Способ получения дорожного битума

Изобретение относится к способу получения дорожного битума и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и строительной промышленностях, в частности при строительстве дорог. Способ осуществляют путем окисления нефтяного сырья кислородом воздуха при повышенной температуре при подаче воздуха через перфорированные трубы, расположенные внутри слоя сырья, где продукт и подаваемый воздух подвергают обработке. При этом обработку осуществляют путем ультразвукового воздействия колебаниями с частотой 18-68 кГц. Технический результат заключается в сокращении расхода воздуха во времени на единицу массы битумного сырья. 1 ил., 1 табл., 7 пр.

 

Изобретение относится к способам получения дорожного битума окислением нефтяного сырья кислородом воздуха и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и строительной промышленностях, в частности, при строительстве дорог.

Известен способ получения битума окислением нефтяного сырья воздухом в барботажном аппарате при 240-300°С, предпочтительно при 260-280°С, путем подачи воздуха через диспергатор с отверстиями в окисляемое сырье, в котором воздух, выходящий в виде пузырей из отверстий диспергатора, пропускают через пластину с отверстиями, размер которых меньше размера отверстий диспергатора (см. патент РФ №2266945, МПК С10С 3/04, 2005).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе требуется высокая температура (240-300°С), которая способствует процессу образования и отложения кокса на отверстиях барботера и препятствует эффективному использованию кислорода из воздуха, подаваемого на окисление (см., например, Р.Б. Гун, "Нефтяные битумы", М.: Химия, 1973, с. 105).

Известен способ получения битумов из нефтяного сырья в окислительной колонне, включающий предварительное окисление исходного сырья воздухом в выносном диспергирующем устройстве с последующим окислением газожидкостной смеси в трубопроводе и доокислением в окислительной колонне, вывод реакционной массы на сепарацию и подачу рециркулята в окислительную колонну. Предварительное окисление исходного сырья в выносном диспергирующем устройстве проводят при температуре окисления, соответствующей температуре окисления в колонне (275°С), а в диспергирующее устройство - диспергатор, работающий в пленочном режиме, подают весь объем необходимого для окисления воздуха, при этом в качестве рециркулята в окислительную колонну подают окисленный битум, охлажденный до температуры 160-200°С (см. патент РФ №2400520, МПК С10С 3/04, 2010).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе используют дополнительное устройство - выносной диспергатор, работающий в пленочном режиме, в который подают весь объем необходимого для окисления воздуха, а затем, не достигая качественных показателей товарных битумов по причине низкой эффективности пленочного режима окисления, доокисляют сырье в колонне при повышенной температуре в 275°С, что увеличивает энергозатраты, при этом не снижают расход воздуха.

Известен способ, включающий разделение исходного сырья на два потока. Нагревание одного потока сырья и его окисление в реакторе, компаундирование окисленного и не окисленного потоков с получением продукта. При этом воздух, подаваемый в реактор, диспергируют, окисление части потока сырья производят в гидродинамическом режиме стесненного всплывания пузырьков воздуха (см. патент РФ №2562483, МПК С10С 3/04, 2015).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе сокращают расход воздуха только на 19.2%.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения битума путем окисления нефтяного сырья кислородом воздуха в колонне окисления при повышенной температуре, при подаче воздуха через перфорированные трубы, расположенные внутри колонны, в слой сырья, где продукт низа колонны и дополнительно подаваемый воздух подвергают дополнительной обработке в диспергирующем аппарате, создающем в образующейся газожидкостной смеси избыточное давление 1-3 кг/см³ с частотой динамических пульсаций потока 400-3000 Гц внутри диспергирующего аппарата с последующим возвратом продукта обработки в колонну окисления (см. патент РФ №2167183, МПК С10С 3/04, 2001), принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в примерах реализации известного способа расход воздуха составляет не менее 83 м³ на тонну битумного сырья, что практически не ниже стандартного расхода воздуха в заводских условиях (см., например, И.Б. Грудников, "Производство нефтяных битумов", "Химия", 1983, с. 48-61). При этом подвергают обработке динамическими пульсациями в аппарате только от 20 до 50% массы сырья совместно с частью общего объема воздуха и используют при обработке динамическими пульсациями в аппарате не более 50% от общего объема воздуха, идущего на окисление. Кроме того, для получения эффекта динамических пульсаций потока требуется избыточное давление воздуха в 1-3 кг/см² при ограничении верхней частоты колебаний в 3000 Гц. Другим недостатком способа является отсутствие возможности снижения количества побочного продукта производства окисленного нефтяного битума - черного соляра, за счет предотвращения уноса битумопродуктов из окислительного реактора избыточным потоком воздуха.

В нефтеперерабатывающей промышленности доля различных марок битумов предназначенных для дорожного строительства составляет не менее 75% от общего производства всех битумопродуктов. Именно к качественным показателям дорожных битумов предъявляются наиболее строгие требования по ГОСТ 33133-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические требования» и международным стандартам.

Проблема при получении дорожных битумов заключается в том, что возникла необходимость снижения образования побочных продуктов и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в процессе их производства, за счет снижения расхода воздуха и предотвращения уноса битумопродуктов из окислительного реактора избыточным потоком воздуха, а так же сокращения общих энергозатрат, за счет снижения температуры процесса окисления и применения ультразвуковой активации процесса окисления с высоким коэффициентом полезного действия (к.п.д.).

