Способ получения модифицированной серы, используемой при производстве сероасфальта

Способ получения относится к области производства композиций, содержащих серу, которые могут быть использованы в дорожном строительстве при получении сероасфальта, а именно к способу получения модифицированной серы, используемой при производстве сероасфальта. С целью повышения скорости протекания реакции, снижения содержания в продукте сероводорода и повышения прочности сероасфальта в жидкую серу при температуре 140-150°С подают углеаммонийную соль в количестве 150-250 г на 1 т серы, перемешивая с помощью циркуляционного насоса в течение 20-30 минут, после чего смесь охлаждают до 115-120°С и дополнительно вводят дициклопентадиен 10-20 кг на 1 т серы и битум в количестве 2-4% от веса серы и ведут перемешивание смеси в течение 40-50 минут при температуре 135-140°С, которая поддерживается за счет экзотермичности химических реакций. После завершения реакции сополимеризации модифицированную серу охлаждают до 120-125°С и подают на кристаллизацию в барабанный кристаллизатор для получения чешуированного продукта, пригодного для производства сероасфальта. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области производства композиций, содержащих серу, которые могут быть использованы в дорожном строительстве при получении сероасфальта.

Сероасфальт - это сравнительно новый материал, который может широко использоваться в дорожном строительстве, так как по сравнению с обычным асфальтом он характеризуется более высокими прочностными параметрами, долговечностью и существенно дешевле.

Сероасфальт приготавливается путем предварительного смешения жидкой серы и битума при температуре 120°С до получения однородной жидкой массы, которая затем смешивается с наполнителем (инертным материалом).

Однако, используя обычную серу, не удается обеспечить получение качественного дорожного покрытия. Это объясняется тем, что обычная сера при охлаждении и затвердевании дает усадку, уменьшается в объеме на 3-5%.

В результате серное вяжущее (смесь серы и битума) становится хрупким, а сероасфальт не соответствует требованиям дорожных стандартов. Поэтому для повышения качества и, прежде всего, прочности сероасфальта необходимо использовать модифицированную, так называемую сополимерную серу, которая и является вяжущим материалом. Получение модифицированной серы является отдельной технологической стадией, включающей проведение химической реакции жидкой серы с модификатором, в результате чего сера приобретает свойства пластичности и обеспечивается более прочное соединение серы с инертным наполнителем. В качестве модификаторов могут быть использованы различные органические соединения, которые вступают с серой в химическую реакцию, образуя сополимерную серу.

Однако при модифицировании серы наиболее целесообразно использовать дециклопентадиен (ДЦПД), который реагирует с серой практически полностью, образуя сополимер серы (патент РФ № 2173690 от 08.12.1998 по кл. 7 С 08 G 75/14).

Известно устройство для приготовления серного вяжущего (патент Великобритании № 1576515, МПК С 01 В 17/00 от 08.10.1980). Недостатком данного устройства является длительность реакции серы с модификатором, сложность системы перемешивания реагентов и неизбежное выделение сероводорода. Это объясняется тем, что обычно серу получают из сероводорода методом Клауса, что приводит к насыщению товарной серы сероводородом до содержания 30-35 ppm и более. Поэтому без предварительной дегазации серу использовать нельзя, так как при укладке сероасфальта произойдет неизбежное выделение сероводорода.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого технического решения является способ получения сероасфальтобетона, основанный на проведении реакции серы с модификатором, в качестве которого используют дициклопентадиен (Патент RU № 2163610 от 27.02.2001 г.). При этом сера предварительно смешивается с модификатором,а затем с битумом и инертным материалом. Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает дегазацию серы от сероводорода. Это затрудняет использовать серное вяжущее, так как при укладке сероасфальта будет происходить неизбежное загрязнение окружающей среды.

Существенный недостаток известного способа состоит также в том, что механическая мешалка не обеспечивает необходимую эффективность перемешивания реагентов и полноту протекания химической реакции.

Известна технологическая линия по производству серных и других гомогенных композиций, включающая емкости для исходных компонентов и перемешивающее устройство для смешения серы с модификатором, особенность которого состоит в использовании аппарата вихревого слоя с ферромагнитными элементами.

