CC BY
52
PECULIARITIES OF USING ELEMENTAL SULFUR AS A MODIFIER IN THE
PRODUCTION OF SILVER-BITUMINE BINDERS 1 2 Saidakhmedov I.M.% Saidakhmedov E.E.2 (Republic of Uzbekistan)
1Saidakhmedov Igamberdli Mukhtarovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Advisor, IP LLC "PETROMARUZ UZBEKISTAN"; 2Saidakhmedov Elerbek Egamberdievich - Doctor of Technical Sciences, Deputy Chairman of the Board - Head of
Department,
DEPARTMENT OF PREPARATION AND DEEP PROCESSING OF OIL AND GAS, JSC "O 'ZLITINEFTGAZ", TASHKENT, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article considers the problem of studying the features of obtaining petroleum bitumen by modifying technical sulfur. BND 60/90 grade oil road bitumen and granulated sulfur from the Fergana Oil Refinery were chosen as the objects of study.
Keywords: bitumen, sulfur, granulated sulfur, physical and chemical properties.
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ СЕРЫ КАК
МОДИФИКАТОРА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЕРОБИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
12 Сайдахмедов И.М. , Сайдахмедов Э.Э. (Республика Узбекистан)
1Сайдахмедов Игамбердли Мухтарович - доктор технических наук, профессор, советник, ИП ООО «PETROMARUZ UZBEKISTAN»; 2Сайдахмедов Элёрбек Эгамбердиевич - доктор технических наук, заместитель председателя Правления -
руководитель департамента, департамент подготовки и углубленной переработки нефти и газа, АО «О 'ZLITINEFTGAZ», г. Ташкент, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье рассмотрена задача по изучению особенностей получения нефтяных битумов модифицированием технической серой. В качестве объектов исследования были выбраны нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90 и гранулированная сера Ферганского НПЗ. Ключевые слова: битум, сера, гранулированная сера, физико-химические свойства.
В условиях дальнейшего расширения сети и модернизации автомобильных дорог в Республике Узбекистан прогнозируется значительный рост потребления нефтяного битума в ближайшие годы. Это потребует увеличения производства нефтяных дорожных битумов с улучшенными характеристиками, что должно решаться как за счет интенсификации действующих битумных производств, так и за счет улучшения свойств нефтяных битумов с использованием различных добавок и модификаторов.
В качестве последних в мировой практике все большее внимание уделяется вовлечению в нефтяной битум дешевой и доступной серы, открывающей перспективы развития серобитумных дорожных вяжущих и сокращения расхода битума [1, 2]. При этом целесообразность модифицирования дорожных битумов серой обусловлена ее уникальными свойствами, доступностью и низкой стоимостью, что позволяет увеличить объемы производства нефтяных битумов, улучшить ряд показателей их качества [3, 4]. Для условий республики техническая сера является недорогим и многотоннажным побочным продуктом нефте- и газоперерабатывающих производств и ее производство постоянно увеличивается. Применение технической серы для модификации битумов экономически целесообразно и позволяет одновременно решать экологические проблемы.
С учетом вышеизложенного, нами поставлена задача по изучению особенностей получения нефтяных битумов модифицированием технической серой.
В качестве объектов исследования были выбраны нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90, как наиболее многотоннажный из производимых нефтяных битумов и гранулированная сера Ферганского НПЗ, основные физико-химические свойства которых представлены в табл. 1 и 2, соответственно.
Таблица 1. Основные физико-механические свойства нефтяного дорожного битума БНД 60/90
№ Наименование показателей Значения
1. Глубина проникания иглы, 0,1мм: при 25 °С при 0 °С 81 23
2. Растяжимость, см:
при 25 °С 58
при 0 °С 4,2
3. Температура размягчения, °С 49
4. Температура хрупкости, °С -17
5. Интервал пластичности 66
6. Коэффициент структуры 1,14
Таблица 2. Основные характеристики технической серы
Показатель Температура, °С
20 150
1. Плотность, кг/м3 2050 1760
2. Цвет желтый желтый
3. Прочность при сжатии, МПа 12 - 22 -
4. Температура плавления, °С 119 -
5. Вязкость, Пас - 0,1
6. Температура кипения, °С 444,8 -
7. Теплоемкость, кДж/кг 0,7 1,84
8. Степень чистоты, % 99,9 -
Серобитумные вяжущие получали в лабораторной емкости, снабженной перемешивающим устройством и электрообогревом. Принципиальная схема установки для получения модифицированных нефтяных битумов представлена на рис. 1.
