СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО
METHOD OF PRODUCING SULPHUR-BITUMEN BINDER

Изобретение относится к области производства композиционных составов для приготовления дорожно-строительных материалов и конкретно к способу получения серобитумного вяжущего.
Известны способы получения серобитумного вяжущего (СБВ) с предварительным модифицированием элементарной серы при температуре 140°C продуктами химической промышленности: дициклопентадиеном (RU №№2163610, 2000; 2296785, 2007); смесью ненасыщенных жирных кислот (RU №2478592, 2013); аминами в качестве активирующей добавки (RU №2452748, 2012).
Недостатком указанных способов является использование компонентов, которые являются продуктами химической промышленности, имеют высокую цену и выпускаются в ограниченном количестве.
Известны также способы получения СБВ активацией серы и сырья кавитационно-акустическим воздействием или воздействием ферромагнитных элементов, вращающихся в электромагнитном поле вихревого слоя (RU №№2223991, 2004; 2223992, 2004; 2159218, 2000). Недостатком этих способов является использование сложного оборудования, не имеющего примеров промышленного использования.
20
26
2
Известен способ получения СБВ, получаемого смешением расплавленного битума и серы при нагревании при температуре 140-180°C. Способ отличается тем, что в расплавленный битум предварительно добавляют 1-5 масс. % стирольно-дициклопентадиен-инденовой смолы или алкадиен-стирольно-дициклопентадиен-инденовой смолы и 1-5 масс. % высокомолекулярных углеводородов - альфа-олефинов фракционного состава С-С с температурой плавления 38-40°C и/или индустриального масла - нефтяного масла с вязкостью 5-50 мм/с при 50°C и перемешивают в течение 0,5 ч, затем порциями добавляют серу в массовом соотношении с битумом 10-50:90-50 соответственно и перемешивают еще 2 ч (RU №2284304, 2006).
Недостатком СБВ является сложность состава и высокая стоимость некоторых компонентов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ получения СБВ, который осуществляют путем совмещения расплавов предварительно модифицированной серы и битума. Серу предварительно связывают со смесью ненасыщенных жирных кислот - флотогудроном в соотношениях сера : флотогудрон, масс. %: (30:70)-(60:40) с получением органических полисульфидов и совмещают указанные расплавы при следующем соотношении компонентов, масс. %: предварительно модифицированная сера - 20-80, битум - 20-80 (RU 2255066, 2005).
Недостатком указанного способа является использование флотогудрона - менее доступного и более дорогостоящего продукта.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения СБВ, соответствующего по показателям качества ГОСТ 22245-90, на основе доступного и менее дорогостоящего сырья, позволяющего также утилизировать трудно реализуемые продукты, получаемые при очистке газов - серу и серную кислоту, и использовать остатки вторичных процессов переработки нефти: остатки процессов каталитического крекинга и висбрекинга, содержащие олефины.
Поставленная задача осуществляется разработкой способа получения СБВ путем совмещения модифицированной серы и битума, который отличается тем, что в качестве битума используют остаточный или окисленный битум, модифицирование серы проводят путем нагрева смеси расплавленной серы с серной кислотой при соотношении, соответственно, % масс.: (95-98):(2-5) при температуре 180-200°С в течение 10-15 мин, затем модифицированную серу совмещают с остаточным или окисленным битумом, нагретым до температуры 180-200°С и перемешанным с остатком вторичного процесса переработки нефти - каталитического крекинга или висбрекинга, содержащего олефины, с последующим перемешиванием при температуре 180-200°С в течение 60 минут, при соотношении модифицированная сера : битум : остаток вторичных процессов, % масс.: (8-10):(70-85):(5-20).
Для пластификации полученного СБВ к нему дополнительно могут добавляться при температуре 180-200°С остатки вторичных процессов.
Характеристика компонентов для получения СБВ приведена в таблице 1.
Опыты проводят в лабораторном реакторе с регулируемым электрообогревом, оборудованном перемешивающим устройством и абсорбером для поглощения отходящих газов. Абсорбер заполняют 20% водным раствором NaOH.