Недостаток данной технологической линии заключается в конструктивной сложности перемешивающего устройства с ферромагнитными элементами, что в промышленных условиях крупнотоннажного производства реализовать весьма затруднительно.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования технологии получения модифицированной серы путем изменения технологических условий и параметров процесса взаимодействия серы с реагентами, что обеспечивает ее очистку от сероводорода, упрощает и удешевляет технологию в целом при существенном повышении качества серного вяжущего.

Поставленная задача решается путем смешения жидкой серы при температуре 140-150°С с углеаммонийной солью (карбонат аммония) в количестве 150-200 г на 1 т серы с последующим перемешиванием с помощью циркуляционного насоса в течение 20-30 минут. При этом сероводород, растворенный в сере, реагирует с карбонатом аммония по реакции:

H₂S+(NH₄)₂СО₃→CO₂+Н₂O+(NH₄)₂S

Образующийся сульфид аммония остается в сере.

Расход карбоната аммония определяется применительно к газовой сере, получаемой методом Клауса на Астраханском газоперерабатывающем заводе. При содержании сероводорода в сере 35 ppm потребуется (NH₄)₂СО₃

где 96 - молекулярный вес карбоната аммония,

34 - молекулярный вес сероводорода.

В результате лабораторных исследований было установлено, что расход карбоната аммония должен быть в 1,5 раза выше с учетом колебания исходного содержания H₂S в сере и полноты протекания реакции.

В процессе дегазации серу охлаждают до 115-120°С с помощью водяной рубашки непосредственно в реакторе, после чего на всас насоса подают дециклопентадиен в количестве 10-20 кг на 1 т серы и затем битум до содержания 2-4%, продолжая перемешивание серной смеси в течение 40-50 минут, контролируя повышение температуры в реакторе за счет экзотермичности реакции серы с ДЦПД до 135-140°С. Достижение этой температуры свидетельствует о завершении реакции сополимеризации.

При этом содержание сополимера в сере должно быть не менее 10-12%, что необходимо для получения сероасфальта, обладающего высокими прочностными характеристиками. После завершения стадии сополимеризации серу охлаждают повторно до 120°С и подают на барабанный кристаллизатор для получения чешуированного продукта для использования серного вяжущего при производстве сероасфальта.

Осуществление процесса сополимеризации серы в реакторе с циркуляционным насосом, а не с мешалкой, как описано в прототипе, упрощает технологический процесс и установку в целом.

Расход ДЦПД определяется необходимостью получения содержания сополимера в сере, как уже указывалось выше, не менее 10-12%.

При расходе ДЦПД более 20 кг на тонну серы ухудшаются экономические показатели процесса, а при снижении подачи ДЦПД менее 10 кг снижается концентрация сополимера в сере ниже допустимых норм, что отрицательно отражается на качестве сероасфальта.

Расход битума 2-4% от количества серы выбран из условия снижения пыления серы после кристаллизации, уменьшения возможности электризации серы и улучшения процесса смешения модифицированной серы с битумом на стадии производства сероасфальта.

Таким образом, совокупность заявляемых существенных признаков изобретения обеспечивает достижение указанного технического результата.

Способ осуществляется следующим образом, В реактор с водяной рубашкой из заводского серопровода подают жидкую серу при температуре 140-150°С и карбонат аммония (NH₄)₂СО₃ в количестве 150-250 г на тонну серы при интенсивном перемешивании смеси с помощью циркуляционного насоса в течение 20-30 минут, после чего дегазированную серу охлаждают до 120°С непосредственно в реакторе путем подачи холодной воды в водяную рубашку. После охлаждения серы в реактор на всас циркуляционного насоса подают дециклопентадиен в количестве 10-20 кг на тонну серы и битум до содержания 2-4% при непрерывном перемешивании серы циркуляционным насосом в течение 40-50 минут. При этом температура серы за счет протекания экзотермической реакции сополимеризации повышается до 135-140°С. При достижении этой температуры, что свидетельствует о завершении реакции, серу повторно охлаждают до 120°С и самотеком подают в барабанный кристаллизатор и затем в виде чешуированной модифицированной серы на упаковку. Готовый продукт затаривают в бумажные мешки с полиэтиленовым вкладышем по согласованию с заказчиком.

Пример конкретного выполнения.

