Технологический комплекс получения модифицированных вяжущих на основе тяжелых нефтяных остатков

УДК 625.71

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ

© О.И. Дошлов1, А.П. Горохов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлена инновационная разработка получения модифицированного битума в области создания связующих веществ с высокими адгезионными свойствами на основе тяжелых нефтяных остатков для дорожного строительства. Модифицированный битум (МБ) изготавливают из дорожного, кровельного, изоляционного и других видов битума с использованием полимерных добавок, например, термоэластопластов (ДСТ-30, Кратон Д) и др. Предложенный метод получения МБ повышает его технологические характеристики по теплостойкости, мо-розостойкости, хрупкости и др. Ил. 3. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: модифицированный битум; пластификатор; модификатор; ДСТ-30; Кратон Д; технологический комплекс; морозостойкость; хрупкость.

TECHNOLOGICAL COMPLEX TO PRODUCE MODIFIED BINDERS FROM HEAVY PETROLEUM RESIDUES O.I. Doshlov, A.P. Gorokhov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper presents an innovative development in the field of making binding materials with high adhesion properties: it is the production of modified bitumen from heavy petroleum residues for road construction. The modified bitumen (MB) is made of paving asphalt, roofing, insulation, and other types of bitumen with polymer additives, such as thermoplastic elastomers (DST-30, Kraton D) and others. The proposed method of modified bitumen production improves its running characteristics of heat resistance, frost resistance, brittleness, etc. 3 figures. 6 sources.

Key words: modified bitumen; plasticizing agent; modifier; DST-30; Kraton D; technological complex; frost resistance; brittleness.

На сегодняшний день в мире остро стоит проблема качества дорожных покрытий. С каждым годом дорожное полотно ухудшается. Создание полимерно-битумных материалов - наиболее перспективный путь создания высококачественных дорожных покрытий, герметиков, гидроизоляции, мягкой кровли и др.

Впервые в Сибири создан технологический комплекс по получению композиционных вяжущих, для использования их в дорожном, гражданском и промышленном строительстве, который позволяет получать:

- современные дорожные битумы для дорог 1-й, 2-й категории (Иркутская область, Дальний Восток, Монголия, Китай);

- современные кровельные битумы;

- современные строительные битумы;

- герметики;

- высококачественную защиту всех видов трубопроводов (мастика типа «БЛЭМ»);

- основной компонент для битумных эмульсий;

- основу для гидроизоляционных материалов (типа «Изопласт», «Изофлекс»);

- мастику для аэродромных швов взлетно-

посадочных полос;

- антикоррозионный химически стойкий битумный лак БТ-К.

В полимербитумных композициях испытаны практически все известные полимеры. Однако количество полимеров, применяемых на практике, значительно меньше и включает некоторые каучуки, полиолефины и их производные, а также отходы резины.

Кроме того, предпринята попытка использования полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) в кабельной промышленности, в частности, замены традиционно используемого для этой цели БНД-90/130 с температурой хрупкости от -14 до -20°С на более современный ПБК (температура хрупкости -35°С) для усло-вий1-ой (жесткой) дорожно- климатической зоны [2].

Центральным научно-конструкторским бюро оборонной промышленности (г. Москва) по конверсионной программе изготовлена установка по производству модифицированного битума ПС-10. В процессе адаптации установки в структуру нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) она была модернизирована, создано складское хозяйство и ряд новых дополнительных блоков. Монтаж этого комплекса был произведён

1Дошлов Олег Иванович, кандидат химических наук, профессор кафедры химической технологии, тел.: 89027659074, e-mail: doshlov125@mail.ru

Doshlov Oleg, Candidate of Chemistry, Professor of the Department of Chemical Technology, tel.: 89027659074, e-mail: doshlov125@mail.ru

2Горохов Александр Павлович, студент, тел.: 89246341235, e-mail: m.t.s.a.gorokhov@bk.ru Gorokhov Alexander, Student, tel.: 89246341235, e-mail: m.t.s.a.gorokhov@bk.ru

непосредственно на НАЗ в структуре битумного производства ОАО «АНХК», что является первым опытом в российской практике [4].

