Способ получения дорожного битума
ROAD BITUMEN SYNTHESIS METHOD

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%.
3
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/см 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.
3
2
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 м 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/см 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).
3
Примеры 6-7 получены в неоптимальных условиях. Снижение частоты пульсаций до 17 кГц (пример 6) приводит к повышению расхода воздуха до 40 нм/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.