CC BY
66
УДК 532: 533.1
Т. Р. Ахметзянов, Р. Ф. Габитов, И. Ш. Хабриев, В. Ф. Хайрутдинов, Ф. Р. Габитов, Ф. М. Гумеров
ПРОПИТКА ЩЕБНЯ КОМПОНЕНТАМИ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПРОПАН-БУТАНОВОГО ИМПРЕГНАЦИОННОГО ПРОЦЕССА, ОСУЩЕСТВЛЯЕМОГО
В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДНЫХ УСЛО ВИЯХ
Ключевые слова: сверхкритический флюид, щебень, битум, пропан, бутан, растворимость, деасфальтизат, импрегнация.
Представлены результаты исследования режимных параметров осуществления комплексного процесса пропитки, физико-механические свойства исходного и пропитанных образцов щебня.
Keywords: supercritical fluid, gravel, asphalt, propane, butane, solubility, DAO, impregnation.
The results of the study of regime parameters of an integrated process of impregnation, physical and mechanical properties of the original and the impregnated samples of rubble.
Введение
Экономические условия, сложившиеся в России, характеризуются высокими темпами развития рыночных отношений и интеграционных процессов, что естественным образом предполагает рост конкуренции в ведущих отраслях промышленности, к которым относится и дорожное строительство [1,2].
Современное дорожное строительство нуждается в качественных и доступных материалах. Низкое качество материалов приводит, как правило, к преждевременному износу и разрушению дорожного покрытия. Вследствие чего сокращаются нормативные сроки службы дорог и появляется необходимость проведения внеплановых работ по их усилению и ремонту.
В настоящее время уже имеются работы, в которых предлагаются различные варианты укрепления карбонатного щебня [3-5]. К примеру, в работе [3] предложена следующая процедура пропитки щебня: процесс осуществляется при комнатной температуре и под избыточным давлением 0-6.0 МПа с использованием шпалопропиточного состава (каменноугольное масло, сланцевое масло или их смесь различного состава). Длительность процесса составляет 120-300 секунд и предполагает последующую обработку щебня расплавленным битумом (3% от массы щебня) до достижения равномерного обволакивания дорожного материала. Использование такого способа обработки позволяет уменьшить водопоглощение щебня в 2.23-3.96 раза.
В работе [5] укрепление щебня из малопрочных карбонатных пород проведено посредством его пропитки расплавленной серой. Сера, как материал для пропитки, обладает рядом положительных свойств: относительно низкой температурой плавления 112.8-119.3°С, низкой вязкостью расплава (6.5 10-3 Па с), достаточной механической прочностью после кристаллизации, гидрофобностью, высокой водо- и химической стойкостью. Расплав серы способен достаточно глубоко проникать в поры различного диаметра, в том числе капилляры, а в процессе кристаллизации при последующем охлаждении, прочно соединяться
с матрицей. В результате пропитки карбонатного щебня расплавом серы на поверхности зерен образуется градиентный приповерхностный слой с более плотной структурой, препятствующий проникновению воды в поровое пространство срединного «ядра» и его надежное капсулирование. Этот факт неравномерной пропитки, в данном случае щебня, характерен для всех описанных выше подходов, использующих жидко-фазный раствор материала пропитки. Именно жидкому состоянию характерны такие свойства-недостатки с точки зрения возможности проникновения в высокопористые матрицы, как высокая вязкость и низкая диффузионность, наличие поверхностного натяжения и капиллярного эффекта. В качестве примера можно привести широкий спектр гетерогенных катализаторов, традиционно получаемых методом жидкофазной пропитки. Подобные катализаторы относятся к категории корочковых и имеют сосредоточение активных центров лишь в узком по толщине поверхностном слое носителя катализатора, что, как правило, рассматривается в качестве одного из их недостатков [6-8].
Щебень, модифицированный подобным образом, в процессе постройки дороги и первых лет эксплуатации интенсивно дробится, в результате чего оголяется его внутренняя необработанная часть. Как следствие, увеличивается водопоглощение и ухудшаются физико-механические свойства щебня, минимизируя эффект от ранее проведенной модификации.
