РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА
А.А. ГУРЕЕВ,
Е.А. ЧЕРНЫШЁВА,
А.А. КОНОВАЛОВ,
Ю.В. КОЖЕВНИКОВА
ПРОИЗВОДСТВО
НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
МОСКВА
2007
УДК 666.96;
665.637.8;
665.775.
Гуреев А.А., Чернышева Е.А., Коновалов А.А., Кожевникова Ю.В..
Производство нефтяных битумов - М. Изд.Нефть и газ, 2007,102 с.
Рекомендовано
Ученым Советом факультета химической технологии и экологии в качестве
учебного пособия по дисциплине СД.02 «Химическая технология топлива и
углеродных материалов» для студентов ВУЗов, обучающихся по
направлению подготовки дипломированного специалиста 65.50.00
«Химическая технология органических веществ и топлива» по
специальности 25.04.00 «Химическая технология природных
энергоносителей и углеродных материалов»
Рецензенты'.
-	д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии переработки нефти и газа
Уфимского государственного технического университета Ахметов А.Ф.
-	к.т.н., директор ФГУ «Росдортехнология» Быстров Н.В.
© Российский государственный университет
нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007
2
Содержание
Введение............................................................... 5
1 .Классификация битумов................................................7
1.1.	Классификация битумов по способу производства....______________ 8
1	^.Классификация битумов по областям применения....................9
1.2.1.	Дорожные битумы............................................  9
1.2.2.	Строительные битумы.......................................  13
1.2.3.	Кровельные битумы...........................................13
2	.Строение и свойства битумов........................................15
2.1.	Состав битумов.................................................15
22.	Структурные типы битумов.......................................20
2.3.	Свойства битумов...............................................24
2.4.	Старение битумов...............................................36
2.5.	Методики расчета свойств битумов............................   38
3. Промышленные установки производства окисленных битумов______________40
3.1.	Куб..........................................................  40
32.	Установка с трубчатым реактором................................41
3.3.	Установка с окислительной колонной.............................45
3.3.1.	Физико-химическая сущность процесса.........................45
3.3.2.	Основные параметры процесса.................................47
3.3.3.	Температура процесса окисления............................  48
3.3.4.	Расход воздуха............................................. 48
3.3.5.	Уроаень жидкости в окислительном аппарате_________________  49
3.3.6.	Содержание свободного кислорода а газах окисления...........50
3.4.	Физико-химические характеристики сырья производства окисленных
битумоа.........................................................51
4.Производство битумов окислением гудрона в колонне. Технологический расчет
установки производства окисленных битумов___________________52
4.1. Физико-химическая характеристика сырья и продуктов установки
производства окисленных битумов............................  —	52
42. Описание технологической схемы установки окисления гудрона в
битумы.................................................    54
4.3.	Технологический рас чёт установки по производству окисленных
битумов..............................................._......  58
4.3.1.	Расчет материального баланса окислительной колонны К-1__59
-	определение производительности установки;....................59
-	составление материального баланса окислительной колонны К-1;-59
-	расчет прихода тепла;........................................59
-	расчет расхода тепла;......................................  59
-	съем избыточного тепла;......................................59
3
4.4.	Определение производительности установки......................59
4.5.	Определение количества газообразных продуктов.................59
4.6.	Составление материального баланса окислительной колонны К-1___62
4.7.	Расчет теплового баланса окислительной колонны..............63
4.7.1.	Расчет плотности композиционного сырья...................63
4.7.2.	Расчет прихода тепла.....................................63
4.7.3.	Расчет расхода тепла.....................................65
4.7.4.	Съем избыточного тепла...................................66
4.8.	Расчет размеров окислительной колонны.......................66
4.9.	Расчет конденсатора смешения................................69
4.9.1.	Тепловой баланс конденсатора.............................70
4.9.2.	Расчет размеров конденсатора смешения....................72
4.10.	Расчет холодильника битумного (змеевика) X-1.................73
4.11.	Расчет количества емкостей для загрузки битумоа..............74
4.12.	Подбор насосов.............................................75
4.13.	Расчёт валовых выбросов вредных веществ в атмосферу........78
5.	Современные тенденции в производстве дорожных окисленных битумов.81
6.	Органические битумные вяжущие материалы........................89
6.1.	Полнмербитумные вяжущие материалы...........................89
6.2.	Битумные эмульсии.............................................91
7.	Комплексное производство битумных материалов.....................97
Список рекомендуемой литературы.....................................Ю2
4
Введение
Нефтяные битумы - продукты тёмно-чёрного цвета, обычно твердые
при комнатной температуре- Это, по существу, концентрат
высокомолекулярных соединений (с молекулярной массой более 400),
склонных уже при обычных температурах к физическим межмолекулярным
взаимодействиям, которые приводят к формированию прочных физических
ассоциатов и к структурированию системы.
Битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов
и гетероорганических соединений разнообразного строения, выкипающую в
осноаном при температурах выДе 450-500°С.
Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-
строительных материалов основано на его специфических физико-
химических свойствах. Области применения битума достаточно широка, при
производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой
промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при
строительстве зданий и сооружений. Главным потребителем битума является
дорожное строительство.
Мощности мирового произвоДС™ нефтяных битумов составляют
около 120 млн. тони в год При этом мощности российских заводов
находятся на уровне 9,8 млн. тонн в гад (приблизительно в 4 раза отставая от
американских и несколько превышая канадские). Следует также принять во
внимание, что загруженность российских мощностей не превышает 40-50 /»
в то время как в семёрке иацб°лее развитых стран мира (США, Канад
Япония, Германия, Великобритания, Франция и Италия) этот потеии
используется на 90-96 %.
Сегодня крупные, основные 21 НПЗ России (из 26 работают )
производят около 3,0-3,5 млн. т°ни битумоа в год. Ещё около 0,3 мли. тонн в
год дорожных битумов производят локальные (входящие в состав дорожнь
ремонтно-строительных управлений и асфальтобетонных заводов) установ
5
Всё это, а также принимая во внимание огромную территорию, связано
с весьма низким уровнем развития дорожного строительства в России.
На состояние и развитие битумного производства в России оказывает
существенное влияние ряд специфических факторов.
Первый из них - сезонность выработки битумов основных марок -
дорожных, связанная с чётко определёнными периодами выполнения
дорожно-строительных работ и порождающая проблемы для непрерывно
функционирующих нефтеперерабатывающих предприятий.
Второй фактор - существующая система ценообразования, при которой
цена продукта (битума) составляет 60-70 % от цены сырья (нефти), и
сложность проведения технологических операций с таким высоковязким и
высокозастывающим продуктом, как битум. В результате оказывается
недействующей система стимулирования для совершенствования и
обновления битумного производства: на большей части российских НПЗ
давно и физически, и морально устарело основное технологическое
оборудование битумных установок, на ряде производств, не оснащенных
современными окислительными колоннами, продолжается эксплуатация
устаревших трубчатых реакторов, характеризующихся повышенной
пожарной и экологической опасностью, насосоа и компрессоров,
теплообменного оборудования.
Кстати, экономическим стимулом для совершенствования битумного
производства является низкий уровень таможенных пошлин при экспорте
современных дорожных битумных материалов.
«Третий фактор - неконтролируемый разброс показателей качества
поступающего на переработку сырья (нефтей). Известно [1], что даже
небольшие колебания его состава - содержания парафиновых и
ароматических углеводородов, асфальтеноа и других компонентов,
оказывают значительное влияние на качество получаемых битумов.
Отрицательный «вклад» в нестабильность сырья вносят и технологические
особенности эксплуатации вакуумных колони: изменения температурного
6
режима и глубины вакуума, колебания количества «проваливаемого»
циркуляционного орошения и загрузки сырья, недостаточная эффективность
контактных устройств и т.д.
Основным сырьем для производства битумов в нашей стране являются
остаточные продукты нефтепереработки: гудроны и мазуты, асфальтиты
(экстракты) процесса деасфальтизации гудрона, крекинг-остатки, смолы
пиролиза, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.
В последние годы специалисты в области дорожного строительства и в
области нефтепереработки пришли к пониманию несоответствия возможного
качества нефтяного дорожного битума суровым требованиям российской
климатической зоны и возросшим деформационным нагрузкам из-за резкого
увеличения интенсивности дорожного движения. Для обеспечения
длительной и надёжной работоспособности асфальтобетонного покрытия в
таких условиях были разработаны органические вяжущие материалы.
Органические вяжущие материалы - сложные композиционные
материалы, представляющие смесь битумов с различными добавками
(полимеров, пластификаторов и т.п.) обеспечивающими их необходимые
эксплуатационные свойства. Таким образом, основу органических вяжущих
материалов составляют нефтяные битумы.
1.Классификация битумов
В приводимой Р.Б. Гуном классификации [1] существуют битумы
природные (в основном это высоковязкие нефти из битуминозных пород),
искусственные (полученные различными технологическими приёмами из
углеводородного сырья), пиробитумы (продукты высокотемпературного
термолиза сланцевого, древесного и другого вида сырья), а также дёгти и
пеки каменноугольного, торфяного, жирового и другого происхождения.
Нефтяные битумы классифицируют как по способу производства так и
по области их применения в народном хозяйстве.
7
1.1.	Классификация битумов по способу производства
В соответствии со способом производства различают три основных
типа нефтяных битумов: остаточные, окисленные и компаундированные.
Остаточные битумы получают как кубовые остатки (выкипающие
выше 450 - 550 °C) процессов первичной переработки специальных, тяжелых
нефтей,. Для получения остаточных битумов может быть использовано
только сырье с большим содержанием САВ (смолисто-асфальтеновых
веществ), которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых
высокосмолистых нефтях.
Окисленные битумы получают окислением тяжёлых остатков
переработки нефти (выше 400 - 450 °C) или их смесей с различными
экстрактами, смолами или другими тяжелыми полупродуктами
нефтепереработки кислородом воздухом при 250 - 280вС.
В свою очередь производство окисленных битумов может быть
классифицировано по типу используемого окислительно-реакционного
аппарата. Процесс окисления можно проводить, соответственно, в кубах, в
бескомпрессорных реакторах, в иеобогреваемых трубчатых (змеевиковых)
реакторах и в окислительных колоннах.
Компаундированные битумы получают смешением различных
окисленных и остаточных битумов, а также других нефтяных остатков и
полупродуктов производства, тяжелых дистиллятов между собой.
Выбор того или иного способа получения битума определяется
возможностями предприятия производить необходимые потребителю
продукты стандартного качества из имеющегося в распоряжении сырья.
8
1.2.	Классификация битумов по областям применения
По областям применения битумы классифицируют как дорожные,
строительные, кровельные, изоляционные, битумы специального назначения
и др.
Дорожные - выпускаются в наибольшем объёме (70-80%) и
предназначены для производства всех основных видов ремонтно-
строительных дорожных работ (ГОСТ 22245-90), а также жидкие - для
продления сезона дорожных работ (ГОСТ 11955-74).
Кровельные - применяют для изготовления кровли и производства
различных кровельных материалов (ГОСТ 9548-74). Их, в свою очередь,
разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки
основы и получения покровного слоя).
Строительные - применяют при выполнении различных ремонтно-
строительных работ, в частности для гидроизоляции фундаментов зданий
(ГОСТ 6617-76).
Изоляционные - используют для изоляции трубопроводов с целью
защиты их от коррозии (ГОСТ 9812-74) и для приготовления заливочных
аккумуляторных мастик (ГОСТ 8771-76).
Специальные битумы - предназначены для использования в
лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности (ГОСТ
21822-76).
Битумы - высокоплавкне мягчители (рубраксы) - производят для
резинотехнической и шинной промышленности (ГОСТ 781-78).
1.2.1.	Дорожные битумы
Дорожные битумы используют в качестве вяжущего материала при
строительстве и ремонте асфальтобетонных дорожных покрытий.
9
Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки
применяемого битума и его качества.
Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие.
Вязкие битумы типа БНД в России вырабатываются в соответствии с
ГОСТ 22245-90.(табл. 1.2.1.1.). [2]
Все дорожные битумы маркируются по значениям показателя
пенетрацни при 25°С.
Рекомендации по применению зависят от типа дорожных битумов и их
пенетрации при 25°С:
-	в первой дорожно-климатической зоне при среднемесячной
температуре наиболее холодного времени года не выше -20вС рекомендуется
использовать битумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130;
•	во второй и третьей зонах при температуре в пределах -10-20°С -
битумы БНД 200/300, БНД 130/200,БНД 90/130, БНД 60/90;
-	во второй, третьей и четвертой зонах при температуре -5-10°С —
битумы БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60;
-	в четвертой и пятой климатических зонах при температуре не ниже
+5°С — битумы БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60.
Некоторые количество вязких битумов вырабатывается иа отдельных
заводах по техническим условиям.
Жидкие дорожные битумы представляют собой остаточные продукты
полутвердой и жидкой консистенции, полученные при первичной
переработке нефти и крекинге тяжелых нефтепродуктов. Высокосмолистые
тяжелые нефти - это также естественные жидкие битумы. Использование
таких битумов дает возможность исключить высокотемпературные
процессы, использовать различные способы обработки минеральных
материалов и продлить сезон строительных работ. Из дорожного покрытия,
включающего жидкие битумы, с течением времени под действием кислорода
воздуха, солнечных лучей, адсорбции каменным материалом или грунтом и
других факторов испаряются низкокипящие фракции и уплотняются
10
высокомолекулярные соединения. В результате этого дорожные покрытия
становятся механически прочными и теплостойкими.
Таблица 1.2.1.1.
Характеристики вязких дорожных битумов (ГОСТ 22245-90).
Показатели	БНД 200/300	БНД 130/200	БНД 90/130	БНД 60/90	БНД 40/60
Пенетрация, 0,1 мм, при температуре:					
25 °C	201-300	131-200	91-130	61-90	40-60
0 °C, не менее	45	35		28	20	13
Температура, °C:					
Размягчения, не ниже	35	40	43	47	51
Хрупкости, ие выше	-20	-18	-17	-15	-12
вспышки, ие ниже	220	220	230	230	230
Дуктильность, см, не менее при температуре:					
25°С	-	70	65	55	45
0°С	20	6,0	4.0	3,5	-
Изменение темпе	ратуры размягчения после прогрева				
°C, не более	7	1	6		1 5	L 5	1 5
Индекс пенетрацни	От-1,0 до + 1,0				
Жидкие дорожные битумы могут быть получены из вязких путём их
компаундирования с разжижающими нефтепродуктами и поверхностно-ак
тивными веществами. Жидкие битумы предназначены для продления сезона
дорожного строительства. В соответствии с ГОСТ 11955-82 их получают
смешением вязких битумов БНД с дистиллятными фракциями -
разжижителями. Применение жидких дорожцых битумов не соответствует
современным требованием к энергосбережению и защите окружающей
среды. Кроме того, низкая температура вспышки изначально предопределяет
их пожароопасность.
Жидкие дорожные битумы готовят с добавкой следующих
разжижителей [1]:
Н
БГ - БНД 60/90 или БНД 90/130 с добавкой лёгкого керосина (фракции
130-230вС);
СГ - БНД 40/60 с добавкой обычного керосина (фракции 150 - 300°С);
МГ - БНД 40/60 или БНД 60/90 с добавкой тяжёлого дизельного
топлива (фракции 280-360вС).
Для жидких битумов основными нормами качества являются: условная
вязкость при 60° С, температура вспышки (от 37°С для БГ до 110°С для МГ),
количество испарившегося разжижителя при 100°С за 1,3 и 5 часов.
По скорости загустевания жидкие битумы бывают следующие:
-	быстрогустеющие (класс БГ);
-	густеющие со средней скоростью (класс СГ);
-	медленногустеющие (класс МГ).
В зависимости от марки асфальтобетонной смеси содержание битума в
ней составляет 5,5- 8 %мас.. Для большей части покрытий общим является
сочетание в них минеральных наполнителей и битума, в которых последний
используют в качестве прочной водонепроницаемой связующей среды.
В зависимости от температуры обрабатываемой и укладываемой смеси
различают горячий и холодный способы строительства дорожных покрытий.
Практика эксплуатации автомобильных дорог показывает, что
эксплуатационная надёжность дорожных покрытий в значительной степени
определяется свойствами битума. Долговечность работы битума в состаае
асфальтобетонного покрытия связана, прежде всего, с его высокими
низкотемпературными, пластичными и адгезионными свойствами. Это
должно надёжно обеспечивать выполнение битумами трех основных задач их
применения: склеивание между собой частиц минерального материала,
релаксирование возникающих температурных и деформационных
напряжений и понижение вязкости при температурах 130-160°С для
равномерного смачивания и обволакивания частиц минерального материала.
— Достижение такого комплекса высоких показателей качества дорожных
битумов возможно только за счет оптимизации их компонентного состава
12
(минимизации содержания в составе сырья н-парафиновых углеводородов с
одновременным ростом содержания изо-парафиновых, нафтеновых и
полиароматических углеводородов) или ваедения специальных полимерных
добавок.
К сожалению, выпускаемые сегодня дорожные битумы не
полностью соответствуют высоким требованиям эксплуатации, в том числе и
устойчивостью к термоокнслительному старению.
К числу современных дорожных битумных материалов можно
отнести, следуя мировой практике, дорожные битумы с улучшенными
эксплуатационными характеристиками и композиции на их основе -
полнмербитумные вяжущие и битумные эмульсин.
1.2.2.Строительные битумы
Строительные битумы используют главным образом в качестве
гидроизоляционной среды (высокая прочность сцепления с различными
материалами, стойкость к действию химических веществ и растворов) и
выпускают трёх марок: БН 50/50, БН 70/30 и БН 90/10 (табл. 1.2.2.1). В
числителе указывается температура размягчения, а в знаменателе - средняя
глубина проникания иглы. Эти битумы менее растяжимы, т.е. пластичны,
чем дорожные.
1.2.3. Кровельные битумы
Возросли требования потребителей к качеству кровельных битумов
марок БНК, производимых по ГОСТ 9548-90. Это объясняется нх
использованием в производстве новых рулонных кровельных материалов
улучшенного качества (типа Изофлекс) и высокоэффективных защитных
составов.
Нефтяные битумы, применяемые для изоляции трубопроводов (ГОСТ
9812 - 74) от грунтовой коррозии выпускают трех марок БНИ-1У-3, БНИ-1У,
БНИ-У.
13
Таблица 1-2.2-1
Характеристики строительных битумов (ГОСТ 6617-76)
Показатели	Марки битумов		
	БН 50/50	БН 70/30	БН 90/10
Пенетрацня при 25 °C, 0,1 мм	41-60	21-40	5-20
Температура, °C: -размягчения - вспышки, не ниже	50-60 230	70-80 240	90-105 240
Дуктильность при 25 °C, см, не ниже	40	3,0	1.0
Таблица 1.2.3.1
Характеристики кровельных битумов (ГОСТ 9548-74)
Показатели	Марки битумов		
	БНК 40/180	БНК-45/190	БНК 90/30
Псиетрация при 25 °C, 0,1 мм	160-210	160-220	25-35
Температура, °C: - размягчения - хрупкости, не ниже	37-44	40-50	80-95 -10
Дуктильность при 25 °C, см, не ниже	40	3,0	1,0
После прогрева: - изменение мас.ы, %, не более - псиетрация при 25 °C, % от исходной, не менее	0,8 60	0.8 60	0,5 70
Примечание.
