Возможности получения дорожных битумов улучшенного качества

Максимальное вовлечение тяжелых нефтяных остатков в переработку с целью ее углубления весьма актуально в условиях усиливающейся конкуренции на рынке нефтепродуктов, с одной стороны, и на фоне возрастающих требований к их эксплуатационным качествам — с другой. Перерабатывая нефти различного состава и с большим разбросом по показателям качества, технологи столкнулись с проблемой получения высококачественных битумов. Известно, что даже небольшое изменение состава сырья (содержание парафиновых и ароматических углеводородов, асфальтенов и других компонентов) оказывает огромное влияние на качество получаемых битумов. Отрицательный «вклад» в нестабильность сырья вносят и технологические особенности эксплуатации вакуумных колонн: изменение температурного режима и глубины вакуума, колебания количества «проваливаемого» циркуляционного орошения и загрузки сырья, недостаточная эффективность контактных устройств и т. д. Все битумы на Ферганской НПЗ получают окислением гудрона. Основу технологического процесса составляет вакуумная перегонка мазута и последующее непрерывное окисление продуктов вакуумной перегонки кислородом воздуха в аппаратах колонного типа. Гудрон, полученный в вакуумном блоке комбинированной установки производства нефтяных битумов, окисляется в шести колоннах К-3 и К-8. Сырье подают под уровень раздела фаз, битум откачивают снизу колонн (твердые осадки в колоннах не накапливаются). Воздух на окисление подается в нижнюю часть через маточник. Содержание кислорода в отходящих газах окисления не превышает 6 % об. Окисленные битумы можно получать из остатков практически всех нефтей. Наилучшими считаются нефти высокосмолистые (20–35 % масс. смол) и малопарафинистые (до 5 % масс. парафинов). Содержание парафинов в нефти, перерабатываемой на Ферганской НПЗ, составляет 3,0–5,3 % масс.,смол 8–11 % масс., асфальтенов 0,8–1,2 % масс.

С увеличением глубины вакуумной перегонки содержание парафино-нафтеновых углеводородов уменьшается, но содержание аренов, в том числе бициклических, хорошо диспергирующих асфальтены, — увеличивается. Получаемый при этом битум характеризуется пониженными пенетрацией, индексом пенетрации, температурой размягчения и повышенной дуктильностью [1].

На Ферганской НПЗ вырабатывается битум следующих марок:

-       дорожный БНД 90/130, БНД 60/90;

-       строительный — БН 70/30, БН 90/10;

-       кровельный — БНК 40/180, БНК 45/190.

Для успешного продвижения их на внешний рынок необходима ориентация на зарубежные стандарты. С целью изучения возможности выпуска битума марки 70/100, соответствующего стандарту ЕN 12591–00 «Продукты из нефти. Битумы и связующие материалы, содержащие битум. Битумы для дорожного строительства», на битумной установке был проведен фиксированный пробег. Вакуумный блок битумной установки находился на реконструкции, поэтому в качестве сырья использовали гудрон другой установки — вакуумной дистилляции мазута (УВДМ). Качество гудрона с этой установки соответствовало нормам СТП: вязкость условная при 80°С — 26–30 с, температура размягчения по методу КиШ — 26–30°С. Типичный групповой состав гудрона с этой установки: парафины — 2,24–3,90 % масс., масла — 61–62,5 % масс., асфальтены — 4,5–6,0 % масс., смолы — 31,6–33,8 % масс.

Окислительная колонна работала в режиме получения дорожного битума БНД 60/90. Расход гудрона в период пробега составлял 14–15 м³/ч, соотношение воздух: гудрон — 118–130 м³/м³, температура жидкой фазы в колонне — 263–275°С. Каждые четыре часа отбирали пробы битума и анализировали на соответствие качества ГОСТ 22245–90. Для определения показателей качества использовали стандартные методы по ГОСТ, соответствующие также методам ЕN, и дополнительные по показателям, необходимым по стандарту ЕN 12591–00. Сравнивая требования стандарта ЕN 12591–00 и ГОСТ 2224590, следует учитывать, что ГОСТ регламентирует в основном свойства исходных битумов: пенетрация при 25 и 0°С, температура размягчения и хрупкости, и лишь один показатель изменение температуры размягчения после прогрева при 15 ч. Данный показатель характеризует термоокислительную стабильность битумов. Зарубежный стандарт уделяет примерно равное внимание как свойствам исходного битума, так и свойствам битума после прогрева (табл. 1).

