Научная статья на тему 'Обоснование выбора нефтяного остатка оптимальной глубины отбора для получения окисленных дорожных битумов, удовлетворяющих нормативным требованиям'

Обоснование выбора нефтяного остатка оптимальной глубины отбора для получения окисленных дорожных битумов, удовлетворяющих нормативным требованиям Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
376
112
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АСФАЛЬТОБЕТОН / ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА / ГРУППОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ / ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ / ДОРОЖНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО / ОКИСЛЕНИЕ / КАЧЕСТВО / СТАБИЛЬНОСТЬ / НЕФТИ / ЭФФЕКТИВНОСТЬ / ASPHALT-CONCRETE / VACUUM DISTILLATION / GROUP CHEMICAL COMPOSITION / ROAD BITUMEN / ROAD BUILDING / OXIDATION / QUALITY / STABILITY / OILS / EFFICIENCY

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Мушреф Х. Ш., Теляшев Э. Г., Кутьин Ю. А.

Показано, что ожидать существенного улучшения качественных характеристик битумов дорожных марок, вырабатываемых из остатков переработки западносибирских нефтей, в дальнейшем не приходится, поскольку потенциал качества, определяемый групповым химическим составом этих нефтей, практически исчерпан. Проблему дальнейшего роста качества дорожных битумов может решить применение для их производства новых сырьевых источников, а именно тяжелых высокосернистых высокосмолистых нефтей. Проведенный комплекс исследований с применением оригинальной методики определения группового химического состава битумного сырья и продуктов его окисления позволил теоретически предсказать и экспериментально подтвердить возможность получения высококачественных окисленных дорожных битумов из остатков вакуумной перегонки тяжелой нефти Арланского месторождения. Практически установлен оптимальный диапазон глубины отбора газойлевых фракций в процессе вакуумной перегонки прямогонных мазутов, в котором реализуется возможность получения дорожных битумов с наиболее высокими качественными характеристиками.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Choice of petroleum residue with optimum take off depth for production of blown road bitumens satisfying standard requirements

It is shown that no substantial improvement of qualitative characteristics of road grade bitumens, produced from the residues of West Siberian oils, can be expected in future because their quality potential, determined by the group chemical composition, is practically exhausted. The problem of further improvement of road bitumen quality can be solved using new feed resources heavy highsulfur and hightar oils. The conducted complex of research works using the original methods of determining group chemical composition of bitumen feed and products of its oxidation made it possible to predict and confirm experimentally the possibility of production of high quality blown road bitumen from the vacuum residues of the Arlan heavy oil. The optimum rang of gasoil fraction takeoff in the process of vacuum distillation of straight-run atmospheric residues was determined experimentally, realizing the possibility of producing road bitumen with high quality properties.

Текст научной работы на тему «Обоснование выбора нефтяного остатка оптимальной глубины отбора для получения окисленных дорожных битумов, удовлетворяющих нормативным требованиям»

УДК 665.775.053

Х. Ш. Мушреф (асп.)1, Э. Г. Теляшев (д.т.н., проф., дир.)2, Ю. А. Кутьин (к.т.н., зав. отд.)2

Обоснование выбора нефтяного остатка оптимальной глубины отбора для получения окисленных дорожных битумов, удовлетворяющих нормативным требованиям

1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра нефтехимии и химической технологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431859 2ГУП Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан 450065, г. Уфа, ул. Инициативная, 12; тел. (347) 2422513, e-mail: inhp@inhp.ru.

H. Sh. Moshref1, E. G. Telyashev2, Yu. A. Kut'in2

Choice of petroleum residue with optimum take off depth for production of blown road bitumens satisfying standard requirements

1 Ufa State Petroleum Technical University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431859 2 Institute of petroleum refining and petrochemistry of RB 12, Initsiativnaya Str, 450065, Ufa, Russia; ph. (347) 2422513, e-mail: inhp@inhp.ru