Для всех битумов: температура вспышки не.ниже 240 °C; для марки БНК-45/190
массовая доля парафина не более 5 %.___________________________________
14
2.Строеине н свойства битумов
Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных
углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу,
азот, металлы (ванадий, железо, никель н проч.) и др.
2.1.	Состав битумов
Элементный состав битумов приблизительно следующий, % мас.[ 1 ]:
Углерод.......80 — 85
Водород.......8 — 11,5
Кислород......0,2 — 4
Сера..........0,5 — 7
Азот..........0,2—0,5
Для разделения битумов на группы углеводородов используют в
основном хроматографические методы.
Применяя различные методы разделения битумов, получают разные
результаты по числу групп, их содержанию и структуре. Так, например, по
методу Маркусона битумы разделяют на масла, смолы, асфальтены, и
асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Также пользуются и разделением
битумов на асфальтены и мальтены, представляющие собой сумму смол и
масел.
Масла снижают твёрдость и температуру размягчения битумов,
увеличивают текучесть и испаряемость. Элементный состав масел:
-углерод 85-88%,
-водород 10-14%,
-сера - до 4,5%.
Также содержатся небольшие количества кислорода и азота.
Молекулярная мас.а масел 240-800, отношение С:Н обычно равно 0,55-0,66, а
плотность - менее 1 г/см1.
15
Парафиновые соединения нормального и изостроения с числом
углеродных атомов 26 и более, входящие в состав масел, имеют плотность
0,79-0,82 г/см3, коэффициент рефракции 1,44-1,47, молекулярную мас.у 240-
600, температуру кипения 350-520°С, температуру плавления 56 - 90°С.
Нафтеновые структуры масел содержат от 20 до 35 углеродных атомов,
имеют плотность 0,82-0,87 г/см3, коэффициент рефракции 1,4 -1,49,
молекулярную мас.у 450-600.
У ароматических соединений при переходе от моно- к
полициклическим укорачиваются алифатические цепи. Моноциклические
ароматические соединения, выделенные из битумов, имеют коэффициент
рефракции 1,51-1,525, молекулярную мас.у 450-620. Бициклические
ароматические углеводороды имеют коэффициент рефракции 1,535-1,59,
молекулярную мас.у 430-600, а полициклические - соответственно
коэффициент рефракции - выше 1,59, молекулярный вес - обычно 420-670.
Смолы при обычной температуре представляют собой твёрдые
вещества красновато-бурого цвета плотностью 0,99-1,08 г/см3. Смолы
являются носителями твёрдости, пластичности и растяжимости битумов. Они
относятся к высокомолекулярным органическим соединениям циклической и
гетероциклической структуры высокой степени конденсации, соединённым
между собой алифатическими цепями. В их состав кроме углерода (79-87 %
мае.) и водорода (8,5-9,5 %), входят кислород (1-10%), сера (1-10%), азот (до
2%), и многие другие элементы, включая металлы (Fe, Ni, V, Сг, Mg, Со и
др.). Молекулярная мас.а смол - 300-2500.
Углеродный скелет молекул смол представляет собой
полициклическую систему, состоящую преимущественно из
конденсированных ароматических колец с алифатическими боковыми
цепямн. Переход от смол к асфальтенам сопровождается дальнейшим
повышением доли атомов углерода в ароматических структурах с
увеличением степени конденсированное™ последних. Это подтверждается
понижением содержания водорода и возрастанием соотношения С;Н. Число
16
углеродных атомов в соединениях, нз которых состоят смолы, достигает 80-
100. По сравнению с асфальтенами смолы имеют большие число и длину
алифатических цепей. Температура размягчения смол (по КиШ) составляет
35- 90°С.
Асфальтены представляют собой твёрдые хрупкие вещества чёрного
или бурого цвета. В отличие от других компонентов битумов они
нерастворимы в насыщенных углеводородах нормального строения (С5 —
С?), а также смешанных полярных растворителях, но легко растворимы в
жидкостях с высоким поверхностным натяжением - бензоле и его гомологах,
сероуглероде и четырёххлористом углероде.
Плотность асфальтенов - более 1 г/см3. Элементный состав в % мае.:
-углерод 80-84;
-водород 7,5-8,5;
-сера 4,6-83;
-кислород до 6;
-азот 0,4-1.
Молекулярная масса асфальтенов - 1200-200000.Асфальтены являются
продуктом уплотнения циклических соединений, вплоть до создания
пространственной структуры. Степень цикличности асфальтенов и
соотношение в них ароматических, нафтеновых и гетероциклических колец,
а также степень их конденсированности колеблются в широких пределах для
асфальтенов различного происхождения. Атомное отношение С:Н для
асфальтенов находится в пределах 0,94-1,3, степень ароматичности равна 2,8-
4,7. В отдельных случаях содержание гетероатомов в асфальтенах (на 100
атомов углерода) может достигать: 5 атомов серы, 3,2 атома азота и 5 атомов
кислорода.
При глубоком окислении молекулы асфальтенов уменьшаются. При
>том они теряют гибкость, подвижность и рыхлость, ухудшается их
растворимость. Этими химическими превращениями объясняется тот факт,
что вторичные асфальтены, выделенные из окисленных битумов,
17
характеризуются большими хрупкостью и отношением С:Н, меньшвй
молекулярной мас.ой и растворимостью, чем асфальтены, содержащиеся в
сырье.
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - вещества коричнево-
серого цаета, густой смолистой консистенции. Асфальтогеноаые кислоты
легко растворяются в спирте или хлороформе, и трудно — в бензине. Их
плотность более 1г/см3. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды
стабилизируют коллоидную структуру битума.
Карбены и карбоиды являются высокоуглеродистыми продуктами
высокотемпературной переработки нефти и её остатков. Карбены
нерастворимы в четырёххлористом углероде, а карбоиды — в сероуглероде.
Состав и качество битума зависят от технологии его производства и
природы сырья, которая, в свою очередь, зависит от состава нефти. Он
(состав) различен для битумов с одинаковой температурой размягчения,
полученных нэ остатков различных нефтей. Отличаются также структура
компонентов и свойства готовых битумов, полученных разными
технологическими способами. При получении битумов из нефти сырьём
являются гудроны первичной переработки нефти и другие продукты
вторичных процессов переработки нефтяных остатков (экстракты масляного
производства, смолы пиролиза, крекинг-остатки и др.), в которых
концентрируются высокомолекулярные ароматические соединения, смолы и
асфальтены. Пригодность нефти для получения из неё битума определяется
содержанием в ней смол и асфальтенов, что выражается соотношением [4]:
А+С-2.5П > О
где А,С и П - содержание в нефти соответственно асфальтенов, смол и
парафинов, % мае.
Если левая часть этого неравенства меньше нуля, то нефть считается
неблагоприятной для получения из неё битума хорошего качества, а если
. больше - благоприятной..
18
Наиболее простая зависимость прослеживается между температурой
размягчения и составом битумов. В первом приближении можно считать, что
температура размягчения повышается с повышением концентрации
асфальтенов. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы образуют
соответственно золь, золь-гель и гель структуру. Для разрушения этих
структур требуется разная энергия, поэтому битумы с большим содержанием
асфальтенов имеют более высокую температуру размягчения.
Пенетрация (глубина проникновения иглы) увеличивается с
повышением содержания масел, особенно при увеличении концентрации
низкомолекулярных ароматических масел, и почти не зависит от содержания
смол. При этом наблюдается понижение температуры хрупкости.
Зависимость вязкости от группового химического состава практически
аналогична зависимости пенетрации и температуры размягчения: при
понижении соотношения масла/асфальтены она увеличивается.
Растяжимость битумов при 25 °C обычно выше 100 см при отношении
парафино-нафтеновые/асфальтеиы, равном = 2,3. Понижение этого
отношения приводит к резкому уменьшению растяжимости до нуля, а
повышение - постепенному уменьшению.
Структура асфальтенов играет решающую роль н зависит главным
образом от технологии получения битумов и незначительно - от исходного
сырья. При увеличении степени окисления битумов, размеры частиц
определяемых как асфальтены увеличиваются от нескольких А до
нескольких десятков.
На качество битумов существенное влияние оказывает характеристика
масляного компонента. С возрастанием вязкости масел повышаются
температуры размягчения и хрупкости битума, уменьшается пенетрация,
растяжимость проходит через максимум. Большую роль играет
ароматичность масел. Увеличение ароматичности масляного компонента
битума и уменьшение соотношения асфальтеиы/смолы ослабляют
структурную прочность битума. В результате битум теряет вязкостно-
19
эластические свойства, что приводит к понижению температуры размягчения
и пенетрации при 0°С, увеличению растяжимости и уменьшению индекса
пенетрации, т.е. к увеличению вязкостно-температурной кривой, повышению
температуры хрупкости.
Свойства масел и смол битумов зависят от природы нефти. С
увеличением содержания парафина в битуме понижаются плотность и
коэффициент рефракции масел и смол.
2.2.	Структурные типы битумов
Битумы - это дисперсные системы, свойстаа которых зависят не только
от их состава, ио и от структуры и характера азаимодейстаия входящих а их
состав дисперсных частиц.
Современные представления о .нефтяных дисперсных системах и
нефтяных битумах изложены в работах выдающихся российских учёных -
П.А.Ребиндера, Г.И.Фукса, З.И. Сюняева, Д.Ф.Варфоломеева, Р.Б.Гуна, А.С.
Колбановской, Д.А.Розенталя и др. Элемент нефтяной дисперсной системы,
образовавшийся в результате межмолекулярного взаимодействия отдельных
молекул и способный при за данных условиях к самостоятельному
существованию - сложная структурная единица (ССЕ). ССЕ состоит из ядра
и адсорбциоиио-сольватной оболочки. ССЕ в НДС образуются за счет
межмолекуляриых взаимодействий, в основе которых лежат ван-дер-
ваальсоаые силы. Под воздействием внешних факторов размеры ядра и
адсорбциоиио-сольватного слоя ССЕ могут изменяться. При изменении
размеров ядра и адсорбционно-сольватного слоя происходит количественное
перераспределение углеводородов между фазами, что оказывает
значительное влияние на физико-химические свойства НДС. При
температурах близких к температуре кристаллизации а нефтяных системах
сосуществуют ССЕ смолисто-асфальтеновых веществ и
высокомолекулярных алканов ССЕ могут быть первичными (образовавшиеся
20
из зародыша и покрывшиеся адсорбционно-сольватным слоем в результате
явления адсорбции) и вторичными (образовавшиеся в результате слияния
первичных ССЕ). В конечном итоге НДС получаются полидисперсными..
По отсутствию или наличию взаимодействия между частицами
битумы, по мнению А.С.Колбаиовской [14] и Л.М.Гохмана [17] (см. рис.
2.2.1)	по своей структуре делятся на гель (I тип), золь-гель (111 тип) и
золь (11 тип).
Рис. 2.2.1. - Кривая структурообразования
Рассчитано, что значение первой критической концентрации С,* для
битумов из товарной смеси западно-сибирьских нефтей составляет 0,487, а
вторая критическая концентрация С,** равно 0,613.
21
Гель - характеризуется наиболее значительными размерами ССЕ,
связанными друг с другом в единый сплошной каркас в единый сплошной
каркас с иммобилизованной дисперсионной средой ( рис.2.2.1). Битумы этой
структуры содержат, как правило, свыше 25% мае. асфальтенов, менее 24 %
мае. смол и более 50% мае. углеводородов. При этом доля асфальтенов в
общей сумме смолисто-асфальтеновых веществ составляет более 0,5, а
соотношение количества асфальтенов к сумме количеств смол и
углеводородов - более 0,35.
Золь — дисперсная фаза битумов представлена ССЕ с минимальными
размерами (наименьшая степень ассоциации асфальтеноа), не
взаимодействующими друг с другом и хаотически распределенными в
сплошной дисперсионной среде. Битумы этого типа содержат не более 18%
асфальтенов, свыше 36% смол и не более 48% углеводородов. Доля
асфальтенов в общей сумме асфальто-смолистых веществ составляет менее
0,34, а по отношению к сумме углеводородов и смол - более 0,22.
Золь-гель — имеют промежуточные размеры и образуют
промежуточную структуру (желательно для дорожных битумов).
Таким образом, в основе классификации структурных типоа нефтяных
битумов лежит различие в распределении в них ССЕ по размерам.
Естественно, что массовая доля дисперсной фазы, при которой
достигается первая С,* и вторая С,** критические концентрации, может
варьироваться в весьма широких пределах в зависимости от площади и
активности ее поверхности, сродства к данной среде, плотности.
В таком случае:
при С, < С»* образуются комплексные органические вяжущие (КОВ) с
дисперсной структурой П-го типа (например, битумы марок БН) х*
при Cv* < С» < С,** - с дисперсной структурой 111-го типа (например,
битумы марок БНД)
прнС,> С Л*-с дисперсной структурой 1-го типа. | ЦС/Ж )
22
При этом КОВ П-го типа будут характеризоваться минимальной
прочностью и теплостойкостью, так как их свойства в первую очередь будут
определяться свойствами дисперсионной среды; КОВ 1-го типа -
повышенной склонностью к старению в связи с минимальной толщиной
прослоев дисперсионной среды, а КОВ Ш-го типа - оптимальными
промежуточными свойствами, объем фазы в них достаточен для образования
пространственного коагуляционного каркаса, а прослойки дисперсионной
среды имеют достаточную толщину, чтобы обеспечить необходимую
устойчивость к старению.
Структурно-механические свойства дисперсных систем называют ещё
и реологическими свойствами. Оии определяются характером возникающей
деформации под действием приложенного напряжения.
Жидкости, вязкость которых не зависит от приложенного напряжения
сдвига, называются ньютоновскими. Жидкости, не обладающие при этом
постоянной вязкостью, называют неньютоновскнми, или аномальными.
По реологическим свойствам битумы делят на три типа.
К первому типу относят вещества, течение которых под действием
постоянного напряжения сдвига подчиняются закону Ньютона. Для таких
битумов с момента наступления деформации скорость течения постоянна и
пропорциональна напряжению сдвига. После снятия этого напряжения
наступает состояние неэластичной упругости (золь).
Битумы второго типа - это вещества, у которых при приложенном
постоянном напряжении сдаига скорость сдвига после деформации
снижается и, через некоторое время, становится практически постоянной.
При удалении напряжения эластичность частично восстанавливается (золь-
гель).
У битумов третьего типа при постоянном напряжении сдвига в начале
деформации скорость течения снижается до минимума, а затем повышается,
если приложенное напряжение сдвига больше некоторого критического
23
значения. После того, как напряжение снято, упругость восстанавливается
(гель).
23. Свойства битумов
Исследуя свойства того или иного нефтепродукта имеет смысл,
очевидно, их классифицировать. Такой подход позволяет, на наш взгляд,
говорить о физико-химических ( их в некоторых документах называют
техническими) и эксплуатационных ( позволяющих с некоторыми
допущениями судить об их поведении в процессе эксплуатации) свойствах.
Для дорожных марок битумов методы исследования эксплуатационных
свойств должны, очеаидно, максимально точно моделировать условия их
эксплуатации в составе асфальтобетонного покрытия.
Основные физико-химические свойства битумов, необходимые для
расчётов оборудования при проектировании технологий их производства,
представлены в табл. 2.3.
Основные физико-химические свойства битумов представлены в табл. 2.3.1
Плотность. Плотность является одной из важных характеристик
битума. Она зависит от химического состава битума: увеличение содержания
ароматических структур повышает его плотность, а увеличение содержания
насыщенных соединений - уменьшает. Плотность при 20°С битумов
составляет 1,00-1,04 г/см3.
Температура вспышки битума и гудрона составляет обычно более
230°С. По этому показателю судят о наличии низкокипящих фракций в сырье
и готовом битуме, а следовательно об их взрыво- и пожароопасности в
процессе производства и применения битума.
Вязкость более полно характеризует консистенцию битумов при
различных температурах применения по сравнению с пенетрацией и
температурой размягчения. Желательно, чтобы битум при прочих равных
показателях обладал наибольшей вязкостью при максимальной температуре
применения и имел как можно более пологую вязкостно-температурную
кривую. Коэффициенты пересчета вязкости битумов представлены в таблице
24
I Вменение температуры влияет на вязкость различных битумов неодинаково,
что зависит от происхождения битума и технологии его производства
(рнс.2.3.1.).
Удельная теплоемкость практически одинакова для различных
би । умов. Она увеличивается с повышением температуры: изменение
еплоемкости битумов различной консистенции на 1 °C равно 0,00032-
0,00078 кал/(гград).
25
Табл. 2.3.1.
Коэффициенты пересчета вязкости битумов.
Вязкость	Кинема- тичес- кая вязкость , мм2/с	Ред- вуд 1, с	Ред- вуд II, с	Сей- болт, с	Сейболт -Фурол, с	Энглер, °Е	Штраис- сентер, с
Кинематич еская, мм2/с	-	4,05	0,405	4,58	0,458	0,3120	0,0025
Редвуд 1. с	0,247	-	0,1	1,13	0,113	0,0326	-
Редвуд II, с	2,47	10	-	1,13	1,13	0,3260	0,0062
Сейболт, с	0,218	0,885	0,0885	-	0,1	0,0287	-
Сейболт- Фурол, с	2,18	8,85	0,885	10	-	0,2870	0,0054
Эиглер (диаметр отверстия 5 мм), °Е	7,58	20,7	3,07	34,81	3,48		
Штранс- сентер» с	400	-	162	-	183	528	-
Коэффициент теплопроводности. Для всех битумов он практически
одинаков и незначительно уменьшается с возрастанием температуры. Так,
при О °C ои равен 0,13-0,145 ккал/(м-чтрад), при 20 °C - 0,125-0,135
ккал/(м ч-град), при 40°С-0,12-0,13 ккал/(м-чтрад).
Для расчета теплообменной аппаратуры его рекомендуется принимать
не более 0,10 ккал/м час °C.
Поверхностное натяжение битумов при температуре 25°С составляет
24-34 дин/см. Чем больше величина поверхностного натяжения на границе
битум - воздух, тем более крупные пузыри воздуха находятся в реакторе, тем
больше скорость их всплывания и, следовательно, тем меньше поверхность
контакта воздуха с сырьем, хуже мас.опередача и больше продолжительность
процесса окисления.
26
Растворимость. Битумы растворяются в большинстве органических
растворителей кроме низкомолекулярных спиртов.
Избирательность растворителей влияет на состав извлекаемых
асфальтенов, что важно при их разделении на узкие фракции. По
рп таоримости в органических растворителях, помимо зольности и
смнературы вспышки, судят о чистоте битума. Зольность определяют
одновременно с испытанием битума на растворимость. Допускаемое
содержание золы в битуме - не более 0,1%. Растворимость битумов в таких
((панических растворителях, как хлороформ, бензол, сероуглерод и
чстыреххлористый углерод, характеризует наличие примесей - минеральных
и других твердых веществ (например, карбенов и карбоидов). В этих
растворителях окисленные битумы растворяются более чем на 99 %.
