Современное производство битума
Технологии и оборудование
Воробьев А.Е.
Тчаро Х.
Воробьев К.А.
© Воробьев А.Е., 2018
© Тчаро Х., 2018
© Воробьев К.А., 2018
ISBN 978-5-4493-5980-3
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Ведение
На протяжении многих лет нефть является самым востребованным полезным ископаемым во всем мире. При этом, в нынешнее время, все большее внимание направлено на разработку альтернативных источников углеводородного сырья, а в особенности высоковязких нефтей и природных битумов. Благодаря своему составу и физико-химическим свойствам, природные битумы и высоковязкие нефти могут быть рассмотрены в различных отраслях промышленности, как универсальное сырье [1].
Мировые запасы тяжелых нефтей и природных битумов (> 810 млрд. т.) намного больше мировых запасов легкой нефти, тем не менее доля их добычи все еще не превышает 1%. Для увеличения доли природных битумов весьма актуальным является усовершенствованием технологии их добычи и перераотки [1].
Природные битумы являются окисленными высоковязкими, плотными нефтями жидкой, полужидкой и твердой консистенции с высоким содержанием серы, масел, смол и асфальтенов, а также с большым содержанием других примесей (таких как ванадий, никель и молибден) [1].
«Битум (природный или получаемый в промышленности)» является черным (темноокрашенным) цементирующим веществом твердого, полутвердого или вязкого агрегатного состояния, содержащим преимущественно высокомолекулярные углеводороды (обычно гудроны, пеки и асфальты) [8].
«Асфальт» – цементирующий материал темной или от коричневой до черной окраски на основе полученного в естественных условиях или в промышленности (в качестве остатка при отчистке нефти) битума [8].
Отличительной чертой высоковязких нефтей и природных битумов по сравнению с легкими нефтями является малое содержание в них светлых фракций (температурой начального кипения – 350 C). При отсутствии в их составе бензиновой фракции, природные битумы считаются не текучими [1].
Увеличение переработки высоковязких (смолистых и сернистых) нефтей и природных битумов нефти должна сопровождаться эффективному управлением возникающими в этом процессе нефтяными остатками, содержащими большое количество смолисто-асфальтеновых веществ [1].
В этом контексте в России и других странах вопрос управлением качеством битумов для дорожных покрытий является до сих пор актуальным.
Современная мировая практика напряженности и интенсивности передвижения грузов на автодорогах подчеркивает важность применения специальных асфальтобетонных покрытий на основе битума, которые способны обеспечить необходимые физико-механические свойства автодорог и их долговечность. Для продления срока службы автодорожных покрытий применяют полимер-битумный материал, позволяющий также увеличить их работоспособность [22].
В связи с этим, в нефтеперерабатывающей промышленности России и за рубежом значительно выросло производство дорожных, строительных и специальных битумов [24]. Нефтяные битумы являются дефицитными многотоннажными нефтепродуктами, качества которых является ключевым фактором для обеспечения долговечности автодорог [22].
Однако, 70% битумов, выпускаемых в России и В странах СНГ не соответствует требованиям современного рынка по ассортименту и качеству [22].
Из-за недостаточного качества битумов, автодорожные покрытия преждевременно изнашиваются, а их ремонт требует значительные капитальные затраты и трудоемких работ. Такое положение усугубляется непрерывным увеличением грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств, приводящим к значительному росту динамических нагрузок на автодорожное покрытие и тем самым повышению требований к качеству битума [22].
Автомобильная дорога является комплексным транспортным сооружением, включающим проезжие части, обустройство, сооружение, конструкция элементов, которых направленные на обеспечение ее надёжности т.е. способность длительного (нормативного или заданного) срока службы при оптимальной безопасной скоростью движения [17].
Автомобильная дорога является ключевым элементом в системе «водитель – автомобиль – дорога – среда». К критериям, определяющим надежности автодорог относятся [17]:
– нагруженность отдельных ее участков;
– высокая неравномерность перераспределения интенсивности движения в отдельных ее участках во времени;
– существенные ограничения скоростей движения носят местный характер и ограничены на дороге отдельными её участками (конфликтными зонами);
– единственный элемент системы «водитель – автомобиль – дорога – среда», который подвергается непрерывным суточным и круглогодичным воздействиям погодных, сезонных и климатических условия окружающей среды. Эти факторы приводят к частичному или общему, постепенному или внезапного характеру отказа автомобильных дорог.
При постепенном разрушении дорожного покрытия наблюдается снижение его эксплуатационной надежности (т.е. ее работоспособности), что приводить к ухудшению её микропрофиль, а тем самым к снижению плавности хода автомобилей, скорости движения и пропускной способности, а также росту количества чрезвычайных ситуаций [17].
