6. ПРОИЗВОДСТВО БИТУМОВ

. Под термином «битум» понимают жидкие, полутвердые или твердые соединения углерода и водорода с небольшим количеством кислород-, серо- азотсодержащих веществ и металлов и значительным содержанием асфальто-смолистых веществ, хорошо растворимых в сероуглероде, хлороформе и других органических растворителях. Битумы могут быть природного происхождения или получены при переработке нефти, торфа, углей и сланцев.

6.1. Классификация битумов

В зависимости от характера применения отечественные битумы подразделяют на группы, подгруппы и марки.

Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие.

Вязкие битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий. Основное количество таких битумов в России вырабатывается в соответствии с ГОСТ 22245-90. Его требования приведены в табл.1.

В соответствии с ГОСТ 22245-90 вырабатываются вязкие битумы двух типов БНД и БН. Все битумы маркируются по пенетрации при 25^оС (о пенетрации и других малакометрических свойствах подробно см. [5]). При равной пенетрации при 25^оС битумы БНД имеют более высокую температуру размягчения, более низкую температуру хрупкости и большие значения пенетрации при 0^оС, чем битумы БН. Для битумов БНД устанавливаются требования по дуктильности при 0^оС, а требования по дуктильности при 25^оС менее строгие в сравнении с битумами БН. Требования к термостабильности битумов БНД более жесткие.

Таблица 6.1.

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^оС

201-300

131-200

91-130

61-90

40-60

0^оС, не менее

45

35

28

20

13

Температура, ^оС

размягчения, не ниже

35

40

43

47

51

хрупкости, не выше

-20

-18

-17

-15

-12

вспышки, не ниже

220

220

230

230

230

Дуктильность, см, не менее при температуре:

25^оС

-

70

65

55

45

0^оС

20

6,0

4,0

3,5

-

Изменение температуры размягчения после прогрева, ^оС, не более

7

6

5

5

5

Индекс пенетрации

От -1,0 до +1,0

Продолжение табл. 6.1

Показатели

БН 200/300

БН 130/200

БН 90/130

БН 60/90

Пенетрация, 0,1 мм при температуре,

25^оС

201-300

131-200

91-130

60-90

0^оС, не менее

24

18

15

10

Температура, ^оС

размягчения, не ниже

33

38

41

45

хрупкости, не выше

-14

-12

-10

-5

вспышки, не ниже

220

230

240

240

Дуктильность, см, не менее при температуре:

25^оС

-

80

80

70

0^оС

-

-

-

-

Изменение температуры размягчения после прогрева, ^оС, не более

8

7

6

6

Индекс пенетрации

От -1,5 до +1,0

Рекомендации по применению зависят от типа битумов и их пенетрации при 25^оС.

Строительные битумы (см. табл. 6.4) применяют для выполнения различных строительных работ, в частности для гидроизоляции фундаментов зданий.

Кровельные битумы (см. табл. 6.5) используют для производства кровельных материалов. Их разделяют на пропиточные (для пропитки основы) и покровные (для получения покровного слоя).

Изоляционные битумы (табл. 6.6) используют для изоляции трубопроводов для защиты их от коррозии.

Таблица 6.4

Характеристики строительных битумов (ГОСТ 6617-76)

Показатели

БН 50/50

БН 70/30

БН 90/10

Пенетрация при 25^оС, 0,1 мм

41-60

21-40

5-20

Температура, ^оС

размягчения

50-60

70-80

90-105

вспышки, не ниже

230

240

240

Дуктильность при 25^оС, см, не ниже

40

3,0

1,0

Таблица 6.5

Характеристики кровельных битумов (ГОСТ 9548-74)

Показатели

БНК 40/180

БНК-45/190

БНК 90/30

Пенетрация при 25^оС, 0,1 мм

160-210

160-220

25-35

Температура, ^оС

размягчения

37-44

40-50

80-95

хрупкости, не выше

-

-

-10

После прогрева:

изменение массы, %, не более

0,8

0,8

0,5

пенетрация при 25^оС, % от исходной, не менее

60

60

70

Таблица 6.6

Характеристики изоляционных битумов (ГОСТ 9812-74)

Показатели

БНИ-IV-3

БНИ-IV

БНИ-V

Пенетрация, 0,1 мм, при температуре

25^оС

30-50

25-40

20-40

0^оС, не менее

15

12

9

Температура, ^оС

размягчения

65-75

75-85

90-100

вспышки, не выше

250

250

240

Дуктильность при 25^оС, см, не менее

4

3

2

Изменение массы после прогрева, %, не более

0,5

0,5

0,5

Содержание парафина, % мас., не более

4

-

-

К высокоплавким относят битумы с температурой размягчения выше 100^оС. Такие битумы маркируют в зависимости от температуры размягчения (в основу маркировки вышеописанных битумов положена их пенетрация при 25^оС). Известно несколько сортов высокоплавких битумов: битумы для аккумуляторных мастик (см. табл. 6.7), хрупкие битумы (лаковые), битумы - высокоплавкие размягчители (рубраксы). Все эти битумы получают глубоким окислением остатков перегонки нефти, для них важным показателем является растворимость в тех или иных растворителях.

Таблица 6.7

Характеристики битума для заливочных аккумуляторных мастик

(ГОСТ 8771-76)

Показатели

Значение

Температура размягчения, ^оС

105-115

Пенетрация, при 25^оС, 0,1 мм,

10-16

Дуктильность при 25^оС, см, не менее

1

Растворимость в толуоле или хлороформе, % не менее

99,50

Изменение массы после прогрева, %, не более

0,50

Индекс пенетрации, не менее

4

Хрупкие битумы (ГОСТ 21822-87) предназначены для использования в лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности. Битумы этого класса представляют собой твердое вещество черного цвета без запаха. Они выпускаются двух марок: Б и Г (см. табл. 6.8).

Таблица 6.8.

Характеристики хрупких битумов (ГОСТ 21822-87)

Показатели

Б

Г

Температура размягчения, ^оС

100-110

125-135

Пенетрация, при 25^оС, 0,1 мм,

2-10

0-5

Температура вспышки, ^оС, не ниже

240

260

Все битумы обычно используют в чистом виде. Однако достаточно часто в битумы вводят компоненты, улучшающие их потребительские свойства. Так, в дорожные битумы перед применением вводят адгезионные добавки, улучшающие сцепление битума с каменным материалом. Для модификации реологических параметров в дорожные и кровельные битумы вводят полимеры разного строения, например стирол-бутадиен-стирольные каучуки. Смешивая битумы с водой и эмульгаторами, получают битумные эмульсии. Все эти продукты производят обычно по нормативно-технической документации потребителей.

6.2. Состав битумов

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 (в % мас.) примерно следующий: углерода 80-85, водорода 8,0-11,5, кислорода 0,2-4,0, серы 0,5-7,0, азота 0,2-0,5. Содержание серы в битумах, полученных из нефтей различных месторождений, колеблется в широких пределах: из бакинских нефтей - 0,8%, из туймазинской нефти - 3,0%, из ромашкинской нефти - 3,5%.

Химический состав битумов очень сложен, перечень найденных в битуме соединений составляет более 300 названий. Если участь, что малейшие изменения в способе получения, его режиме, сырье ведут к изменению в составе битума, становится ясным, что полная идентификация состава битума невозможна и практически нецелесообразна. Химический состав отдельных компонентов различается в зависимости от технологии получения битумов, природы нефтяного сырья. Эти различия, несомненно, оказывают влияние на свойства, однако соотношение основных структурообразующих компонентов оказывается решающим.

Известно, что битум состоит в основном из трех групп веществ: масел, смол и асфальтенов (вместе масла и смолы называют еще мальтенами). Масла снижают твердость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость. Молекулярная масса масел колеблется в диапазоне 240-800 (обычно 360-500), отношение C : H, характеризующее степень ароматичности, обычно равно 0,55-0,66.