К числу основных свойств дорожных битумов, определяющих их
поведение в процессе эксплуатации, следует отнести, на наш взгляд,
прочностные, пластичные, низкотемпературные и адгезионные. Только
их уровень и оптимальное сочетание могут позволить судить об
•ксплуатационных свойствах этих битумов и степени долговечности
и 1готавливаемых с их применением асфальтобетонных покрытий.
К числу показателей, характеризующих прочностные свойства
1 пердых дорожных битумов следует, согласно требованиям ГОСТ 22245-90,
отнести:
-	глубину проникания иглы (пенетрацию) в 0,1мм;
-	температуру размягчения по методу кольца и шара (КиШ) в °C;
-	индекс пенетрации.
Показатель пенетрации (ГОСТ 11501-78) фиксирует глубину
проникания стандартной иглы в битум при определенном режиме
(температуре и иагруженности усилия). Его значение для конкретного
образца дорожного битума является первичным с точки зрения отнесения к
той или иной стандартной марке (в случае соответствия уровня остальных
показателей качества требованиям стандарта). Хотя уровень соответствия
27
каким-либо реальным условиям этого показателя, иа наш взгляд, оставляет
желать лучшего.
Таблица 2.3.2.
Теплофизические и физико-химические свойства сырья и продуктов
	Сырье для дорожи, и строит, битумов	Дорож- ные битумы марок БНД	Битум БН 70/30	Отгон - «черный соляр»
Плотность при 20 °C, кг/м3	970-1000	1000-1004		870-890
Вязкость кинематическая, мм'/с				
при 100 °C	200-300	-	-	10-28 при 50 °C
при 150 °C	30-40	180-300	500-700	
при 250 °C	-	10-15	25-30	
Температура вспышки, °C	190-230	230-280		70-140
Температура самовоспламенения, °C	340-370			330-350
Удельная теплоемкость, ккал/(кг °C)				
при 100 °C	0,45			
при 200 °C	0,5			-
Коэффициент теплопроводности при 20 °C, ккал/(м-чтрад)	0,12-0,15 Г			
Поверхностное натяжение, дин/см	24-34			—
28
IJ3 'ьрнэдьиюыдним нэонсвд
Температура,
Значение температуры размягчения битума (ГОСТ 11501-65) - это
важнейший показатель, определяющий температуру его фазового перехода
из связно-дисперсного в свободно-дисперсное состояние. Следовательно,
значение температуры размягчения для данного образца дорожного битума
можно считать критическим с точки зрения определения верхней границы
температурного диапазона сдвигоустойчивости асфальтобетонного покрытия
изготовленного с его использованием в процессе эксплуатации.
Индекс пенетрации (расчётный показатель) достаточно точно
характеризует структурный тип исследуемого образца битума. Этот
показатель в современной научной и производственной практике определяют
как величину, определяемую из соотношения:
0 02 20 ~1,11 = lgSOO-lB/7
’ 10+ИП	/,-25
где ИП - индекс пенетрации; П - пенетрация по Ричардсону при
25UC; tp- температура размягчения, °C.
«я
м
ы
мо
оО
Рис. 2.3.2. Номограмма для определения индекса пенетрации
30
Составленная на основании этого уравнения номограмма, по которой иа
пересечении прямой, соединяющей определённые экспериментально
значения пенетрации и температуры размягчения данного образца бизума,
находят значение его индекса пенетрации, представлена на рис. 2.3.2.
Pfeiffer J. классифицирует дорожные битумы по значению этого
показателя иа 3 группы: менее -2, от -2 до +2 и более +2. Требования
современного российского стандарта ГОСТ 22245-90 предусматривают его
значения а интервале от-1 до +1.
Пластичные свойства битумов, т.е. их способность к
деформационным изменениям при стандартных нагрузках и напряжениях без
разрушения структуры и потери сплошности, определяются значениями их
растяжимости пли дуктильности. Следует также отметить, что, например,
низкие значения этого показателя (менее 50 см при 25 °C) не всегда
однозначно свидетельствуют о низких эксплуатационных свойствах данного
дорожного битума. Растяжимость битумов при 25 °C (ГОСТ 11506-75)
характеризует степень структурированности и, следовательно, тип
дисперсной структуры битума. Низкие значения показателя растяжимости
при 25 °C свидетельствуют об усилении склонности битума к старению в
процессе эксплуатации.
К числу стандартных лабораторных показателей, свидетельствующих об
уровне низкотемпературных свойств дорожных битумов, относят
емлературу хрупкости, глубину проникания иглы при 0°С, растяжимость
при 0“С и расчётный показатель интервала пластичности.
Температура хрупкости, определяемая по методу Фрваса (ГОСТ
11507-78) — это температура при которой модуль упругости битума при
длительности стандартного напряжения в 11 с имеет стандартное значение в
1100 кг/см2 или 1,0787* 10й н/м2 . Она соответствует фазовому переходу
Ан 1 ума в упруго-хрупкое реологическое состояние. Методика данного
in пытания — многократный изгиб при одновременном увеличении
емпсратурных напряжений в тонком слое битума — моделирует наиболее
31
опасное напряжённое состояние, которое возникает в покрытиях
автомобильных дорог при резких перепадах температур в течение года в
условиях интенсивного движения автотранспорта.
Величина пеиетрацни битума при О’С свидетельствует о степени его
деформативности.
Растяжимость битума при О’С (ГОСТ 11506-75) и скорости
растяжения испытуемого образца 5 см/мин характеризует низкотемпе-
ратурную трещиностойкость изготовленного на его основе образца
асфальтобетонного покрытия. Опытным путём установлено, что растяжение
битума в данном режиме аналогично его растяжению в эксплуатационных
условиях при -20“С и скорости растяжения 5*10'3см/мин, т.е. в условиях,
близким к критическим для образования трещин на покрытии.
Одним из важнейших эксплуатационных показателей качества
дорожных битумов является интервал пластичности (температурный
диапазон между температурами размягчения и хрупкости битума), значение
которого И.М. и А.В. Руденские [16] выразили формулой:
tp-tXp = 7(10-Hn),
где : tp и txp- температуры размягчения по КиШ и хрупкости по
Фраасу, соответственно, в °C;
ИП - индекс пенетрации
С помощью этого уравнения по известным значениям температуры
размягчения битума и индекса пенетрации можно определить температуру
хрупкости исследуемого образца. Битумы с широким интервалом
пластичности обладают более высокой деформационной стойкостью и
трещи нестойкостью при низких температурах и сдвиговой устойчивостью
при повышенных температурах (50°С). С увеличением интервала
пластичности (что связано с увеличением содержания ароматических и
смолистых соединений) повышаются и адгезионные свойства дорожных
битумов.
32
Адгезия (прилипание) объясняется образованием двойного
шсктрического слоя иа поверхности раздела пленки битума и минерального
мшериала. Адгезия битумов зависит от полярности их компонентов и
кислотности минерального материала. Ее определяют либо по значению
vn-ктропроводности растворов битума в неполярных растворителях, либо по
щлчению межфазного поверхностного натяжения. В стандартах РФ
*д| сзионные свойства определяют по методу сцепления битума с
минеральным материалом при воздействии на них воды (ГОСТ П 508-65).
Битумы, органические вяжущие материалы и органоминеральные
материалы, в которых они выполняют роль клея, относятся к упруговязко-
инастичным. Эти материалы в уплотненном виде должны обеспечивать
необходимую долговечность покрытий, оснований или других
конструктивных слоев дорожной одежды.
Основное требование, которому должны отвечать вяжущие, - это
tохранять работоспособность во всем интервале эксплуатационных
емнератур (от 70°С до минус 60°С): обладать такими свойствами, чтобы на
покрытии ие появились наплывы, сдвиги и волны, выкрашивания,
шеяушения и трещины, то есть была бы обеспечена необходимая
»дпигоустойчивость, трещиностойкость, длительная водо- и морозостойкость
покрытий. Сдвигоустойчивость и трещиностойкость покрытий зависят в
(и пивном от реологических, водостойкость - от адгезионных, а
морозостойкость — как от реологических, так и от адгезионных свойств
нижущих.
Второе требование - соответствие технологическим режимам
приготовления, укладки и уплотнения битумоминеральных смесей с
№ пользованием имеющегося оборудования при строительстве
kn । «мобильных дорог. Исходя из современной технологии, вяжущие при
гмнературах не выше 160°С (при более высоких температурах они быстро
> । преют) должны свободно перекачиваться по обогреваемым трубопроводам,
33
сливаться в асфальтосмеситель, равномерно и быстро обволакивать
поверхность минеральных материалов прн механическом перемешивании.
Таким образом, работоспособность органических вяжущих материалов
определяется, с одной стороны, температурой, а с другой - напряженным
состоянием, возникающим в тонких пленках вяжущего в процессе
приготовления, укладки и уплотнения органоминеральных смесей, а в
процессе эксплуатации покрытий — при одновременном воздействии
температурных напряжений, динамических (при движении автомобилей) и
статических (при торможении автомобилей) нагрузках.
Взаимосвязь дисперсной структуры и реологических свойств
дисперсных систем изучает одно из направлений физико-химической
механики - структурной реология.
Ниже приведены основные реологические константы, позволяющие
оценить технологические свойства органических вяжущих материалов:
	вязкость условно-разрушенной структуры или наименьшая
пластическая (бингамовская) вязкость тцили г>а:
гцили тц характеризуют пластические свойства вяжущих в процессе
укладки и уплотнения органоминеральных смесей, определяются вязкостью
дисперсионной среды вяжущих и концентрацией частиц дисперсной фазы в
них по объему, гц является более объективной характеристикой, чем гц, так
как гц получают при испытаниях в условиях простого сдвига, когда
величина деформации ограничена, а следовательно, и величина Р, тоже, и
поэтому удается лишь незначительно разрушить дисперсную структуру
вяжущего.
	наименьшая ньютоновская вязкость или вязкость полностью
разрушенной структуры гц
Р „
И. - — , Па.с
е
34
г]„ характеризуют вязкость вяжущего с полностью разрушенной
пространственной дисперсной структурой. Объективность получения т].
н|>оверяется независимостью минимальных значений и,от Р, илн еР В
литературе встречается мало данных о достижении и. для битумов и других
<>1>| вннческих вяжущих материалов. Можно предположить, что для сильно
' 1|>уктурированных систем I типа (объемная концентрация дисперсной фазы
( , *0,613) может быть вообще недостижима, так как дисперсионная среда
даже при самых высоких температурах будет сильно структурирована
(иммобилизована). По этой же причине па, по-видимому, труднодостижима
для вяжущих III типа дисперсной структуры (0,487<С»< 0,613 ). При этом
повышение температуры приведет к изменению структуры вяжущего,
например, за счет десорбции смол с асфальтеновых ССЕ, следовательно,
ц|меиения их размеров, а значительное повышение Р,, как отмечалось
11 А.Ребиндером, может привести к турбулентности в сдвигаемом слое, и
может повыситься;
• степень разрушения структуры , vp :
Vi>. Vo. V * характеризуют тиксотропные свойства вяжущих, в
чистпости глубину разрушения пространственной структуры при наложении
। илового поля, позволяют судить о соотношении объемов дисперсионной
о 1<сды, находящейся в гранично-смазочной прослойки (ГСП) и в свободном
пгсГруктурнрованиом (не иммобилизованном ) или слабоструктурированном
। ос юянии. Чем больше у, тем при более низких температурах и с меньшими
35
энергетическими затратами удается достичь наиболее плотной упаковки
минеральных частиц органоминеральной смеси при уплотнении,
• пластичность ( по Воларовичу ) т:
_	-I.	_ -I
т = —7- ,с , т = -г-, с .
П	П
т - позволяет оценить диапазон температур, в котором целесообразно
уплотнять органомииеральные смеси иа данном вяжущем.
2.4.	Старение битумов
Одной из причин появления в дорожном покрытии трещин, сдвигов,
шелушений и выбоин является старение битума. Под старением битума
понимают всю совокупность обратимых и необратимых изменений его
химического состава и структурно-механических свойств, происходящих в
процессе его хранения, технологической переработки и эксплуатации.
К числу основных факторов, вызывающих такое старение, относят:
-	взаимодействие компонентов битума с кислородом воздуха и водой;
-	температурные колебания;
-	каталитическое действие поверхностей минеральных материалов и
металлорганических соединений битума;
-	воздействие инфракрасного и ультрафиолетового излучения;
-	механические нагрузки.
Таким образом, именно химические процессы, протекающие при
старении битумов, и являются основой всего комплекса изменений свойств
битумов.
Обычно химические превращения в битумах сводятся к образованию
высокомолекулярных продуктов конденсации и низкомолекулярных
продуктов отщепления радикалов и заместителей в сложных молекулах.
Принято считать основными процессами, вызывающими необратимые
изменения состава и свойств битумов, являются:
36
 испарение летучих компонентов в тонком поверхностном слое,
определяемое температурой и вязкостью битума;
полимеризация, связанная с воздействием катализаторов(металлов и
минеральных материалов) и температуры;
окенполимеризация компонентов под действием светового излучения;
поликонденсация соединений с отщеплением водорода и образованием
моды.
Известно, что в битумах любого состава в процессе старения
происходит увеличение содержания асфальтенов. Чем выше содержание
асфальтенов в битумах, тем меньшим изменениям подвергается их состав в
процессе старения, при прочих равных условиях.
Необходимо также понимать, что иа скорость и глубину превращений
компонентов битумов в процессе старения значительно влияет их дисперсная
структура. Так в битумах со структурой типа золь рост содержания
асфальтенов выше, чем в битумах типа золь-гель или гель. В иих также
наиболее значительно изменение содержания ароматических углеводородов
и процессе старения. Изменение содержания парафино-нафтеновых
углеводородов во всех битумах при старении незначительно.
Обобщая происходящие в процессе старения битумов химические
и 1меиения, можно отметить ряд общих закономерностей:
уменьшение объёма дисперсионной среды за счет уменьшения количества
масляной части при практически неизменном количестве смол;
- увеличение объёма дисперсной фазы за счёт роста концентрации
асфальтенов;
- увеличение содержания ароматических и кислородсодержащих структур
(но данным ИК-спектров);
происходит частичное преаращение асфальтенов в карбены и карбоиды;
интенсивность химических превращений со временем ослабевает.
Итак, происходящие в процессе старения изменения состава и
соотношения объёмов дисперсионной среды и дисперсной фазы битумов
37
приводят к их структурным изменениям. Как правило, эти структурные
изменения сопровождаются появлением коагуляционной сетки из вновь
образовавшихся из смол асфальтенов, наряду с развитием всей
пространственной структуры асфальтенов. При этом структура типа золь
переходит сначала в структуру типа золь-гель, а затем - в структуру типа
гель.
Старение битума в составе асфальтобетонного покрытия неизбежно
ставит вопрос о возможности восстановления его эксплуатационных
характеристик, т.е. его регенерации.
Экономически целесообразным и достаточно эффективным способом
регенерации свойств битумов сегодня признан процесс введения в состав
отработанных асфальтобетонных смесей специальных регенерирующих
добавок. Принцип их действия основан на восстановлении соотношения
объёмов н состава дисперсной фазы и дисперсионной среды. Следуя этому
принципу, такие добавки представляют собой специальные компаунды,
которые содержат как пластифицирующий компонент (например, гудроны
или ароматизированные тяжёлые газойли), так и структурирующий
(например, крекинг-остатки или резиновая крошка).
15. Методики расчета свойств битумов
Плотность.
Для пересчета плотности для заданной температуры:
Р<- р420- y(t-20),
где 7=0,001828-0,00132 р420.
Температуры размягчения, затвердевания, каплепадения связаны
между собой соотношением:
(tp-tMU-t^C,,
где Сж=0,8721 - степень размягченности (по КиШ)
С,=О,6816 (по Кремеру-Сарнову)
38
Из этого соотношения можно определить температуру размягчения:
tp— C,(tK- t,)+ tj
Имеется зависимость между температурой размягчения и пенетрацией:
»р=|[8П-(61±4)]-17,77,
где П - пенетрация при 25°С.
Изучена и обобщена зависимость температуры размягчения от
содержания в нефти общей серы (S, %мас.) и содержания в гудроне
фракций, выкипающих до 500°С (% об.):
tp=37+l[500+B(25-l,7 S)].
Вязкость.
В зависимости от пенетрации динамическая вязкость определяется:
т]=1,45-1010/(П-2,15), при П>60х0,1 мм;
Т)=9,5О-1О"7(П-2,6О), при П<60х0,1 мм;
и соответственно в зависимости от динамической вязкости можно
определить значение пенетрации:
n=5,305-104/(Ti0,465), при Т]<2,2-106 пз;
П=1,690 104/(11-0385)> при т]>2,2106 пз;
Для компаундированных битумов пенетрация вычисляется по формуле:
log(n)= a-log(FIA)+ B-log(nB),
где Пд,ПА - пенетрация компонентов компаундированного битума.
Кинематическая вязкость компаундированных битумов определяется:
log log(v)= a- log log(vA)+ в- log log(vD),
i ле vA, vA - кинематическая вязкость компонентов компаундированного
битума, мм2/с.
Теплоемкость.
В зависимости от температуры теплоемкость (кДж/кг°С) можно
определить по формуле:
C=±*!Z (0,403+0,0008 It),
39
где d - относительная плотность при 15°С,
I - температура определения теплоемкости, °C.
3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ УСТАНОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ
Как было сказано выше, процесс окисления сырья в битум можно
проводить в кубах, в бескомпрессорных реакторах, в необогреваемых
трубчатых (змеевиковых) реакторах и в окислительных колоннах [5].
3.1. Куб
Вертикальные цилиндрические кубы на установке непрерывного
действия расположены на разной высоте таким образом, чтобы продукт
перетекал из одного куба в другой. Разница уровней между предыдущим и
последующим кубом составляет 0,6. Каждый куб снабжен маточником для
подачи воздуха.
Установка получения битума с кубами окислителями предполагает
высокие энергозатраты на производство, так как при этом возрастают
показатели затрат энергии на сжатие воздуха для окисления, расход
топлива на сжигания газов окисления. Также происходит закоксовывание
стенок газового пространства, загорание и взрывы в газовой фазе. Для
обеспечения взрывобезопасности требует постоянной подачи инертного
газа (азота или водяного пара) для снижения концентрации кислорода до
нормированного ( ие более 7-8 % об.). Другой недостаток куба - частое*
закоксовывание диспергатора воздуха, обусловленное периодичностью
работы. Когда в конце стадии окисления прекращают подачу воздуха в
диспергатор, туда затекает битум, который на следующей стадии окисления
вытесняется воздухом неполностью. Пленка битума, образующаяся иа
внутренней поверхности диспергатора, коксуется. Перевод куба с
периодической схемы работы на непрерывную устраняет закоксовывание
40
диспергатора, но радикально не сказывается на эффективности
использования кислорода воздуха.
Недостатки, характерные для окислительного куба (низкая
п|юизводительность, высокая металлоемкость и повышенная
пожароопасность), делают подобные схемы в современных условиях не
кономичными и бесперспективными.
