Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние производства дорожных битумов и битумных материалов 4
Глава 2. Выбор объектов и методов исследования 30
2.1. Объекты исследования 30
2.2. Выбор методов исследования 35
2.3. Методика окисления гудронов 40
Глава 3. Разработка технологии производства долговечных дорожных битумов 43
3.1. Оптимизация фракционного и группового химического состава гудрона 47
3.2. Стабилизация качества сырья для окисления 54
3.3. Поиск оптимального состава сырья для получения базового битума 63
3.4. Изучение возможности производства различных марок долговечных дорожных битумов 71
Глава 4. Обоснование создания комплексного битумного производства в ОАО «НК НПЗ» 84
Основные выводы 94
Литература 95
Приложения 103
- Современное состояние производства дорожных битумов и битумных материалов
- Методика окисления гудронов
- Поиск оптимального состава сырья для получения базового битума
- Обоснование создания комплексного битумного производства в ОАО «НК НПЗ»
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений экономического и социального развития сегодняшней России является создание современной транспортной инфраструктуры и, в первую очередь, автодорожной сети. Это, безусловно, требует коренных и безотлагательных решений по повышению объёмов производства и качества дорожных битумных материалов.
К сожалению, выпускаемые сегодня дорожные битумы не полностью соответствуют высоким требованиям эксплуатации, например, устойчивостью к термоокислительному старению.
К числу современных дорожных битумных материалов можно отнести, следуя мировой практике, дорожные битумы с улучшенными эксплуатационными характеристиками и композиции на их основе -полимербитумные вяжущие и битумные эмульсии.
В настоящей работе сделана попытка обосновать и разработать технологию производства дорожных битумов повышенной долговечности на одном из передовых российских нефтеперерабатывающих предприятий.
Целью работы являлись разработка технологических решений по организации производства дорожных битумов повышенной долговечности на площадке ОАО «Новокуйбышевский НПЗ» и создание на его основе комплексного производства современных битумных материалов.
Для решения этой проблемы было необходимо прежде всего обосновать научные и технологические принципы создания дорожных битумов повышенной долговечности. А затем подобрать современные технологические приемы и способы достижения поставленной цели.
Такая технология должна стать, кроме того, экономически обоснованным стержнем комплексного битумного производства на нефтеперерабатывающем предприятии, позволяющим решать важнейшие вопросы качества и ассортимента продукции, круглогодичной занятости персонала, рентабельности, экологии и т.д.
Современное состояние производства дорожных битумов и битумных материалов
Нефтяные битумы - одни из важнейших продуктов нефтепереработки, широко используемые в строительстве дорог, зданий, гидросооружений и других объектов.
Мощности мирового производства нефтяных битумов составляют около 120 млн. тонн в год. При этом мощности российских заводов находятся на уровне 9,8 млн. тонн в год (приблизительно в 4 раза отставая от американских и ненамного превышая канадские). Следует также принять во внимание, что загруженность российских мощностей не превышает 40 %, в то время как в семёрке наиболее развитых стран мира (США, Канада, Япония, Германия, Великобритания, Франция и Италия) этот потенциал используется на 90-96 %.
Сегодня 21 НПЗ России (из 26 работающих) производят около 3,6 млн. тонн битумов в год. Ещё около 0,3 млн. тонн в год дорожных битумов производят локальные (входящие в состав дорожных, ремонтно-строительных управлений и асфальтобетонных заводов) установки.
Всё это, а также принимая во внимание огромную территорию, связано с весьма низким уровнем дорожного строительства в России. На состояние и развитие битумного производства в России оказывает существенное влияние ряд специфических факторов.
Первый из них — сезонность выработки битумов основных марок -дорожных, связанная с четко определёнными периодами выполнения дорожно-строительных работ и порождающая проблемы для непрерывно функционирующих нефтеперерабатывающих предприятий.
