СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМА
BITUMEN OBTAINING METHOD

Изобретение относится к процессам нефтепереработки и может быть использовано на нефтеперерабатывающих и асфальтобетонных заводах, имеющих битумные установки.
Известен способ получения битума окислением нефтяного сырья: гудрона или других тяжелых остаточных фракций нефти - воздухом. Сырье с температурой 120-180°C подают в окислительную колонну (вертикальный цилиндрический сосуд). Воздух подают через диспергатор, расположенный в нижней части колонны. Реакция окисления экзотермическая, поэтому температура окисляемого материала повышается, и процесс окисления протекает при 200-290°C. Отработанные газы окисления выводят по шлемовой линии с верхней части колонны, готовый битум - с низа колонны (Р.Б.Гун. Нефтяные битумы, М.: Химия, 1973, с.233-234). Недостатком такого способа является невозможность существенно влиять на качество битумов. Качественный битум, имеющий заданную пенетрацию (глубину проникания иглы), должен обладать определенными величинами и других показателей: в частности, дуктильности (растяжимости) и температур хрупкости и размягчения. Оптимальная совокупность величин нормируемых показателей качества предопределяется качеством сырья - обычно гудрона, имеющего необходимый фракционный состав. Изменение качества сырья, вызванное необходимостью изменения режима вакуумной перегонки мазута, предназначенной для выработки не только гудрона, но и более ценных дистиллятов, может привести к ухудшению качества битума. Так, окисление легкого гудрона (по сравнению с гудроном необходимого фракционного состава) - и тем более мазута - приводит к уменьшению дуктильности битумов, а окисление тяжелого гудрона - к повышению температуры хрупкости и снижению температуры размягчения (И.Б.Грудников. Производство нефтяных битумов, М.: Химия, 1983, с.97-98).
7
В случае тяжелого гудрона, имеющего более высокую температуру размягчения и большую вязкость, для обеспечения оптимальных величин показателей качества продукта может быть использован метод «переокисления-разбавления (разжижения)», поскольку известно, что если качественный битум может быть получен путем окисления гудрона какой-либо нефти, то такой битум может быть получен и путем переокисления более тяжелого гудрона этой нефти с последующим разбавлением тяжелым же гудроном (Р.Б.Гун. Нефтяные битумы, М.: Химия, 1973, с.272-273). Известен способ получения дорожного битума путем окисления утяжеленного гудрона до получения продукта с температурой размягчения выше требуемой для дорожного битума (переокисление) с последующим смешиванием (компаундированием) этого продукта с исходным утяжеленным гудроном (разбавление). Окисление проводят при температуре 240°C, смешивание - при 160-180°C (пат. РФ 2258730, МПК C10C 3/04, оп. 20.08.2005). Недостатком способа является его неприменимость в случае легкого гудрона, так как дуктильность битума, полученного по такому способу «переокисления-разбавления», будет невелика (как и по способу окисления).
В случае легкого гудрона удовлетворительная дуктильность битума - и другие показатели - может быть обеспечена включением в сырье асфальта деасфальтизации пропаном, поскольку известно (И.Б.Грудников. Производство нефтяных битумов, М.: Химия, 1983, с.88), что асфальты обладают большей дуктильностью, чем окисленные битумы, хотя сами асфальты в чистом виде не являются оптимальным сырьем для производства дорожных битумов (там же, с.113-114). Известен способ получения битума путем окисления воздухом асфальта деасфальтизации гудрона пропаном (в смеси с той или иной добавкой) с последующим смешиванием (компаундированием) с гудроном. Окисление проводят при температуре 250-270°C, смешивание - при 130-150°C (пат. РФ 2349625, МПК C10C 3/04, оп. 20.03.2009). Недостатком способа является его неприменимость на нефтеперерабатывающих и асфальтобетонных заводах, не производящих асфальт.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ получения битума окислением нефтяного сырья воздухом с последующим компаундированием окисленного продукта с неокисленным компонентом. В качестве сырья используют, в частности, смесь гудрона и асфальта, в качестве неокисленного компонента - вакуумный дистиллят, окисление проводят при температуре 260-270°C, а смешивание - при 140-150°C путем барботирования через жидкую смесь газообразных продуктов, т.е. в токе газов (пат. РФ 2172761, МПК C10C 3/04, оп. 27.08.2001, пример 2). Способ позволяет получить качественный битум. Недостатком способа является его неприменимость на нефтеперерабатывающих и асфальтобетонных заводах, не производящих асфальт.