Поэтому, разработка новых технологий укрепления щебня из мало-прочных карбонатных пород, является задачей актуальной. Ее решение позволит улучшить качество щебня и получить высокоэффективный дорожно-строительный
материал.
Экспериментальная часть
Материалы и методы исследования
Для отработки комплексной технологии была создана экспериментальная установка, представленная на рисунке 1.
Рис. 1 - Схема комплексной экспериментальной установки пропитки щебня фракцией нефтяных остатков: 1 - баллон с С3Н8; 2 - холодильный агрегат; 3 - насос; 4 - ресивер; 5 -теплообменник; 6 - экстрактор; 7 -теплообменник; 8 - обогреваемый сосуд импрегнации (пропитки); 9 - клапан регулятор; 10 - обогреваемый сепаратор; 11 - вентиль
Установка включает в себя систему создания и поддержания давления и систему регулирования и поддержания температуры.
Система создания давления состоит из баллона с С3Н8 (1) объемом 40 л, холодильного агрегата (2) фирмы Thermo Electronic Corporation (марки "Neslab RTE 7"), охлаждающего рабочие камеры насоса, плунжерного градиентного насоса фирмы Thar Technology (3) для подачи газа с постоянным объемным расходом в диапазоне от 0,1 до 10 мл/мин, и регулятора давления фирмы Go-Reg марки ВР66-1А11СГО151. В начальный момент времени пропан-бутановая смесь, находящаяся в рабочей камере насоса, охлаждается и конденсируется с помощью холодильного агрегата, и затем выталкивается плунжером насоса в систему. Далее плунжер возвращается в исходное положение, и рабочий объем заполняется газом вновь. Благодаря тому, что в насосе установлены две камеры, плунжеры которых работают в противофазе, и благодаря наличию ресивера (4), установленного перед входом в систему достигается равномерная подача пропан-бутановой смеси. После ресивера смесь по трубкам через теплообменник (5) поступает в экстрактор (6), куда предварительно загружен нефтяной остаток. В процессе экстракционной деасфальтизации на дне экстрактора накапливается асфальт. Экстрактор представляет собой сосуд высокого давления объемом 170 мл. Выводимый из экстрактора (верхняя часть) жидкий раствор деасфальтизата в пропан-бутановой смеси, пройдя через теплообменник (7), подается в сосуд пропитки (8), но уже работающий при сверхкритических параметрах вышеотмеченного раствора, что обеспечивается, прежде всего, благодаря теплообменнику (7) и в меньшей степени регулировочному вентилю после импрегнационного сосуда. Итак, в импрегнационном сосуде пропитка щебня осуществляется при сверхкритических параметрах пропан-бутанового раствора деасфальтизата. При этом, необходимо отметить, что речь идет о динамической импрегнации, в
рамках которой процесс является непрерывным, как собственно и само осаждение материала пропитки в пористой структуре. Это осаждение, обуславливаемое снижением растворяющей способности пропан-бутановой смеси, реализуется не благодаря резкому одномоментному сбросу давления, как это имеет место в статическом подходе, а вследствие, прежде всего, увеличения температуры, которое реализуется на участке технологической схемы между теплообменником (7) и сепаратором (10), включая и то и другое. При этом, таковое имеет место лишь при условии, что давление в процессе импрегнации является меньшим значения давления в первой кроссоверной точке на диаграмме растворимости пропиточного раствора в пропан-бутановой смеси, находящейся в сверхкритическом флюидном состоянии [9,10,11].
Соответствующие температуры в экстракторе, импрегнационной камере и сепараторе поддерживаются с помощью электронагревательных рубашек с возможностями ступенчатого регулирования.
Результаты и обсуждение
Относительно подпроцесса СКФ импрегнации диасфальтизатом, надо заметить, что область температур выше 135°С характеризуется как область без каких-либо структурных изменений. Этот факт обуславливает выбор температуры лишь на принципах СКФ состояния пропан-бутановой смеси и энергетической эффективности (нижний предел).