Второй фактор - существующая система ценообразования, при которой цена продукта (битума) составляет 60-70 % от цены сырья (нефти), и сложность проведения технологических операций с таким высоковязким и низкозастывающим продуктом, как битум. В результате оказывается недействующей система стимулирования для совершенствования и обновления битумного производства: на большей части российских НПЗ давно и физически, и морально устарело основное технологическое оборудование битумных установок, на ряде производств, не оснащенных современными окислительными колоннами, продолжается эксплуатация устаревших трубчатых реакторов, характеризующихся повышенной пожарной и экологической безопасностью, насосов и компрессоров, теплообменного оборудования.
Кстати, экономическим стимулом для совершенствования битумного производства может явиться низкий уровень таможенных пошлин при экспорте современных дорожных битумных материалов.
Третий фактор - неконтролируемый разброс показателей качества поступающего на переработку сырья (нефтей). Известно [1], что даже небольшие колебания его состава - содержания парафиновых и ароматических углеводородов, асфальтенов и других компонентов, оказывают значительное влияние на качество получаемых битумов. Отрицательный «вклад» в нестабильность сырья вносят и технологические особенности эксплуатации вакуумных колонн: изменения температурного режима и глубины вакуума, колебания количества «проваливаемого» циркуляционного орошения и загрузки сырья, недостаточная эффективность контактных устройств и т.д.
Проведённый нами анализ состояния и перспектив развития производства битумов и битумных материалов в России (рис. 1) позволил сакцентировать внимание на трёх основных направлениях обеспечения «современности» производства битумов и битумных материалов. Понимая при этом, что такая классификация носит достаточно субъективный, личностный характер. Первое направление связано с обеспечением необходимого качества сырья. Эта проблема качества сырья - не нова. В ней переплелись как объективные, так и субъективные причины. Прежде всего, необходимо понимание того, что для производства качественных окисленных и остаточных битумов необходимо специальное сырьё (гудрон и мазут), т.е. необходимы специальные нефти. Все попытки организации эффективного производства остаточных битумов в России (Уфанефтехим, Нижнекамский НПЗ и др.) в принципе потерпели неудачу из-за невозможности стабильного обеспечения предприятий необходимым по качеству сырьём. Имеющийся же мировой опыт производства остаточных битумов (Венесуэла, Колумбия и др.) показал, что: даже небольшие колебания качества нефтей, пригодных к производству остаточных битумов, приводят к значительному изменению качества получаемых из них остаточных битумов. В первую очередь при этом снижается деформационная стойкость асфальтобетонов, полученных с использованием таких битумов; отмечается высокая склонность таких битумов к термоокислительному старению [2], приводящая к преждевременному выходу из строя асфальтобетонного покрытия; высокая деформативность асфальтобетонов, полученных с использованием остаточных битумов, особенно к сдвиговым усилиям, определяющим их поведение в гористой местности. В редких случаях удаётся достигнуть температуры размягчения таких битумов выше 50 С, что необходимо для обустройства асфальтобетонных покрытий, работающих в сложных климатических и гористых условиях. По классификации БашНИИ НП для производства окисленных дорожных битумов существуют наилучшие (Са+Ссм-2,5СГ 8) и пригодные (Са+Ссм-2,5Сп=0-г8) нефти. Нефти же, пригодные для производства остаточных дорожных битумов (типа арланскоЙ, ярегскои и др.) - экзотика для большинства российских НПЗ. Существующая сегодня система обеспечения нефтью перерабатывающих заводов и их технологическая структура практически исключают возможность отдельной переработки какой-либо отдельной нефти на битум. Хотя во многих странах мира практикуют именно такой подход к проблеме.
Методика окисления гудронов
Окисление нефтяных остатков воздухом для получения битумов применяется в случае, когда в исходном сырье содержится незначительное количество смолисто-асфальтеновых компонентов. Поэтому оно используется на всех окислительных установках для получения высококачественных дорожных, строительных и специальных битумов с различными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
Известно, что чем больше содержание смолисто-асфальтеновых компонентов, тем лучше происходит структурообразование битумов. Основными факторами, влияющими на процесс окисления гудронов или нефтяных остатков при 250-270 С, являются: природа сырья (нефти), температура размягчения гудрона, содержание в нём масел, парафиновых и нафтеновых углеводородов, расход воздуха, продолжительность окисления, давление в зоне реакции, температура воздуха, подаваемого в процессе окисления и уровень жидкой фазы в реакторе.