Ангарская нефтехимическая компания состоит из четырёх крупных заводов: нефтеперерабатывающего, завода полимеров, химического завода, завода катализаторов и органических спиртов. Поэтому имеется большой выбор сырьевых компонентов и других реагентов для дальнейшего расширения производства новых материалов. Преимуществами этого комплекса являются:

- большой выбор сырьевых компонентов и реагентов;

- организация производства ПБК по методу «передового образца» с максимальным обеспечением постоянства свойств исходных сырьевых компонентов битумных материалов;

- возможность использования современной лабораторной и научно-исследовательской базы комбината;

- высокая квалификация обслуживающего персонала.

Рис. 1. Технологический комплекс по получению композиционных вяжущих. Потоки: I - гудроны различного происхождения; II - асфальт деасфальтизация жидким пропаном; III - крекинг-остатки; IV - подготовленное сырье; V - окисленные битумы; VI - эмульгатор; VII - вода; VIII - катионная битумная эмульсия; IX - спецкеросин; X - гач; XI - битумный лак; XII - окисленный атактический полипропилен; XIII - модифицированные битумы; XIV - раствор полимера; XV - БПМ; XVI - герметики

На базе химического завода комбината в дальнейшем возможна организация производства дорожных адгезионных присадок с использованием целого ряда аминов как промышленных отходов.

Создание в структуре НПЗ ОАО «АНХК» принципиально новой технологии получения современных и конкурентоспособных продуктов на основе ПБВ является характерной особенностью технической политики в интеграцию процессов экономического развития регионов Сибири и Дальнего Востока.

Освоение производства ПБВ в перспективе позволит значительно расширить ассортимент выпускаемой продукции битумного производства, в том числе для укрепления грунтов и малопрочных каменных материалов в дорожном и гражданском строительстве, производстве кабеля с улучшенными эксплуатационными свойствами [3].

Технологический процесс приготовления полимерно-битумных вяжущих заключается в интенсивном смешивании исходного битума с пластификатором и

модификатором в смесителях установки модификации битума при температуре 190°С и состоит из следующих операций:

• прием исходного битума;

• прием пластификатора;

• прием модификатора;

• приготовление модифицированного битума;

• прием готового ПБВ и отправка его потребителю.

Приготовление модифицированного битума осуществляется на установке модификации битума ПС-100 из битума, пластификатора и модификатора.

Установка модификации битума состоит из:

- элеватора для подачи модификатора в бункер;

- бункера для модификатора;

- винтового конвейера для подачи модификатора из бункера в смесители;

- смесителей для интенсивного смешения загружаемых битума, пластификатора и модификатора;

- битумных насосных станций, обеспечивающих циркуляцию битума в смесителях, а также подачу го-

Рис. 2. Установка приготовления модифицированного битума: 1 - элеватор; 2 - бункер; 3 - конвейер винтовой; 4 - мерник; 5 - смеситель/турбо смеситель; 6 - битумная насосная станция; 7 - кран D-80 c пневмоприводном; 9 - площадка металлическая

тового модифицированного битума в емкости для хранения БНД-М Е-7/1,2,3 или доставки потребителю.

Битум, необходимый для приготовления БНД-М, подается на установку автомашинами и с помощью битумной насосной станции Н-4 или самотеком сливается в битумохранилище Пн-14, где хранится при температуре 150°С. Поддержание требуемой температуры хранения битума осуществляется с помощью жидкого теплоносителя - масла, подаваемого в эмеевик аппарата Пн-14 при температуре 250-260°С. Температура битума в битумохранилище замеряется. Из битумохранилища Пн-14 битум с температурой 150°С забирается насосом Н-4 и подается в одну из двух приемных емкостей Е-6/1,2, где он нагревается до рабочей температуры (190°С) с помощью горячего масла, подаваемого в змеевики аппаратов. В аппаратах Е-6/1,2 предусмотрен замер верхнего уровня и температуры битума. При достижении верхнего уровня в емкостях Е-6/1,2 производится отключение насоса Н-4. Из емкостей Е-6/1,2 битум с температурой 190°С забирается насосом Н-2 и подается поочередно в один из двух смесителей установки модификации битума ПС-100.