3.2. Установка с трубчатым реактором
Производство битумов методом окисления с применением в качестве
окислительного аппарата трубчатого реактора осуществляется по схеме,
представленной на рис.3.2.1. Сырье из резервуаров I забирается сырьевым
насосом 2 и прокачивается через змеевик трубчатой печи 3, где
нагревается до 250-260 °C. Затем сырье смешивается с рециркулятом и
« »атым воздухом, нагнетаемым компрессором 5, и поступает в трубчатый
реактор 6. В змеевике реактора протекает реакция окисления с
лрцзованием битума и газов окисления. Реакциониая смесь после реактора
проходит емкость-испаритель 7, в которой газы окисления отделяются от
бшума. Часть битума (рециркулят) насосом 8 возвращается в процесс на
«мешение с сырьем. Остальное его количество прокачивается иасосом 2
•крез холодильник 13 и далее направляется в емкости для хранения 14,
hi куда поступает к потребителям.
Газы окисления проходят скруббер 10, в котором за счет орошения
и зижденным продуктом конденсируется "черный соляр", используемый в
дальнейшем в качестве топлива на установке. Несконденсировавшиеся газы
|ц||||>авляются в печь 4. Тепло дымовых газов, образовавшихся в результате
лпжига газов окисления, используется для подогрева сырья в печи.
41
Рис.3.2.1. Схема установки непрерывного окисления битумов в
трубчатом реакторе:
1 - резервуар; 2, 8, 9, II - насосы; 3 - трубчатая печь; 4 - печь
дожита газов окисления; 5 - воздушный компрессор; 6 - трубчатый
реактор; 7- емкость испаритель; 10 - скруббер; 12, 13 -
холодильники; 14 - емкость-битумораздаточиик.
В зависимости от производительности установки и ассортимента
вырабатываемого битума, число описанных выше технологических потоков
может быть различным. Как правило, установка имеет два потока - для
выработки дорожных и для выработки строительных марок битума
Каждый поток, исходя из необходимой мощности установки, включает от
I до 3 реакторов.
Трубчатый реактор - аппарат с вертикально расположенными
трубками, соединенными “калачами” в непрерывный змеевик (рис. 3.2.2.),
Окисление в реакторе протекает в условиях интенсивного
перемешивания сырья с воздухом за счет высоких скоростей
реакционной смеси. Вертикальное расположение труб препятствуе!
расслоению газовой и жидкой фаз, следовательио, улучшает условия им
контакта. Оптимальными параметрами процесса окисления, по которым
рассчитывают и конструируют реакторы, являются:
- скорость движения реакционной смесн около 10 м/с; при меньшей
скорости понижается турбулизация потока, а при большей - жидкая фат
1 

। пшиком резко отбрасывается к стенам трубы, особенно в
м>< днннтельных “калачах”. И в том и в другом случае ухудшаются
,t полня контакта газовой и жидкой фаз, замедляется реакция окисления;
содержание жидкой фазы в реакционной смеси (8-10% об)
пнрсделяет наиболее выгодную с точки зрения окисления
I плродииамическую характеристику потока;
-	расход воздуха, необходимый” для окисления единицы мас.ы
 ирья, определяется физико-химическими свойствами сырья и маркой
пппучаемого битума (например, при окислении остатков ромашкинских
н«ф|ей.до дорожных битумов расход воздуха составляет 50-70 м на I т
•ырья, а при получении строительных битумов из остатков западио-
 Ишрских нефтей расход воздуха иа I т сырья достигает 200 м );
-	количество тепла, выделяющегося в процессе окисления;
-	температура окисления; в зависимости от состава сырья она
кииеблется от 250 до 280 °C
tin рекомендации определяют технические характеристики трубчатых
[миноров. .
Число реакционных труб в каждом змеевике 24, т.е. общая длина
рмкгора вместе с “калачами” достигает 300-320 м. Поглощение
kin порода воздуха на 90% происходит примерно на длине 220 м.
Укорачивать змеевик нецелесообразно, поскольку последняя треть
iMremiKD служит буфером, препятствующим повышению содержания
kin порода в газах окисления выше безопасного предела при возможных
ияр, шениях технологического режима.
II реакторах с трубами диаметром 200 мм внутри труб через 2-3 м
Янины устанавливают кольца, которые обеспечивают турбулизацию
шпика и способствуют успешному протеканию окисления. В трубах
яппмстром 150 мм установка таких колец не требуется, так как
111>|Нпсчивается достаточное смешение фаз за счет скорости потока.
43
Съем тепла, выделяющегося при окислении, производится воздухом,
подаваемым вентиляторами. Для обеспечения направленного движения
воздуха трубы реактора помещают в общий металлический кожух (для
реактора с трубами диаметром 150 мм) либо каждую трубу отдельно
помещают в кожух (для реактора с трубами диаметром 200 мм).
Чтобы увеличить поверхность теплосъема, к наружной поверхности
реакционных труб приваривают продольные или поперечные ребра.
Расход воздуха на охлаждение можно автоматически регулировать
заслонкой по температуре в реакционных трубах.
РнсЗ.2.2. Двухпоточный четырехсекционный трубчатый реактор:
1 - реакционные трубы; 2 - кожух; 3 -распределительный воздушный
короб; 4 - вентилятор; 5 - опорные конструкции
44
33. Установка с окислительной колонной
3.3.1.	Физико-химическая сущность процесса
Процесс окисления сырья до битума представляет собой гетерогенную
реакцию между газовой (воздух) и жидкой (нефтяной остаток- гудрон или
го компаунды) фазами.
Известно, что с химической точки зрения процесс окисления - это не
олько реакции присоединения кислорода, но и реакции отщепления
|«|дорода. Окисление сырья (гудрона) до битума представляет собой
1стерогенную реакцию между газовой (воздух) и жидкой (нефтяной остаток)
фашми и осуществляется в окислительных аппаратах путем продувки
шндуха через слой жидкости. При этом молекулярный кислород
п шимодействует с составными компонентами сырья. Процесс включает
шльшое число параллельно-последовательных реакций, протекающих, в
|ь иовном, по радикально-цепному механизму. Ввиду сложного химического
1 остова сырья и большого разнообразия одновременно протекающих
р> акций, химизм процесса изучен недостаточно.
В процессе окисления различают следующие типичные реакции:
-	реакции, в которых происходит значительное увеличение размеров
молекул;
-	реакции, в которых размеры молекул изменяются незначительно или
не изменяются;
-	реакции, в которых размеры молекул уменьшаются;
-	концентрация с отгонкой легких углеводородных фракций.
Окисление углеводородов кислородом воздуха осуществляется
одновременно в двух направлениях:
У|леводороды—♦	кислоты—>	оксикислоты—»	асфальтогеновые кислоты	
	смолы —*	асфальтены —>	карбены —»	карбоиды
В зависимости от условий окисления возможны взаимные
П|>е||ращения кислых и нейтральных продуктов окисления.
45
Большая часть кислорода, взаимодействующая с компонентами
гудрона, вызывает реакции дегидрогенизации и уносится с отходящими
газами в виде соединений (в основном, пары воды и диоксид углерода).
Остальная часть кислорода химически связывается в виде окисленных
соединений. Основное количество кислорода, связанного в окислениом
битуме, находится в виде сложноэфирных групп.
В среднем на них приходится 60 % связанного кислорода и 40 %
распределяется примерно поровну между гидроксильными, карбонильными
и карбоксильными группами. Количество в окисленном битуме химически
связанного кислорода увеличивается с повышением ароматичности
нефтяного остатка и понижением температуры окисления. По мере
углубления окисления, соотношение содержания углерода к водороду в
битуме повышается. Основное количество химически связанного кислорода с
окислением битума находится в виде сложиоэфнрных групп (-СОО) и в
меньших количествах и гидроксильных (-ОН), карбоксильных (-СООН) и
карбонильных (=СО) группах. Соотношение групп зависит от природы сырья
и условий процесса окисления (температуры и продолжительности процесса
окисления), подачи воздуха. Образующиеся в процессе окисления
низкомолекулярные органические продукты (дистиллят) - носят название
отдув (черный соляр). Количество образующегося отдува зависит от
содержания ’летучих’ в сырье и глубины окисления. При глубине окисления,
соответствующей температуре размягчения битума 50-60°С, образуется отдув
в количестве 0,5-2,0% мае. на сырье.
Битум химически связывает тем меньше кислорода, чем выше
температура размягчения битума. Основное количество кислорода,
подаваемое воздухом на окисление, идет на образование воды 10-20%, на
образование углекислого газа и лишь незначительная часть на образование
органических веществ, содержащих кислород. Часть подаваемого кислорода
в реакцию не вступает и уносится с отходящими газами.
46
Процесс окисления гудрона сопровождается выделением тепла.
Экзотермическая реакция окисления повышает температуру в зоне реакции.
Тепловой эффект реакции зависит от химической природы сырья, глубины и
условий окисления. Наименьший эффект наблюдается в начальной стадии
окисления. При увеличении температуры окисления тепловой эффект
снижается. Тепловой эффект реакции получения дорожных битумов
колеблется от 45 до 150 ккал/кг, а для строительных до 250 ккал/кг. Для
снятия тепла реакции применяется подача сырья в окислительный аппарат с
температурой меньшей, чем температура окисления, а также эксплуатации
окислительных аппаратов без теплоизоляции.
3.3.2.	Основные параметры процесса
На состав и физико-химические свойства товарного битума влияют
технологические параметры процесса окисления.
Основными факторами, влияющими на процесс окисления гудрона,
являются: природа сырья - нефти, исходная условная вязкость гудрона,
зависящая от содержания в нем масел, смолистых соедииеиий и асфальтенов,
температура окисления, расход воздуха и, как следствие,
продолжительность окисления. К числу таких факторов следует также
отнести давление в зоне реакции, подогрев сжатого воздуха, подаваемого на
окисление, уровень жидкой фазы в окислительной колонне.
Соответствующим подбором сырья можно получать окисленные битумы
различных марок. С понижением содержания масел в исходном гудроне
повышаются растяжимость и температура вспышки битумов, понижаются их
теплостойкость, пластичность и морозостойкость.
Твердые парафиновые соединеиия, как и асфальтены влияют иа
формирование дисперсной фазы, а следовательно и иа дисперсную структуру
битума. Повышение содержания и-парафиновых соединений в сырье
понижает растяжимость битумов, повышает расход воздуха и
продолжительность окисления.
47
Парафино-нафтеновые соединения в сырье являются разжижителем и
пластификатором, улучшающим свойства битума, их присутствие в сырье до
10-20% желательно.
Присутствие серы и сернистых соединений в сырье способствует
улучшению пластических свойств окисленных битумов и их пониженной
температурой чувствительности. Содержание различных соединений в сырье
в значительной мере предопределено химической природой нефти.
3.3.3.	Температура процесса окисления
С повышением температуры процесса возрастает скорость окисления
гудрона, понижается содержание кислорода в окисленном битуме,
продолжительность процесса окисления и необходимый суммарный расход
воздуха снижаются, степень использования кислорода воздуха повышается.
С повышением температуры выше 250 °C изменяются некоторые
товарно-технические свойства битумов: температура хрупкости битума
повышается, а пенетрация, растяжимость, теплостойкость и интервал
пластичности окисленных битумов понижаются.
В зависимости от природы сырья и требуемых свойств битума следует
подбирать соответствующую температуру окисления. Для дорожных марок
битумов рекомендуется температура окисления 250-290 °C, а для
строительных марок битума не выше 320 °C.
При снижении температуры окисления до 190-220 °C скорость реакции
становится очень мала, что экономически нецелесообразно,
ы
3.3.4.	Расход воздуха
Расход сжатого воздуха, степень его диспергирования и распределения
по сечению окислительной колонны влияют иа интенсивность процесса и
свойства битумов. Увеличение расхода воздуха до определенного предела
при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению
скорости окисления.
48
Известно, что битумы, окисленные в короткий промежуток времени,
имени более высокую пенетрацию, чем битумы той же температуры
рп!мягчеиия, окисленные при небольшой скорости подачи воздуха и при
Попыпсй продолжительности окисления. Поэтому для получения битума с
ни«ышеииыми значениями пенетрации и теплостойкости нужно увеличивать
• ярость подачи сжатого воздуха. Причем, эффективность процесса
м»м1.1шается при увеличении расхода воздуха до значения 1,4м кубУмин
III, ‘ 13 м куб./с), затем при дальнейшем увеличении ухудшается степень
нипильзования кислорода воздуха, снижается эффективность, теплостойкость
иппслениых битумов повышается.
На большинстве действующих установок расход воздуха находится в
Р делах 1000-1500 нм3/мин.мг
3.3.5.	Уровень жидкости в окислительном аппарате
Увеличение высоты столба жидкости в окислителе повышает
(•миературу размягчения битума, не меняя соотношения между
нмнсратурой размягчения и пенетрацией, что подтверждает преимущество
ир шкальных колонн. Увеличение уровня жидкой фазы повышает
аффсктивность процесса, потому что длина пути газовых пузырьков
уыпичнвается.
Зависимость содержания кислорода в отходящих газах окисления от
м11>гы рабочей эоны окисления (высоты 'взлива') достаточно надёжно
«ираделяют по эмпирическому уравнению:
С=Сое'“
Где С - концентрация кислорода в газах при высоте рабочей зоны Ь(м),
к (об.); Со - концентрация кислорода в газах при h=0, т.е. Си=21% (об.); к -
ы>»ффициеит, числовые значения которого определяются условиями
ньнслеиия.
Но для аппаратов определенного типа существует предел заполнения
•ппкой фазой, свыше которого эффективность процесса уже не меняется.
49
Для окислительной колонны непрерывного действия уровень должен быть и»
меиее 10 метров. На большинстве установок в колоинах применяется уровень
15 метров.
На действующей битумной установке колонны К-1,3,6
цельнозаполиенные, т.е. не имеют газового пространства, уровень
газожидкостной смеси равен высоте колонны и составляет 18,8 м в К-1 и 14,6
м в К-3,6. Колонны выполняют функцию секций окисления.
Колонны К-2,4,5 выполняют функцию раздельных секций сепарации
прореагировавших фаз. Размеры колонн выносных сепараторов К-2, К-4, К 5
допускают уровень газожидкостиой смеси 8,0-9,0 м.
Применение рециркуляции окисленного продукта, благодари
улучшению смешения окисленного продукта с сырьем и мас.ообмени,
несколько улучшает свойства битумов. Улучшение свойств битумоя
наступает при коэффициенте рециркуляции, равной 1, дальнейшее era
увеличение не влияет на изменение свойств битумов.
Процесс окисления гудрона ведут без предварительного нагрспи
воздуха и при избыточном даалении (190 мм.рт.ст.630 мм.в.ст.), что
обусловлено аппаратурным оформлением процесса.
3.3.6.	Содержание свободного кислорода в газах окисления
Допускаемая концентрация свободного кислорода в горячих гашм
окисления установлена не выше 8 % об., а в охлажденных газах окислеиия
ие выше 10 % об
Усовершенствованный процесс непрерывного окисления битум»
предусматривает возможность подачи холодного гудрона либо в выпоены»
секции сепарации (на смешение с газожидкостными продуктами окисления),
либо одновременную подачу холодного гудрона в низ цельнозаполненпы»
колони в шлемовые переточные линии из колонн в выносные сепараторы
Описанная технология позволяет проводить окисление при более высокий
температуре в цельнозаполнениых колоннах (соответственно повыешь
♦ффективиость процесса), а температуру иа границе раздела фаз в выносных
< «ппраторах под держивать ниже безопасной.
В таких колоннах окисление при высокой температуре обеспечивает
мн. окую степень использования кислорода воздуха в реакциях окисления
|ни 1кую концентрацию свободного кислорода) без опасения закоксовывания
I* louoro пространства.
Процесс непрерывного окисления гудрона в двухблочиой системе
анпонн с выносными секциями сепарации предназначен для получения
норожных и строительных битумов соответственно в одном из трех блоков
р»1Дсления. Подразделение состоит из трех параллельно работающих
нмилительных колонн, каждая из которых имеет раздельную выносную
(акцию сепарации прореагировавших фаз.
3.4. Физико-химические характеристики сырья производства
окисленных битумов
Лепные, характеризующие исходное сырье приведены в табл.3.4.1
Таблица 3.4.1.
Физико-химические характеристики сырья установки производства
окисленных битумов.
ннмсиоваиме сырья, анк Мигелей качества. 1 			 измерения ннкиытелей качества	Значение показате- лей качества сырья	Номера стандартов или технические условий, требованиям, которых соответствует сырье	Возможные поставщики сырья	Требования к условиям транспорти- рования и хранения сырья.
1	2	3	4	5
 1|1ьг млн производства дорожных битумов марок БНД И строительного марки I II ШЛО				
1 I УЛ|>01|		ТУ 0258-113- 00151807-2002 на битумное сырье марки СБ 60/80	Установка ВТ	Подача по трубопрово- дам при температуре не ниже 90 °C
и нингл» условная ЦШ ИО*С. с	60-80			
•мпсрптура размягчения ныьцу и шару, °C, не «*!» 		20			
(•HncpuTypa вспышки в •П|1МЮМ тигле, °C, ц инке	190			
МФ IIUBN ДОЛЯ ВОДЫ	следы			
iihihikh-tl при 20 °C, г/см1	0,97-0,99			
51
4. Производство битумов окислением гудрона в колонне. Технологический
расчет установки производства окисленных битумов
4.1. Физико-химическая характеристика сырья и продуктов установки
производства окисленных битумов
В качестве сырья для получения гудрона на установке использовали
смесь ухтинских («70%) и западно-сибирских (=30%) нефтей. Физико-
химические характеристики нефтяного сырья представлены в таблице 4.1.1.
Таблица 4.1.1.
Физико-химические характеристики нефти
Показатели	Нормы по ГОСТ/СТП	Фактические значения
Плотность при 20°С, г/см3, ГОСТ 3900-85	не норм.	864,7
Массовая доля воды, %, ГОСТ 2477-65	не более 1,0	0,2
Концентрация хлористых солей, мг/л, ГОСТ 21534-76	не более 900	86,0
Массовая доля серы, % мае., ГОСТ 1437-75	не норм.	1,43
Условная вязкость при 50°С, условные градусы, ГОСТ 6258-85	не норм.	1,58
Массовая	доля механических примесей, %, ГОСТ 6370-83	не более 0,05	0,0060
Даалеиие	насыщенных паров, мм.рт.ст., ГОСТ 1756- 52	не более 500	312
В качестве сырья для битумной установки использован гудрон с
установки АВТ. Характеристика гудрона представлена в таблице 4.1.2.
52
Таблица 4.1.2.
Физико-химические характеристики гудрона.
Показатели	Нормы по ГОСТ/СТП	Фактические зиачения
Температура размягчения по КИШ, °C, ГОСТ 11506-73	не ниже 28	32
Температура вспышки, °C, ГОСТ 4333-87	не ниже 250	274
Вязкость условиая при 80 °C, с, ГОСТ 11503-74	не норм.	91
Содержание серы, % мае., ГОСТ 1437-75	не норм.	2,63
Плотность при 20°С, г/см3, ГОСТ 3900-85	не норм.	0,998
Содержание асфальтенов, % мае.	-	12
После окисления гудрона был получен битум марки БНД 60/90, его
характеристика представлена в таблице 4.1.3.