Таблица 1 - Режимные параметры осуществления комплексного процесса
№ эксп. условий аП к £ о Р К Э о н Па к 5 6 Р К О о & H Массовое соотноше ние «экстра-гент: нефт. остаток» Выход деасфальти зата, %
1 4, 5 85 4. 5 85 2:1 66
2 4, 5 85 4, 5 138 1,5:1 54
3 6 85 7 138 2:1 65,4
4 7 85 7 138 1,5:1 52
5 7 85 7 138 1:1 42
Выход и состав деасфальтизата определяются природой растворителя, составом сырья, соотношением «экстрагент/исходное сырье» и режимными параметрами осуществления экстракционного процесса.
Равномерная деасфальтизатная оболочка, образующаяся на поверхности камня после осуществления процесса пропитки, обладает хорошими гидрофобными и адгезионными свойствами. Последнее имеет силу и применительно к материалу асфальтового покрытия, традиционно
накладываемого на поверхность щебеночного слоя при формировании дорожного покрытия в целом. Водопоглощение такого образца щебня составляет 0.24%.
Однако, в процессе постройки дороги и первых лет эксплуатации щебень интенсивно дробится, в результате чего оголяется его внутренняя часть. В случае пропитки с использованием традиционного подхода эта часть, как правило, оказывается необработанной, что приводит к увеличению водопоглощения материала и ухудшению его физико-механических свойств. Одним из путей решения данной проблемы является сквозная и равномерная пропитка щебня.
Пропитка щебня жидким раствором деасфальтизата в пропан-бутановой смеси (условие №1 в табл. 1) обеспечивает предпочтительно периферийную, так называемую, «корочковую» пропитку. В случае же перевода пропан - бутановой смеси в сверхкритическое флюидное состояние (условия № 2-5 в табл. 1) пропитка щебня деасфальтизатом оказывается равномерной и «сквозной.
В таблице 2 приведены физико-механические свойства исходного и пропитанных образцов щебня, оцененные в рамках методики ГОСТа [9].
Таблица 2 - Физико-механические свойства исходного и пропитанных образцов щебня
№ эксп. условий Исти нная плот Пори с- тость Водо по- глощ Показатели дроби-мости, %/ марка
ность г/см3 , % ение, % В сухом состоянии В водона сыщен ном состоя нии
Исх одн ый 2,7 12,6 3,6 16,4/600 17,1/60 0
1 - - 3,6 - -
2 - - 0,95 - -
4 2,69 14,9 0,54 16,4/600 16,9/60 0
Показатели водопоглощения определены после дробления исходного и пропитанных образцов щебня. Как мы видим, показатель водопоглощения образца, подвергнутого жидкостной пропитке (условие №1 в табл. 1) не отличается от показателя, полученного для исходного образца щебня, что объясняется отсутствием пропитки внутренней части этого образца. В случае же пропитки щебня раствором деасфальтизата в пропан-бутановой смеси, находящейся в сверхкритическом флюидном состоянии (условия №2 и №4 в табл. 1), водопоглощение образцов уменьшается в разы.
Выводы
По характеру проникновения нефтепродуктов в образцы щебня, обработке в большей степени подвергнуты криптозернистые участки породы с примесью глинистого вещества. При этом, задействованы зоны развитой пористости и ослабленные участки породы.
В результате использования предложенной технологии влагосодержание подвергнутых обработке образцов щебня понижено до 0.54%.
Разработана эффективная технология пропитки карбонатного щебня нефтяными остатками, основанная на использовании СКФ-импрегнационного процесса с пропан-бутановым растворителем. Достигнута равномерная по всему объему пропитка образцов щебня.
Благодарность
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Соглашение № 14.574.21.0085. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0085.
Литература
1. Сханова С.Э., Медрес Е.Е. Пути повышения конкурентоспособности дорожного строительства в рыночных условиях // Российское предпринимательство. — 2007. — № 10 Вып. 2 (100). — с. 203-208. http://www.creativ-economy.ru/articles/12247/.