Технология приготовления серобитумного вяжущего была следующей:
- серу расплавляют и нагревают до температуры 180-200°С;
- в расплав серы, нагретый до 180-200°С, добавляют расчетное количество серной кислоты (93,87%);
- смесь расплавленной серы с серной кислотой нагревают при температуре 180-200°С до максимального загущения (10-15 минут);
- в полученную смесь вводят нагретый до температуры 180-200°С и перемешанный с остатками вторичных процессов остаточный или окисленный битум;
- смесь всех компонентов перемешивают при температуре 180-200°С в течение 1 часа.
Полученное серобитумное вяжущее анализировали по показателям ГОСТ 22245-90.
Дополнительно серобитумное вяжущее анализировали по показателям «сцепление с мрамором» и содержание общей серы. Количества взятых компонентов и результаты анализов полученных серобитумных вяжущих представлены в таблицах 2, 3.
При сравнении свойств полученных СБВ (опыты 1-28) и исходных битумов видно, что происходит заметное улучшение битумов: увеличивается температура размягчения (КИШ), улучшается пластичность вяжущих - заметно увеличивается пенетрация при 25°C (глубина проникновения иглы), снижается температура хрупкости.
Введение в битум 8-10% масс. серы не ухудшает показатель «сцепление с мрамором» (контрольный образец №2 по ГОСТ 11508-74).
Использование концентрированной серной кислоты в количестве 2-5% масс. в смеси с серой вызывает кислотную полимеризацию олефинов, содержащихся во вторичных остатках (таблица 1). В результате в составе битума увеличивается содержание смол, что положительно сказывается на свойствах СБВ. Оптимальным является содержание серной кислоты 2-5% масс., так как при увеличении содержания серной кислоты больше 5% масс. в СБВ остается кислота и водная вытяжка имеет кислую реакцию.
Увеличение содержания вторичных остатков в составе СБВ свыше 20% масс. приводит к небольшому снижению температуры размягчения, исходя из этого оптимальным выбрано содержание вторичных остатков в СБВ в интервале 5-20% масс.
Температурный интервал смешения компонентов СБВ выбран 180-200°C, т.к. именно в этом температурном интервале смесь серы и серной кислоты становится наиболее вязкой, что объясняется образованием полимерной серы (Г. Реми. Курс неорганической химии. Мир, 1972 г., с. 674).
При проведении опытов определяли количество выделяющегося сероводорода поглощением водным раствором щелочи. Установлено, что количество выделяющегося сероводорода составляет 1,5%. При проведении этого процесса в промышленных условиях выделяющийся сероводород предлагается направлять на переработку в процессы получения серной кислоты или элементарной серы.
Пластификация нефтяных дорожных битумов проводится при необходимости корректировки полученных показателей. Например, образцы СБВ, представленные в таблице 2, по требованиям ГОСТ 22245 соответствуют марке БНД 60/90 (таблица 4). Для получения марки битума БНД 130/200 к образцу битума добавляется некоторое количество пластификатора, позволяющее увеличить пенетрацию и при этом обеспечить норму по температуре хрупкости. В качестве пластификатора могут быть использованы остатки вторичных процессов. Результаты пластификации образца СБВ (опыт 29) с остатком висбрекинга представлены в таблице 5.
Для приготовления пластифицированного образца СБВ смесь 88% масс образца опыт 4 + 12% масс. остатка висбрекинга перемешивают при температуре 180-200°C в течение 30 минут, после чего проводят анализ. Результаты анализа приведены в таблице 5. Полученный образец СБВ соответствует требованиям ГОСТ 22245 на марку БНД 130/200. Количество используемого пластификатора в каждом конкретном случае подбирается по результатам анализов.
Предлагаемое техническое решение позволяет получать серобитумные вяжущие на основе остаточного и окисленного битумов с вовлечением в производство серы, серной кислоты и остатков вторичных процессов.