Химический состав масляных компонентов битумов зависит от исходной нефти и исходного сырья для окисления. Так, повышение глубины отбора масляных дистиллятов из мазута снижает содержание парафино-нафтеновых соединений.

Смолы при обычной температуре - это твердые вещества красновато-бурого цвета, их плотность 990-1080 кг/м³. Они являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Смолы относятся к высокомолекулярным органическим соединениям циклической и гетероциклической структуры высокой степени конденсации, связанным между собой алифатическими цепями. В их состав входят C,H,S,N,O, металлы. Молекулярная масса смол 300-2500.

Асфальтены являются продуктами уплотнения смол. Их нельзя рассматривать как чисто полимерные соединения, так как они образуются из сложных смесей исходных веществ, способных к разнообразным превращениям, включающим образование и высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. В свободном виде асфальтены представляют собой твердые неплавящиеся хрупкие вещества черного или бурого цвета. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды стабилизируют коллоидную структуру битума.

Состав битума зависит от природы нефти, состава исходного сырья (нефтяных остатков) и от технологии его производства.

6.3. Производство битумов

Основные способы получения битумов

Для производства нефтяных битумов используют три основных способа.

1. Концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме в присутствии водяного пара или инертного газа (при переработке тяжелых асфальтосмолистых нефтей остаточные битумы получают атмосферной перегонкой).

2. Окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов деасфальтизации, экстрактов селективной очистки масел, крекинг остатков или их смесей) при температуре 180-300^оС.

3.Компаундирование (смешение) различных нефтяных остатков с дистиллятами и с окисленными или остаточными битумами и др.

Существуют и сочетания указанных выше способов.

6.3.1 Производство остаточных битумов

Природа сырья.

Для производства остаточных битумов необходимо сырье с возможно большим содержанием асфальтено-смолистых веществ. Чем больше отношение асфальтены: смолы, тем лучше свойства и структура битума. Остаточные битумы получают из асфальтовых или полуасфальтовых нефтей. Сырьем атмосферной или вакуумной перегонки для производства остаточных битумов служат мазуты, полугудроны и гудроны из различных нефтей, тяжелые асфальтосмолистые нефти, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки дистиллятных и остаточных масел, крекинг-остатки. В РФ отсутствуют или почти отсутствуют нефти, подходящие для получения остаточных битумов в соответствии с требованиями ГОСТ.

Условия процесса. Температуру на входе в колонну поддерживают не выше 420-430^оС. При более высокой температуре сырье и продукты перегонки разлагаются с образованием карбенов и карбоидов, качество битумов ухудшается: понижается температура вспышки, а при большом времени контакта образуется значительное количество кокса и газа. Поэтому вакуумные установки рассчитаны на непродолжительное пребывание остатка в колонне. Остаточное давление должно быть 26,7-93,3 кПа (20-70 мм рт. ст.). Повышение вакуума и увеличение расхода пара способствуют увеличению доли отгона масляных фракций и повышению температуры размягчения битума.

Количество испарившегося вещества зависит от парциального давления его паров, понизить которое можно как повышением вакуума в системе, так и введением в паровую фазу испаряющего агента. Для производства битумов такими агентами служат перегретый водяной пар, инертные газы или легкие соляровые фракции.

Удаление нежелательных парафиновых компонентов из остатков нефтей смешанного основания достигается вводом больших количеств перегретого пара при 315-371^оС и низком давлении или перегонкой в вакууме. Перегонка под давлением 0,40-0,45 МПа для удаления парафинов с последующей обработкой паром при атмосферном давлении дает остаточный битум улучшенного качества. Свободный углерод может быть удален из отбензиненной нефти или крекинг-остатка осаждением, центрифугированием или кислотной обработкой.

Существенным недостатком процесса производства остаточных битумов является трудность получения тугоплавких битумов, связанная с необходимостью создания глубокого вакуума.

Свойства остаточных битумов и способы их улучшения

Характерными признаками остаточных битумов в отличие от окисленных являются следующие: относительно высокая плотность, большая твердость и большое сопротивление разрыву при 25^оС (при одинаковой температуре размягчения).