Таблица 4.1.3
Характеристика получаемого битума БНД 60/90
Показатели	Нормы по ГОСТ/СТП	Фактические значения
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, ГОСТ 11501-78;	61-90	72
Температура размягчения по КИШ, °C, ГОСТ 11506-73	не ниже 47	49
Растяжимость при 25°С, см, ГОСТ 11505-75	не меиее 55	90
Температура вспышки, °C, ГОСТ 4333-87	не ниже 230	286
Изменение температуры размягчения после прогрева, °C, ГОСТ 18180-72	ие более 6,5	4,0
Индекс пенетрации, ГОСТ 22245-90	+1--1	-0,6
53
Побочными продуктами процесса получеиия окисленных битумов
являются отходящие газы и жидкий конденсат («черный соляр»). Соляр
имеет плотность р<20 = 880,0 кг/м3.
43. Описание технологической схемы установки окисления гудрона в
битумы
Гудрон с установок АВТ поступает температурой не более 280°С.
Гудрон подается в К-1 через регулирующий клапан в количестве 10 -
20 м’/ч, где происходит его окисление кислородом воздуха (рис 4.2.1.).
Воздух в колонну подается из центральной компрессорной через
влагоотделитель Е-2, регулирующий клапан, установленный на линии
воздуха в колонну и далее через распределительное устройство - маточник в
количестве ие более 4000 м’/ч.
Температура верха и низа колонны К-1 должна быть не более 290°С.
При повышении температуры в колонне К-1 выше 290°С срабатывает
сигнализация.
Не вступивший в реакцию воздух, газообразные и жидкие продукты
окисления по трубопроводу (шлемовая линия К-1) поступают в среднюю
часть колонн К-2, работающую как выносная секции сепарации, где
происходит отделение газообразной фазы от жидкой.
Газовая фаза (легкие продукты окисления, не вступивший в реакцию
воздух и водяные пары) выводится с верха колонн К- 2 и поступает в
сепаратор КС-1, а затем на блок обезвреживания газов окисления.
54
Рис. 4.2.1. Технологическая схема установки по окислению гудрона в битумы.
где: 1 - колонна окисления гудрона (К-1); 2 - выносной сепаратор (К-2); 3 - сепаратор
(конденсатор смешения - КС-1); 4 - сепараторы II ступени (С-1,2); 5 - печь дожига газов
окисления (П-1), 6 - вентилятор подачи воздуха в П-1 (В-1); 7- холодильник битумный
(змеевнк)(Х-1); 8 - емкость для приема каталитического газойля (Е-1); 9 -
воздухосборник - влагоотделитель (Е-2); 10 - насос для прокачки гудроновых линий,
резерв Н - 2,3 (H-l); II- резерв Н-3 (Н-2); 12 - иасос для откачки битума из К-2 и
рециркулята в К-1 (Н-3); 13 - иасос для откачки «черного масла» из КС-I (Н-4); 14 -
резерв к Н-4 (Н-5); 15 - насос для откачки битума нз С-1,2 (Н-6); 16 - иасос для подачи
каталитического газойля (Н-7).
Битум из колонны К-1, по линии верхнего перетока, поступает в
колонны К-2 с температурой не более 290°С. Битум, с низа колонны К-2
откачивается насосом Н-2, Н-3 через холодильник Х-1 в битумораздатчики
битумной эстакады. Откачка битума производится по нижнему уровню К-2.
Уровень в К-2 регулируется клапаном, установленным на выкидной линии
насоса Н-2, Н-3. При снижении уровия в К-4 ниже 20% шкалы прибора
срабатывает сигнализация
В колонне К-2 установлен верхний уровень. При повышении верхнего
уровня выше 50 % шкалы прибора срабатывает сигнализация.
Разность температур между низом К-1 и верхом К-2 должна быть не
менее 15 °C, при снижении разности температур ниже 15°С срабатывает
сигнализация.
Часть битума с низа колонны К-5 в количестве не менее 15м’/ч
насосами через регулирующий клапан подается в низ колонны К-5 в
качестве рециркулята.
Давление в системе колонн К-1, К-2 630 мм. вод. ст. При давлении 500
мм. вод. ст. срабатывает сигнализация.
Содержание кислорода в газах окисления (газовая, фаза К-5) должно
быть не более 8 % об. При увеличении содержания кислорода более 8% об.
срабатывает сигнализация. Для снижения содержания кислорода в газах
окисления предусмотрена подача инертного газа в верхнюю часть колонны
К-2.
56
Температура битума при закачке в битумораздатчики должна быть в
пределах 180-210’С.
На блоке обезвреживания газов окисления производится нейтрализация
газов путем дожита их в двухкамерной циклонной топке печи П-1.
Г аз окисления из колонны К-2 и газы из сепараторов второй ступени С-
1,2 направляются в иижнюю часть сепаратора КС-1.
В сепараторе КС-1 за счет снижения скорости движения газов
окисления происходит осаждение жидкой части отдува - “черного соляра",
увлеченного в колонне К-2 с газами окисления. “Черный соляр” стекает в низ
сепаратора КС-1 и затем откачивается насосом Н-4 по уровню в линии
мазутных прокачек.
Температура и давление в сепараторе КС-1 определяется параметрами
источника, т.е. температурой и давлением в колонне К-2.
С верха сепаратора КС-1 по трубопроводу через огневые преградители
газы направляются во вторую камеру двухкамериой циклонной топки печи
П-1. В первую камеру печи П-1 через форсунки подается топливный газ и
воздух от вентиляторов В-1.
При сгораиии топливного газа в первой камере двухкамерной
циклонной топки печи П-1 образуется кольцевой факел, и раскаленные
продукты сгорания поступают во вторую камеру, где смешиваются с газами
окисления и с воздухом, подаваемым во вторую камеру. Вредные вещества,
находящиеся в газах окисления во второй камере сгорают, и продукты
сгорания выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу Д-2 ( высотой
примерно 25 метров).
Дымовая труба Д-2 футерована на всю высоту огнеупорным кирпичом.
Температура дымовых газов в печи П-1 должна быть в интервале 450 - 1000
°C, при снижении температуры ниже 450 °C срабатывает сигнализация.
Для продувки системы и паротушения в первую камеру П-1 и в линии
газов окисления в огневые преградители подведен пар.
57
При снижении давления топливного газа к печи П-1 до 0,8 кгс/см2
срабатывает сигнализация, а при снижении давлеиия до 0,2 кгс/см2
срабатывает блокировка.
43.	Технологический расчёт установки по производству окисленных битумов
Расчёты включают:
	Материальный баланс;
	Тепловой баланс;
	Расчёт окислительной колонны;
	Расчёт сепаратора;
	Расчёт конденсатора смешения;
	Расчёт и подбор насоса;
	Определение выбросов.
Предварительный сводный материальный баланс битумной установки
сводится в табл. 4.3.1.
Таблица 4.3.1.
Предварительный сводный материальный баланс установки.
Наименование	выход, % мае.	тыс. т/год	кг/час
Взято:			
Сырье:			•
гудрон	100,00	272,147	32491,28
Итого:	100,00	272,147	32491,28
Воздух	12,54	34,132	4074,98
Всего:	112,54	306,279	36566,26
Продукты:			
Нефтебитум	97,40	265,071	31646,51
в том числе:			
строительный	13,20	35,923	4288,85
БНД 60/90	82,80	225,338	 26902,78
БНД 40/60	1,40	3,810	454,88
Газы окисления	13,30	36,197	4321,56
Соляр	1,70	4,629	552,68
Потери	0,14	0,382	45,61
Всего:	112,54	306,279	1 36566,26
58
4.3.1.	Расчет материального баланса окислительной колонны К-1
Расчет окислительной колонны включает:
-	определение производительности установки;
-	определение количества газообразных продуктов;
-	составление материального баланса окислительной колонны К-1,
-	расчет теплового баланса окислительной колонны;
-	расчет плотности композиционного сырья;
-	расчет прихода тепла;
-	расчет расхода тепла;
-	съем избыточного тепла;
-	расчет размеров окислительной колонны.
Исходные данные:
время работы установки - 349 дней в году;
производительность-272147 тоин/год;
предусматривается выпуск битума БНД 60/90;
время пребывания гудрона в колонне 3,5 часа;
температура окисления 250°С;
температура входа в колонну 180°С;
4.4. Определение производительности установки
Суточная производительность установки:
272147 „„„о ,
--------- 779,8т/сутки
349
Часовая производительность:
779-М°°°. 3249U8 кг/час.
24
Количество битума:
G6„VMa=Gtupu- 0,978 = 32491,28 0,978 = 31760,23 кг/ч,
97,8 % масс.- выход битума на сырье.
45. Определение количества газообразных продуктов
Данные для расчета были взяты из регламента битумной установки
19/3 МНПЗ.
Исходные данные:
температура входа воздуха в колонну после компрессии = 25°С.
59
На окисление гудрона в расчете на часовую производительность
потребуется объем воздуха:
= G w • V. = 32,49 • 121,9 = 3960,53 нм ’/час,
где V,- удельный расход воздуха, V, = 121,9 нм’/т сырья, [9]
(На большинстве действующих установок расход воздуха находится в
пределах 1000-5000 нм’/ч.) [8]
Установлено, что основное количество кислорода воздуха, подаваемого
на окисление, уходит с отходящими газами в виде паров воды, окиси и
двуокиси углерода.
С газообразными продуктами окисления уходит оставшийся от
окисления воздух и пары распада (около 2% от сырья), следовательно, вес
отходящих газов составит: [8]
Gor = G,.+ 0,02 Gc,
где G о г— вес отходящих газов,
Gc.- количество сырья, кг/час,
G,- вес воздуха, кг/час.
р,= р4и = 1,184 кг/м3 [9].
G,. = р. • V. = 1,184 • 3960,53 = 4689,27 кг/час.
Go.r.= 4689.27 + 0,02-32491,28 = 5339,10 кг/час.
В результате анализов отходящих газов на битумных установках было
найдено, что суммарное содержание окнсн н двуокиси углерода равно 2,4%
мае. от отходящих газов в соотношении:
Таким образом,
% СО = 2,4/(20+25)  20 = 1,07 %, G со = Gor • % СО/ЮО = 56,95 кг/ч;
% COi = 2,4/(20+25)  25 = 1,33 %, Gcw = G„ - % СО2/100 = 71,01 кг/ч;
Азот в процессе не участвует. С отходящими газами уходит кислород
воздуха (1% от отходящих газов).
Составляем материальный баланс потока отходящих газов:
количество кислорода, уходящего с отходящими газами:
GO1 “Gor.  0,01 = 5339,10 • 0,01 = 53,39 кг/ч;
количество кислорода, уходящего с окисью и двуокисью углерода:
60
% CO =1,07	%CO2=1,33
количество кислорода, уходящего с СО:
GOj (в % вес. от Gor.) = % СО/Mr (СО) • 1/2 Mr (О,) = 1,07/28 • 16 = 0,61%.
количество кислорода, уходящего с COj:
О2 (в % вес. от Go r.) - %CO2/Mr (COj) • Mr (О2) = 1,33/44 • 32 = 0,97%.
Тогда количество кислорода, уходящего с окисью и двуокисью углерода,
будет равно:
GO1 (СО+СО2) = Go.r.(0,61+0,97)/100 = 5339,10 (0,61+0,97)/100 = 84,36 кг/ч;
Найдем количество кислорода, уходящего с водяным паром:
количество кислорода воздуха, поступающего в колонну, где 0,231 -
содержание кислорода в воздухе при t = 25 °C [10], определяется:
Gq2=G..  0,231 = 4689,27  0,231 = 1083,22 кг/ч.
Количество кислорода, уходящего из колонны (без содержания его в водяных
парах):
GOj (CO+COJ+G^Oj) = 84,36 + 53,39 = 137,75 кг/ч;
Количество кислорода, уходящего с водяным паром:
GO1 (H2O) = GO2-(GOj (CO+CO2)+Gut(O2));
GO1 (H2O) = 1083,22 - 137,75 = 945,47 кг/ч.
Количество паров нефтепродукта (соляра), уходящих с газами:
Gm, = Gllp-Gt (CO+COj)-GHi (HjO),
где Ge™.- вес соляра, кг/ч;
Gnp- количество продуктов распада, кг/ч;
G (Н2О) - вес водорода, связанного в воде, кг/ч;
Gc (CO+COj) - вес углерода, связанного с СО и СОз-
Найдем процент углерода, связанного в СО и СО3:
%GU (СО+СО2) = %СО  12/28 + %СО2 • 12/44,
%GC (СО+СО2) = 1,07 • 12/28 + 1,33  12/44 = 0,82 % (от отходящих газов).
Тогда: Gc (СО+СО2) - количество углерода, уходящего с СО и СО2:
Gc (СО+СО2) = Gor. • 0,0082 = 5339,10  0,0082 = 43,78 кг/ч.
Количество водорода, уходящего с водяными парами:
G Hi (Н2О) = GOj (Н2О)  2/16 = 945,47 • 2/16 = 118,18 кг/ч.
Количество продуктов распада:
Gup GcupLi GguiyHC GfuncpH,
Количество потерь принимается до 0,3% мае. от сырья (Принимаем 0,25%
мае. от сырья)
С1кгери=0,25* 32491,28/100 = 81,23 кг/ч;
G,v. = 32491,28 - 31760,23 - 81,23 = 649,83 кг/ч.
61
Количество соляра будет равно:
GCM. = 649,83 - 43,78 - 118,18 = 487,86 кг/ч;
Количество водяного пара, образующегося в результате процесса окисления:
G,n. = GOl (Н:О) + G (Н2О) = 945,47 + 118,18 = 1063,66 кг/ч.
Общее количество сухого газа:
G„.= Go r,-(G..ll+ GoJ = 5339,10-(1063,66 + 487,86) = 3787,58 кг/ч.
Таблица 4.5.1.
Количество н процентный состав сухого газа.
Газы	кг/ч	% мае
Азот	3521,87	93.0
Окнсь углерода	56,95	1,5
Двуокись углерода	71,01	1.9
Кислород	137,75	3.6
Итого:	3787,58	100,0
4.6.	Составление материального баланса окислительной колонны К-1
Исходя из вышеуказанных расчетов, составляем материальный баланс
колонны, все данные сводим в таблицу 4.6.1.
Таблица 4.6.1.
Материальный баланс окислительной колонны К-1.
Продукты	% мае. иа сырье	кг/час
Приход Сырье: Гудрон Воздух	100,00 14,43	32491,28 4689,27
Итого:	• 114,43	37180,55
Расход: Бнтум Отходящие сухне газы: азот оксид углерода диоксид углерода кислород водяные пары чёрный соляр потерн	97,75 11,66 10,84 0,18 0,22 0,42 3,27 1,50 0,25	31760,23 3787,58 3521,87 56,95 71,01 137,75 1063,66 487,86 81,23
Итого:	114,43	37180,55
62
4.7.	Расчет теплового баланса окислительной колонны
Цель расчета теплового баланса колонны сводится к определению
количества избыточного тепла окислительной колонны и количества воды,
используемой для съема тепла.
Исходные данные:
температура сырья на входе в колонну = 180°С;
температура сырья на выходе = 250°С;
4.7.1.	Расчет плотности композиционного сырья
Плотность смесн нефтепродуктов можно определять из равенства по
известным массовым процентам компонентов [И];
100/р„=£х,/р*>;
I
100/рсм = (90,91/0,998 + 9,09/0,885);
рим“ = 0,987 г/см’;
Ри - Р« +5а,
где а - средняя температурная поправка [11]:
ри'5 = 0,987+5  0,000522 = 0,990
4.7.2.	Расчет прихода тепла
Приход тепла с сырьем:
Qi =Gc-q«l80 = 32491,28 • 360,47 = 11712131,70 кДж/час,
где q„lb0 - энтальпия сырья при 180 °C, кДж/кг,
q»'s0 = 360,47 кДж/кг.
Приход тепла с воздухом:
Qj = G, • с • t,
где с - теплоемкость воздуха при 25°С;
с = 0,24 ккал/кг °C,
Q,= 4689,27-0,24-25 = 28135,61 ккал/час= 117798.21 кДж/час.
Теплота реакции окисления определяется по формуле, предложенной
Р.Б. Гуном:
AQp = 3G..+ М/С  (tpo - tpr) + 0,54 • (300 - tllp .),
где t₽6 - температура размягчения битума, °C tps = 56°С;
63
tpr - температура размягчения гудрона, °C tpr = 32°С;
tup- температура процесса, °C tlip. = 250 °C;
М - содержание масла в битуме, % масс. [12] М = 41,2 % мае.;
С - содержание смол в битуме, % масс. [12] С=18,1%мас.;
GB - расход воздуха, дм3/(мин • кг) битума.
g,= 121,9 м’/час • т
G.=121,9 1000/(60- 1000) = 2,03 дм’/мин • кг,
AQ = 3 • 2,03 + 41,2/18,1 • (56 - 32) + 0,54 • (300 - 250) = 82,72 ккал/кг
AQ = 82,72 ккал/кг = 367,27 кДж/кг.
Теплота реакции сырья:
Qj = AQ • Gc = 367,27  32491,28 - 11932923,01 кДж/час.
Qupux =Qi+ Qj + Qj = 11712131,70 + 117798,21 + 11932923.01 =
= 23762852,93 кДж/ч.
64
4.7.3.	Расчет расхода тепла
Расход тепла с откачиваемым из колонны битумом:
Qi =	' Чж25° = 31760,23  528,80 = 16794809,62 кДж/час,
где q»2i°-энтальпия битума при 250 °C, кДж/кг [15].
р?и(б) = 1,01 [1] (Пенетрация при 25 °C, 0,1 мм = 62,3-71);
Q„25u= 528,80 кДж/кг.
Расход тепла с отходящими газами и парами окисления сверху аппарата (при
температуре 250°С):
Q — Q«v+ Реол.+ Q до2+Qco+ Q cflj+Q ог
Тепло, уходящее с водяным паром, образующимся в результате реакции (пар
ненасыщенный):
Q.... = G,.n • с • t = 1063,66 • 1,9986 250 = 531455,37 кДж/час;
где с - средняя теплоемкость, кДж/(кг*К), [14]
Тепло, уходящее с парами соляра;
q2M" =k2J0" • b - 73,8 = (86,20 • 3,116 -73,8) • 4,1868 = 815,59 кДж/кг,
Плотность соляра принимаем р = 0,880 [1];
кая)11 — 86,2
Ь = 3,116
Qco*. = Geo,.  q2W" = 487,86  815,59= 397892,96 кДж/час;
Тепло, уходящее с парами азота:
Q N1 = G N1-с - t = 3521,87 • 1,088 • 250 = 957949,33 кДж/час;
Тепло, уходящее с парами оксида углерода:
Qco = Geo ' с  t = 56,95 - 1,051 • 250 =14963,70 кДж/час;
Тепло, уходящее с парами диоксида углерода:
QCo2 =GCOj-c-t = 71,01 • 1,026-250= 18214,05 кДж/час;
Тепло, уходящее с парами кислорода:
QOj = G о/ с ’t = 137’75 ' °’984 ’ 250 =33886,50 кДж/час.
Q2 = 531455.37 + 397892,96 + 957949,33 + 14963,70 + 18214,05 + 33886,50 =
= 1954361.92 кДж/час.