Битумы получали на лабораторной установке периодического действия (рис. 2.3.1.), состоящей из: окислительной колонны, системы подачи и регулирования воздуха в реактор, системы очистки газов (поглотительных склянок 6а, 66, 6в, две из которых предназначены для поглощения сероводорода и других кислых компонентов, третья - для конденсации выделившихся при окислении водяных паров и органических веществ). Окислительная колонна или реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат (соотношение h:D = 8:1), снабжённый штуцерами для подачи воздуха на окисление в низ колонны и отвода паров и газов. Температуру в колонне регулировали изменением напряжения в обмотке с помощью ЛАТРа. Расход воздуха составлял 8 л/мин кг сырья, что моделировало работу промышленного реактора и обеспечивало полное перемешивание реакционной смеси.
Работу осуществляли следующим образом: колонну заполняли сырьём и нагревали до необходимой температуры. После достижения требуемой температуры процесса 200-220 С в колонну через барботер подавали воздух с объёмной скоростью 8,0 л/мин на кг сырья. Выходящий сверху колонны отработанный воздух и отдув, проходят через поглотительные склянки, заполненные 5,0 %-ным раствором щёлочи и минеральным маслом, где поглощаются сернистые газы и жидкие продукты, и далее газ поступает в атмосферу. Процесс окисления сырья контролировали по температуре размягчения битумов.
В ходе исследования изучались изменения свойств битумов в процессе окисления, выход побочных продуктов и составлялся материальный баланс.
Итак, для достижения поставленной перед нами задачи - создания комплексного битумного производства, необходимо было разработать технологические основы производства дорожных марок битумов повышенной долговечности, являющегося стержнем нового предприятия. Что же это такое — битумы повышенной долговечности? Это качество — долговечность - напрямую связано, на наш взгляд, с групповым углеводородным составом битумов, который, в свою очередь, генетически связан с таким же составом сырья - гудрона.
Проведённый нами анализ публикаций по выполненным ранее исследованиям российскими учёными Колбановской А.С„ Гурарий Е.Н. и Гохманом Л.М., Пажитновой Н.П. и Гуном Р.Б., Ахметовой Р.С. и Фрязиновым В.В., Розенталем Д.А. и др. влияния группового химического состава на свойства дорожных битумов позволил сделать следующие заключения.
Оптимальный компонентный состав дорожных битумов, обеспечивающий их долговечность, т.е. позволяющий обеспечить высокие низкотемпературные характеристики (пластичность и температуру хрупкости) и адгезию, связан с: минимальным содержанием в их составе н-парафиновых углеводородов; максимально высоким содержанием изо-парафиновых, нафтеновых и полициклических ароматических углеводородов.
Итак, дорожный битум, обеспечивающий долговечность асфальтобетонной смеси, должен отличаться высоким уровнем следующих физико-химических свойств (рис. З.1.1.): - низкотемпературных; - пластичных; - адгезионных.
Вопросы повышения адгезионных свойств битумов остались в стороне от нашего исследования, т.к. они в значительной мере зависят от природы (кислотной или основной) применяемой минеральной части асфальтобетонной смеси и достаточно эффективно регулируются использованием ПАВ. [25]
Улучшение пластичности и низкотемпературных свойств битумов напрямую [1, 3, 6] связано с присутствием в их составе (а, следовательно, и в сырье - гудроне) определённой концентрации изомерных парафиновых, парафино-нафтеновых и ароматических соединений.