Промышленные установки

Обычная технологическая схема получения остаточных битумов вакуумной перегонкой нефтяного остатка в присутствии перегретого водяного пара представляет из себя стандартную схему вакуумной колонны, в которой происходит разделение сырья на газойль (или дизельное топливо) и тяжелый дистиллят. Остаток перегонки (битум) выводят из нижней части колонны, где он предварительно подвергается обработке перегретым водяным паром.

Применяются также два варианта перегонки гудронов с испаряющим агентом. По первому варианту гудрон с испаряющим агентом через трубчатую печь подают в испаритель, в верхней части которого установлены тарелки. В испарителе смесь разделяется на 2 фазы: паровую и жидкую (битум). Паровая фаза подвергается ректификации. Боковым погоном является масляный дистиллят, а головным продуктом - испаряющий агент. Для отпаривания следов испаряющего агента из битума применяют водяной пар.

Таблица 6.10

Характеристики и состав остаточных битумов

Показатели

Величина

Плотность при 25^оС, кг/м³

1000-1170

Пенетрация при 25^оС, 0,1 мм

150

Растяжимость при 25^оС, см

15-150

Разрушающее напряжение при растяжении при 25^оС, 10^-5 Н/м²

0,49-9,8

Температура, ^оС:

размягчения по КиШ

38-121

то же, по Кремеру-Сарнову

27-107

вспышки в открытом тигле

204-316

воспламенения

232-371

Содержание, % мас.

нелетучих веществ

5-40

растворимых в сероуглероде веществ

85-100

нерастворимых (неминеральных) веществ

0-15

карбенов

До 30

веществ, растворимых в лигроине

25-85

серы

Следы - 10

азота

Следы - 1

кислорода

До 2,5

нафталина

Отсутствие

твердых углеводородов

0-10

насыщенных углеводородов

25-75

омыляемых веществ

0,2

По второй схеме перегонка с испаряющим агентом увязана с АВТ. Гудрон смешивается с испаряющим агентом и проходит через печь в вакуумную доиспарительную колонну. Как и в предыдущей схеме, боковым погоном является масляный дистиллят, головным - испаряющий агент, остатком - битум.

6.3.2. Основы получения окисленных битумов и их свойства

Впервые в промышленных масштабах окисленные нефтяные битумы начали производить в 1844 г. по предложению Ж.Г. Биерлея путем барботажа воздуха через слой нефтяных остатков при 204 и 316^оС. В зависимости от температуры и продолжительности процесса получали битумы различных свойств. Эти продукты называли «биерлитом». В России окисленный битум был впервые получен в 1914 г. в г. Грозном. В 1989 г. доля окисленных битумов в СССР в общем объеме их производства составляла 73 %. Современная технология заключается в окислении нефтяных остатков кислородом воздуха без катализатора при температуре 230-300^оС с подачей 50,4-84,0 м³/ч воздуха на 1 т битума при продолжительности процесса до 12 ч. Воздух может подаваться в реактор под давлением или всасываться благодаря вакууму в системе до 66,7 кПа (500 мм рт. ст.). Отгон и потери зависят от содержания летучих веществ в сырье и от глубины окисления. Они находятся в пределах 0,5-10 % мас. на сырье. Реакция окисления - экзотермическая, поэтому температура в зоне рекции повышается.

Параметры процесса

Окисленные битумы можно получать из нефтей, содержащих 5% мас. и более асфальтено-смолистых веществ. Предпочтительно, чтобы их содержание превышало 25% мас. В большинстве нефтей мира содержание АСВ превышает 50% мас. В настоящее время битумы получают из всех нефтей.

Природа сырья оказывает влияние на свойства окисленных битумов. Подбором сырья можно получить окисленные битумы различных свойств: с повышением содержания масел в исходном гудроне повышаются растяжимость, температура хрупкости, температура вспышки битумов, снижаются их теплостойкость и интервал пластичности, а также расход воздуха и продолжительность окисления.