65
Принимаем потерн тепла 2 % от прихода:
Qllof = 0,02 • Qnpwx. = 0,02 • 23762852.93 = 475257.06 кДж/час.
Итого, тепло расхода:
Q₽acx. = Qi + Q2 + QnOT= 16794809,62+1954361.92 + 475257.06 =
= 19224428,60 кДж/час.
Тогда количество избыточного тепла определяется:
AQ = Qnpnx. - Qpacx.,
AQ =23762852,93 - 19224428,60 = 4538424,33 кДж/час.
4.7.4.	Съем избыточного тепла
Съем избыточного тепла возможен путем подачи воды через
распылитель наверх окислительной колонны:
Количество воды, необходимое для съема тепла определяется
следующим образом:
где 1,.а- энтальпия водяного пара при t = 250 °C;
kn.= 669,0 • 4,187 = 2801,10 кДж/кг
I,	- энтальпия воды при t = 20 °C;
1„ = 20,04 • 4,187 = 83,91 кДж/кг;
тогда:
G.= 4538424,33/(2801,10 - 83,91)= 1670,26 кг/час;
или в объемных единицах:
V,= 1,670 м’/час;
4.8.	Расчет размеров окислительной колонны
Исходя из литературных данных при получении дорожных марок
битума время пребывания гудрона в колонне 3,5 часа.
Часовой объем поступающего в колонну гудрона равен:
V4ac = G сырья = 32491,28 = 37,48 м’/ч;
рс'“*	867
Плотность сырья при 250 °C: [14]
Р “ = р4м - a (t - 20) = 0,987 - 0,000522 (250-20) = 0,867 т/м’;
где:
а - средняя температурная поправка на одни градус[ 14];
p<w - относительная плотность нефтепродукта прн 20 °C;
66
pc1" - относительная плотность нефтепродукта при заданной
температуре;
Определяем полезный объем ' колонны, требуемый для заданной
производительности по исходному сырью:
= Vw • т = 37,48*3,5 =131,18 м1
Принимаем диаметр колонны, равный 3,2 м.
Рассчитываем полезную высоту колонны.
Н = V полезн./л г2 = 131,18/(3,14159*1,62) = 16,31 м.
Для окислительной колонны непрерывного действия уровень должен быть
не менее 10 м.
С целью максимального использования кислорода воздуха высоту жидкой
фазы следует принять не менее 15 метров. На действующих битумных
установках колонны К-1 цельнозаполненные, т.е. не имеют газового
пространства. Таким образом, уровень газожидкостной смеси равен высоте
колонны и составляет 16,3 метров. Проверяем диаметр окислительной
колонны, исходя из допустимой скорости паров и газов, покидающих
%
колонну:
Wq> = 4V«K/(nd2);
Определяем секундный объем, Vcu (м3/с), смеси паров и газов:
V«« = 22.4*. G *(t+2731*. 1 А 1 .. м’/с;
М 273 Р 3600
t = 250 °C; Р = 1 атм;
G - мас.а паров или газов, покидающих окислительную колонну;
М - молекулярная мас.а паров или газов, покидающих окислительную
колонну.
Определяем секундный объем водяного пара:
V.,,. = 22.4*.G»n .*(t+273)*. 1 .*. 1 . =22,4*(1063.66/18У((250+273У273)*
Мв.п. 273 Р 3600
67
•	1/3600 = 0,704 м3/с;
Определяем секундный объем сухого газа:
Vcr = 22.4*, Ge r. ,*(t+273)*. 1 .*. 1 . = 22,4»(3787,58/28)*((250+273)/273) *
Мс.г. 273 Р 3600
*	1/3600= 1,612 м3/с;
Так как содержание азота в сухом газе составляет 93%, то расчет ведем
по азоту.
Определяем секундный объем нефтепродуктов.
Молекулярную массу соляра, покидающего окислительную колонну,
определяем по формуле Крега:
М =. 44,29 р!513 = 44,29*0,8833/( 1,03 - 0,8833) = 266,68;
1,03-ри'5
Рсомр«= р/° ~ 0,880;
Ри'5 = р“+5а,
где а - средняя температурная поправка;
р15” = 0,880 + 5*0,000660 - 0,8833.
Тогда секундный объем паров нефтепродуктов равен:
Vco, = 22.4*, Gto«. ,*(t+273)*. 1 .*. 1 . = 22,4*(487,86/266,68)*(250+273)/273
Мсол. 273 Р 3600
*	1/3600 = 0,022 м’/с;
Общий секундный объем паров равен:
V«,= V,.n. + Vcr + Vro, = 0.704 + 1.612 + 0,022 = 2,339 м3/с.
Тогда^ч, = 4V«,/(jtd2) - 2,339/(3,14*3,22) = 0,29 м/с;
\|/яи1=0,10+0,34 м/с (для цельнозаполненных колонн).
Таким образом, принимаем окончательный диаметр окислительной
колонны 3,2 м.
Данный поверочный расчет размеров окислительной колонны битумной
установки показал, что возможно увеличение производительности установки
на 10% (за счет добавления в гудрон тяжелого газойля каталитического
крекинга) без изменения размеров колонн действующей битумной установки.
Высота действующей колонны К-3 18,9 м. Диаметр действующей колонны
К-3 3,5 м.
68
4.9.	Расчет конденсатора смешении
Расчет конденсатора смешения включает:
- тепловой баланс конденсатора;
-	расчет размеров конденсатора смешения.
Газообразные продукты, образующиеся в результате окисления
гудрона в колонне окисления, по шлемовым линиям поступают вниз
конденсатора с температурой 150°С, где за счет снижения скорости и
отбойных тарелок происходит конденсация тяжелых фракций и воды. Вместе
с газообразными продуктами окисления в конденсатор смешения поступает
водяной пар, образовавшийся в результате испарения вводимой наверх
колонны воды.
На верхнюю тарелку, в качестве орошения подается холодная вода с
температурой 20°С. Не сконденсировавшиеся газы окисления из верхней
части конденсатора поступают в печь дожита.
Конденсатор состоит из трех частей:
-	верхняя часть-расширитель;
-	2/3 ннжней части - отстойник;
-	1/3 нижней части - сборник соляра.
Все пары (пары воды, образовавшиеся в результате окисления, н пары,
образовавшиеся в результате испарения вводимой наверх колонны воды),
поступающие в конденсатор, конденсируются, затем уходят с низа
конденсатора в жидкой фазе. В жидкой фазе уходит примерно 90%
нефтепродуктов. С низа конденсатора уходят также вода, подаваемая на
орошение. Смесь нефтепродуктов н воды, уходящая с низа конденсатора,
имеет температуру 60°С. Эти продукты из расширителя перетекают по
отводной трубе в отстойник. В отстойнике происходит разделение воды от
черного соляра: верхний слой - черный соляр, нижний слой - вода. Вода из
отстойника автоматически дренируется через клапан в канализацию.
69
Весь сухой газ и несконденсированные остающиеся нефтепродукты
(10%) уходят сверху конденсатора.
4.9.1.	Тепловой баланс конденсатора
Исходные данные:
-	температура сырья на входе = 190“С;
-	температура газов на выходе = 40°С.
Приход тепла:
QiifuK.ж Qsn.+Qcoa+Q Q со + Q coi+ Q Oj"*" Qop°“ «“«•
Вычислим количество поступающего в конденсатор тепла.
Найдем количество водяного пара, поступающего в конденсатор смешения:
G,.„ = G,„ „ р^и + G,.n орош Ж01. = 952,87 +'1729,19 = 2682,06 кг/ч;
Количество тепла, приходящее с водяным паром равно:
Q..n. = G.n • qiw1 = 2682,06  656,0  4,187 = 7366739,10 кДж/час;
qi»" = 656,0 ккал/кг;
Тепло, приходящее с соляром:
По формуле р* = Р (tcp/100)n определяем среднюю температуру
кипения соляра. Для сернистых продуктов р = 0,722, п = 0,159,
тогда 0,880 = 0,722 <tcp/l ОО)0139 => « 123°С;
Следовательно, соляр при t = 150 °C приходит в конденсатор в парах,
тогда:
QCM.= Geo,.-qiso" = 552,68  599,96 = 331837,91 кДж/час;
quo" = 599,96 кДж/кг,
Тепло, приходящее с кислородом:
Q О] = G О}-с • 1 = 57,27 • 0,235 • 4,187 -150 = 8452,58 кДж/час;
с = 0,235 ккал/(кг • К);
Тепло, приходящее с азотом:
QN1=GW/C‘t = 3166-57 ' °-26'4,187150=517078,72 кДж/час;
с = 0,26 ккал/(кг • К);
Тепло, приходящее с оксидом углерода:
Q со = G С() • с • I - 64,01  0,260 • 4,187 • 150 = 10452,38 кДж/час;
с = 0,26 ккал/(кг - К);
70
Тепло, приходящее с диоксидом углерода:
Q СО1 = G СО1‘ с • ‘ = 80,85 • 0,245 • 4,187 • 150 = 12440,57 кДж/час;
с = 0,245 ккал/(кг • К);
Количество тепла, поступающего с холодным водяным орошением,
подающимся наверх конденсатора смешения:
QupOULkOlU. ~ Gopcui кона. ' С * t = ЗОСорцщ, = Сорош.щищ • 1 • 4,187 • 20 =
Goj»ul кона. * 83,74 кДж/час;
с = 1ккал/(кг К); Gopoul, KOHJL - неизвестно, оставим его в выражении в виде
обозначения.
Итого, приход тепла равен:
Q^. = 83,74 Gopou,,^ + 7366739,10 + 331837,91 + 8452,58 + 517078,72 +
+ 10452,38 + 12440,57 = 83,74 Gcp0la.юи1 + 8247001Д6 кДж/час;
Расход тепла:
Найдем количество тепла, уходящего из конденсатора с газовой фазой
(температура газов 40°С):
Q1na = 0,lGCM. • gw" + G c • t + G Wj- c • t + G co • c • t + GCOj- c • t;
Qcoa. = 0,lGCM.  q40n = 0,1 • 552,68 • 405,69 = 22421,67 кДж/час,
q«" =405,69 кДж/кг [10]
Q 01 = G Oj• c • t = 57,27 - 0,235 • 4,187 • 40 = 2254,02 кДж/час;
Q N1 = G N1- c • l = 3166,57  0,26  4,187 • 40= 137887,66 кДж/час;
Q co = G co • c • t = 64,01 • 0,260 • 4,187 • 40 = 2787,30 кДж/час;
Q CO1 = G CO1 • c • I = 80,85 • 0,245 • 4,187  40 = 3317,49 кДж/час;
Итого, общий расход тепла с газами равен:
Q ™ = 22421,67 + 2254,02 + 137887,66 + 2787,30 + 3317,49 =
= 168668,14 кДж/час;
Найдем количество тепла, уходящее из конденсатора смешения в
жидкой фазе (температура жидкости 60°С):
~ GM,.n )- с • t + Gopou, ,,,^.  с  t + 0,9GCO„.  Чад*,
где G»1>n.j-количество сконденсировавшихся водяных паров.
Q.(.») = G^j • с • t = 2682,06 • 1  4,187  60 = 673787,11 кДж/час;
Qopum. КОНД “ Gopou, miivt • C  t Gupo|lt кокд ' • 1-4,187-60 =
251 s22Gopouj кшщ кДж/час,
71
Qco, = 0,9GCO3 • Чьож “ 0.9 • 552,68 • 114,50 = 56953,67 кДж/час;
qMx = 114,50 кДж/кг;
Итого, количество тепла, уходящее с жидкой фазой, равно:
Qjx = 673787,11 + 56953,67 + 251,22GO(MUI _,O1U = 730740,78 +
+ 251,220^. коцд.»
Тогда тепло, уходящее из конденсатора будет равно:
Qr^x » Qiro + 0зж = 168668,14 + 730740,78 + 251,22Gopoul «она = 899408,92 +
+ 251,22 Сцрощ кит»
Из теплового баланса конденсатора смешения находим количество воды,
необходимое для снятия избыточного тепла:
83,74 Gopoul ,ши. + 8247001^6 = 251Д2 G^ мка + 899408,92;
Gopom. = 43871,46 кг/час;
Илн в объемных единицах:
Gopoul = 43,87 м’/час.
4.9.2. Расчет размеров конденсатора смешения
Диаметр определяется по величине допустимой скорости паров и газов
в нижней части аппарата. Принимаем скорость движения газов и паров в
нижней части W = 0,5 м/сек.
Площадь поперечного сечения конденсатора определяем по формуле:
F = V/W,
где V - объем газообразных продуктов, поступающих в конденсатор за
секунду.
Определяем секундный объем, (м’/с), газообразных продуктов,
поступающих в конденсатор за секунду:
t= 150°С;Р= 1 атм;
Определяем секундный объем водяного пара:
V„,. = 22,4  SjJL.-  1.J- = 22,4 • (2682,06/18) • ((150 + 273У273) *
М н.п.	2Л 5	г 3bUU
♦ 1/3600 = 1,44 м’/с;
Определяем секундный объем сухого газа-
72
Vcr = 22,4' тН’ 7 ^=22>4'(3368,69/28)-((150 + 273X273)*
• 1/3600= 1,16 м’/с;
Так как содержание азота в сухом газе составляет 94%, то расчет ведем по
азоту.
Определяем секундный объем нефтепродуктов:
Уыя - 22,4 	(-^73) • 1--J- = 22,4 • (552,68/266,68) -(150 + 273)/273*
i/J Г ЗиОО
* 1/3600 = 0,02 м’/с;
Общий секундный объем газообразных продуктов равен:
.	V„, = V. + Vcr. + VCM = 1,44 + 1,16 + 0,02 = 2,62 м’/с;
Тогда площадь поперечного сечення определяется как:
F = 2,62/0,5 = 5,24 м2;
Диаметр конденсатора смешения:
^=2,6м.
3.14
Принимаем D = 2,6 м; Высота:
Н = (п— 1)  H|+H2+Hj = (6 - 1) • 0,6 + 2,2 + 2,2 = 7,4 м.
где п - число тарелок;
Н1 - расстояние между тарелками;
Н2 - расстояние от верхней тарелки до нижней;
НЗ - расстояние от нижней тарелки до днища.
4.10. Расчет холодильника битумного (змеевика) Х-1.
Погружной холодильник представляет собой непрерывный или
коллекторный змеевик, погруженный в ящик. Трубы змеевика соединяются
между собой съемными калачами. Через змеевик пропускается продукт, а
через ящик - воздух технический.
Битум выходит с низа колонны с температурой 1| = 250°С и
охлаждается в холодильнике до температуры t2 = 180°С.
73
Начальная температура воды т( = 20°С, конечная температура Tj = 60°С.
250°С-----► 180°С
60°С *----20°С
Уз. = 12® = 1,19 < 2 => Attp= 190+160 = 175°С;
Д/,	160	2
Составляем тепловой баланс воздушного холодильника н определяем
объем воздуха, необходимого для охлаждения всего потока битума:
Q ~ Сбит (Ч2»Сит - qigo6*1) ~ V, • р, • с, (t/ -t„‘);
Q6ht = 31646,51 • (528,80 - 359,05) = 5371995,07 кДж/ч;
1,293*273	.	, з flll
Р. = - + 273 = 1.06 кг/м ; (11]
с, - 1,009 кДж/(кг • К);
Q. = V, • 1,06 • I,009 (60 -20) = 42,78V,;
Q = 5371995,07 =42,78V,;
V,= 125572,58 м3/ч.
Определяем поверхность теплообмена:
F=-2-;
**д/,.
к = 8 + 12 ккал/(м2 • ч • К); [1]
Принимаем k = 11 ккал/кг;
Тогда:
с_ 5371995,07	,,, i
г =----------— = 667 м ;
11*4,187*175
По каталогу оборудования принимаем холодильник воздушного
охлаждения с оребренной поверхностью, равной 675 м2.
4.11. Расчет количества емкостей для загрузки битумов
Принято иметь запасные емкости для промежуточного производства
битумов. Суточная производительность битумов, например, составляет 779,8
тонн. За 7 суток будет выработано 779,8 • 7 = 5458,6 тонн. Объем одной
емкости V = 5 м3.
Плотность битума при температуре прихода в емкость будет равна:
р1то4= (1.01 -0,000528(170 - 20)) = 0,937 г/см3 = 931 кг/м3;
Количество емкостей, необходимых для готового битума:
_ G _ 5458,6 _ . _
п = —zz— =----— = 1 ,2;
р**У 931*5	’
Принимаем 1 емкость для готового битума.
74
4.12. Подбор насосов
Расчет и выбор насоса включает:
-	расчет расхода, температуры, плотности, и вязкости перекачиваемой
жидкости;
-	определение напора во всасывающей и нагнетательной линиях;
-	расчет необходимого дифференциального напора насоса;
-	подбор насоса по расходу н дифференциальному напору.
Перекачка жидких продуктов осуществляется с помощью насосов. По
принципу действия насосы делятся на динамические (лопастные), в которых
перемещение жидкости производится за счет энергии лопасти вращающегося
колеса, и объёмные, в которых жидкость перемещается отдельными
объёмами.
Динамические насосы подразделяются на центробежные, центробежно-
внхревые, вихревые, осевые и диагональные, а объёмные - на поршневые,
плунжерные, винтовые, шестеренчатые, коловратные и др. По роду
перекачиваемой жидкости насосы делятся на нефтяные - перекачивающие
нефть и нефтепродукты, химические - перекачивающие химически активные
жидкости (кислоты, щёлочи, кислые гудроны и др.), общего назначения -
перекачивающие воду, неагрессивные растворы химических веществ,
очищенные стоки и другие жидкости.
Наиболее широко применяются центробежные, плунжерные,
шестеренчатые, винтовые насосы.
Расчет и выбор насоса состоит из следующих этапов;
-	расчет расхода, температуры, плотности, и вязкости перекачиваемой
жидкости;
-	определение напора во всасывающей (hK- ) и нагнетательной ( Ко™ )
линиях ( в м ст. жидкости);	,
-	расчет необходимого дифференциального напора насоса Н = Km* hK;
-	подбор насоса по расходу и дифференциальному напору с учётом
физнко-хнмнческих свойств и коррозионной активности жидкости (при
75
подборе используются справочники, каталоги и номенклатурные перечни
машиностроительных заводов).
Учитывая возможные отклонения реальных характеристик насосов от
справочных данных, дифференциальный напор принимают на 5-10 %
выше расчётного.
Мощность, потребляемая насосом N, определяется по его характеристике
илн расчетным путем. Как правило, в справочных данных указывается
мощность, потребляемая насосом при перекачивании жидкости с
плотностью 1 т/м\ При перекачивании жидкостей, отличающихся по
плотности от воды, потребляемая мощность пересчитывается по
соотношению N|/ N2 = р |/ pj или определяется по формуле:
N = Q • Н  р/367 - я. кВт.
После определения мощности, потребляемой насосом, рассчитывается
мощность электропривода N,= к  N, где к - коэффициент запаса.
Коэффициент запаса определяется в зависимости от значений потребляемой
мощности:
Таблица 4.12.1.
Зависимость коэффициента запаса от значений потребляемой мощности
N, кВт	20	20-50	50-300	выше 300
к	1,25	1,2	1,15	1.1
При выборе насоса необходимо, чтобы области его применения находилась в
зоне наибольших значений к.п.д
Подбор насосов (Н-1т6) осуществляется, исходя нз производственных
характеристик установки по производству окисленных битумов,
технологических характеристик процесса и заводских данных.
