возможность вовлечения продуктов углехимии в производство дорожных битумов. В качестве добавок использовались побочные продукты или отходы нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.
Основной целью данной работы является исследование возможности вовлечения продуктов углехимии в производство дорожных битумов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить теорию о битумах, их свойствах и добавках углехимического происхождения;
- изучить теоретические основы процесса термоокисления;
- собрать установку для термоокисления;
- определить основные показатели, полученных образцов битума;
- провести сравнительный анализ полученных результатов, сделать вывод.
Одним из недостатков современной нефтепереработки является несоответствие современным требованиям качества дорожных битумов. Ряд испытаний показывает, что 70% дорожных битумов, применяемых для асфальтобетонных смесей, не удовлетворяет требованиям даже старого ГОСТ 22245-90 хотя бы по одному из физико-механических показателей, а новый ГОСТ 33133-2014 включает в себя ряд новых параметров, которые до этого не использовались и не проверялись, следовательно, еще больший процент битумов не удовлетворяет требованиям. Битумы такого качества не позволяют получить дорожные покрытия с нужным комплексом. Это и является одной из причин нестойкости асфальтобетонных покрытий. В связи с этим, основным направлением повышения качества и долговечности дорожных покрытий 5
является модификация битума за счет введения в него различных добавок. Применение такого битума позволяет улучшить основные свойства дорожного покрытия, повысить его однородность, прочность, влагостойкость, стойкость к высоким температурам и так далее [19].
Главная цель модифицирования — получение битумов или материалов на их основе, которые позволяют увеличить интервал пластичности битумов, усилить адгезию к металлическим и минеральным материалам, увеличить устойчивость к старению, обеспечить коллоидную и механическую прочность, расширить рабочий интервал температур, обеспечить экологическую безопасность получения и применения модифицированных битумов. Также необходимо отметить то, что битумы обладают хорошей совместимостью с различными органическими веществами и полимерами, которые способны придать битуму улучшенные свойства. Битум является устойчивой дисперсной системой. Регулировать свойства битумов возможно, изменяя его дисперсную структуру добавками. В результате подбора наилучшего соотношения битум/добавка можно достичь по необходимости улучшения одного или нескольких свойств готового битумного материала. В данной работе рассматривается одна из актуальнейших тем нефтепереработки — это возможность вовлечения продуктов углехимии в производство дорожных битумов. В качестве добавок использовались побочные продукты или отходы нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.
Основной целью данной работы является исследование возможности вовлечения продуктов углехимии в производство дорожных битумов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить теорию о битумах, их свойствах и добавках углехимического происхождения;
- изучить теоретические основы процесса термоокисления;
- собрать установку для термоокисления;
- определить основные показатели, полученных образцов битума;
- провести сравнительный анализ полученных результатов, сделать вывод.
Рост количества автомобилей создает сложные условия для эксплуатации автомобильных дорог, особенно эта проблема актуальна на оживленных автомагистралях. Основная проблема, возникающая в связи с высокими осевыми нагрузками и большой интенсивностью движения, - деформация асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, то есть колея.
Модификация битумов - это направленное улучшение их свойств путем совмещения с добавками. Широкое использование модифицированных битумов вместо обычных объясняется их улучшенными свойствами. Введение подходящей добавки придает вяжущему и всему материалу большую тепло- и морозоустойчивость, эластичность, повышенную сопротивляемость усталостным нагрузкам, повышает долговечность. Улучшение качества окисленных битумов, при одновременном повышении производительности окислительных установок, достигнутся за счет порционного введения в окисляемое сырье каменноугольных смол различных производств. Добавки углехимического происхождения, ускоряющие процесс окисления и улучшающие качество образующихся битумов, являются побочными продуктами и отходами производств. В качестве добавок битума наиболее широко используются добавки каменноугольного происхождения - смолы газификации и полукоксования.