В реактор с водяной рубашкой емкостью 1 м³ из заводского серопровода закачивают при температуре 140°С жидкую серу в количестве ˜700 литров и при перемешивании циркуляционным насосом подают карбонат аммония в количестве 260 г. При этом происходит взаимодействие сероводорода с карбонатом аммония с образованием сульфида аммония. Через 30 минут содержание сероводорода в сере снижается с 30 до допустимой концентрации 4-6 ppm.

Для охлаждения серы в водяную в рубашку реактора подают холодную воду с температурой 15°С при расходе ˜ 15 л/мин. В начальный момент охлаждения вода нагревается на 20-22°С. После охлаждения серы до 120°С на всас работающего циркуляционного насоса подают 26 кг дециклопентадиена и 40 кг битума.

Скорость подачи ДЦПД и битума в реактор составляет 5 кг/мин, т.е. процесс ввода реагентов происходит в течение 8 минут. После подачи реагентов температура серы в реакторе повышается до 140°С и ее рост прекращается через 50 минут. По мере протекания реакции сополимеризации серы происходит изменение ее вязкости, что контролируется по силе тока электродвигателя циркуляционного насоса. В начальный момент сила тока составляет 20 А, а в период завершения процесса сила тока увеличивается до 26 А. После завершения процесса сополимеризации в водяную рубашку повторно подают охлаждающую воду для охлаждения серы до 120°С при постоянной работе циркуляционного насоса. При этом когда температура серы снижается до 120°С, сила тока уменьшается до 20 А. После этого модифицированную серу подают в барабанный кристаллизатор, а затем в виде чешуированного продукта на упаковку. Содержание сополимера в модифицированной сере составило 12,2%, что соответствует требованиям технических условий, разработанных применительно к производству сероасфальта с учетом замены 30% дорожного битума на модифицированную серу. Результаты экспериментальных исследований заявляемого способа получения модифицированной серы представлены в таблице 1. Физико-механические показатели сероасфальта в сравнении с ГОСТом представлены в таблице 2. Как видно из результатов испытаний, сероасфальт полностью соответствует требованиям ГОСТа для дорожных покрытий.

Таблица 2
Результаты испытаний образцов сероасфальта, состав сера - 4%, битум БНД-60/90 - 5%,инертные материалы: щебень - 36%,отсев доломита - 50%, минеральный порошок (цемент) - 5%
Наименование показателей	Единицы измере-ний	Технические требования ГОСТ 9128-97	Фактические показатели
1. Толщина покрытия	мм	-	71,4
2. Средняя плотность	г/см3	-	2,37
3. Пористость минерального состава	%	-	-
4. Остаточная пористость	%	-	-
5. Предел прочности на сжатие:	МПа
при 20°С		2,0	3,0
при 20°С и водонасыщении		-	3,0
при 50°С		1,2	1,3
6. Водонасыщение, не более	%	1,5-4,0	1,6
7. Набухание	%	-	0,25
8. Коэффициент водостойкости, не менее	-	0,85	1,0
9. Содержание битума в смеси	%	5,0-6,0	серобитум - 6,0, в т.ч. 2,0 - серы

1. Способ получения модифицированной серы, используемой при производстве сероасфальта, путем взаимодействия жидкой серы с дициклопентадиеном и битумом в реакторе при интенсивном перемешивании, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости протекания реакции, снижения содержания в продукте сероводорода и повышения прочности сероасфальта, в жидкую серу при температуре 140-150°С подают углеаммонийную соль в количестве 150-250 г на 1 т серы, перемешивая с помощью циркуляционного насоса в течение 20-30 мин после чего смесь охлаждают до 115-120°С и дополнительно вводят дициклопентадиен 10-20 кг на 1 т серы и битум в количестве 2-4% от веса серы, смешанные реагенты перемешиваются с помощью насоса в течение 40-50 мин при температуре, которая поддерживается за счет экзотермичности химических реакций, с последующим охлаждением и кристаллизацией полученного чешуированного продукта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешанные реагенты перемешивают при температуре 135-140°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкую модифицированную серу охлаждают до температуры 120-125°С и подают на кристаллизацию в барабанный кристаллизатор для получения чешуированного продукта, пригодного для производства сероасфальта.