Показано, что ожидать существенного улучшения качественных характеристик битумов дорожных марок, вырабатываемых из остатков переработки западносибирских нефтей, в дальнейшем не приходится, поскольку потенциал качества, определяемый групповым химическим составом этих нефтей, практически исчерпан. Проблему дальнейшего роста качества дорожных битумов может решить применение для их производства новых сырьевых источников, а именно тяжелых высокосернистых высокосмолистых нефтей. Проведенный комплекс исследований с применением оригинальной методики определения группового химического состава битумного сырья и продуктов его окисления позволил теоретически предсказать и экспериментально подтвердить возможность получения высококачественных окисленных дорожных битумов из остатков вакуумной перегонки тяжелой нефти Арланского месторождения. Практически установлен оптимальный диапазон глубины отбора газойлевых фракций в процессе вакуумной перегонки прямогонных мазутов, в котором реализуется возможность получения дорожных битумов с наиболее высокими качественными характеристиками.

Ключевые слова: асфальтобетон; вакуумная перегонка; групповой химический состав; дорожные битумы; дорожное строительство; окисление; качество; стабильность; нефти; эффективность.

It is shown that no substantial improvement of qualitative characteristics of road grade bitumens, produced from the residues of West Siberian oils, can be expected in future because their quality potential, determined by the group chemical composition, is practically exhausted. The problem of further improvement of road bitumen quality can be solved using new feed resources heavy high- sulfur and hightar oils. The conducted complex of research works using the original methods of determining group chemical composition of bitumen feed and products of its oxidation made it possible to predict and confirm experimentally the possibility of production of high quality blown road bitumen from the vacuum residues of the Arlan heavy oil. The optimum rang of gasoil fraction takeoff in the process of vacuum distillation of straight-run atmospheric residues was determined experimentally, realizing the possibility of producing road bitumen with high quality properties.

Key words: asphalt-concrete; vacuum distillation; group chemical composition; road bitumen; road building; oxidation; quality; stability; oils; efficiency.

Дата поступления 25.04.13

Основная масса дорожных битумов, производимых уже в течение десятков лет на предприятиях отрасли и на локальных установках потребителей, вырабатывается из товарных смесей западно-сибирских нефтей по весьма схожим технологиям. Именно поэтому они имеют идентичные групповые химические составы и технические характеристики 1,2.

Современное дорожное строительство в связи с резким увеличением нагрузок на дорожное полотно от высокоскоростных и большегрузных транспортных средств требует применения новых материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Повышенные требования предъявляются и к дорожным битумам, задача которых прочно склеить и длительное время удерживать в связанном состоянии минеральный несущий каркас асфальтобетона в условиях интенсивных знакопеременных нагрузок и воздействий окружающей среды 3'4.

Потенциал качества, заложенный в западно-сибирских нефтях и определяемый их групповым химическим составом, практически исчерпан. Ожидать существенного прироста качества битумов за счет внедрения новых битумных технологий пока трудно, поскольку уже не один десяток лет на старых битумных производствах новые технологии не внедряются.

Анализ многочисленных литературных источников, раскрывающих тему особенностей строения и свойств битумов различного происхождения, полученных по различным технологиям, показывает, что последний период времени — это 10—15 лет — характеризуется недостаточным вниманием отечественных исследователей к вопросам изучения нетрадиционных для России источников битумного сырья. Основное внимание уделяется попыткам «вытянуть» тот или иной параметр качества за счет различных технологических приемов, но из традиционного сырья, поскольку иного сырья, кроме нефтей Западной Сибири, на НПЗ России не поступает.

Однако действительно новое качество битумов можно ожидать только с вовлечением в переработку новых видов сырья, нефтей — тяжелых высокосернистых высокосмолистых 5. В условиях Башкортостана это могут быть нефти Арлано-Чекмагушевского месторождения.

В настоящей статье изложены методика проведения исследований товарной арланской нефти и продуктов ее перегонки, а также результаты исследований состава остатков и битумов дорожных марок, полученных по тради-

ционной технологии получения битумов высокотемпературным окислением остатков разной глубины отбора газойлевых фракций.

