Теоретические основы процесса

Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.). Элементный состав битумов следующий (% масс.): углерода 80-85, водорода 8,0 -11,5, кислорода 0,2 - 4,0, серы 0,5 - 7,0, азота 0,2 - 0,5.

Компоненты битумов получают из нефтяных остатков: гудронов, полугудронов и тяжелых мазутов. Химическое изменение состава нефтяных остатков осуществляется в процессе окисления кислородом воздуха.

В виду сложного строения высокомолекулярных углеводородов, в производстве битумов химизм процесса окисления представляют по изменению соотношения основных групп нефтяных остатков: масел, смол и асфальтенов.

В процессе окисления нефтяных остатков в результате протекания параллельно-последовательных реакций, в том числе присоединения, крекинга и уплотнения, а также за счет отгона образующихся легких фракций изменяется соотношение масел, смол и асфальтенов, и изменяется консистенция продукта. Основная часть кислорода идет на образование воды, 10-20% на образование углекислого газа, и незначительная часть на образование кислородсодержащих соединений.

Основное количество кислорода (60%) связывается в битуме в сложноэфирные группы, остальные 40% распределены примерно поровну между гидроксильными, карбоксильными и карбонильными группами.

Реакции окисления остаточного нефтяного сырья идут в основном по цепному механизму и сопровождаются экзотермическим эффектом, с выделением 9200±920 кДж тепла на 1 кг вступившего в реакцию кислорода.

Процесс окисления проводится в гетерогенных условиях и его эффективность в значительной степени зависит от поверхности раздела реагирующих фаз.

Увеличение поверхности раздела реагирующих фаз позволяет уменьшить время окисления, и в окислительных аппаратах колонного типа достигается применением диспергаторов.

Основными факторами влияющими на процесс окисления и качество окисленного битума являются природа сырья, температура окисления и расход воздуха.

Природа сырья. В зависимости от природы сырья меняется качество окисленного битума и, прежде всего зависимость «температура размягчения - пенетрация». При одной и той же температуре размягчения, пенетрация и растяжимость битумов, полученных окислением остатка из одной и той же нефти, зависят от содержания масел в остатке. Пенетрация тем меньше, а растяжимость тем больше, чем выше глубина отбора масляных фракций из мазута.

На свойства битумов влияет состав сырья. Так, повышенное содержание твердых парафинов (выше 3 % вес.) в сырье понижает растяжимость битумов, а в ходе процесса приводит к повышению расхода воздуха и продолжительности окисления.

Температура. При окислении остатков протекает множество реакций, температурные коэффициенты констант которых различны. Температура неодинаково ускоряет различные процессы, поэтому получаются разные по составу и свойствам битумы. Повышение температуры реакции сопровождается приростом температуры размягчения битума в единицу времени вследствие как увеличения скорости реакции, так и более интенсивного отгона барботируемым воздухом легких фракций.

С повышением температуры увеличиваются также константы диффузии и уменьшается поверхностное натяжение, возрастают размеры пузырьков газа вследствие уменьшения вязкости жидкой фазы, преобладают побочные реакции, не способствующие росту температуры размягчения окисленных битумов (происходят преимущественно реакции дегидрирования с образованием высокомолекулярных асфальтенов и более жестких структур). В результате многие битумы, полученные при высокой температуре, характеризуются низкой пенетрацией. По мере повышения температуры процесса ее влияние на скорость реакции постепенно понижается.

С повышением температуры доля кислорода в окисленном битуме снижается. Также возрастает доля кислорода, участвующего в образовании воды. Оптимальной является температура 250°С. С повышением температуры выше этого значения температура размягчения и температура хрупкости битума повышаются, а пенетрация, растяжимость, теплостойкость и интервал пластичности окисленных битумов понижаются. При увеличении температуры выше 270 °С понижается степень использования кислорода воздуха.

Расход воздуха. Расход сжатого воздуха, степень его диспергирования и распределения по сечению окислительной колонны существенно влияют на интенсивность процесса и свойства битумов. Увеличение расхода воздуха до определенного предела при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению скорости окисления; последняя определяется температурой процесса, конструкцией окислительной колонны и природой исходного сырья.

Битумы, окисленные в короткий промежуток времени, имеют более высокую пенетрацию, чем битумы той же температуры размягчения, окисленные при небольшом расходе воздуха и при большей продолжительности окисления.

Конечной стадией получения товарных битумов является компаундирование окисленного битума с неокисленным остатком и пластификаторами дистиллятного или остаточного происхождения. Компаундирование позволяет оптимизировать соотношение масел, смол и афсальтенов в битумах и улучшить их стабильность, хрупкость и другие свойства.

Date: 2015-09-24; view: 628; Нарушение авторских прав