Сравнительные нормы и характеристика окисленного битума (по результатам фиксированного пробега)

Из таблицы следует, что на данной установке можно получать битум марки 70/100, по всем показателям качества соответствующий стандарту ЕN 12591–00, кроме содержания парафинов. Присутствие парафиновых углеводородов обусловливает снижение пластичности, долговечности и других важнейших эксплуатационных характеристик товарных битумов.

В настоящее время существует несколько способов получения низкопарафинистого сырья для производства битумов. Один из них — активирование сырья при вакуумной перегонке введением оптимальных количеств специальных добавок. Например, при введении в мазут смеси Жаркакских нефтей 3 % масс. экстракта селективной очистки масляных фракций наблюдается повышение выхода вакуумного дистиллята и снижение содержания в гудроне парафино_нафтеновых углеводородов с 9,5 до 3,4 % [2]. Другой технологический способ — компаундирование «сухого» гудрона с концентратами полиароматических углеводородов, асфальтами деасфальтизации, тяжелыми прямогонными и каталитическими вакуумными газойлями, асфальтитами и др. Для получения «сухого» гудрона необходимо использование эффективных контактных устройств, систем тепло- и массообмена и обеспечение остаточного давления наверху колонны 20–30 мм рт.ст. [2]. Эффективнейшим способом повышения качества товарных нефтепродуктов является компаундирование. Его используют для получения практически всех смешиваемых продуктов автомобильных бензинов, дизельных и котельных топлив, смазочных материалов и др. Теоретически возможно и целесообразно использование компаундирования как для подготовки сырья, так и для модификации свойств уже готовых битумов. Для производства неокисленных остаточных битумов необходим особый вид сырья — тяжелые высокосмолистые нефти типа венесуэльской и тяжелой арабской [3]. В мировой практике применяются как остаточные, так и компаундированные битумы. Последние представляют особый интерес: это стабильные мелкодисперсные системы, характеризующиеся хорошими адгезионными свойствами [4, 5].

Однако для получения остаточных и компаундированных битумов требуется коренное изменение технологии. Для изучения возможности получения компаундированного битума на НПЗ были проанализированы смеси из четырех образцов окисленного битума (с различной температурой размягчения) с гудроном вакуумного блока установки производства битума (УПБ). Качество гудрона с УПБ соответствовало нормам СТП: вязкость условная при 80°С — 33 с, температура размягчения по КиШ 28°С.

Качество полученных компаундированием образцов битума

В табл. 2 представлены результаты компаундирования — качество полученных образцов битума. С увеличением количества битума в смеси растет температура размягчения при одновременном снижении растяжимости и пенетрации, причем изменение этих показателей довольно значительно. Ориентируясь на показатели качества товарных окисленных битумов (см. табл.1), можно выделить образцы: партия № 2–8, 9, партия № 3–14, 15, партия № 4–20, 21,каждый из которых может соответствовать определенной марке. Например, образцы 8, 14 не только укладываются в нормы наиболее распространенных дорожных битумов БНД 90/130, но и значительно их превосходят. Если температура размягчения товарного битума, изготовленного по окислительной технологии, редко превышает 45°С, то рассматриваемые компаунды характеризуются таковой 47–49°С. Но к основным их достоинствам относится высокая растяжимость (> 100 см), что говорит о хороших пластичных свойствах. В целом полученные композиции представляют собой аналоги окисленных дорожных БНД 60/90 (образцы 6, 7 и 13, 18, 19), БНД 90/130 (образцы 8, 9) и БНД 130/200 (образцы 9, 10), производство которых иными способами затрудненно. Компаундированные битумы характеризуются большей растяжимостью и интервалом пластичности, чем битумы, получаемые в промышленных условиях методом окисления нефтяного сырья. Таким образом, для получения компаундированных битумов можно рекомендовать утяжеленный гудрон и переокисленный компонент (битум БН 90/10) в соотношениях от 40: 60 до 60: 40.

Литература:

1.                  Белоконь Н. Ю., Компанеец В. Г. и др. Исследование влияния группового состава гудронов на качество промышленных окисленных битумов // Нефтепереработка и нефтехимия. 2001. № 1. С. 21.

2.                  Кутьин Ю. А., Хайрудинов И. Р., Мингаев С. С. и др. Производство и применение неокисленных дорожных битумов // Химия и технология топлив и масел. 2000. № 4. С. 20.

3.                  Грудников И. Б., Пранович А. А., Ипполитов Е. В. и др. Компаундированные дорожные битумы улучшенного качества // Нефтепереработка и нефтехимия. 2001. № 4. С. 34.

4.                  Гуреев А. А., Сомов В. Е., Луговской И. А., Иванов А. В. Новое в технологии производства битумных материалов // Химия и технология топлив и масел. 2000. № 2. С. 49.