По статистике увеличение числа ДТП, соблюдаемое на определенных участках автодороги связан со снижением скорости движения. Изменение допустимой скорости при въезде с одного в другой участок не должно превысить 20%. Несоблюдение данной меры приводит к постепенному появлению дополнительных деформаций и разрушений автодорог [17].
Наибольше разрушение автодорог происходят при изменении температурного режима (переход от отрицательного до положительного и обратно). За сезон в Центральной части РФ такого рода изменения температуры может возникать более 40 раз. Поэтому требуется воспроизводство более эластичного связующего битума [Бурмистрова М. Ю.].
К факторам, определяющим устойчивость асфальтобетонных покрытий к разрушению относятся [17]:
1) свойства битума (эластичность, прочность и др.);
2) прочность адгезии битума с заполнителем. Наиболее распространенными присадками к битуму являются полимерные и адгезионные.
Выбоины и трещины являются дефектами дорожного покрытия, которые появляются вследствие его преждевременного износа (разрушения) дорог ускоряют необходимость в преждевременному ремонту. Вода, проникающая через выбоины в нижние слои автодорожного покрытия, способствует преждевременному разрушения дорог [6].
Более глубокое проникновение воды обеспечивается образованием трещин на дорожных покрытиях [6].
С одной стороны, при повышении содержания битума в асфальте или применении более мягких сортов битума значительно улучшается устойчивость асфальта к трещинообразованию при низких температурах, но повышает риск образования избыточных борозд при повышенных температурах. С другой стороны, предотвращение появлению борозд может быть достигнута путем снижения количества битума в асфальте или путем применения более твердых сортов битума. В таком случае снижается устойчивость к образованию трещин, поскольку смесь становится менее пластичной [6].
Поэтому целесообразно разработать прочную битумную композицию, с хорошей устойчивостью и пластичностью в независимости от температурных условий [6].
Поэтому битум, используемый в качестве связующего вещества в смесях для дорожного асфальтового покрытия и постоянно усовершенствуется, для соответствия непрерывно повышающимся требованиям, предъявляемым дорожными строителями [6].
В настоящее время предпринимается многочисленных попыток для получения твердой битумной композиции, соответствующей современным требованиям сопротивляемости появлению трещин (например, битумная композиция, обладающая как хорошими рабочими показателями при низких температурах, так и хорошей сопротивляемостью появлению выбоин при высоких температурах) [6].
Другим требованием к современным битумным композициям является соответствие стандарта сопротивляемости растворению в нефтепродуктах (таких как топливо, например, бензин и керосин) и маслах (таких как смазочные масла). Сопротивляемость растворению является важным аспектом в местах, где асфальтовые смеси регулярно подвергаются воздействию топлива и масел. Такие места включают, например, взлетные полосы аэродромов, места хранения отходов, заправочные станции и места хранения топлива. Если асфальтовая смесь подвергается воздействию топлива или масла, битум будет вымываться из асфальтовой смеси, что будет соответственно способствовать потере наполнителя дорожного покрытия (к образованию так называемого волнообразного дорожного покрытия) [6].
Современные композиционные строительные материалы представляют собой сложные системы, свойства и эксплуатационные характеристики которых зависят как от свойств применяемых сырьевых материалов в отдельности (заполнители, наполнители, вяжущие и т.д.), так и от характера их совмещения, т.е. особенностей контактной зоны между компонентами [14].
Именно место контакта зачастую является «слабым» местом создаваемых композитов. Причем это касается не только материалов на основе вяжущих систем гидратационного типа твердения, но и органоминеральных композиций, таких как битумоминеральные смеси и асфальтобетоны, где от прочности сцепления битума с минеральной подложкой зависят основные свойства формируемых систем, такие как водопоглощение и водостойкость, набухание и др. [14].
Существуют многочисленные методы получения битумного материала: остатка прямой и вакуумной перегонки, смесь перегонного остатка с различными разбавителями, в том числе с поглотительным маслом вакуумной колонны, нефтяным дистиллятом и ароматическим и нафтеновым маслами. Также могут быть использованы и другие асфальтовые материалы, такие как природный асфальт, горная асфальтовая порода и каменноугольный пек [8].
Проблемы качества выпускаемых в промышленности объемов битумов и битумных композиций в РФ связаны с нехваткой совершенной технологии переработки нефтепродуктов [19].