1 - баня изолированная, 2 - масло силиконовое ПМС, 3 - карман для термопары, измерение температуры в масле, 4 - карман для термопары, измерение температуры в битуме, 5 - емкость с битумом, 6 - мешалка лопастная, 7 -измеритель температуры, 8 - блок регулирования двигателем, 9 - электродвигатель, 10 - нагреватель электрический ТЭН, 11 - лабораторный автотрансформатор.
Рис. 1. Схема лабораторной установки получения модифицированных битумных вяжущих
Приготовление серосодержащих битумов осуществляли перемешиванием при температуре 135-140°С и скорости вращения пропеллерной мешалки 500 об/мин, продолжительность перемешивания составила 30 мин. Количество серы в битуме изменялось от 1 до 20 % мас. После термообработки смесей, их выдерживали в течении 24 часов и затем определяли свойства модифицированных битумов.
Выбор температурного диапазона обусловлен тем, что при превышении вышеуказанной температуры наблюдается интенсивное выделение токсичных газов, ниже - не происходит химического взаимодействия серы с нефтяным остатком. Скорость реакции заметно возрастает при повышении
температуры до 175оС, когда сера присутствует в смеси в виде линейного полимера. Исследование химического состава серобитумных вяжущих методом ИК-спектроскопии показало, что в процессе получения серосодержащего вяжущего при температуре 180 - 200оС линейные молекулы серы взаимодействуют с непредельными углеводородами, которые постоянно образуются в результате реакции дегидратации. Происходит сшивание молекул и образование сетчатых структур, что ведёт к резкому возрастанию вязкости и теплоустойчивости серобитумных вяжущих.
Свойства исследованных образцов серосодержащих битумов определяли по методикам, принятым для испытания вязких дорожных битумов. Основные физико-механические свойства серосодержащих битумов даны в табл. 3.
Таблица 3. Основные физико-механические свойства серосодержащих битумов
Показатели Содержание се ры в битуме, %мас.
1 2 5 10 15 20
Глубина проникания иглы, 0,1мм:
при 25 °С при 0 °С 82 83 84 80 75 69
24 25 24 22 20 17
Растяжимость, см:
при 25 °С 60 62 63 57 55 51
при 0 °С 4,9 5,1 5,3 5,2 4,2 3,9
Температура размягчения, °С 55 54 53 49 47 44
Температура хрупкости, °С -19 -21 -20 -17 -15 -14
Интервал пластичности, °С 74 75 72 66 62 68
Коэффициент структуры 1,23 1,21 1,14 1,16 1,13 1,33
Потеря массы после прогрева 2 2 2 3 3 3
Как видно из таблицы, добавление серы приводит к изменению основных физико-механических свойств нефтяного битума. Это свидетельствует об изменении структуры битума.
Характер изменения показателя пенетрации нефтяного битума от содержания серы носит экстремальный характер. В пределах концентрации до 5 % значение пенетрации увеличивается с 81 до 84 ед. Дальнейшее увеличение содержания серы снижает данный показатель до значения меньше, чем для исходного битума, то есть сера начинает инициировать реакции поликонденсации в битуме, и происходит увеличение твердости битума. Увеличение значений пенетрации объясняется, по-видимому, способностью серы при определенных концентрациях пластифицировать структуру битума, а снижение значений пенетрации свидетельствует о ее способности структурировать систему. Это обусловлено влиянием процессов взаимодействия серы с битумом.