Асфальтобетоны, приготовленные с использованием битумов с каменноугольными добавками, имеют высокую устойчивость к деформациям за счет большой эластичности применяемых битумов. Кроме того, они значительно увеличивают срок службы покрытия. Исследования зарубежных ученых показывают, что у битумов, извлеченных из дорожных покрытий, прослуживших более 5 лет, не наблюдается существенных изменений вязкости.
Смола газификации содержит в своем составе значительно больше ароматических углеводородов, чем в смоле полукоксования. Высокая ароматизация структуры смолы газификации подразумевает более высокое 45
содержание асфальтенов, карбонизующихся при дальнейшей термообработке с образованием карбенов.
Смола полукоксования состоит в основном из кислородсодержащих смол, обладающих значительно меньшей молекулярной массой в сравнении с асфальтенами. В сочетании с более полярной и плоской структурой молекул, смола полукоксования обладает меньшей вязкостью, чем смола газификации. Кроме того, при повышении температуры, вязкость сырья с большим содержанием ароматических углеводородов (смолы газификации) будет уменьшаться более плавно.
Термообработка кислородом воздуха способствует усугублению рассмотренных выше закономерностей. Более легкие компоненты смолы полукоксования будут удаляться из реакционной массы при помощи отдувки сырья, а оставшиеся тяжелые молекулы окислятся при контакте с кислородом. В то же время, высокомолекулярные ароматические соединения смолы газификации преимущественно будут вступать в реакции поликонденсации и карбонизации, увеличивая тем самым свою молекулярную массу.
В ходе экспериментальной части было выявлено, что смолы в составе битума улучшают все основные показатели. Так первоначальный показатель пенетрации, который не соответствовал ГОСТ 33133-2014, максимально увеличился в 3 раза при использовании 5%масс. смолы полукоксования. Но так как в ГОСТ 33133-2014 пенетрация для битума 100/130 указана в интервале от 101 мм до 130 мм, то лучше всего использовать для увеличения пенетрации 1% смолу полукоксования, при которой показатель глубины проникновения иглы равен 129 мм. Так же первоначальный показатель температуры размягчения, не соответствовавший ГОСТ 33133-2014, максимально увеличился в 1,8 раз при использовании 5% масс, смолы газификации. Показатель дуктильность уже в исходном битуме удовлетворял ГОСТ 33133-2014, но и он максимально увеличился в 1,2 раза.
Из всех проведенных испытаний следует, что для улучшения качества битума марки 100/130 больше всего пригодна 1% смола полукоксования, так как пенетрация при ней составляет 129 мм, что является верхней границе в интервале данного показателя в ГОСТ 33133-2014. Температура размягчения составляет 57,5°С, что выше, чем в ГОСТ 33133-2014 на 12,5°С, а дуктильность составляет 5,7 см, что выше, чем в ГОСТ 33133-2014 на 1,7 см.
Применение смол при приготовлении вязких дорожных битумов позволяет на 10-15% расширить их сырьевой ресурс. Технология окисления нефтяного сырья с добавками каменноугольных смол несложна и не требует значительного дооборудования производственных баз.
Таким образом, существуют возможности производить действительно качественную битумную продукцию с использованием продуктов углехимии. Для дальнейшей результативной работы в направлении повышения качества отечественных дорог необходимо тесное сотрудничество нефтеперерабатывающей науки и производства с ведущими дорожными научными и строительными организациями, четкая постановка конкретных актуальных задач, совместное участие в отраслевых, региональных и государственных программах.
Модификация битумов - это направленное улучшение их свойств путем совмещения с добавками. Широкое использование модифицированных битумов вместо обычных объясняется их улучшенными свойствами. Введение подходящей добавки придает вяжущему и всему материалу большую тепло- и морозоустойчивость, эластичность, повышенную сопротивляемость усталостным нагрузкам, повышает долговечность. Улучшение качества окисленных битумов, при одновременном повышении производительности окислительных установок, достигнутся за счет порционного введения в окисляемое сырье каменноугольных смол различных производств. Добавки углехимического происхождения, ускоряющие процесс окисления и улучшающие качество образующихся битумов, являются побочными продуктами и отходами производств. В качестве добавок битума наиболее широко используются добавки каменноугольного происхождения - смолы газификации и полукоксования.