Подбор насоса Н-7 производится по каталогу.
•
Определяется производительность насоса:
Q = G/p4';
Q = 2953,68/987,0 = 2,99 м3/ч;
76
Технические характеристики насосов установки производства окисленных битумов.
актеристика Марка	Двухцилиндровый двойного действия НПНС	Двухцилиндровый	двойного действия НПНС	Центробежный насос НК-200/120 Двигатель ВАО-82-2-У2 Мощность (N) 55 кВт, п «2980 об/мин	Двухцилиндровый	двойного действия НПН-4	Двухцилиндровый	двойного действия ПДГ 61/20Б	Центробежный насос НК-200/120 Двигатель ВАО-82-2-У2 Мощность (N) 55 кВт, п «2980 об/мин	Центробежный насос НК 12/40, мощность 5,5 кВт
инческая хар Напор, кг/см2	гч	гЗ	гч	о гч	О гч	гч	40 м. ст. жид- кости
Texi Темпера- тура, “С	400	400	400	400	8	400	1
Произво- дитель- ность, м3/ч	56-112	56-112	200	13-15	о	200	гч
Коли- чество	—1	—	—•	—	—1	—	—
CJ о. = - о •	с» ж || |! |	Н-1	г-н	н-з	Н-4	X	Н-6	Н-7
Наименование оборудования	(тип, наименование аппарата, назначение и т.л.)	Насос для прокачки гудроновых	линий, резерв к Н-1,2	Резервный насос кН-3	Насос для откачки битума из колонны К-2 и рециркулята в колонну К-1	Насос для откачки «черного масла» из сепаратора SCC-1	Резервный насос кН-4	Насос для откачки битума из сепарато- ров второй ступени С-1.2	Насос для подачи тяжелого газойля кат. крекинга
4.13. Расчет валовых выбросов вредных веществ в атмосферу
Неорганизованным выбросом является промышленный выброс,
поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате
нарушения герметичности оборудования, отсутствия или
неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах
загрузки, выгрузки илн хранения продукта.
В результате процесса получения битумов образуются газы окисления,
содержащие в себе большое количество вредностей. Для обезвреживания
газов окисления на установках используются технологические печи н печн
дожнга, представляющие собой циклонные топки.
Количество вредных выбросов от газов окисления (кг/ч) без учета сгорания
топлива рассчитывают по формуле:
где: G - производительность битумной установки, по сырью, т/ч;
qi- удельное количество образовавшегося i-ro вредного вещества в кг на
тонну переработанного сырья, кг/т; принимаем по табл. 4.13.;
г], - коэффициент очистки по i-му вредному веществу в зависимости от типа
печи, в которой происходит сжигание; принимается по табл. 7.1.
Таблица 4.13.
Значения qi и qi
Наименование вредного веще- ства, по которому ведется очистка	Удельный выброс, кг/т	Коэффициент очистки	
		Камерные и техно- логические печи	Циклонные печн
Углеводороды	0,718	0,78	0,85
Окснд углерода	0,411	0,78	0,85
Сероводород	0,042	0,80	0,98
Меркаптаны	0,02	0,80	0,98
Фенол	-	0,9	0,98
Количество фенола, выбрасываемого от печен дожнга, определяется
(кг/ч) по формуле:
Пф = 13,5 • V ' (l-q«)' 10*.
где 13,5 - содержание фенола в отходящих газах, мг/м1;
78
V - количество образующихся газов окисления, м’/ч.
V = 103,8 G,
где 103,8 - удельный объем газов окисления, образующихся на тонну
перерабатываемого сырья, м’/т.
Количество диоксида серы, выбрасываемого от печей дожига, (кг/ч)
определяется по формуле:
П	~ nH,s + П^1
so,	llso2 + iiso2
Где П^,П^ - количества диоксида серы, образующихся от сжигания
сероводорода и меркаптанов соответственно, кг/ч:
//да, ~	' G ’ Ян,s' ’Ih.s
//да/ = 1,33 ‘ G ' Яязн' T]*sw
Величины выбросов вредных веществ от печей дожнга (диоксида серы,
сероводорода, меркаптанов углеводородов, оксида углерода) следует
прибавить:
-	при сгорании тазов окисления в камерных и технологических печах - к
выбросам соответствующих вредных веществ от технологической печи
установки;
-	при сгорании тазов окисления в циклонных печах - к выбросам
соответствующих вредных веществ, образующихся при сгорании топлива,
подаваемого в циклонную печь.
Пример: Определить выбросы вредных веществ от печн дожнга тазов
окисления битумной установки производительностью по сырью 32,5 т/ч.
Дожиг ведется в циклонной печн с расходом топлива 100 кг/ч. Содержание
сероводорода в топливе 0,01% мае. При ежнганнн газов окисления
выбрасывается (без учета подаваемого на ежнганне топлива):
Пу„ = 32,5  0,718 (1-0,85) = 3,5 кг/ч;
Пе<> =32,5 - 0,411 (1-0,85) = 2 кг/ч;
nils= 32,5  0,042 (1-0,98) = 0,027 кг/ч;
32,5 • 0,02 (1 -0,98) = 0,013 кг/ч
Определим выбросы фенола:
V = 103,8-32,5 = 3373,5 м’;
Лф= 3373,5 • 13,5 (1-0,98)- 104 = 0,0009 кг/ч
79
Определим выбросы диоксида серы:
= 1,88 • 32,5 • 0,042 • 0,96 = 2,5 кг/ч;
= 1,33 • 32,5  0,02  0,98 = 0,847 кг/ч;
= 3,35 кг/ч
Определим выбросы вредных веществ от сгорания топлива:
= 10 • 0,1 • 1,88 • 0,01- 1 = 0,019 кг/ч;
Пу1, =0,18 0,15 = 0,027 кг/ч;
В1Г = 100 • 1,5 = 150 кг/ч = 0,15 т/ч;
Псо =0,15 • 0,81 =0,122 кг/ч;
Л w = 0,15  1,36 = 0,204 кг/ч;
ПМ1 = 0,15  0,145 = 0,022 кг/ч
Итого из циклонной печи дожига газов окисления выбрасывается:
Пу1. = 3,5 + 0,027 = 3,527 кг/ч;
Псо =2+ 0,122 = 2,122 кг/ч;
n,fis = 0,027 кг/ч;
пюн =0,013 кг/ч;
nWi =3,35+ 0,019 = 3,369 кг/ч;
Пф = 0,0009 кг/ч;
Пхо = 0,204 кг/ч;
Ллц = 0,022 кг/ч.
80
5. Современные тенденции в производстве дорожных окисленных
битумов
Развитие и модернизация битумных производств иа крупнейших
нефтеперерабатывающих предприятиях связаны как с ухудшением качества
перерабатываемых нефтей, с одной стороны, так и с повышением
эксплуатационных требований к качеству битумов, с другой.
По классификации БашНИИ НП для производства окисленных
дорожных битумов существуют наилучшие (С1+СО,-2,5СП>8)* н пригодные
(Са+Сс'ы-2,5С„=0^8) нефти. Нефти же, пригодные для производства
остаточных дорожных битумов (типа арланской, ярегской н др.) - экзотика
для большинства российских НПЗ.
Существующая сегодня система обеспечения нефтью
перерабатывающих заводов и их технологическая структура практически
исключают возможность отдельной переработки какой-либо отдельной
нефти на битум. Хотя во многих странах мира практикуют именно такой
подход к проблеме.
В ближайшем будущем проблема сырья битумного производства, на
наш взгляд, ещё более обострится в связи с расширяющейся практикой
подкачки в товарную нефтесмесь газоконденсатов (малосмолнстых,
низкокипящих и высокопарафинистых систем). Чрезвычайно интересным и
перспективным направлением с точки зрения обеспечения высокого качества
получаемых окисленных битумов является, очевидно, специальная
подготовка гудрона. При этом, однако, важно определить - что является
целью такой подготовки и как её осуществлять?!
Существующая [1] оценка пригодности нефтей для переработки на
битум не позволяет определить требования к качеству гудрона - сырья для
окисления.
Предлагаемая [2] схема классификации пригодности нефтей по
содержанию серы н твердых парафинов (дополнительный параметр) также не
.	81
* - массовые концентрации асфальтенов, смол и парафинов, соответственно
слишком удачна, на наш взгляд, т.к. требует сложных и длительных
исследований и слабо привязана к реальным свойствам товарных
нефтепродуктов.
Производство битумов из парафинистых и высокопарафинистых
нефтей представляет собой основную технологическую проблему, так как
при окислении гудрона из таких нефтей невозможно получить продукт с
достаточно высокой пластичностью.
В гудронах из таких нефтей содержится немного асфальтенов, поэтому
необходимо использовать процесс окисления, при проведении которого их
содержание повышается. В основном за счёт ароматических углеводородов.
Поэтому наиболее реальным и эффективным является проведение
специальной подготовки гудрона, полученного из товарной иефтесмеси.
Целью такой подготовки является повышение содержания в сырье
смолистых и парафино-нафтеноаых соединений с одновременным
снижением степени его парафинистости, а точнее — содержания и-
парафиновых углеводородов.
Одним из эффективнейших способов повышения качества всех
товарных нефтепродуктов является . процесс компаундирования. Его
используют для получения практически всех нефтепродуктов -
автомобильных беизниов, дизельных и котельных топлиа, смазочных
материалов и др..
Поэтому теоретически возможно и практически целесообразно
использовать метод компаундирования как для подготовки сырья, так и для
модификации свойств с целью производства качественных дорожных
битумов.
Одновременно с созданием блоки подготовки сырья современное
производства дорожных битумов должна быть обеспечено:
-	технологическими решениями, обеспечивающими минимальную
зависимость качества продукции от качества перерабатываемого
сырья;
82
-	высокой степенью автоматизации технологических процессов с
использованием полевых КИПов;
-	организацией пожаробезопасности окислительного процесса за счёт
высокого коэффициента использования кислорода воздуха в реакторе н
экологически чистого процесса налива и затаривания;
-	возможностью выработки продукции стабильного качества, как по
российским, так н европейским стандартам.
Достижение комплекса высоких показателей качества дорожных
битумов возможно только за счет оптимизации их компонентного состава. А
именно, минимизации содержания в составе сырья н-парафиновых
углеводородов с одновременным ростом содержания изо-парафиновых,
нафтеновых и полиароматических углеводородов.
Для обеспечения такого качества гудронов целесообразно опираться иа
положения теории углеводородных дисперсных систем и, в частности, на
возможность регулирования нх дисперсности и состава методом
компаундирования.
Итак, первый технологический способ снижения содержания н-
парафиновых углеводородов в гудроне осуществляется на стадии вакуумной
перегонки. Связан он либо с активированием мазута специальными
добавками, либо с оптимизацией глубины отбора вакуумного газойля за счет
регулирования вакуума в колонне или степени отбора III циркуляционного
орошения.
Так, при введении в мазут смеси западно-сибирских нефтей 3% мае.
экстракта селективной очистки III доасляной фракции происходит повышение
отбора вакуумного газойля и перераспределение парафиновых
углеводородов между фракцией и остатков с коэффициентом 2,67.
Аналогичным образом, возможно регулирование «степени парафинистости»
гудрона путем оптимизации глубины отбора вакуумного дистиллята.
Установлено, что в определенном температурном интервале концов кипения
отбираемых вакуумных газойлей происходит преимущественный отгон
83
сначала парафино-нафтеновых, а затем и парафиновых углеводородов.
Жидкая фаза при этом обогащается смолами.
Интересно, что температура конца отбора вакуумного дистиллята -
540 °C - является для гудрона смеси западно-сибирских нефтей пороговой в
смысле содержания парафиновых (нормального и изостроения)
углеводородов. Отбирая дистиллят при более высоких температурах, мы
полностью «теряем» парафиновые углеводороды в гудроне. И, вероятно, не
только нормального, но и изостроения, так необходимого для обеспечения
низкотемпературных свойств битумов. Это последнее предположение
косвенно подтверждается нормами общеевропейских стандартов на битумы,
в которых содержание парафина (по DIN-методу) установлено на уровне 2,2
% мае. Такую суммарную концентрацию парафиновых углеводородов
удаётся достичь лишь при температуре конца отбора вакуумного дистиллята
не ниже 490 °C.
Заметим также, что повышение температуры конца кипения
дистиллята с 450 до 565°С способствует и повышению дисперсности гудрона
с 1.96 до 4.96, что, безусловно, способствует повышению скорости окисления
последнего. Однако при этом происходит н снижение пластичности
продукта. Следовательно, н это также следует из теории углеводородных
дисперсных систем, существует некоторый диапазон оптимальных значений
дисперсности гудрона для получения необходимого по качеству окисленного
продукта. Таким диапазоном является интервал 2,2+2,5.
Следовательно, обязательным условием современной технологии
является проведение ряда мероприятий (использование эффективных
контактных устройств, оптимизация системы - тепло- и мас.ообмена,
углубление вакуума в колонне и др.), способствующих получению
утяжелённых ннзкопарафиннстых гудронов. Для стабильного снижения
парафинистости гудроиоа, например из смеси западно-сибирских нефтей, иа
установке ВТ необходимо проводить отбор вакуумного дистиллята от мазута
минимум до температуры конца кипеиня 490°С, и, вероятно, не выше 540°С.
84
Этому температурному диапазону соответствует диапазон значений вязкости
такого гудрона 50-135 с.
Важно ещё раз заметить, что дальнейшая переработка полученных
вышеуказанными способами утяжелёииых гудронов по традиционной
технологической схеме не позволяет получать весь необходимый
ассортимент дорожных битумов марок БНД. Невозможно из утяжелённого
гудрона непосредственным окислением получать битумы со значениями
пенетрации 100*0,1 мм и выше, обладающие необходимой пластичностью и
термостабильностью (характеризуемые показателями дуктильности н
старения).
Полученный при этом УГ является основным компонентом для
получения необходимого ПГ (подготовленного гудрона).
В последние годы российскими учёными выявлена следующая
закономерность: для эффективного регулирования дисперсности
гудронов с сохранением необходимого уровня их реологических свойств
необходимо применение комбинированного стабилизатора состава,
содержащего как пластифицирующий компонент (повышающий
растворяющую способность дисперсионной среды), так и
структурирующий (входящей в состав дисперсной фазы и повышающий
прочностные свойства системы). То есть в состав комбинированной
добавки-стабилизатора состава (КСС) для получения подготовленного
гудрона должен войти как пластифицирующий компонент (регулирующий
групповой химический состав сырья), так и структурирующий (снижающий
концентрацию н-парафиновых и повышающий концентрацию смол и
асфальтенов). И если такими пластифицирующими компонентами могут
быть как остаточный экстракт селектианон очистки масел, так н тяжелый
газойль каталитического крекинга, то структурирующим - асфальтит
процесса деасфальтизации гудрона, обогащённый смолами и асфальтенами,
тяжёлая смола пиролиза ит.п.
85
Исследования по оптимизации состава сырья для его окисления с
получением битумов улучшенного качества показали, что в зависимости от
степени «утяжеления» гудрона диапазон концентраций наиболее
эффективных стабилизаторов сырья (ЭО, ТГКК и их композиции с
асфальтитом или смолой пиролиза) составляет 3-7 •% мае. При этом
оптимальным диапазоном вязкости подготовленного для окисления гудрона
(ПГ) является интервал 50-100 сек., позволяющий существенно повысить не
только его дисперсность, но и степень ароматичности.
Окисление подготовленного комбинированными стабилизаторами
состава (КСС) гудрона, где в качестве таких КСС были выбраны смеси ЭО:А
= 1:1 и ТГКК:А = 1:1 подтверждает предположение о комплексном действии
КСС. Наряду с высокой пластичностью (D2S) и хорошими
низкотемпературными свойствами (txp., Du, Ро) полученные образцы
характеризуются достаточно хорошими прочностными свойствами (tpa3M.,
Р25). Существование оптимальных диапазонов качества сырья для
производства окисленных битумов объясняется тем, что увеличение
соотношения дисперсная фаза:дисперсионная среда выше определенного
значения (то есть чрезмерное «утяжеление» гудрона) не позволяет
обеспечить необходимые пластические свойства битума и его устойчивость к
старению. Снижение же этого соотношения ниже некоторого предела
требует значительного увеличения времени окисления сырья, что
отрицательно сказывается на общей производительности технологической
установки, а также ухудшает низкотемпературные свойства битумов.
Для производства более «мягких» марок дорожных битумов из более
«твёрдых» наиболее эффективным и привлекательным с экологической точки
зреиня является метод компаундирования, т.к. вводимое в конечный компаунд
количество гудрона эквивалентно количеству выводимого из процесса
окисления гудрона. Т.е. несомненно и сокращение количества «вредных»
выбросов в атмосферу, и сокращение количества загрязненной воды, и
сокращение количества трудноутилизируемого «чёрного соляра».
86
Таким образом, ещё одним принципиальным технологическим
решением современной схемы производства является блок компаундирования.
Он позволяет создавать необходимое соотношение фазахреда и, тем самым,
обеспечить требуемые физнко-химнческие свойства битумов, прежде всего их
пластичность и устойчивость к старению. Другими словами, стабильно
получать битумы самого высокого качества. Базовым компонентом,
поступающим на блок компаундирования, является при этом самая твердая
марка битума. Обобщая и суммируя представленные выше технологические
приёмы и способы можно блок-схему производства современных дорожных
битумов представить в следующем виде (рис.5.1).
Рис.5.1. Технологическая блок-схема производства дорожных битумов.
ВТ - вакуумная трубчатка;
ВТМ - вакуумная трубчатка
модернизированная
М - мазут;
Ад - активирующая добавка;
УГ - утяжеленный гудрон;
КСС - комбинированный стабилизатор состава; БО - блок окисления;
ПГ - подготовленный гудрон;	БПС - блок подготовки сырья;
БК - блок компаундирования.
Таким образом, можно сформулировать следующие основные
тенденции производства современных дорожных битумоа:
-	для минимизации зависимости качества дорожных битумов от
колебаний качества перерабатываемых нефтей обязательным элементом
технологической схемы является блок подготовки сырья. При этом отбор
газойлей от мазута, например смеси западно-снбирскнх нефтей.
87
осуществляют до температуры 490-540°С. Получаемый при этом
утяжеленный гудрон (УГ) имеет оптимальный групповой химический состав;
-	подготовленный гудрон (ПГ) - продукт блока подготовки сырья и
сырье для блока окисления, представляет собой компаунд утяжеленного
гудрона (УГ) и комбинированного стабилизатора состава (КСС);
-	получаемый из ПГ окисленный битум со значениями пенетрации прн
25°С (Р»0,1 мм.) 40-60 отличается улучшенными пластичностью,
прочностью и низкотемпературными характеристиками. Показано, что
компаундируя окисленный, «жесткий» битум с ПГ, можно стабильно
получать следующую, более «мягкую» марку дорожных битумов.
Сам процесс производства окисленных битумов - сегодня достаточно
хорошо технологически отработан на российских НПЗ и ие вызывает каких-
либо серьёзных проблем. Более 80 % российского окисленного битума
получают на установках с окислительной колонной. Остальной битум - на
установках с трубчатым или бескомпрессорным реактором и в
окислительных кубах.