Материалы и методы исследования

Методический порядок проведения окисления нефтяных остатков, а также анализа битумов был принят следующий 1. Прямогон-ный мазут арланской нефти подвергали вакуумной перегонке с получением остатков с различной глубиной отбора.Остатки подвергали окислению при постоянных режимных показателях до достижения примерно одинаковой глубины окисления, характерной для битумов дорожных марок. Опытные образцы битумов испытывали на соответствие требованиям действующей нормативно-технической документации и на основании полученных результатов испытаний выделяли образец с оптимальными техническими характеристиками.

На рис. 1 представлен характер изменения показателя «температура размягчения» остатков разной глубины отбора, получаемых в процессе вакуумной перегонки нефти мазута арланской нефти.

Рис. 1. Характер изменения температуры размягчения остатков разной глубины отбора, получаемых при вакуумной перегонке мазута арланской нефти

В рассматриваемом диапазоне температур нарастание температуры размягчения остатков с увеличением глубины отбора газойлевых фракций монотонно возрастает, так же, как и пенетрация остатков, и так же, как монотонно происходит изменение групповых составов остатков. Это обстоятельство облегчает выбор рабочего диапазона температур, в котором находятся оптимальные значения показателя «температура размягчения.

Методика поиска такого диапазона заключалась в следующем. Каждый из остатков с определенным значением показателя «температура размягчения» окисляли до требуемой глубины, после чего определяли основные качественные характеристики полученного битума. Далее проводили сопоставительный анализ полученных качественных характеристик и на основании такого анализа определяли диапазон температур размягчения остатков, в котором продукты их окисления характеризовались наиболее высокими показателями качества.

Обсуждение результатов

Условия окисления во всей серии экспериментов были неизменными, глубину окисления поддерживали на одном уровне. С целью достижения определенного понимания сути процессов, происходящих при окислении каждого из образцов сырья, определяли групповые химические составы полученных битумов. Характер изменения групповых химических составов (ГХС) продуктов разной глубины в процессе окисления остатка, выкипающего выше 380 оС, представлен на рис. 2.

24 30 36 42 4S S4

Температура размягчения,0 С

Рис. 2. Характер изменения групповых химических составов продуктов разной глубины окисления остатка Арланской нефти, выкипающего выше380 Сё

Группы углеводородов: 1 — парафино-нафтеновые, ароматические; 2 — легкие; 3 — средние; 4 — тяжелые; 5 — смолы; 6 — асфальтены.

Обсуждение результатов: зависимости, представленные на рис. 2, показывают нарастающий характер изменения содержания смол и асфальтенов в составе битума с увеличением глубины его окисления, что приводит к возрастанию его прочности и термостойкости. Одновременно в продуктах окисления снижается содержание ароматических соединений, которые в данном случае можно рассматривать как сырьевой источник для окислительных превращений.

Характер изменения отдельных важных качественных характеристик продуктов окисления, полученных из остатков вакуумной перегонки мазута арланской нефти разной глубины отбора, представлен на рис. 3.

Рис. 3. Изменение качественных характеристик битумов с пенетрацией (П25) 66 дмм при окисленни остатков мазута Арланской нефти разной глубины

Основные технические характеристики экспериментальных битумов, полученных при прямом окислении остатков разной глубины отбора, представлены в табл. 1.

Представленные в таблице результаты исследований технических характеристик битумов, полученных из остатков различной глубины отбора газойлевых фракций при вакуумной перегонке мазута арланской нефти, и характер графических построений на рис. 3 свидетельствуют о следующем.

Наиболее пластичный битум с наилучшими низкотемпературными характеристиками получается при окислении наиболее легкого остатка, выкипающего выше 380 оС. Вместе с тем такой битум характеризуется недостаточной растяжимостью и наименьшей в данной серии опытов устойчивостью к процессам, протекающим в результате ускоренного термоокислительного старения. Так, в испытаниях исходного образца битума на старение испытуемый продукт после длительного термического воздействия в наибольшей степени изменил первоначальные значения практически всех показателей: температуры размягчения, пенет-рации, растяжимости и температуры хрупкости.