Асфальтобетоны, приготовленные с использованием битумов с каменноугольными добавками, имеют высокую устойчивость к деформациям за счет большой эластичности применяемых битумов. Кроме того, они значительно увеличивают срок службы покрытия. Исследования зарубежных ученых показывают, что у битумов, извлеченных из дорожных покрытий, прослуживших более 5 лет, не наблюдается существенных изменений вязкости.
Смола газификации содержит в своем составе значительно больше ароматических углеводородов, чем в смоле полукоксования. Высокая ароматизация структуры смолы газификации подразумевает более высокое 45
содержание асфальтенов, карбонизующихся при дальнейшей термообработке с образованием карбенов.
Смола полукоксования состоит в основном из кислородсодержащих смол, обладающих значительно меньшей молекулярной массой в сравнении с асфальтенами. В сочетании с более полярной и плоской структурой молекул, смола полукоксования обладает меньшей вязкостью, чем смола газификации. Кроме того, при повышении температуры, вязкость сырья с большим содержанием ароматических углеводородов (смолы газификации) будет уменьшаться более плавно.
Термообработка кислородом воздуха способствует усугублению рассмотренных выше закономерностей. Более легкие компоненты смолы полукоксования будут удаляться из реакционной массы при помощи отдувки сырья, а оставшиеся тяжелые молекулы окислятся при контакте с кислородом. В то же время, высокомолекулярные ароматические соединения смолы газификации преимущественно будут вступать в реакции поликонденсации и карбонизации, увеличивая тем самым свою молекулярную массу.
В ходе экспериментальной части было выявлено, что смолы в составе битума улучшают все основные показатели. Так первоначальный показатель пенетрации, который не соответствовал ГОСТ 33133-2014, максимально увеличился в 3 раза при использовании 5%масс. смолы полукоксования. Но так как в ГОСТ 33133-2014 пенетрация для битума 100/130 указана в интервале от 101 мм до 130 мм, то лучше всего использовать для увеличения пенетрации 1% смолу полукоксования, при которой показатель глубины проникновения иглы равен 129 мм. Так же первоначальный показатель температуры размягчения, не соответствовавший ГОСТ 33133-2014, максимально увеличился в 1,8 раз при использовании 5% масс, смолы газификации. Показатель дуктильность уже в исходном битуме удовлетворял ГОСТ 33133-2014, но и он максимально увеличился в 1,2 раза.
Из всех проведенных испытаний следует, что для улучшения качества битума марки 100/130 больше всего пригодна 1% смола полукоксования, так как пенетрация при ней составляет 129 мм, что является верхней границе в интервале данного показателя в ГОСТ 33133-2014. Температура размягчения составляет 57,5°С, что выше, чем в ГОСТ 33133-2014 на 12,5°С, а дуктильность составляет 5,7 см, что выше, чем в ГОСТ 33133-2014 на 1,7 см.
Применение смол при приготовлении вязких дорожных битумов позволяет на 10-15% расширить их сырьевой ресурс. Технология окисления нефтяного сырья с добавками каменноугольных смол несложна и не требует значительного дооборудования производственных баз.
Таким образом, существуют возможности производить действительно качественную битумную продукцию с использованием продуктов углехимии. Для дальнейшей результативной работы в направлении повышения качества отечественных дорог необходимо тесное сотрудничество нефтеперерабатывающей науки и производства с ведущими дорожными научными и строительными организациями, четкая постановка конкретных актуальных задач, совместное участие в отраслевых, региональных и государственных программах.