В последние годы предпринят ряд попыток модернизации и
переобвязки действующих окислительных колонн с целью повышения
степени использования кислорода воздуха при получении в основном
высокоплавких битумов, что необходимо для обеспечения
пожаробезопасности процесса. К иим, прежде всего, следует отнести
разработку двухколонной схемы окисления мазутов (Московский НПЗ,
Нижегородский НПЗ), создание колонн с внутренним (Лисичанский НПЗ,
Ново-Ярославский НПЗ) или наружным (Рязанский НПЗ) разделением зон
м
реакции и сепарации и колонны с квенчинг-секцией. Такие решения
позволяют повысить эффективность работы окислительной колонны за счёт
увеличения нагрузок по воздуху до 8-16 м3/м2»мин. и повышения
температуры окисления в зоне реакции до 290°С при сохранении нагрузки по
воздуху иа уровне 4-5 м3/м2»мнн. и температуры в зоне сепарации около 230
°C.
88
6.	Органические битумные вяжущие материалы
6.1.	Полнмербитумные вяжущие материалы
Применяемые в настоящее время в дорожном строительстве
органические вяжущие материалы - дорожные битумы не удовлетворяют
требованиям дорожного строительства по следующим эксплуатационным
параметрам, которые необходимо улучшить или изменить:
1)	необходимо значительное повышение трещииостойкости вплоть до
температур минус 50-60°С;
2)	необходимо значительное повышение эластичности вяжущих,
придание им свойств, присущих эластомерам;
3)	целесообразно улучшение адгезионных свойств, особенно по
отношению к поверхности материалов кислых пород;
4)	целесообразно расширять и совершенствовать имеющиеся, а также
искать новые возможности применения вяжущих и смесей иа их основе в
холодном виде без ухудшения нх эксплуатационных параметров н
токсикологических характеристик. •
Марки полимеров, их количества и способы их компаундирования с
дорожными битумами приведены в ОСТ 218.010-98.
Примером наиболее пригодных для этих целей полимеров -
термоэластопластов - являются блоксополимеры бутадиена н стирола типа
СБС, марок ДСТ-30-01, ДСТ-30Р-01 Воронежского завода СК, Кратон Д
1101, Кратои Д1184, Кратон Д 1186 фирмы «Шелл»; Финапрен 502 или
Финапрен 411 фирмы «Петрофина»; Европрен Т161 фирмы «Эннкем»,
Калпрен 411 фирмы «Репсол».
Использование термоэластопластов для модификации свойств
дорожных битумов - достаточно сложный технологический процесс.
Известно, что этот гетерогенный процесс растворения твёрдой фазы в
жидкой происходит через стадию набухания, т.е. протекает во времени.
Эффективность такого растворения зависит от дисперсности и молекулярной
массы полимера, вязкости и группового химического состава битума,
89
температуры и времени перемешивания фаз и др. Не последнюю роль играет
и выбор типа перемешивающего устройства.
Важным компонентом ПБВ яаляется пластификатор, который
позволяет не только существенно понизить. температуру хрупкости
компаунда, но и повысить технологичность его приготовления и применения.
К числу таких эффективных пластификаторов относится индустриальное
масло по ГОСТ 20799-88 марок И-20А, И-30А, И-40А, И-50А.
Содержание полимера в компаунде, в зависимости от марки ПБВ,
может составлять 3-7% мае., а пластификатора - 10-15% мае.
Вместе с тем, широкое применение для модификации свойств битумов,
используемых в производстве кровельных материалах, находят не только
термоэластопласты, но и термопласты.
Растущий интерес к применению облегчённых теплоизолированных
кровельных конструкций обуславливает широкое применение кровельных
материалов с битумио-полимерными покровными составами. Объём
производства битумных кровельных материалов в Западной Европе
составляет 600-700 млн. м2 в год, причём 65 % из них это - битумно-
полимерные, остальные 35 % материалов изготавливаются с использованием
окисленного битума..
Из всего многообразия типов полимеров лишь два имеют
существенный коммерческий успех иа рынке полимерных модификаторов
кровельных битумов. Это - термопластичные полиолефины (термопласты) и
термоэластопластичные каучуки. Из первой группы следует выделить
атактический полипропилен (АПП) - побочный продукт производства
изотактического полипропилена. Второй тип полимеров представлен почти
исключительно блок-сополимерамн стирол-бутадиен-стирол (СБС).
Есть все основания полагать, что СБС «догонит» АПП по объёмам
применения в качестве модификатора битума при производстве кровельных
материалов, причём доля рынка кровельных материалов, приходящаяся на
битумио-полимерные материалы на основе СБС, будет расти за счёт как
90
БПМ иа основе АПП, так и материалов, изготовленных с использованием
окисленных покровных битумов.
Однако в последнее время атактический полипропилен прочно
утвердился на рынке кровельных материалов, что объясняется, по-видимому,
предрассудками по отношению к модификации битума СБС. К
представлениям о недостатках битумно-полимерных материалов с
использованием СБС относятся такие, как возможность применения их
исключительно в районах с холодным климатом, невозможность укладывать
их методом подплавлення, их меньшей долговечностью по сравнению с
материалами, получаемыми на основе АПП.
Итак, обобщая вышесказанное:
1.	Битумио-полимерные композиции как на основе СБС н АПП
обладают большей долговечностью, чем окисленные покровные битумы.
2.	Битумио-полимерные композиции на основе СБС, поверхность
которых защищена минеральной посыпкой, стареют медленнее, чем
незащищённые. Для композиций с АПП этот фактор имеет меиее важное
значение. Надо сказать, что на практике защитные минеральные посыпки
применяют скорее из эстетических соображений.
Отметим также, что в последние годы не ослабевает интерес к
использованию в качестве модификаторов свойств битумов различных
девулкаиизированных дроблёных резни. Например, с получением
эффективных антикоррозийных мастик.
6.2.	Битумные эмульсин
Дорожные битумные эмульсии появились в 20-х годах нашего столетия
[19]. Пионерами в области разработки способов производства и применения
эмульсий стали французские исследователи. С появлением такого рода
вяжущего были сняты основные проблемы, возникавшие при использовании
традиционных органических вяжущих на различных стадиях ремонта н
строительства дорожных покрытий. Принципиально существует три
возможности перевода битума в рабочее состояние:
91
-	нагрев;
-	смешивание с нефтяными растворителями;
-	эмульгирование в воде с образованием эмульсий.
К одним нз существенных недостатков битума как вяжущего
материала, которые значительно осложняют, проведение дорожных работ,
можно отнести следующие:
-	высокая вязкость, вследствие чего возникает необходимость
поддержания высокой температуры битума во время проведения работ;
-	невозможность равномерного распределения битума тонким слоем на
полотно дорог н на поверхность каменных материалов;
-	необходимость применения сухого минерального материала
Промежуточное положение между разогретыми битумами и
эмульсиями занимают разжиженные битумы, которые хотя н снимают
большинство проблем, связанных с использованием нагретых до рабочих
температур дорожных битумов, сами имеют ряд существенных недостатков:
-	замедленное формирование плёнки вяжущего на поверхности
каменного материала;
-	необходимость использования дорогостоящих растворителей,
которые ие несут никакой функциональной нагрузки в связующем
материале и в основном испаряются в атмосферу, оказывая вредное
влияние иа экологическую обстановку;
высокая пожароопасность растворителей, как следствие,
разжиженных битумов, диктующая необходимость строгого
соблюдения температурного режима для обеспечения безопасности
работ;
-	необходимость хранения разжиженных битумов в герметично
закрытых ёмкостях во избежание преждевременного испарения
растворителя.
Третий способ перевода битума в рабочее состояние - эмульгирование
- не требует нагрева вяжущего до высоких температур иа различных стадиях
92
производства и применения эмульсий, а также обладает тем преимуществом,
что здесь материал может использоваться с холодным и даже влажным
заполнителем асфальтового покрытия.
Применение битумных эмульсий имеет ряд преимуществ по
сравнению с традиционными «горячими» технологиями:
-	сокращение расхода битума на 20-40 % за счёт его более
равномерного распределения по поверхности минерального
компонента тонким слоем;
-	возможность производить работы в сырую прохладную погоду за счёт
улучшения сцепления вяжущего с поверхностью каменных
материалов;
-	экономия более 40 % топлива при производстве «холодных»
эмульсионно-минеральных смесей вследствие отказа от иагрева
каменных материалов;
-	устранение необходимости в нагреве вяжущего до высокой
температуры, т.к. эмульсии имеют вязкость, сопоставимую с вязкостью
дисперсионной среды (т.е. воды);
-	сокращение вредных выбросов в атмосферу.
Особо подчеркнём, что к наиболее важным преимуществам битумных
эмульсий относятся их заметно меньшая по сравнению с вязкими и
разжиженными битумами вязкость (при 20 °C) и более высокая адгезионная
способность к поверхностям различной структуры и природы (кислые и
щелочные минералы, а также металл). Снижение вязкости позволяет
повысить точность дозирования вяжущего и распределять его более тонкими
слоями, что, в свою очередь, исключает вероятность «потения» слоёв
(выступления битума на поверхность из объёма слоя) и приводит к
сокращению расхода вяжущего. Улучшенная адгезия способствует созданию
высокопрочных и долговечных дорожных конструкций.
93
Как показывает обширный зарубежный опыт, наиболее эффективным
применение битумных эмульсий яаляется в так называемых «холодных»
технологиях строительства и ремонта автомобильных дорог:
-	устройство слоёв оснований и покрытий из эмульсионно-
минеральных смесей различных составов;
-	ямочный ремонт,
-	устройство поверхностной обработки;
-	применение в качестве связывающего слоя (подгрунтовка).
Битумные эмульсии - дисперсные системы, которые состоят из битума,
воды и эмульгатора, придающего системе устойчивость. Битум в такой
системе может выступать как в качестве дисперсной фазы, так и в качестве
дисперсионной среды. В первом случае имеет место так называемая
эмульсия прямого типа (система «масло в воде», М/В), во втором - обратная
эмульсия (система «вода в масле», В/М). Тип получаемой эмульсии
определяется, главным образом, свойствами н количеством вводимого
эмульгатора. Битум, как известно, не растворяется в воде н ие смешивается с
ней, т.е. обязательное условие образования эмульсий выполняется. Битумные
дорожные эмульсии относятся к эмульсиям типа М/В, в которых битум
распределён в воде в виде капель. Интервал размеров капель обычно
составляет 10 s - 10-6 м. Содержание битума определяется целевым
назначением эмульсии и обычно составляет 30-70 % мае. Характерной
особенностью эмульсий битума в воде является их достаточная вязкость и
высокая клеящая способность. Хорошая эмульсия может храниться без
заметных изменений качественных показателей до 6 месяцев и более при
температурах даже ниже 0 °C.
Эмульсин достаточно устойчивы в объёме (т.е. в условиях хранения и
транспортировки), и в то же время обладают высокой чувствительностью при
соприкосновении с поверхностью различных материалов. При нанесении на
поверхность или при смешении с каменными материалами эмульсия
распадается на составные части - битум и воду. Битумные эмульсии
94
различного назначения должны обладать различной скоростью распада,
которая зависит от свойств н количества эмульгатора и степени дисперсности
эмульсии. По скорости распада при взаимодействий с каменным материалом
битумные эмульсии разделяют на три группы:
-	быстрораспадающиеся (ЭБК-1 в соответствии с ГОСТ 18659-81);
-	среднераспадающиеся (ЭБК-2);
-	медлениораспадающиеся (ЭБК-3).
Необходимая скорость распада эмульсий определяется технологией
применения. Прямые эмульсин в зависимости от типа эмульгатора делят иа 4
вида;
-	анионные (приготовленные с использованием анионоактивных
эмульгаторов);
-	катионные (катионоактивные эмульгаторы);
-	неионные (неиоиогенные эмульгаторы);
-	пасты (в качестве эмульгатора используются минеральные
порошковые материалы).
На современном этапе выделяют следующие основные направления в
производстве битумных эмульсий:
-	производство высококонцентрированных эмульсий с содержанием
битума 70% мае. и выше в качестве вяжущего для нанесения
толстослойных покрытий за одну рабочую операцию;
-	разработка битумных эмульсий из разжиженных битумов для
приготовления смесей, которые могут дольше храниться и хорошо
укладываться, что в значительной степени способствует снижению
зависимости дорожных ремонтно-строительных работ от атмосферных
условий;
-	разработка битумных эмульсий с контролируемым распадом;
-	создание полимербитумных эмульсий;
-	разработка экономичных высокоэффективных катионных
эмульгаторов, на базе каждого из которых путём изменения количества
95
вводимого ПАВ можно было бы получать эмульсин всех трёх классов и
т.п.
Одним нз факторов, определяющим эффективность производства и
применения битумных эмульсий, является качество битума. Известна
возможность оценки пригодности битумов к эмульгированию через критерий
К:
К = МЦАС + БЦАС + ПЦАС + БС + СБС - 0.5А - 3.5ПНС,
где МЦАС, БЦАС, ПЦАС - моно-, би-, полициклоарены
соответственно;
БС, СБС - бензольные и спиртобеизольные смолы соответственно;
А - асфальтены;
ПНС - парафино-нафтеновые соединения.
Экспериментально было установлено, что наиболее благоприятны для
эмульгирования битумы с критерием К>0, причём если для битума 1 н
битума 2 выполняется условие К|>К2, то предпочтительнее битум 1.
В качестве примера приведём исследования группового химического
состава дорожных марок битумов, выпущенных в 1995 году по ГОСТ 22245-
90 Московским НПЗ. Марки БНД 60/90 и БНД 40/60 имеют углеводородный
состав, определённый адсорбционным методом по методике ВНИИ НП (с
дополнениями СоюзДорНИИ), который приведён в таблице 3.1. Исходя из
этих данных, для битума марки БНД 60/90 Кбндьояо = 4, для битума БНД40/60
Кбнд-мию = 9.5
Отрицательный коэффициент для битума БНД 40/60 не говорит о
невозможности заэмульгировать этот битум. Однако более благоприятен для
этих целей именно БНД 60/90, что подтверждается следующими данными.
96
Таблица 6.2.1.
Углеводородный состав битумов из смеси западносибирских нефтей.
Состав, % мае.	БНД 60/90	БНД 40/60
пне	16	18
МЦАС	8	10
БЦАС	9	14
ПЦАС	25	16
БС	8	10
СБС .	18	13
А	16	19
К	4	9,5
В качестве модельного эмульгатора был выбран
пропилеиалкилдиамии. Введение его в количестве 0,15 % мае. позволило
получить из битума БНД 60/90 устойчивую во времени 50%-иую эмульсию,
соответствующую классу ЭБК-1 по ГОСТ 18659-81. В то же время,
стабильная 50%-иая эмульсия ЭБК-1 из битума БНД 40/60 была получена
лишь при минимальном количестве эмульгатора 0,40 % мае. Таким образом,
правильный подход к оценке выбранного для эмульгирования битума
позволяет существенно снизить общие затраты на производство битумных
эмульсий, т.к. эмульгатор при относительно низком процентном содержании
сильно влияет иа себестоимость эмульсии из-за своей высокой стоимости.
ы>
7.	Комплексное производство битумных материалов.
В последнее время возникла необходимость создания комплексного
специализированного производства по выпуску основного ассортимента
современных и перспективных битумных материалов: дорожных.
97
кровельных и строительных битумов, полимербитумных вяжущих, рулонных
кровельных материалов, битумных эмульсий и др.
Своевременность и необходимость создания подобного производства
связана с возникшим в настоящее время резким разрывом между
ассортиментом и качеством выпускаемой нефтеперерабатывающими
предприятиями продукции и возросшим спросом на современные битумные
материалы в народном хозяйстве.
Строительство подобного производства, технологически привязанного
к действующему нефтеперерабатывающему предприятию, обусловлено:
1)	наличием на НПЗ основного перечня необходимого сырья и
компонентов для производства подавляющего большинстаа типов битумных
материалов требуемого качества;
2)	возможностью чёткого контроля качества сырья и продукции по
всей технологической цепочке:
сырьё -» производство -> товарный битум -> модифицирование ->
-> битумный материал;
3)	необходимостью придания гибкости всему производству битумных
материалов в зависимости от сезонности спроса на ту или иную продукцию;
4)	возможностью использования имеющегося на предприятии
оборудования, трубопроводов, резервуаров и т.п;
5)	возможностью рационального использования энергетических
ресурсов в рамках НПЗ;
6)	высоким уровнем технологической дисциплины и
профессионального опыта инженерно-технического персонала НПЗ.
В качестве примера приведем компоновку одного из реальных
комплексных производств битумных материалов в одной из крупных
нефтяных компаний России (с учётом возможных объёмов реализации
продукции в регионе).
В проектируемое производство целесообразно включить, по мнению
экспертов, следующие технологические линии и блоки (рис.З).
98
Блок № 1. Мощность - около 500 тыс. т. продукции в год:
•	линия подготовки сырья для производства дорожных битумов марок БНД
по ГОСТ 22245-90;
•	линия окисления подготовленного сырья с получением окисленного
продукта;
•	линия компаундирования с получением основного ассортимента дорожных
битумов повышенной долговечности.
Блок К» 2. Мощность - около 100 тыс. т. продукции в год:
•	линия окисления сырья с получением строительных битумов марок БН по
ГОСТ 6617-90 и кровельных битумов марок БНК по ГОСТ 9548-98;
•	линия по расфасовке и затариванию строительных битумов;
•	линия по производству, расфасовке и затариванию рулонных кровельных
материалов.
Блок № 3. Мощность - около 45 тыс. т. продукции в год:
•	линия по приготовлению концентрата полимера;
•	линия по производству дорожных полимербитумных вяжущих по ТУ 0256-
096-00151807-97.
Сегодня, используя битумы марок БНД и полимеры типа ДСТ,
дорожно-строительные организации практически насытили российский
рынок упомянутым вяжущим марок ПБВ. Сезонность спроса, высокая
себестоимость, небольшие объёмы потребления и т.п. сдерживают сегодня
организацию производства таких битумных материалов на
нефтеперерабатывающих предприятиях. Комплексное же,
специализированное производство может успешно обеспечить выпуск таких
материалов.
99
Рис. 3. Принципиальная схема комплексного производства битумных материалов: УГ - утяжеленный гудрон; КСС -
комплексный стабилизатор состава; ПГ - подготовленный гудрон; РКМ - рулонный кровельный материал; БИК - битум нефтяной
кровельный; БН - битум нефтяной; БДД - битум дорожный повышенной долговечности; ПБВ - полнмер-битумные вяжушне; СБВ - серо*
битумные вяжушне; 3 - эмульгатор; ЭБК - эмульсия битумная катионная.
100
Технологическое оборудование блока по производству ПБВ позволяет
получать также серогудроновые композиции (после их соответствующей
дозированной энергетической обработки), последующее окисление которых
на блоке № 1 решает одну из важнейших проблем современной
нефтепереработки - утилизацию элементной серы.
Блок № 4. Мощность - около 30 тыс. т. продукции в год:
линия по производству, например, катионоактивиых битумных эмульсий для
дорожного строительства и ремонта.
101