Заявляемый способ получения битума имеет целью обеспечить получение качественного битума, в частности, обладающего высокой дуктильностью, из легкого нефтяного сырья, в частности из легкого гудрона и мазута, без использования добавок, увеличивающих дуктильность (введение такой добавки, конечно, улучшит результат).
Достигается эта цель тем, что в способе получения битума смешиванием в токе газов окисленного воздухом нефтяного сырья и неокисленного нефтяного сырья неокисленное нефтяное сырье нагревают до температуры, превышающей температуру окисления. Это приводит к испарению легких фракций сырья, отрицательно влияющих на дуктильность. Температура, до которой нагревают сырье, зависит от количества и состава легких фракций, содержащихся в сырье. В качестве газов целесообразно использовать газы, образующиеся на стадии окисления и имеющие температуру, близкую к температуре окисления.
7
Существенный признак предлагаемого способа - нагревание неокисленного нефтяного сырья до температуры, превышающей температуру окисления, перед смешиванием с окисленным нефтяным сырьем - обладает новизной, поскольку ранее предлагалось - и это отмечено при описании аналогов - проводить смешивание неокисленного и окисленного компонентов при температуре ниже температуры окисления. Примерно такие же низкие температуры смешивания рекомендованы и в других случаях: 145-170°C (пат. РФ 2130044, 6 C10C 3/04, 10.05.99, Бюл. № 13), 150-170°C (пат. РФ 2143458, 6 C10C 3/04, 27.12.99, Бюл. № 36), 165°C (пат. РФ 2253660, МПК C10C 3/04, оп. 10.06.2005). Использование газов, образующихся на стадии окисления и имеющих температуру, близкую к температуре окисления, для смешивания неокисленного и окисленного компонентов ранее также не предлагалось.
2
Предлагаемый способ позволяет увеличить дуктильность битума вследствие испарения легких фракций сырья, обеспечиваемого предварительным нагревом неокисленной части сырья до температуры, превышающей температуру окисления, и последующим смешиванием с окисленной частью сырья при температуре, также превышающей температуру окисления. Такое решение задачи увеличения дуктильности битума не следует явным образом из уровня техники. Более того, во избежание образования и отложения кокса на стенках сепарационной части аппаратуры, ускоряющегося при наличии остаточного кислорода в газах окисления, ранее предложено смешивать газожидкостную смесь, выходящую из зоны окисления, с сырьем, имеющим температуру ниже температуры окисления (Авт.св. СССР 550845, М. кл. C10C 3/04, 23.07.82, Бюл. № 27). Промышленное использование такого приема охлаждения при окислении разных видов сырья (мазута, гудрона, смеси гудрона и асфальта) неоднократно отмечалось в технической литературе (Нефтепереработка и нефтехимия, 1985, № 9, с.18-20; Химия и технология топлив и масел, 1988, №11, с.18; Химия и технология топлив и масел, 1999, № 4, с.25-26; Нефтепереработка и нефтехимия, 2000, № 12, с.45-46). Предлагаемый способ основан на противоположном неизвестном ранее предложении: повысить температуру смешивания. Опасность образования и отложения кокса на стенках сепарационной части аппаратуры при этом не возникает: исследования показали, что при высоких температурах остаточный кислород, содержащийся в газах окисления при недостаточной высоте зоны окисления, реагирует полностью во время прохождения газожидкостной смеси по трубопроводу до входа в сепарационную часть аппаратуры. Что касается использования газов окисления для смешивания окисленного и неокисленного сырья, то целесообразность такого использования также нельзя было предсказать на основе существующего уровня техники, так как газы содержат разные компоненты, в том числе неуглеводородные (в том числе кислород), и их роль в процессе смешивания предположительно могла привести и к нежелательным последствиям.
Предлагаемый способ применим в промышленных условиях, поскольку предполагает использование обычной аппаратуры (окислительных колонн, трубчатых нагревательных печей, сепараторов), коммуникаций (трубопроводов) и средств контроля и регулирования процессов. Необходимая степень нагрева сырья по предлагаемому способу - предпочтительно до 350-390°C - также может быть осуществлена в промышленных печах, так как известно, что, например, мазут можно нагревать, не опасаясь разложения, и до более высоких температур: от 390 до 425°C в зависимости от свойств исходной нефти (Справочник нефтепереработчика. /Под ред. Г.А.Ластовкина, Е.Д.Радченко, М.Г.Рудина. Л.: Химия, 1986, с.68) и даже до 440°С (И.Л.Гуревич. Технология переработки нефти и газа, ч. 1, М.: Химия, 1972, с.227).
Способ осуществляют в зависимости от типа используемого окислительного аппарата следующим образом.