Пластификатор (гудрон) доставляется на установку в автоцистернах и с помощью насоса Н-9 подается в емкость для пластификатора Е-8. В емкости Е-8 также предусмотрен замер температуры пластификатора и замер и блокировка его верхнего уровня. При достижении верхнего уровня в емкости Е-8 насос Н-9 отключается. Из емкости Е-8 пластификатор забирается насосом Н-1 и подается в мерник установки модификации битума ПС-100. При достижении верхнего уровня пластификатора в мернике насос Н-1 отключается.

Необходимый для приготовления БНД-М модификатор поступает на установку в автомашинах в полиэтиленовых или бумажных мешках весом 3-20 кг. На установку модификации битума модификатор подается с помощью внутрицехового транспорта. На установке модификации битума мешки с модификатором подаются к элеватору, модификатор высыпается из мешков в горловину элеватора и элеватором подается в бункер установки. Количество модификатора, поступающего на установку, контролируется с помощью замера верхнего и нижнего уровня в бункере для модификатора. Из бункера с помощью винтового конвейера модификатор поступает в смеситель для приготовления БНД-М.

Нефтяной битум должен содержать достаточно масел для растворения или набухания полимера - не менее 10% (масс.) асфальтенов для обеспечения структурной прочности композиции [6]. Наиболее перспективными модификаторами битумов являются термоэластопласты ДСТ, которые не только набухают, но и частично растворяются в битуме. При введении до 5% (масс.) ДСТ значительно снижается хрупкость и возрастает вязкость полимерно-битумной композиции.

При использовании модифицированных полимерами битумных вяжущих необходимо принимать во внимание множество факторов.

Для определения свойств модифицированных

ПБВ применялись различные методы испытаний. Классические методы более эмпиричны и применяются в условиях, когда трудно выделить свойства одного материала. Измерения реологических свойств битумного вяжущего дают связь между свойствами смеси, такими как длительная деформация, образование трещин в результате действия нагрузок и низких температур. Модифицированные полимерами смеси показали снижение чувствительности к изменениям температуры и лучшее сопротивление длительным деформациям. Поскольку у данных смесей отмечена повышенная стойкость к усталости, то срок их эксплуатации на порядок выше, чем у немодифицированных смесей; введение полимеров снижает температуру хрупкости примерно на 30-35°С.

Рис. 3. Установка по производству модифицированного битума ПС-100 НПЗ ОАО «АНХК»

К настоящему времени за рубежом накоплен значительный опыт по применению при строительстве и ремонте дорожных покрытий композиционных материалов на основе битума и модификаторов, таких как сера, каучук (полибутадиеновый, натуральный, бутил-каучук, хлоропрен и др.), органо-марганцевые компаунды, термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этилен-винилацетат (EVA), термопластичные каучуки (полиуретан, олефи-новые сополимеры), а также блоксополимеры стирол-бутадиен-стирола (СБС) [3].

Предлагаемые нами полимерно-битумные вяжущие значительно дешевле зарубежных аналогов, широко используемых в дорожном строительстве.

Потенциальными потребителями продукции являются:

- дорожная служба Иркутской области;

- ОАО «Ангарская нефтехимическая компания»;

- ООО «Дорожно-строительная компания» (г. Иркутск);

- управляющие компании в сфере ЖКХ.

Себестоимость ПБВ составляет около 14 тыс.

руб./т, в то время как ориентировочная цена зарубежных аналогов составляет 20 тыс. руб./т. При увеличении стоимости дорожных покрытий примерно на 11% срок службы полотна увеличивается в 2-2,5 раза. При этом существенно снижаются затраты на ремонт и содержание автомобильных дорог. Методы контроля и качества, а также схемы сертификации ПБВ полностью разработаны и соответствуют государственным стандартам [1, 5].