Поиск оптимального состава сырья для получения базового битума
В настоящее время единым общероссийским стандартом на выпускаемые и применяемые качественные дорожные битумы является ГОСТ 22245-90 для марок БНД (Приложение 6). Кроме того, сегодня ряд предприятий России выпускают дорожные марки битумов по собственным техническим условиям (Приложения 7, 8 и 9): марок БДУ по ТУ 38.1011356-91 - ОАО «Лукойл-Ухтанефтепереработка»; марок БДУ С по ТУ 0256-096-00151807-97 - ОАО «Киришинефтеоргси нтез»; марки БНДУ по ТУ 0256-001-50945912-2002 -ЗАО «Ярбит». Считали бы уместным здесь заметить, что разумная гармонизация европейских и российских стандартов на дорожные битумные материалы в свете интеграции России в Европейское Экономическое Сообщество представляется нам сегодня чрезвычайно актуальным и важным делом. К сожалению, этот вопрос в настоящей работе не был исследован и освещен. С самого начала работы мы полагали, что целью разрабатываемой технологии должно стать производство битумов, безусловно соответствующих требованиям ГОСТ 22245-90, а, возможно, и с некоторым повышением уровня качества в соответствии с нашими представлениями об их долговечности. Для оценки возможности получения битума марки БДУ 50/70 (самой «твёрдой» марки битумов с улучшенными некоторыми показателями качества по сравнению с битумами марок БНД) из гудрона различного фракционного состава было проведено окисление полученных образцов с последующим исследованием свойств полученных битумов. Окисление проводилось на лабораторной установке, моделирующей условия непрерывного промышленного процесса, при температуре 250 С и расходе воздуха 8 л/мин в расчете на 1 кг сырья (Гл. II).
Продолжительность процесса изменялась от 4 до 5 часов в зависимости от фракционного состава сырья. По окончании окисления проводилось определение всех показателей качества полученных образцов битумов на соответствие требованиям на битум дорожный улучшенный (ТУ 38.1011356-91). Прежде всего, мы попытались определить степень «утяжелённости» гудрона с блока ВТ, на базе которого возможно стабильно получать ПГ для производства битума с повышенной долговечностью. Другими словами, каков же тот оптимальный температурный интервал конца кипения отбираемых вакуумных газойлей, который позволит получить необходимый ПГ и затем битум? С этой целью были проведены «накопительные» вакуумные разгонки мазута (Глава II). Полученные необходимые количества гудронов были проанализированы (табл. 3.1.2.) и затем окислены. Эти результаты, а также данные о низкотемпературных свойствах полученных битумов представлены в табл. 3.3.1. Как и предполагалось нами ранее ( З.1.), удаление из гудрона с tH.K. 540aC изопарафиновых углеводородов (вместе с н-парафинами) привело к полной потере битумами низкотемпературной пластичности. Температура же перехода битумов в стеклообразное состояние (txp.) практически при этом не «пострадала». Это объясняется, на наш взгляд, существенным «вкладом» в этот показатель содержащихся в битуме смоли сто-асфальтеновых веществ (CAB). Содержание же в гудроне ПН выше 20,0 % масс, позволяет сохранить в битуме изо-парафиновые и парафино-нафтеновые углеводороды, обеспечивающие необходимую температуру хрупкости битума и его пластичность, т.е. нижняя температурная граница отбора вакуумного газойля должна быть выше 490 С.
Обоснование создания комплексного битумного производства в ОАО «НК НПЗ»
На основании анализа положения существующего битумного производства и потребностей российского и регионального, самарского рынка в высококачественных битумных материалов, было решено обосновать и представить к рассмотрению возможность строительства в ОАО «НК НПЗ» комплексного специализированного производства по выпуску основного ассортимента современных и перспективных битумных материалов: дорожных, кровельных и строительных битумов, полимербитумных вяжущих, рулонных кровельных материалов, битумных эмульсий и др.
Своевременность и необходимость создания подобного производства связана, по нашему убеждению, с возникшим в настоящее время резким разрывом между ассортиментом и качеством выпускаемой нефтеперерабатывающими предприятиями продукции и возросшим спросом на современные битумные материалы в народном хозяйстве.
