Способ получения дорожного битума из тяжелого остатка
METHOD OF PRODUCING ROAD BITUMEN FROM A HEAVY RESIDUE

Область техники
Изобретение относится к способу получения битума и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности для получения битума дорожного.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ получения битума из тяжелого остатка – гудрона, раскрытый в авторском свидетельстве: SU 1008235 A, опубликованном 30.03.1983, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, согласно которому тяжелый остаток нагревают до 80-100ºС и перемешивают в металлическом сосуде с лопастной мешалкой, добавляют в него амин в количестве 0,5-5,0 вес. % и окислитель, например, серную кислоту, разлагающийся при нагреве с выделением двуокиси азота и кислорода, в количестве 2-16 вес. % на сырье, с дальнейшим нагревом смеси до 110-160ºС.
Недостатком приведенного способа является низкое качество сырьевой смеси и получаемого битума.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества получаемого битума.
Технический результат достигается тем, что способ получения битума из тяжелых нефтесодержащих остатков, включает подготовку сырья, в ходе которой перемешивают компоненты сырья, представляющие собой смесь из тяжелых нефтесодержащих остатков, находящихся в термотропной мезофазе, и жидкой серы, полученную смесь нагревают до температуры полимеризации серы и перемешивают в среде без внешних окислителей, при этом для достижения гомогенности смеси в процессе перемешивания формируют квитанционные и турбулентные потоки по всему объёму сырья.
Технический результат также достигается тем, что для формирования кавитанционных и турбулентных потоков по всему объёму сырья, его помещают в область пониженного давления, одновременно повышая скорость его перемещения, затем скачкообразно повышают давление. Формирование квитанционных и турбулентных потоков достигается за счет использования струйного смесителя, в частности - сопло Лаваля. Компоненты сырья можно совместно или порознь поддерживать при температуре, не превышающей температуру начала полимеризации жидкой серы. В качестве поверхностно-активных веществ (ПАВ) используют амины, кремнеорганические ПАВ и другие ПАВ. Тяжелый нефтесодержащий остаток представляет собой остаток, остающийся после первичных и вторичных процессов нефтепереработки, например, остаток процесса гидрокрекинга (H-oil) или гудрон-остаток, образующийся в результате отгонки из нефти при атмосферном давлении и под вакуумом фракций, выкипающих до 450-600 °C (в зависимости от природы нефти). В качестве тяжелого остатка может использоваться смесь из различных тяжелых остатков, например, смесь из тяжелого остатка гидрокрекинга H-oil и гудрона. Для сокращения времени созревания битума в смесь могут вводить ПАВ, при этом доля тяжелого нефтесодержащего остатка в сырье составляет от 88,5% до 99,5% по массе, доля жидкой серы – от 0,5% до 10% по массе, остальное - ПАВ.
Перемешивание дает однородность свойств как сырья, так и готового продукта, поэтому перемешивание принципиально необходимо на этапе подготовки сырья, то есть до начала полимеризации серы.  Для изменения вязкости и лучшего перемешивания сырья в нем формируют кавитацию и турбулентность.
Одним из факторов, позволяющим повысить качество смеси, является кавитационная обработка потока. Это связано с тем, что при гидродинамическом кавитанционном смешении взаимодействие отдельных компонентов происходит на молекулярном уровне благодаря, в первую очередь, турбулизации потока, что способствует образованию однородной смеси. При кавитационной обработке потока при взаимодействии несмешиваемых сред происходит разрушающий механический процесс мгновенного проникновения кумулятивных микроструек в частицы твердой или жидкой компоненты.
Экспериментально установлено, что при схлопывании кавитационных газопаровых пузырьков образуются интенсивные встречные высокоскоростные (300 - 500 м/с) кумулятивные струйки, которые взаимодействуя, образуют колебательный процесс с большой частотой, и, как следствие, локальные забросы давления (менее 109 Па) и температуры (менее 104 °С). В результате этого компоненты взаимодействуют на молекулярном уровне и образуют высокодисперсный устойчивый к расслоению поток смеси.
Сопло сверхзвукового смесителя - техническое приспособление, которое служит для ускорения потока, проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. По причине высокой эффективности ускорения потока, нашли практическое применение сопла Лаваля. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами.
По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. Суживающая часть сопла называется конфузором, а расширяющая – диффузором.