На основании имеющихся данных можно сделать следующие выводы:

1. Полимерная модификация битумных вяжущих является наиболее распространенным методом борьбы с образованием низкотемпературных трещин. Увеличение массы автомобилей, интенсивности движения и давления в шинах заставляют эксплуатирующие и строительные организации применять полимерную модификацию вяжущих.

2. Совместимость битума и полимера зависит от многих факторов. Наиболее значимыми можно считать те, которые наблюдаются при микроскопических исследованиях исходного битума, микроструктуры полимера и термомеханической истории модифицированных полимерами вяжущего.

3. Классические методы и методы, разработанные специально для определения влияния полимеров на свойства битума, имеют низкую корреляцию со свойствами смеси. Для каждого типа полимера необходи-

мо использовать определенные методы исследования их структуры. Природные условия проведения испытаний затрудняют получение информации о механических свойствах вяжущего.

4. Были проведены работы по определению реологических свойств нефтяного битума и битума, модифицированного полимерами. Определена временно-температурная зависимость скорости нагружения на комплексный модуль упругости вяжущих. Добавка полимеров приводит к значительному изменению свойств вяжущих при высоких температурах. Эти наблюдения коррелируются с различной чувствительностью покрытий к длительным деформациям.

5. Реометр с опускающейся балкой и метод прямого растяжения хорошо подходят для определения низкотемпературных свойств модифицированных полимерами битумных вяжущих. Хорошая корреляция получена между результатами опускающейся балки и температурой растрескивания смеси в покрытии. Модификация смесей полимерами снижает температуру образования трещин на 6-10°С.

6. Модифицирующие полимеры, содержащие большое количество бутадиена (более 50%), показали улучшение свойств вяжущего при низких температурах. Результаты испытаний по прямому растяжению для битума, модифицированного ББ (50% бутадиена), показали заметное увеличение стойкости к образованию трещин при низких температурах.

7. Развитие и внедрение спецификаций, основанных на строительных характеристиках (БИРР), показали хорошую корреляцию с характеристиками смесей. Наилучшая сходимость отмечена между реологическими свойствами вяжущего и образованием трещин под нагрузкой или при низких температурах. Для длительных деформаций установлено, что значительную роль играет заполнитель.

Дальнейшие исследования и полевые испытания должны уточнить полученные данные.

Библиографический список

1. Горохов А.П., Спешилов Е.Г., Серебренников О.Г. Производство и применение полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) в дорожном, гражданском и промышленном строительстве // «Менделеев - 2012»: тез. докл. VI Всерос. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов с междунар. участием. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2012. С. 215-217.

2. Гохман Л.М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС: учеб. пособие. М.: Изд-во ЗАО «ЭКОН_ИНФОРМ», 2004. 510 с.

3. Графов В.Ф., Дошлов О.И., Команденко О.В. Поляков И.Н., Строкин Н.А. Низкотемпературный защитный кабельный покров с высокой адгезией к металлическим оболочкам и броне // Кабели провода. 2005. № 4. С. 26-29.

4. Розенталь Д.А., Таболина Л.С., Федосова В.А. Модифика-

ция свойств битумов полимерными добавками. М.: ЦНИИТ-Энефтехим, 1988.

5. Синьшинов П.А., Николенко Н.Н., Горохов А.П., Дошлов И.О. Технологический комплекс по получению современных композиционных вяжущих // Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем (Полимер - 2009): материалы III Всерос. науч.-практ. конф. (Бийск, 29-20 мая 2009 г.). Бийск: Изд-во Алтайского гос. технического ун-та им. И.И. Ползунова, 2009. С. 106-108.

6. Худякова Т.С. Разработка принципов создания морозостойкости полимернобитумных композиций. Л.: Химия, 1983. 151 с.