Строительство подобного производства, технологически привязанного е действующему нефтеперерабатывающему предприятию, обусловлено: 1) наличием на НПЗ основного перечня необходимого сырья и компонентов для производства подавляющего большинства типов битумных материалов требуемого качества; 2) возможностью чёткого контроля качества сырья и продукции по всей технологической цепочке: сырьё — производство — товарный битум - модифицирование -» - битумный материал; 3) необходимостью придания гибкости всему производству битумных материалов в зависимости от сезонности спроса на ту или иную продукцию; 4) возможностью использования имеющегося на предприятии оборудования, трубопроводов, резервуаров и т.п; 5) возможностью рационального использования энергетических ресурсов в рамках НПЗ; 6) высоким уровнем технологической дисциплины и опыта инженерно технического персонала НПЗ. В качестве исходных позиций при выполнении данного проекта необходимо было предусмотреть: использование современных технологических решений, позволяющих минимизировать влияние качества перерабатываемых товарных нефтесмесей на качество выпускаемых битумных материалов; максимальное использование имеющегося на предприятии сырья и компонентов, а также предпочтительное использование отечественных реагентов и добавок (полимеров, эмульгаторов, стабилизаторов и т.п.); максимально возможный уровень автоматизации производства (с использованием полевого КиПа, анализаторов качества на потоке и др.), позволяющий стабильно поддерживать необходимый уровень качества продукции; высокую пожаробезопасность окислительного процесса за счёт максимально возможного использования кислорода воздуха (остаточного содержания — не выше 2 % об.); минимальное воздействие проектируемого производства на окружающую среду, для чего: о предусмотреть сжигание вредных выбросов процесса окисления нефтяных гудронов; о исключить прямой контакт воды и пара с углеводородами (например, при охлаждении реакционной окислительной зоны в реакторе); о организовать изоляцию или вентиляцию линий затаривания строительных материалов и изготовления рулонного кровельного материала, эстакады налива дорожных битумов в битумовозы и железнодорожные цистерны и т.п.; о предусмотреть строительство для каждой технологической линии основного и резервного сырьевых обогреваемых резервуаров, резервуаров для дополнительных реагентов и добавок, а также обогреваемых резервуаров для хранения всего ассортимента продукции с современными «плавающими крышами». В проектируемое производство целесообразно, на наш взгляд, включить как основные следующие технологические линии и блоки. Блок№ 1. Мощность - около 500 тыс. т. продукции в год: линия подготовки сырья для производства дорожных битумов марок БНД по ГОСТ 22245-90; линия окисления подготовленного сырья с получением окисленного продукта; линия компаундирования с получением основного ассортимента дорожных битумов повышенной долговечности. Блок № 2. Мощность - около 100 тыс. т. продукции в год: линия окисления сырья с получением строительных битумов марок БН по ГОСТ 6617-90 и кровельных битумов марок БНК по ГОСТ 9548-98; линия по расфасовке и затариванию строительных битумов; линия по производству, расфасовке и затариванию рулонных кровельных материалов. Традиционно важным является блок по производству строительных марок битумов. Считаем, что используемые в настоящее время на российских НПЗ технологии полностью удовлетворяют требованиям потребителей к качеству строительных битумов. Одновременно этот производственный блок обеспечивает и выпуск кровельных марок битумов. Отметим здесь и значительно возросшие в последнее время требования потребителей к качеству кровельных марок битумов БНК по ГОСТ 9548-90. Это связано с использованием в производстве как новых рулонных кровельных материалов улучшенного качества (типа Изофлекс), так и высокоэффективных антикоррозионных защитных составов (типа Valvoline). Объёмы производства таких битумов невелики, но требования по ряду показателей качества чрезвычайно высокие. И удовлетворять их можно, достаточно эффективно используя в технологическом процессе производства метод компаундирования. Одним из важнейших элементов блока производства строительных и кровельных битумов является линия затаривания и расфасовки продукции. Сегодня российские машиностроители уже выпускают необходимые для этого линии и оборудование. Уместно здесь заметить и необходимость создания мощного резервуарного парка для раздельного и обогреваемого хранения каждой марки и вида битумного материала.