В настоящее время одной из главных проблем при производстве дорожных битумов является определенные затруднения контроля разброса показателей качества поступающего на переработку сырья, что ведет к получению битумов, неудовлетворяющих требованию ГОСТ. Известно, что даже небольшие колебания состава битумов (содержание парафинонафтеновых и ароматических углеводородов, асфальтенов и других компонентов) может оказывать огромное влияние на качество получаемых битумов [12].
Решения проблемы качества битума возможно зачастую за счет оптимизации его группового химического состава, введения модифицирующих добавок (в основном серы), использования ультразвука, виброполя и т. д. [19].
Оптимизация соотношения дисперсной фазы к дисперсионной среде позволяет обеспечить битум более пластичными свойствами, повышенным интервалом пластичности и температуры размягчения, улучшенными адгезионными свойствами и устойчивостью к разрушению [12].
Месторождения природных битумов и тяжелых нефтей
За последние годы уровень ежегодной добычи Российской нефти (с газовым конденсатом) составляет приблизительно 500 млн. т. Удельные запасы высоковязких и трудноизвлекаемых нефтей неуклонно растет в ряде регионов с учетом снижения запасов в структуре запасов России и уже преобладает в ряде регионов с падающей добычей [1].
Самые большие запасы тяжелой нефти на территории России находятся по степени значимости в Западносибирской, Волго-Уральской, Тимано-Печорской провинциях соответственно [1].
В настоящее время на территории Западносибирской НГП разрабатывается около 25% залежей тяжелых нефтей: на разрабатываемые залежи приходится 30% извлекаемых запасов тяжелых нефтей провинции. На территории Тимано-Печорской провинции разрабатывается примерно четверть залежей: доля этих залежей в запасах тяжелых нефтей провинции превышает 50%. На территории Волго-Уральской провинции на сегодняшний день разрабатывается около 40% залежей тяжелых нефтей, на разрабатываемые залежи приходится до 90% запасов тяжелой нефти провинции [1].
Западносибирская провинция обладает более 40% запасов низковязкой тяжелых нефтей страны, которые сосредоточены на месторождениях Тазовское, Западно- Мессояхское, Новопортовское и Северо-Комсомольское. Большинство залежей высоковязких нефтей отложены на глубинах 800—1500 м [1].
В настоящее время доля тяжелой нефти составляет 23% от общей добычи нефти РФ, при этом почти половина тяжелых нефтей добывается в Ханты-Мансийском АО (Вань-Еганское месторождение). Существуют другие месторождения в Кировской и Ульяновской областях, а также в республике Марий Эл., запасы, которых все еще мало изучены. Перспективы добычи и переработки битума велики в Республике Татарстана с учетом наличии многочисленных залежей высоковязких нефтей и природного битума. [1].
Планируется активная ежегодная добыча порядка 1 млн. т сверхвязкой нефти (природного битума) Компанией ОАО «Татнефть», которая имеет большой опыт по опытно-промышленной разработке тяжелой нефти на Ашальчинском месторождении (325 тыс. т сверхвязкой нефти в 2006 г., 145 тыс. т в 2013 г., около 300 тыс. т в 2015 г. [1].
Углеводородный состав и характеристика свойств природных битумов месторождений Татарстана
На территории современного Татарстана, а именно в бассейне верхнего и среднего течения р. Шешма (Шугурово, Сугушлы, Спиридоновка, Сарабикулово, Кармалка и др.), были обнаружены многочисленные и разнообразные по характеру поверхностные проявления нефтей и битумов. Промышленные залежей и месторождений нефтей и природных битумов регионах характеризуются их залеганием в верхней части литосферы в зоне воздействия гипергенных факторов, что обусловило разнообразие и непостоянство их состава и свойств и некондиционности углеводородного сырья [37].
Тем не менее, с учетом снижения месторождений легкой нефти во многих нефтедобывающих регионах мира (в том числе и на территории России) необходимость альтернативных источников углеводородного сырья (в том числе, природных битумов) является важным направлением [37].
Объектами исследования служили 8 образцов битумов различного возраста, экстрагированных из битуминозных пород пермских отложений территории Татарстана. Экстракцию битумов из пород проводили в аппарате Сокслетта смесью органических растворителей: бензол, хлороформ, изопропиловый спирт, взятых в соотношении 1:1:1. Содержание битума оценивали весовым способом (табл. 1) [37].
Определение компонентного состава битумов было осущетсвленно путем осаждения из них асфальтенов 40-кратным избытком петролейного эфира (40—70º С) с дальнейшим разделением деасфальтизата на масла и смолы методом жидкостно-адсорбционной хроматографии на активированном крупнопористом силикагеле (фракция 0,25—0,5 мм) [37].