Битумы из асфальта деасфальтизации содержат меньше парафино-нафтеновых соединений и больше смол и асфальтенов. У них меньше пенетрация, интервал пластичности, больше растяжимость, выше температура хрупкости и когезионные свойства по сравнению с битумами той же температуры размягчения, полученными окислением гудрона той же нефти.

Присутствие серы и сернистых соединений в сырье способствует улучшению свойств окисленных битумов.

Применение облегченных прямогонных гудронов позволяет получать в результате их окисления при 250-270^оС в аппаратах с малой продолжительностью в зоне реакции высокоплавкие высокопластичные битумы.

Температура процесса. При окислении сырья до битумов протекает много реакций, температурные коэффициенты констант скорости которых различны. Температура неодинаково ускоряет разные процессы, поэтому получаются разные по составу и свойствам товарные битумы.

С повышением температуры возрастает скорость дегидрирования молекул сырья, увеличивается доля кислорода, участвующего в образовании воды, понижается содержание кислорода и сложноэфирных групп, слабых кислот и фенолов в окисленном битуме. С повышением температуры выше 250^оС температура размягчения и температура хрупкости битума повышаются, а пенетрация, растяжимость, теплостойкость и интервал пластичности снижаются.

По мере повышения температуры процесса ее влияние на скорость реакций окисления сырья в битумы несколько снижается.

С повышением температуры процесса продолжительность окисления и суммарный расход воздуха снижаются, причем при температуре выше 270^оС степень использования кислорода воздуха понижается, возрастает скорость реакции крекинга. При температуре выше 300^оС усиливается образование карбенов, снижается погодостойкость битумов.

В зависимости от природы сырья и требуемых свойств битумов следует подбирать соответствующую температуру окисления. Для большинства видов сырья с учетом экономической целесообразности, она близка к 250^оС.

Расход воздуха и давление.

Расход воздуха, степень его диспергирования и распределение по сечению окислительной колонны существенно влияют на интенсивность процесса и свойства битумов. Увеличение расхода воздуха до определенного предела (1,4 м³/мин) при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению скорости окисления. Последняя определяется температурой процесса, конструкцией окислительной колонны и природой исходного сырья.

С повышением давления в зоне реакции улучшается диффузия кислорода в жидкую фазу, сокращается продолжительность окисления и в результате конденсации части масляных паров из газовой фазы улучшается тепло- и морозостойкость и увеличивается интервал пластичности окисленных битумов.

Соответствующим подбором давления в системе можно регулировать состав и свойства получаемых битумов.

Дорожные битумы в реакторе колонного типа нецелесообразно получать при давлении выше 0,4 МПа вследствие резкого понижения растяжимости битумов.

Окисление под давлением позволяет использовать сырье с малым содержанием масел и получать при этом битумы, обладающие достаточно высокими растяжимостью, пенетрацией и интервалом пластичности. В результате использования такого сырья достигается больший выход масляных фракций на перерабатываемую нефть, сокращается продолжительность окисления.

Некоторые другие закономерности.

Интенсивность окисления сырья до битумов на непрерывной установке колонного типа повышается с увеличением температуры, расхода воздуха и давления в реакторе. Наилучшей теплостойкостью обладают битумы, полученные непрерывным окислением сырья при низкой температуре - 176^оС, умеренном расходе воздуха -1,76 л/(минкг), и повышенном давлении - до 0,48 МПа. Взаимосвязь параметров для процесса, осуществляемого в промышленном кубе-окислителе периодического действия.

Применение подогретого до 313-482^оС сжатого воздуха повышает скорость окисления, особенно при получении высокоплавких битумов, не оказывая существенного влияния на их качество.

Увеличение высоты столба жидкости в реакторе значительно повышает температуру размягчения битума, не меняя соотношение между температурой размягчения и пенетрацией, что подтверждает преимущество вертикальных окислительных колонн. Увеличение уровня жидкой фазы повышает эффективность процесса потому, что длина пути газовых пузырьков увеличивается.