С увеличением глубины отбора в процессе вакуумной перегонки мазута арланской нефти образуются остатки, при прямом окислении которых наблюдается существенное повышение растяжимости получаемых битумов. Однако при этом ухудшаются их низкотемператур-

Таблица 1

Основные технические характеристики окисленных битумов, прямого окисления остатков с различными значениями температуры размягчения, полученных при вакуумной перегонке мазута арланской нефти

Наименование показателей. Единицы измерения Фактические значения показателей для остатков, выкипающих выше, С:

ГОСТ 380 400 420

Глубина проникания иглы, дмм при 25 оС при 0 оС 61-90 20 103 44 78 25 66 21

Температура размягчения, оС 51 51.2 51.4 50.8

Дуктильность, см при 25 оС при 0 оС 55 3.5 24.1 3.7 43.4 3.4 > 150 3.5

Температура хрупкости, оС -15 -25.4 -23.1 -18.4

После прогрева при 163 оС в течение 5 ч

Потеря массы, % мас. - 0.32 0.15 0.01

Изменение температуры размягчения, оС 5 7.2 6.1 4.6

Пенетрация при 25 оС, дмм. % от первоначальной величины - 70.0 74.4 76.2

Дуктильность при 25 оС, см - 14.1 28.8 95

Изменение температуры хрупкости, оС - 2.4 1.5 1.2

ные характеристики и заметно снижается пластичность. Битум, полученный прямым окислением остатка, выкипающего выше 420 оС, уже можно рассматривать как товарный продукт, соответствующий требованиям действующего Российского стандарта 6.

На основании представленных экспериментальных данных можно сделать важный практический вывод. Битумы дорожных марок, вырабатываемые из остатков вакуумной перегонки мазута арланской нефти по технологии прямого окисления сырья, имеют наилучшие эксплуатационные характеристики, если они получены из остатков, выкипающих в диапазоне 400-420 оС.

Характер изменения качественных характеристик битумов, получаемых из остатков разной глубины отбора, хорошо согласуется с характером изменения группового химического состава продуктов на разной стадии их окисления. Как уже отмечалось выше, изменение ГХС в процессе окисления происходит монотонно со снижением содержания наиболее легко кипящих и тяжелых ароматических компонентов в составе продуктов по мере увеличения глубины окисления и с одновременным увеличением содержания продуктов реакций уплотнения, происходящих в процессе окисления. Так, содержание парафино-нафтеновых углеводородов в продуктах окисления по мере увеличения глубины окисления снижается, так же как и содержание легких и средних ароматических соединений с одновременным увеличением содержания смол и асфальтенов. Можно предположить, что парафино-нафтеновые

углеводороды выводятся отработанным воздухом вместе с отгоном и газами окисления, поскольку в процессе окисления они практически не участвуют. Легкая ароматическая часть сырья также частично уносится отработанным воздухом с отгоном, а частично (средние ароматические соединения) принимает участие в окислительных превращениях. Отдельно стоит иначе выраженный характер изменения содержания в продуктах окисления тяжелых ароматических соединений (кривая 4). По всей вероятности, именно в этих соединениях присутствуют наиболее реакционноспособные группы углеводородов, которые являются основным источником сырья для большинства окислительных превращений. Именно поэтому с увеличением глубины окисления остатков содержание тяжелых ароматических соединений в продуктах их окисления заметно снижается, а содержание смол и асфальтенов растет 78.

Можно также предположить, что экспериментально найденный оптимальный диапазон глубины отбора битумного сырья, вырабатываемого из арланской нефти, из которого прямым окислением получают дорожные битумы с наилучшими эксплуатационными характеристиками, характеризуется наиболее сбалансированным соотношением асфальто-смолистой и мальтеновой составляющих частей как в сырьевых компонентах, так и продуктах их окис-9 10

ления 9'.

Таким образом, проведенный комплекс исследований с применением оригинальной методики определения группового химического состава битумного сырья и продуктов его

окисления позволил теоретически предсказать и экспериментально подтвердить возможность получения высококачественных окисленных дорожных битумов из остатков вакуумной перегонки тяжелой нефти Арланского месторождения. Практически установлен оптимальный диапазон глубины отбора газойлевых фракций в процессе вакуумной перегонки прямогонных мазутов, в котором реализуется возможность получения дорожных битумов с наиболее вы-

сокими качественными характеристиками. С применением битумов данного уровня качества можно ожидать достижения высоких эксплуатационных характеристик асфальтобетонов, изготовленных с применением таких битумов, что, безусловно, будет способствовать повышению безремонтных сроков эксплуатации дорожных покрытий даже в режимах современных интенсивных транспортных нагрузок на дорожное полотно.