Таким образом, битум получается за счет физического процесса полимеризации серы в гомогенной среде во всем объеме сырья (суспензии) в процессе нагревания, при этом физические свойства готового продукта зависят от компонентов сырьевой смеси и качества их смешения до начала полимеризации серы без участия кислорода и внешних окислителей.
Стадия гомогенизации по заявленному способу заключается в помещении гомогенизированной смеси в зону скачкообразного изменения давления и температуры, что обеспечивает достижение заявленных характеристик готового продукта.
Для уменьшения времени созревания битума и стабилизации серы в полимерном состоянии возможно добавление в сырье ПАВ в количестве 0,1-2 % по массе.
В частности, в качестве ПАВ могут использоваться амины и кремнийорганические добавки.
При использовании указанных компонентов доля тяжелого нефтесодержащего остатка в сырье может составлять от 88,5% до 99,5% по массе, доля жидкой серы – от 0,5% до 10% по массе, доля ПАВ – от 0,5% до 1,5% по массе. Например: тяжелый остаток 88,5% сера 10%, ПАВ – 1,5%.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для осуществления способа получения битума из тяжелого нефтесодержащего остатка, в частности тяжелого остатка процесса гидрокрекинга гудрона H-oil (компании AXENS) производят подготовку сырья, в ходе которой перемешивают компоненты сырья, представляющие собой смесь из тяжелых нефтесодержащих остатков, находящихся в термотропной мезофазе, некондиционного битума, жидкой серы и поверхностно активных веществ (ПАВ). Полученную смесь нагревают до температуры полимеризации серы и перемешивают без доступа кислорода и других внешних окислителей (в среде без доступа внешних окислителей). При этом для достижения гомогенности смеси, в процессе перемешивания формируют квитанционные и турбулентные потоки по всему объёму сырья, что достигается за счет использования струйного смесителя, в частности - сопло Лаваля. При этом достигается равномерное перемешивание. В процессе такого перемешивания сырье сначала находится в зоне пониженного давления с одновременным увеличением скорости его перемещения, затем скачкообразно повышают давление, с одновременным формированием квитанционных и турбулентных потоков.
Компоненты сырья можно совместно или порознь поддерживать при температуре, не превышающей температуру начала полимеризации жидкой серы. В качестве поверхностно активных веществ (ПАВ) используют амины. Для получения битума доля тяжелого нефтесодержащего остатка в сырье может составлять от 88,5% до 99,5% по массе, доля жидкой серы – от 0,5% до 10% по массе, доля ПАВ – от 0,5% до 1,5% по массе
Битум, полученный из сырья, представляющего из себя смесь гудрона (30%) и HOil (70%-х% серы-y% ПАВ) и серы 0,5%-10%, при добавлении ПАВ имел различные свойства.
Для тяжелого остатка, состоящего из (70% -х% серы) H-Oil и 30% гудрона без использования ПАВ и при различных содержаниях серы получался битум, характеристики которого сведены в таблицу 1, где х – содержание серы в % по массе, у – содержание ПАВ в % по массе (см. таблицу):
Таблица 1 Свойства битума, полученного при рецептуре: гудрон (30%)+ HOil (70%-х% серы при различных содержаниях серы.
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для </b><b>БНД 50/70</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
51,0
57.9
57.5
57.1
57
51 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
65
59
61
64
67
51-70
Изменение температуры размягчения после прогрева
3
4
4
5
4
7
Время созревания составило не менее 1,5 часа
Битум соответствует БНД 50/70
Технологический режим получения битума для параметров, указанных в таблице 1 включает стадию подготовки, в ходе которой производят предварительное смешение компонентов сырья в различной последовательности, дальнейшей гомогенизации смеси, помещения в зону скачкообразного изменения давления и температур, в процессе турбулизации потока и образования кавитации, с последующим нагревом и охлаждением, и выдержкой.
Далее изобретение поясняется примерами.
В качестве конечного продукта были исследованы битумы, полученные из гудрона (100%), битумы, полученные из H-oil (100%) и битумы БНД 50/70, полученные из гудрона (30%)/HOil (70%).
Способ осуществляли следующим образом.
Горячий тяжелый остаток охлаждали до 120-158°С, холодный, наоборот, нагревали до указанной температуры. Серу нагревали до температуры (120-158°С). Нагрев тяжелых остатков с серой может быть осуществлен как совместно с одновременным смешиванием в смесителе, так и порознь с последующим смешиванием в смесителе.