Зависимость низкотемпературных свойств нефтяных битумов от содержания серы также носит экстремальный характер. Так, температура хрупкости битума при добавлении серы до 5 % уменьшается с минус 17 °С до минус 20 °С, что является положительным эффектом. Однако при дальнейшем увеличении содержания серы температура хрупкости повышается на 4°С и для битума, содержащего серу в количестве 20%, значение этой температуры составляет минус 14 оС. То есть, битум по этому показателю перестает отвечать требованиям стандарта.
Значение потери массы после прогрева серобитума при добавлении серы до 5% несколько уменьшается, но при увеличении концентрации серы становится соизмеримым с показателем для исходного битума. Это свидетельствует о некотором улучшении термоокислительной устойчивости битумов. Показатель растяжимости также при содержании серы 5 % достигает величины 63 см, при дальнейшем увеличении серы уменьшается до 51 см, что меньше допустимого значения по ГОСТ.
Анализ полученных данных показывает, что при увеличении содержания серы в нефтяном битуме более 5%, наблюдается тенденция ухудшения основных показателей образцов серосодержащих битумов. Данное обстоятельство, по-видимому, обусловлено тем, что добавление больших количеств серы приводит к образованию кристаллов серы в растворе битума, что неблагоприятно отражается на основных показателях качества битумов.
При взаимодействии битума с серой протекают две основные химические реакции. Первая реакция протекает при температуре ниже 140 °С, при которой происходит взаимодействие открытых цепей серы (образовавшихся вследствие разрыва кольцевых связей) с углеводородами в направлении создания связей сера-углерод. Процессы образования сероуглеродных связей основаны на взаимодействии расщепленного серного кольца или его фрагментов и ненасыщенных углеводородных компонентов смол, а также алкенов, присутствующих в незначительном количестве в тяжелых ароматических углеводородах масляных компонентов. Поэтому наиболее вероятными продуктами взаимодействия с серой являются смолы.
Другая реакция протекает при температуре выше 140 °С, при которой происходит дегидрогенизация компонентов органического вяжущего, признаком которой является выделение сероводорода, образующегося вследствие соединения двуокиси серы с водородом. Дегидрогенизированные цепи подвергаются циклизации, в результате чего увеличивается количество структурообразующих комплексов типа асфальтенов и других высокомолекулярных соединений. На этой стадии происходит «сшивка» органических фрагментов серой.
Таким образом, образование в результате химического взаимодействия сероорганических соединений способствует повышению вязкости и улучшению ряда важных физико-механических свойств серобитумных вяжущих, что является важным фактором улучшения показателей качества битумов, таких как пенетрация, температура хрупкости, коэффициент структуры. Наряду с этим, модифицирование битумов серой позволит обеспечить квалифицированное применение побочного продукта нефте- и газоперерабатывающих предприятий республики и вовлечь в производство вяжущих материалов дополнительные ресурсы в количестве до 5 % в виде элементной серы.
Список литературы /References
1. Ludwig A.C. Plasticited Suhlfur Asphalt Replacements / A.C. Ludwig // Industrial and Engineering Chemistry Product Research and Development, 1982. V.21. Р. 65-68.
2. Теляшев И.Р. Влияние технологических параметров на взаимодействие серы с нефтяными остатками / И.Р. Теляшев, С.А. Обухова // В кн. Нефтепереработка и нефтехимия: проблемы и перспективы. Уфа, 2001. С. 76-80.
3. Гуреев А.А. Дорожные битумы - вчера, сегодня, завтра / А.А. Гуреев, Н.В. Быстров // Нефтепереработка и нефтехимия, 2013. № 5. С. 3-6.
4. Шилов К.И. Влияние элементарной и модифицированной серы на процесс получения битумного вяжущего для дорожного строительства / К.И. Шилов, О.П Арашкевич, Н.Г. Евдокимова, Б.С. Жирнов, К.В. Кортянович // Нефтепереработка и нефтехимия, 2003. № 10. С. 65-70.