В случае использования окислительной колонны, не имеющей газового пространства, т.е. полностью заполненной окисляемым сырьем, в нижнюю часть колонны через диспергатор (перфорированные горизонтальные трубки) подают воздух. В колонну подают часть сырья. В колонне образуется газожидкостная смесь (барботажный слой), заполняющая все пространство колонны. Здесь происходит окисление поступившей части сырья. Далее газожидкостная смесь выходит из колонны в шлемовую линию, соединяющую верхнюю часть колонны с сепаратором. В эту же линию подают другую часть сырья, предварительно нагретую до температуры, превышающей температуру окисления. В шлемовой линии в токе газов окисления, образовавшихся в колонне, происходит смешивание окисленной и неокисленной частей сырья. Образовавшуюся суммарную газожидкостную смесь подают в сепаратор. Здесь происходит разделение газожидкостной смеси: газ вместе с испарившимися легкими фракциями сырья выводят из верхней части сепаратора, жидкость - битум - из нижней.
В случае использования окислительной колонны с газовым пространством в ее верхней части, т.е. когда барботажный слой заполняет не всю колонну, воздух также подают в нижнюю часть колонны через диспергатор, а часть сырья вводят в колонну под уровень барботажного слоя. Здесь происходит окисление поступившей части сырья. Газы окисления и жидкость - окисленную часть сырья - выводят раздельно: жидкость из нижней части колонны, газы из верхней части по шлемовой линии. Далее газы окисления и окисленную и неокисленную предварительно нагретую до температуры, превышающей температуру окисления, части сырья подают в аппарат, где происходит смешивание упомянутых частей сырья в токе газов окисления, образовавшихся в колонне. В верхней сепарационной части аппарата происходит разделение фаз: газ вместе с испарившимися легкими фракциями сырья выводят из верхней части аппарата, жидкость - битум - из нижней.
В обоих случаях следует газы окисления вместе с испарившимися легкими фракциями сырья охлаждать и отделять углеводородный конденсат с целью его утилизации. Неконденсирующиеся газы направлять на термическое обезвреживание в соответствии с обычной практикой.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
3
3
3
3
Пример 1. В качестве нефтяного сырья используют мазут западносибирской нефти (содержание фракций, выкипающих до 360°C, 14 об.%, содержание асфальтенов 5 мас.%). Часть мазута в количестве 15 м/час подают в окислительную колонну. В нижнюю часть колонны через диспергатор подают воздух в количестве 3200 м/час. В колонне нет газового пространства, т.е. колонна заполнена окисляемым материалом полностью, до шлемовой линии. Окисление сырья воздухом проводят при температуре 290°C, температура размягчения окисленного сырья достигает 70°C. С верха колонны по шлемовой линии выводят газожидкостную смесь, имеющую температуру 290°C. В эту смесь подают неокисленную часть мазута в количестве 27 м/час, предварительно нагретую в трубчатой печи до 390°C. Далее образовавшуюся суммарную газожидкостную смесь по шлемовой линии подают в нижнюю часть сепаратора через распределительное устройство (перфорированные горизонтальные трубки). Образовавшаяся суммарная газожидкостная смесь вначале имеет температуру около 360°C, ее температура затем снижается вследствие затрат тепла на испарение легких фракций мазута до 320-330°C. При этой температуре в сепараторе происходит окончательное смешивание окисленной и неокисленной частей мазута и испарение легких фракций. В верхней части сепаратора газы, содержащие легкие фракции мазута, отделяются от жидкости. Поток этих газов выводят с верха сепаратора и далее перерабатывают известными технологическими приемами в соответствии с конкретными условиями производства. Из нижней части сепаратора выводят жидкость - битум марки БНД 60/90 (с температурой размягчения 49°C) по ГОСТ 22245-90 в количестве около 24 м/час. Дуктильность битума при 25°C достигает 70 см (нормированная дуктильность на эту марку - не менее 55 см).
По способу-прототипу из указанного сырья получаются битумы с дуктильностью не более 10-15 см, т.е. не соответствующие требованию стандарта.