Далее производили гомогенизацию нагретой смеси в сопле Лаваля.
После чего полученную смесь нагревали до температуры, при которой происходит полимеризация серы, то есть в диапазоне 159-170°С и оставляли для созревания битума в течение 1,5-2 часов и производили испытания полученного битума (результаты испытаний приведены в таблицах 2-12).
Как следует из показателей, приведенных в таблицах, полученный битум соответствовал всем предъявляемым к нему параметрам.
Таблица 2 Свойства битума, полученного при рецептуре: гудрон (30%)+ HOil (69,5%-х% серы)+ 0,5%Амины (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 50/70</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
52
57.5
57.5
57.0
56
51 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
62
59
62
65
68
51-70
Изменение температуры размягчения после прогрева
3
5
4
5
4
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 3 Свойства битума, полученного при рецептуре: гудрон (30%)+ HOil (69,0%-х% серы)+ 1%Амины (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 50/70</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
52,2
57.1
56.8
56.5
56
51 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
67
56
65
64
69
51-70
Изменение температуры размягчения после прогрева
3,5
4
4
5
4
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 4 Свойства битума, полученного при рецептуре: гудрон (30%)+ HOil (69,0%-х% серы)+ 1%Амины + 0,5% кремний органической добавки (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 50/70</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу кольца и шара», °С
53
56.9
56.7
56.8
57
51 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
64
60
65
64
69
51-70
Изменение температуры размягчения после прогрева
2
4
4
5
4
7
Время созревания не менее 2 часов.
Таблица 5 Свойства битума, полученного при рецептуре: HOil (99,0%-х% серы)+ 1%Амины (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
42,0
42,3
44
46
45
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
152
160
176
185
189
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
7
4
4
3
3
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 6 Свойства битума, полученного при рецептуре: HOil (98,5%-х% серы)+ 1%Амины (ПАВ) + 0,5% кремнийорганическая добавка (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
42,0
42,5
44
45
45
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
157
164
179
186
190
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
5,5
4
4
3
3
7
Время созревания не менее 2 часа.
Таблица 7 Свойства битума, полученного при рецептуре: HOil (100%-х% серы) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
0,5
2
5
7
10
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
43
42
46,5
47,2
46
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
160
163
180
190
190
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
6,5
4
4
4
4
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 8 Свойства битума, полученного при рецептуре: HOil (99,5%-х% серы) +05% амины (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
<b>0,5</b>
<b>2</b>
<b>5</b>
<b>7</b>
<b>10</b>
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
42
42,2
45
47
46
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
159
163
181
188
190
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
5
4
4
3
3
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 9 Свойства битума, полученного при рецептуре: Гудрон (99,5%-х% серы) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
<b>0,5</b>
<b>2</b>
<b>5</b>
<b>7</b>
<b>10</b>
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
45,5
47
45
47,2
48
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
170
163
190
167
190
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
3,5
4
4
3
3
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 10 Свойства битума, полученного при рецептуре: Гудрон (99,5%-х% серы) + 0,5% аминов (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
<b>0,5</b>
<b>2</b>
<b>5</b>
<b>7</b>
<b>10</b>
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
47
46,5
46
47
49
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
160
165
195
190
190
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
4,5
4
4
3
3
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 11 Свойства битума, полученного при рецептуре: Гудрон (99%-х% серы) + 1% аминов (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
<b>0,5</b>
<b>2</b>
<b>5</b>
<b>7</b>
<b>10</b>
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
44
46,5
48
47
50
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
173
168
197
193
195
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
3
4
4
3
4
7
Время созревания не менее 1,5 часа.
Таблица 12 Свойства битума, полученного при рецептуре: Гудрон (98,5%-х% серы) + 1% аминов (ПАВ) + 0,5% кремний органическая добавка (ПАВ) при различных содержаниях серы
<b>Наименование показателя</b>
<b>% содержания серы</b>
<b>Норма для</b><b>БНД 130/200</b>
<b>0,5</b>
<b>2</b>
<b>5</b>
<b>7</b>
<b>10</b>
Температура размягчения по методу «кольца и шара», °С
48
48,5
49
48
51
42 не ниже
Глубина проникновения иглы при 25°С, 0,1 мм
172
168
197
193
195
131-200
Изменение температуры размягчения после прогрева
3
4
4
3
4
7
Время созревания не менее 2 часов.