Применение рециркуляции окисленного продукта благодаря лучшему смешению окисленного продукта с сырьем и массообмену несколько улучшает свойства битумов. Улучшение свойств битумов наступает при коэффициенте рециркуляции, равном 1. При дальнейшем его повышении свойства битумов почти не изменяются.

Промышленные установки производства окисленных битумов

Для производства окисленных битумов применяют главным образом горизонтальные и вертикальные цилиндрические кубы, колонные аппараты и змеевиковые реакторы периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Они имеют устройства для подачи воздуха, удаления отработанных газов, контроля и регулирования расхода сырья и воздуха, температуры и уровня продукта. Установки могут значительно отличаться друг от друга способом подачи воздуха и схемой обработки отходящих газов.

При сильных перегревах битума в реакторах и отложении кокса на внутренних стенках верхнего днища и газопроводов возможны воспламенения и взрывы. Во избежание взрыва реакторы оборудованы противовзрывными предохранительными клапанами. Кроме того, необходимо тщательное наблюдение за съемом тепла. Съем тепла реакции возможен следующими способами:

Прокачкой битума через теплообменник или через специальные змеевики.

Битумные установки периодического действия

На рис. 6.1 представлен горизонтальный цилиндрический куб, в прошлом широко применявшийся в промышленности при получении битумов на установках периодического действия. В этом кубе окисляемые нефтяные остатки (10-25 м³) нагревают паром в начале процесса или охлаждают водой при помощи змеевиков 1 для съема тепла реакции. Воздух подают через перфорированные трубы 2 (барботер), расположенные в нижней части куба. С верха куба выходят газообразные продукты окисления.

Рис. 6.1. Схема горизонтального куба для производства

окисленного битума.

1 - змеевик для нагрева и охлаждения;

2 - перфорированная труба;

3 - уровень продукта.

I - теплоноситель (хладагент);

II - воздух; III - газообразные продукты окисления.

В начале процесса в куб подается воздух и одновременно нагревается сырье. Через определенное время, когда за счет тепла реакции температура превысит допустимую норму, нагревание прекращают. Иногда используют принудительное охлаждение.

Битумы с одинаковыми значениями пенетрации при 25^оС, полученные при разном времени пребывания в зоне реакции, различаются по групповому химическому составу и свойствам. При длительном окислении в кубах-окислителях периодического действия происходят более глубокие изменения в мальтенах гудрона и битума, снижается содержание парафино-нафтеновых, моно- и бициклических ароматических соединений, которые через полициклические соединения переходят в смолы. Скорость превращения смол в асфальтены намного меньше, чем в трубчатом реакторе и реакторе колонного типа.

Битумная установка с периодически работающими кубами-окислителями

От горизонтальных кубов с низким уровнем продукта стали переходить к вертикальным кубам с высоким уровнем и подачей воздуха под большим давлением. Это позволило полнее использовать кислород воздуха, поступающего на окисление. В 1986 г. в СССР эксплуатировали кубы-окислители вместимостью 200 м³.

На рис. 6.2 приведена схема распространенной установки, состоящей из 5-11 вертикальных кубов-окислителей (диаметром 5,4 м и высотой 10 м). Установка обычно сблокирована с вакуумной установкой. Кубы работают периодически, однако горячее сырье из вакуумной колонны поступает на установку непрерывно. В начале работы каждого куба его заполняют на 2/3 высоты гудроном, после чего через маточник подают воздух. Иногда воздух включают по достижении сырьем уровня, равного 1/3 высоты куба. Избыточное давление воздуха изменяется в пределах 0,05-0,10 МПа. В зависимости от природы сырья и заданных качеств битума температуру окисления поддерживают в пределах 220-280^оС.

Рис. 6.2. Схема полунепрерывной битумной установки:

1 - печь; 2, 9 - вытяжные трубы; 3-8 - кубы-окислители; 10, 11 - конденсаторы смешения;

12, 13 - насосы; 14 - раздаточник; 15 - цистерна.