3
3
3
3
Пример 2. В качестве нефтяного сырья используют тот же мазут, что и в примере 1. Часть мазута в количестве 15 м/час подают в окислительную колонну, имеющую газовое пространство, под уровень барботажного слоя. В нижнюю часть колонны через диспергатор подают воздух в количестве 3300 м/час. Окисление сырья воздухом проводят при температуре 270°C. С верха колонны по шлемовой линии выводят газы, образовавшиеся на стадии окисления. Из нижней части колонны окисленный мазут (с температурой размягчения 70°C) выводят в сепаратор. Сюда же (в сепаратор) подают неокисленную часть мазута в количестве 27 м/час, предварительно нагретую в трубчатой печи до 390°C, а также выводимые из колонны газы с температурой, на 10°C меньшей температуры окисления (падение температуры происходит вследствие потерь тепла в шлемовой линии). В сепараторе при температуре 310-320°C происходит смешивание окисленной и неокисленной частей мазута и испарение легких фракций. В верхней части сепаратора газы, содержащие легкие фракции мазута, отделяются от жидкости. Поток этих газов выводят с верха сепаратора и далее перерабатывают известными технологическими приемами в соответствии с конкретными условиями производства. Из нижней части сепаратора выводят жидкость - битум марки БНД 130/200 (с температурой размягчения 42°C) по ГОСТ 22245-90 в количестве около 24,5 м/час. Дуктильность битума при 25°C равна 80 см (нормированная дуктильность на эту марку - не менее 70 см).
По способу-прототипу из указанного сырья получаются битумы с дуктильностью не более 10-15 см, т.е. не соответствующие требованию стандарта.
3
3
3
3
Пример 3. В качестве нефтяного сырья используют легкий гудрон анастасиевской нефти (содержание фракций, выкипающих до 415°C, 10 об.%, содержание асфальтенов 2,3 мас.%). Часть гудрона в количестве 10 м/час подают в окислительную колонну, имеющую газовое пространство, под уровень барботажного слоя. В нижнюю часть колонны через диспергатор подают воздух в количестве 3500 м/час. Окисление сырья воздухом проводят при температуре 270°С, температура размягчения окисленного сырья 60°С. С верха колонны по шлемовой линии выводят газы, образовавшиеся на стадии окисления. Из нижней части колонны окисленный гудрон выводят в сепаратор. Сюда же (в сепаратор) подают неокисленную часть гудрона в количестве 30 м/час, предварительно нагретую в трубчатой печи до 350°С, а также выводимые из колонны газы с температурой, равной температуре окисления (падение температуры не происходит, так как шлемовая линия снабжена усиленной теплоизоляцией). В сепараторе при температуре, устанавливающейся на уровне 310°С, происходит смешивание окисленной и неокисленной частей гудрона и испарение легких фракций. В верхней части сепаратора газы, содержащие легкие фракции гудрона, отделяются от жидкости. Поток этих газов выводят с верха сепаратора и далее перерабатывают известными технологическими приемами в соответствии с конкретными условиями производства. Из нижней части сепаратора выводят жидкость - битум марки БНД 40/60 (с температурой размягчения 53°С) по ГОСТ 22245-90 в количестве около 30 м/час. Дуктильность битума при 25°С более 100 см, т.е. имеет большой запас качества (нормированная дуктильность на эту марку - не менее 45 см).
По способу-прототипу из указанного сырья получаются битумы (с пенетрацией при 25°С, соответствующей упомянутой марке) с дуктильностью не более 30 см, т.е. не соответствующие требованию стандарта.
3
3
3
3
Пример 4. В качестве нефтяного сырья используют тот же гудрон, что и в примере 3. Часть гудрона в количестве 10 м/час подают в окислительную колонну, не имеющую газового пространства. В нижнюю часть колонны через диспергатор подают воздух в количестве 3500 м/час. Окисление сырья воздухом проводят при температуре 290°С, температура размягчения окисленного сырья 62°С. С верха колонны по шлемовой линии выводят газожидкостную смесь, имеющую температуру 290°С. В эту смесь подают неокисленную часть гудрона в количестве 30 м/час, предварительно нагретую в трубчатой печи до 300°С. Далее образовавшуюся суммарную газожидкостную смесь по теплоизолированной шлемовой линии подают в нижнюю часть сепаратора через распределительное устройство (перфорированные горизонтальные трубки). В сепараторе устанавливается температура около 295°С (часть тепла затрачивается на испарение легких фракций). Здесь происходит окончательное смешивание окисленной и неокисленной частей гудрона и испарение легких фракций. В верхней части сепаратора газы, содержащие легкие фракции гудрона, отделяются от жидкости. Поток этих газов выводят с верха сепаратора и далее перерабатывают известными технологическими приемами в соответствии с конкретными условиями производства. Из нижней части сепаратора выводят жидкость - битум марки БНД 90/130 (с температурой размягчения 45°С) по ГОСТ 22245-90 в количестве около 32 м/час. Дуктильность битума при 25°С составляет 70 см, т.е. имеет некоторый запас качества (нормированная дуктильность на эту марку - не менее 65 см).
По способу-прототипу из указанного сырья получаются битумы (с пенетрацией при 25°С, соответствующей упомянутой марке) с дуктильностью не более 50 см, т.е. не соответствующие требованию стандарта.