Нефтяные битумы благодаря ряду ценных эксплуатационных свойств широко используются в строительной индустрии. Большие количества битумов потребляет дорожное строительство.
Битумы изготавливают на специальных установках и из различного сырья. В данной работе был произведен анализ действующей установки типа 19/3 с мощностью по сырью 241,0 тыс. тонн в год по производству нефтяного битума. Результаты анализа приведены в табл. 1.
Таблица 1
Анализ способа производства продукта промышленного аналога
|
Сырье для реализации способа |
Проблемы, связанные с реализацией способа |
Уровень и варианты решения проблемы |
Результаты реализации решения |
|
|
Положительные |
Отрицательные |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
1. Асфальт с установок деасфальтизации 2. Экстракты с установок селективной очистки масел фенолом 3. Воздух |
В резервуарах хранения может происходить застывание сырья |
Обогрев паром |
Поддержание необходимой температуры |
Усложнение конструкции, материальные затраты, высокий расход пара в зимнее время |
|
Разгерметизация трубопроводов и емкостей |
Использование запорной арматуры, системы сигнализации, автоматическая блокировка, контроль за состоянием трубопроводов |
Предупреждение и предотвращение ЧС |
Затраты на обслуживание |
|
|
Соотношение компонентов сырья в смесителе |
Нагнетание сырьевыми насосами сырья в узел смешения, задающий соотношение компонентов производства |
Непрерывность работы |
Усложнение обслуживания оборудования процесса |
|
|
Экзотермический процесс, повышение температуры в зоне реакции |
Регулирование температуры подаваемого сырья в колонну, либо подача в колонну свежего сырья, минуя печь |
Поддержание необходимой температуры |
Усложнение обслуживания оборудования и процесса |
|
|
Поддержание расхода воздуха на окисление в колонну |
Контроль за подачей воздуха |
Увеличение качества получаемого продукта |
Усложнение обслуживания оборудования и процесса |
|
В результате анализа установки были выявлены основные недостатки процесса, такие как: рост температуры; значительная продолжительность и унос кислорода с отходящими газами. Для решения выявленных недостатков проведен патентно-информационный поиск. Анализ литературных источников показал, что возможны различные решения поставленных задач.
Известен способ получения битума путем окисления кислородом воздуха остаточных продуктов прямой перегонки нефти и их смесей с асфальтами и экстрактами масляного производства, который включает смешение сырья с добавкой и окисление кислородом воздуха при повышенной температуре. В качестве добавки используют остаточное нефтяное сырье, предварительно обработанное озоносодержащим газом. Способ позволяет интенсифицировать процесс, в частности, сократить время и/или температуру [1].
Предложен способ получения нефтяного битума окислением нефтяного остатка с углеводородной добавкой, содержащей полиалкилбензольную смолу, кислородом воздуха при повышенной температуре. Этот способ позволяет сократить время окисления и увеличить выход получаемого битума [2].
Использование органической добавки – «Амины алифатические», первичные дистиллированные, в производстве окисленного битума в количестве 0,01–0,1 масс. % на сырье, позволяет снизить на 30 мин время окисления, снизить расход воздуха на окисление, понизить требуемую температуру окисления на 10 °С, снизить на 40–50 % содержание кислорода в отходящих газах окисления, поднять на 16–23 % пенетрацию битума, повысить индекс пенетрации битума на 26–38 % и повысить растяжимость битума на 19–34 % [3].
Имеется возможность получения окисленного нефтяного битума в устройстве, которое содержит камеру и расположенный в ней трубопровод с перфорированным концом. В конце трубопровода установлен теплоизолированный перфорированный стакан, внутри которого размещен нагреватель, причем нагреватель и трубопровод установлены осесимметрично относительно цилиндрической камеры. Использование данного изобретения позволяет снизить энергетические затраты на получение битума [4].
Также возможно получение нефтяного битума путем окисления нефтяных остатков в присутствии катализатора – цеолита в виде пыли в количестве 5–60 масс. % от исходного сырья. Возможно использование природного и искусственного цеолита, а также отработанных цеолитсодержащих катализаторов нефтеперерабатывающих процессов. Указанным способом достигается снижение температуры процесса и времени окисления [5].
Было установлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования производства получения окисленных битумов является введение в процесс окисления различных модифицирующих добавок, а именно алифатических первичных аминов [3]. Авторы [3] указывают, что использование такой добавки позволяет снизить на 30 мин время окисления; понизить температуру окисления на 10 °С, а также снизить на 40–50 % содержание кислорода в отходящих газах окисления и при этом улучшить качество нефтяного битума. Результат использования добавки показан в табл. 2.
Таким образом, проведенный структурный анализ установки позволил предложить пути совершенствования работы установки по производству нефтяного битума – введение органической добавки «Амины алифатические первичные дистиллированные» [3]. Нами проведены расчеты применения усовершенствования [3] на установке по производству битумов типа 19/3 с мощностью по сырью 241,0 тыс. тонн в год. Такой вариант усовершенствования позволяет за счет уменьшения времени и понижения температуры процесса увеличить выход готового продукта до 234611 т/год, при улучшении технико-эксплуатационных характеристик получаемого битума. Все результаты, полученные по расчетам, сведены в табл. 3.
Таблица 2
Вариант улучшения процесса
|
Сырье для реализации способа |
Проблемы, связанные с реализацией способа |
Уровень и варианты решения проблемы |
Результаты реализации решения |
|
|
Положительные |
Отрицательные |
|||
|
1. Асфальт с установок деасфальтизации |
Продолжительность процесса окисления |
Введение добавки «Амины алифатические первичные дистиллированные» |
Снижение времени процесса |
Усложнение обслуживания оборудования и процесса. |
|
2. Экстракты с установок селективной очистки масел фенолом 3.Воздух 4.Амины |
Продолжительность процесса окисления |
как дополнительный сырьевой компонент в количестве 0,05 масс. % на сырье по литературным данным [3] |
Увеличение материальных затрат на сырье. |
|
|
Унос кислорода с отходящими газами окисления |
Введение добавки «Амины алифатические первичные дистиллированные» как дополнительный сырьевой компонент в количестве 0,05 масс. % на сырье по литературным данным [3] |
Снижение содержания кислорода в отходящих газах окисления |
Усложнение обслуживания оборудования и процесса. Увеличение материальных затрат на сырье. |
|
Таблица 3
Сравнение параметров способа промышленного аналога и нового способа получения целевого продукта
|
Параметр процесса |
Способ производства аналога |
Способ по [3] |
|
Рассматриваемая стадия |
синтез |
синтез |
|
Время окисления на стадии синтеза |
300 |
270 |
|
Температура процесса |
260 |
250 |
|
Добавка |
– |
Амины алифатические первичные дистиллированные |
|
Мольное соотношение реагентов (асфальт: экстракт) |
80:20 |
80:20 + добавка 0,05 масс. % на сырье |
|
Выход продукта |
227436 т/год |
234611 т/год |
|
Содержание кислорода в отходящих газах окисления |
3,57масс. % |
1,84 масс . % |
|
Отгон (черный соляр) |
Сброс в пром. канализацию |
Повторное использование |
Повторное использование черного соляра в процессе растворения аминов приводит к повышению экологичности установки.