I - сырье; II - воздух; III - вода; IV - газообразные продукты окисления;

V - сконденсированные продукты

Кубы-окислители связаны между собой переточными трубами. По ним газообразные продукты окисления поступают в конденсатор смешения, где они частично конденсируются и затем направляются в ловушку. Несконденсированные продукты через вытяжную трубу отводятся в атмосферу или в печь дожига.

В зависимости от природы сырья, температуры и требуемой марки битума продолжительность окисления сырья составляет 4-90 ч. Когда цикл окисления завершен, битум из кубов откачивают в раздаточники или в железнодорожные цистерны и бункеры, либо направляют на формовку.

В периодическом кубе-окислителе можно получать и специальные битумы с температурой размягчения до 155^оС и выше.

Основные недостатки описанной установки:

Неполное использование технологического оборудования (кубов-окислителей), которые простаивают, когда производят полные анализы битума.

Непроизводительно затрачивается время на заполнение и опорожнение кубов, что снижает мощность установки.

Громоздкое оборудование установки, и, следовательно, большие энергозатраты на обогрев коммуникаций. Кроме того, перед каждым заполнением и опорожнением куба необходимо длительное время прогревать арматуру и коммуникации, а после операций с битумом прокачивать через трубопроводы масляный дистиллят.

Непрерывнодействующая битумная установка

без циркуляции продукта

На рис. 6.3 приведена схема непрерывно действующей битумной установки без циркуляции продукта. Вертикальные кубы 1-8 расположены так, что сырье и частично окисленный продукт самотеком за счет разностей уровней перетекает из одного в другой (каждый последующий куб установлен на 0,6 м ниже предыдущего). Кубы снабжены маточниками 25 для подачи сжатого воздуха. Процесс окисления идет во всех кубах одновременно. Гудрон с установки АВТ, пройдя через теплообменники гудрон-нефть и охладившись до 210-220⁰С, поступает в окислительный куб 1. В случае необходимости гудрон прокачивается и через холодильник 11. Из куба 1 по переточной линии направляет в куб 2 и так далее до куба 8. Температура окисления поддерживается на уровне 240-280⁰С. Для понижения температуры в кубах 6-8 битумы, полученные в кубе 5 (марок БНД-90/130 и БНД-60/90) забираются насосом 12 и прокачиваются через холодильник 13, где они охлаждаются до 200⁰С. Основная часть охлажденного битума направляется в раздаточники 21-23. Из раздаточника 23 самотеком поступает на гребенку 24 для разлива в крафт-бумажные мешки или формы.

Из раздаточников готовый битум самотеком поступает в коллектор эстакады, на котором установлены вращающиеся телескопы, и сливается в бункеры или железнодорожные цистерны.

Газообразные продукты окисления через коллектор поступают в конденсатор-холодильник 9, имеющий 15 отбойных тарелок и орошаемый водой для конденсации паров и дистиллята и воды. Сконденсировавшиеся углеводородные продукты направляются в ловушку, где после отстоя собираются и используются в качестве топлива. Не сконденсировавшиеся газообразные продукты выводятся в атмосферу через трубу 10 или направляются в печь дожига. Содержание кислорода в газообразных продуктах окисления составляет 6-8% мас.

Диаметр каждого куба 3 м, высота 10,65 м, полный объем 73 м³, полезный - 50 м³. Производительность такой установки, состоящей из 8 кубов при выработке дорожного битума марки БНД-60/90, составляет 720 т/сут.

Подобные установки требуют однородного сырья и постоянства технологического режима. Если эти условия не выполняются, с установки выходит некондиционная продукция. Довести ее до нормы можно рециркуляцией ее в смеси со свежим сырьем. Чтобы обеспечить заданные качества битума, применяют комбинированный метод: первые несколько кубов работают непрерывно, а последние периодически. В них битум доводят до требуемых качеств, но производительность установки при этом несколько снижается.

Рис. 6.3. Схема битумной установки непрерывного действия с кубами-окислителями:

1-8 - кубы-окислители; 9 - конденсатор смешения; 10 - вытяжная труба;

11, 13, 15 - холодильники; 12, 14 - насосы; 16-23 - раздаточники;

24 - гребенка ля разлива; 25 - маточник.