Литература

1. Гун Р. Б. Нефтяные битумы.— М.: Химия, 1973.- 432 с.

2. Грудников И. Б. Производство нефтяных битумов.- М.: Химия, 1983.- 190 с.

3. Кутьин Ю. А., Нигматуллин В. Р., Викторова Г. Н. Битумы окисленные, неокисленные и компаундированные и асфальтобетоны на их основе. // Международная конф. «Битумы в дорожном строительстве», материалы; Москва 19-22 апреля 2005 г.- Москва 2005.- С. 29.

4. Аминов Ш. Х., Кутьин Ю. А., Струговец И. Б., Теляшев Э. Г. Современные битумные вяжущие и асфальтобетоны на их основе.- С-Петербург. Недра.- 2007.- 336 с.

5. Мушреф Х. Ш., Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г. // Нефтегазовое дело.- 2012.- №6.- С.532.

6. Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г., Викторова Г. Н. //ХТТМ.- 2006.- №2.- С.10.

7. Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г., Викторова Г. Н. Повышение качества дорожных битумов и увеличение срок жизни дорожных покрытий // Материалы международного симпозиума «Нефтяные дисперсные системы ( НДС-2004)», Москва, 10 декабря 2004 г.- Москва, 2004.- С.94.

8. Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г., Викторова Г. Н. // Мир нефтепродуктов.- 2004.- №3.- С.11.

9. Горючие смазочные материалы. Энциклопедический толковый словарь-справочник. / Под ред. В. М. Школьникова.- М: Техинформ. 2007 г.-736 с.

10. Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г., Викторова Г. Н. // Мир нефтепродуктов.- 2011.- №3.- С.51.

References

1. Gun R. B. Neftjanye bitumy.— M.: Himija, 1973.- 432 s.

2. Grudnikov I. B. Proizvodstvo neftjanyh bitu-mov.- M.: Himija, 1983. - 190 s.

3. Kut'in Ju. A., Nigmatullin V. R., Viktorova G. N. Bitumy okislennye, neokislennye i kom-paundirovannye i asfal'tobetony na ih osnove. // Mezhdunarodnaja konf. «Bitumy v dorozhnom stroitel'stve», materialy; Moskva 19-22 aprelja 2005 g.- Moskva 2005.- S.29.

4. Aminov Sh. H., Kut'in Ju. A., Strugovec I. B., Teljashev Je. G. Sovremennye bitumnye vjazhushhie i asfal'tobetony na ih osnove. S-Peterburg. Nedra.- 2007.- 336 s.

5. Moshref H. Sh., Kut'in Ju. A., Teljashev Je. G. / / Neftegazovoe delo.- 2012.- №6.- C.532.

6. Kut'in Ju. A., Teljashev Je. G., Viktorova G. N. // HTTM.- 2006.- №2.- S.10.

7. Kut'in Ju. A., Teljashev Je. G., Viktorova G. N. Povyshenie kachestva dorozhnyh bitumov i uvelichenie srok zhizni dorozhnyh pokrytij // Materialy mezhdunarodnogo simpoziuma «Neftjanye dispersnye sistemy (NDS-2004)», Moskva, 10 dekabrja 2004 g.- Moskva, 2004.-S.94.

8. Kut'in Ju. A., Teljashev Je. G., Viktorova G. N. // Mir nefteproduktov.- 2004.- №3.- S.11.

9. Gorjuchie smazochnye materialy. Jenciklo-pedicheskij tolkovyj slovar'-spravochnik. Pod red. V. M. Shkol'nikova - M: Tehinform. 2007 g.- 736 s.

10. Kut'in Ju. A., Teljashev Je. G., Viktorova G. N. // Mir nefteproduktov.- 2011.- №3.- S.51.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.