Технический результат - сокращение расхода воздуха во времени на единицу массы битумного сырья, за счет ультразвуковой активации процесса окисления битумного сырья.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения дорожного битума путем окисления нефтяного сырья кислородом воздуха при повышенной температуре, при подаче воздуха через перфорированные трубы, расположенные внутри слоя сырья, в котором продукт и подаваемый воздух подвергают обработке особенность заключается в том, что обработку осуществляют путем ультразвукового воздействия колебаниями с частотой 18-68 кГц.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата получены в ходе апробации способа получения дорожного битума и экспериментов на опытной лабораторной установке ультразвуковой активации (см. фиг. 1), позволяющей моделировать процесс окисления нефтяного битумного сырья по температуре и расходу воздуха в широких пределах.

Способ получения дорожного битума осуществляют следующим образом.

Битумное сырье, полученное из смеси западно-сибирских нефтей и практически точно совпадающее по характеристикам с образцом №2 прототипа, при температуре 200-240°С, преимущественно 225°С, обрабатывают ультразвуком в реакторе опытной лабораторной установки ультразвуковой активации, представляющем собой цилиндрический стальной реактор с фланцами, снабженный волноводом ультразвуковых колебаний, который расположен на оси реактора и соединен с внешним пьезокерамическим преобразователем. Электропитание пьезокерамического преобразователя осуществляют от управляемого блока питания, генерирующего переменный ток с частотой 18-68 кГц. В зависимости от акустических свойств среды, в которой находится волновод, блок питания автоматически настраивает резонансную частоту в диапазоне 18-68 кГц, преимущественно 21 кГц, для достижения максимальной амплитуды акустических колебаний, вызывающих интенсивное кавитационное воздействие на смесь, увеличивающее степень диспергирование пузырьков воздуха в битумном сырье. Подачу воздуха осуществляли через кольцевой барботер диаметром около 85% от внутреннего диаметра цилиндрической части реактора, имеющий 12 отверстий диаметром 1 мм с нижней стороны и расположенный в придонной части реактора. Время обработки было подобрано экспериментально, в соответствии с параметрами лабораторной установки и данными прототипа. Загрузка битумного сырья составляла 1.6-2.6 кг. Данные о режиме обработки и свойствах продуктов указаны в таблице. Сравнение результатов полученных при экспериментальной апробации предлагаемого способа и прототипа корректно, т.к. скорость движения битумного сырья в заполняемой колонне значительно меньше скорости всплытия пузырьков воздуха, что соответствует режиму всплытия пузырьков воздуха в реакторе опытной лабораторной установки ультразвуковой активации.

Предлагаемое техническое решение проиллюстрировано примерами (таблица), где представлены данные о режиме обработки и свойствах продуктов.

Данные таблицы свидетельствуют о том, что оптимальные технологические режимы ультразвуковой активации испытанного сырья (примеры 1-5) обеспечивают повышение пластичности битумов (за счет увеличения глубины проникания иглы при 25°С и 0°С, растяжимости при 25°С, расширение температурного интервала работоспособности (за счет снижения температуры хрупкости при равных температурах размягчения). Полученные образцы обладают высокой устойчивостью к старению, о чем свидетельствует повышение значений глубины проникания иглы после прогрева, а также низкое изменение температуры размягчения после старения, нормируемое в новых технических требованиях ГОСТ 33133-2014 и предъявляющих повышенные требования к данному показателю (не более 7°С).

Примеры 6-7 получены в неоптимальных условиях. Снижение частоты пульсаций до 17 кГц (пример 6) приводит к повышению расхода воздуха до 40 нм³/т, что приводит к повышению удельных энергозатрат на производство. Снижение интенсивности реакции окисления, характеризуемой пониженной температурой размягчения, приводит к уменьшению растяжимости при 25°С, а повышенный расход воздуха способствует ухудшению термостабильности битума, характеризуемой увеличением изменения температуры размягчения после старения. Напротив, повышение частоты пульсаций до 69 кГц (пример 7) приводит к повышению скорости реакции окисления, росту температуры размягчения, что в свою очередь приводит к снижению глубины проникания иглы при 25°С и 0°С до 45 и 17 дмм соответственно, снижению растяжимости при 25°С, повышению температуры хрупкости и снижению устойчивости к старению битума.

Экспериментальные данные говорят о том, что в условиях ультразвукового воздействия возможно получать товарные дорожные битумы используя от 20% общего объема воздуха, который требуется на окисление единицы массы битумного сырья в заводских условиях.

Образование черного соляра при производстве битума связано с деструктивными химическими процессами окисления компонентов битума, испарением остаточных легкокипящих компонентов и, в основном, с уносом битумопродуктов из окислительного реактора избыточным потоком воздуха. Сокращение расхода воздуха до 80% позволяет практически предотвратить унос битумного материала с брызгами и существенно снизить пенообразование. Получаемый в условиях ультразвукового воздействия черный соляр, значительно отличается от стандартного по фракционному составу и может быть возвращен в сырьевой оборот нефтеперерабатывающих предприятий в качестве компонента сырья гидроочистки дизельных фракций.

Таким образом, преимущество предлагаемого способа получения преимущественно дорожного битума состоит в сокращении расхода воздуха, в сравнении с классической технологией, не менее чем на 80%, что позволяет снизить количество побочного продукта окисления - черного соляра, при этом уменьшив производственные потери.

С учетом актуальных промышленных объемов получения дорожных битумов можно предполагать получение значительного экономического эффекта от внедрения предлагаемого изобретения.

Способ получения дорожного битума путем окисления нефтяного сырья кислородом воздуха при повышенной температуре при подаче воздуха через перфорированные трубы, расположенные внутри слоя сырья, в котором продукт и подаваемый воздух подвергают обработке, отличающийся тем, что обработку осуществляют путем ультразвукового воздействия колебаниями с частотой 18-68 кГц.