I - сырье; II - воздух; III - вода; IV -газообразные продукты окисления;

V - сконденсированные продукты; VI - битум.

Непрерывнодействующая битумная установка

с циркуляцией продукта

Битумные установки с циркуляцией продукта могут быть оснащены реактором колонного типа, змеевиковым реактором окисления сырья в пенной системе и горизонтальным реактором бескомпрессорного способа окисления сырья.

В качестве примера ниже описаны битумные установки колонного типа. Первая из них (рис. 6.4) состоит из окислительной колонны 6, уравнительной емкости 4, печи 3, теплообменника 2 и насоса 1. Высота колонны 7-13 м.

Сырье I подают через теплообменник и нагревательную печь в окислительную колонну. Воздух IV поступает в колонну через маточник, расположенный у ее нижнего днища. Большая высота слоя окисляемого материала позволяет более полно использовать кислород воздуха. Готовый битум V поступает в уравнительную емкость 4, откуда часть его циркуляционным насосом подается на смешение с исходным сырьем перед печью. Балансовое количество битума тем же насосом через теплообменник 2 направляется в раздаточники. Отработанный газ II из верхней части окислительной колонны через конденсатор-холодильник выводят из системы. Температура окисления в зависимости от природы сырья и качества целевого продукта поддерживают равной 230-270^оС. Расход воздуха составляет 40-300 м³ на 1 т сырья. Работа установки по циркуляционной схеме позволяет варьировать продолжительность пребывания сырья в зоне реакции при стабильной подаче смеси в окислительную колонну. Возможна работа установки и без рециркуляции битума. В этом случае изменяя расход сырья (время его пребывания в зоне реакции), подбирают оптимальные условия для получения битума заданной марки или заданных свойств из определенного сырья.

Рис. 6.4. Схема битумной установки непрерывного действия

с одной окислительной колонной и рециркуляцией битума

1 - насосы; 2 - теплообменник; 3 - печь; 4 - уравнительная емкость;

5 - холодильник; 6 - окислительная колонна.

I - сырье; II - уходящие газы; III - вода; IV - воздух;

V - окисленный битум; VI - топливо.

На рис. 6.5 приведена схема установки непрерывного действия для получения окисленного битума, состоящая из трех вертикальных окислительных колонн разных диаметра и высоты, изолированных слоем шлаковаты. Сырье на установку подают непосредственно из вакуумной колонны трубчатой установки. В колонне 1 наибольших размеров, снабженной охлаждающим змеевиком для регулирования температуры, начинается окисление сырья. В колоннах 2 и 3 оно продолжается до получения битумов требуемых качеств. Сырье из колонны в колонну поступает самотеком. Предусмотрено также окисление при параллельном движении сырья в колоннах.

На установке подобного типа можно проводить и периодическое окисление сырья. Непрерывный способ целесообразно применять в тех случаях, когда требуется получить продукт с постоянными свойствами и когда на окисление поступает сырье стабильного качества. Непрерывная схема позволяет работать с наибольшей производительностью при условии непрерывного поступления сырья с установок АВТ. Если нужно получить небольшое количество продукта разных свойств, процесс лучше вести в периодическом режиме.

Обычно на заводах сооружают несколько битумных установок, с колоннами одинаковой или разной емкости. Как правило, большие колонны работают по непрерывной схеме, а колонны меньшей емкости - в режиме периодического действия, что дает возможность вырабатывать разные количества и ассортимент битумов. Окисление ведут при температуре 230-260^оС. Для подачи воздуха используют компрессор производительностью 720 м³/ч.

Разность уровней перетока между колоннами составляет 0,9 м.

Рис. 6.5. Схема битумной установки непрерывного действия с тремя

окислительными колоннами:

1-3 - окислительные колонны; 4 - ресивер; 5 - воздушный компрессор.

I - сырье; II - воздух; III - отходящие газы; IV - битум.