2.Мешковский А.В. Проблемы дорожного хозяйства России на современном этапе // Российское предпринимательство. — 2006. — № 12 (84). — с. 155158. — http://www.creativeconomy.ru/articles/8162/
3.Патент РФ 2200717. Способ приготовления черного щебня. Авторы патента: Салихов М.Г., Баширов Д.М., Гатиятуллин М.Х.,
Баронова Л.Г., Пушкин Е.А. Вледельцы патента: Марийский государственный технический университет.
4.Патент РФ 2461522. Способ приготовления черного щебня. Автор(ы): Гайдар С. М., Конова М.М., Громов Е. В.
5.Соловьева М.В., Хозин В.Г., Фомин А.Ю. Упрочнение дорожных каменных материалов расплавленной серой // Известия КАСУ 2013.№2, (24), стр.263-267.
6.Мухлёнов И.П., Допкина Е.И., Дерюжина В.И., Сороко В.Е. Технолология катализаторов. Л. Изд. «Химия». 1989, 272 С.
7.Asplund S. Coke formation and its effect on internal mass transfer and selectivity in Pd-catalised acetylene hydrogenation// J. of Catalysis. 1996. Vol.158, P. 267-278.
8.Билалов Т.Р., Гумеров Ф.М. Процессы производства и регенерации катализаторов/ Термодинамические основы процессов производства и регенерации палладиевых катализаторов с использованием сверхкритичес-кого диоксида углерода. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Dudweiler Landstr. 99, 66123 Saarbrucken, Germany. 2011, 153 C.
9. Габитов И.Р. Сверхкритическая флюидная очистка устья нефтяных скважин от асфальтосмолопарафиновых отложений/ Габитов И.Р., Яруллин Л.Ю., Зарипов З.И., Габитов Ф.Р., Фарахов М.И., Гумеров Ф.М. Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 18. С. 272-274.
10 Гайфуллина Р.Р. Влияние режимных параметров сверхкритической сушки на скорость сушки пористых материалов и на их качество/ Гайфуллина Р.Р., Яруллин Л.Ю., Зарипов З.И., Гумеров Ф.М. Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 19. С. 130-132.
11. Галиуллин Э.А. Экспериментальное исследование получения неокисленных битумов из высоковязких нефтей методом термопарового воздействия/ Галиуллин
Э.А., Хайрутдинов В.Ф., Фахрутдинов Р.З., Кириченко С.М., Фарахов М.И.
Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 6. С. 252-253.
12. ГОСТ 8269.0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.
© Т. Р. Ахметзянов - аспирант кафедры Теоретические основы теплотехники, КНИТУ ahmetzyanov1992@bk.ru; Р. Ф. Габитов - аспирант кафедры Теоретические основы теплотехники, КНИТУ gabitovrfar@gmail.com; И. Ш. Хабриев -аспирант кафедры Теоретические основы теплотехники, КНИТУ termi0@yandex.ru; В. Ф. Хайрутдинов - к.т.н., доцент кафедры Теоретические основы теплотехники, КНИТУ kvener@yandex.ru; Ф. Р. Габитов - д-р техн. наук, проф., той же кафедры, farizan@kstu.ru; Ф. М. Гумеров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ.
© T. R. Akhmetzyanov - Graduate student of Theoretical Foundations of Thermal Engineering, KNRTU, ahmetzyanov1992@bk.ru; R.F. Gabitov - Graduate student of Theoretical Foundations of Thermal Engineering, KNRTU; I. Sh. Khabriev - Graduate student of Theoretical Foundations of Thermal Engineering, KNRTU; V.F. Khairutdinov - Ph.D., Associate Professor of Theoretical Foundations of Thermal Engineering, KNRTU; F. R. Gabitov - Dr. Sc. Sciences, prof., of the same department; F. M. Gumerov - Dr. Sc. Sciences, prof., Head. CAF. theoretical foundations of Thermal Engineering, KNRTU.
