СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО

Изобретение относится к технологии получения серобитумной композиции, используемой в качестве полуфабриката (либо компонента) для приготовления дорожных и кровельных битумов различных марок с улучшенными свойствами.

Известен способ получения нефтяных битумов из нефтяных остатков, сущность которого заключается в окислении нефтяных остатков в две стадии с последующей вакуумной перегонкой. Температура на второй стадии окисления выше, чем на первой стадии. На первой стадии окисление осуществляют при 90-115°C, на второй - при 250-275°C. При достижении определенной вязкости окисленный продукт подвергают вакуумной перегонке с получением битумов дорожных марок БНД 90/130, БНД 60/90 и др. (Патент RU 2203305, МПК C10C 3/04, опубл. 27.04.2003 г.).

Существенным недостатком данного способа является технологическая сложность. Для получения конечного продукта требуется провести две стадии окисления и одну стадию вакуумирования, что значительно повышает себестоимость получаемого продукта. Кроме того, получаемый битум не обладает достаточно качественными параметрами и по некоторым показателям может отклоняться от ГОСТ 22245-90 на битумные вяжущие. Кроме того, данный битум не может быть использован в качестве высококачественного компонента для получения улучшенных битумов по новым стандартам.

Известен способ получения дорожных битумов путем деасфальтизации нефтяных остатков с последующим смешиванием асфальта деасфальтизации с остаточным нефтепродуктом, отличающийся тем, что деасфальтизацию проводят пропаном, а в качестве остаточного нефтепродукта используют гудрон после углубленного отбора масляных фракций с температурой размягчения не ниже 44°C, при этом содержание асфальта в смеси составляет 10-15 мас.% (Заявка на изобретение №95119914, МПК C10C 3/00, опубл. 27.03.1998 г.).

Недостатком данного способа также является технологическая сложность и высокая себестоимость конечного продукта. Также, в связи с отсутствием в данном способе термохимических процессов превращения сырья, качество получаемого продукта непосредственно зависит от качества исходного гудрона и асфальта, что может привести к сложностям в подборе состава компонентов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения серобитумного вяжущего, сущность которого заключается в смешивании компонентов - расплавленного битума и серы при нагревании до температуры 140-180°C, причем в расплавленный битум предварительно добавляют 1-5 мас. % стирольно-дициклопентадиен-инденовой смолы или алкил- стирольно-дициклопентадиен-инденовой смолы и 1-5 мас. % высокомолекулярных углеводородов - альфа-олефинов фракционного состава C₂₀-C₂₆ с температурой плавления 38-40°C и/или индустриального масла - нефтяного масла с вязкостью 5-50 мм²/с при 50°C и перемешивают в течение 0,5 часа, затем порциями добавляют серу в массовом соотношении с битумом 10-50:90-50, соответственно, и перемешивают еще 2 часа (Патент RU 2284304, МПК C04B 26/26, опубл. 27.09.2006 г.).

Недостатком данного способа является использование труднодоступных компонентов (инденовых смол). Также вовлечение высокомолекулярных углеводородов - альфа-олефинов фракционного состава C₂₀-C₂₆ с температурой плавления 38-40°C отрицательно скажется на низкотемпературных свойствах продукта. Существенным недостатком данного способа является то, что при вовлечении серы в сырье до 10-50 мас. % в полученном продукте процесса неизбежно наличие большого количества химически не связанной серы, что приводит к вредным выбросам в процессе устройства дорожных покрытий, а также увеличивает хрупкость получаемого вяжущего.

Задачей, решаемая заявленным изобретением, является получение полуфабриката либо компонента - серобитумного вяжущего, используемого для приготовления дорожных и кровельных битумов, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 22245-90 и обладающих низкой себестоимостью, а также значительно превышающих по качеству требования данного Стандарта.

Технический результат заключается в обеспечении полного перехода элементарной серы в химически связанное состояние, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики, такие как высокая адгезия, растяжимость и низкая температура хрупкости, понизить себестоимость продукта и исключить выделение вредных газов при устройстве дорожных покрытий.

Задача решается, а технический результат достигается способом получения серобитумного вяжущего, включающим смешивание расплавленного продукта нефтепереработки - тяжелого нефтяного остатка и серы. В отличие от прототипа тяжелый нефтяной остаток содержит продукты крекинга, причем процесс ведут поэтапно, осуществляя на первом этапе низкотемпературное осернение продукта путем интенсивного перемешивания с элементарной серой, которую добавляют в количестве 5-50 мас.%, в течение 8-15 мин при температуре 115-120°C, после чего на втором этапе осернение осуществляют при повышении температуры до 140-270°C, продолжая перемешивание в течение 60-660 минут, обеспечивая при этом полный переход элементарной серы в химически связанное состояние.

Согласно изобретению количество серы составляет не более 15 мас. %.

Предложенное изобретение позволяет получить серобитумное вяжущее с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет полного перехода элементарной серы в химически связанное состояние и появления так называемых «серных мостиков», связывающих исходные молекулы тяжелого нефтяного остатка, что обусловлено наличием в исходном сырье продуктов крекинга, обеспечивающих протекание реакции образования «серных мостиков» и увеличение температуры вспышки в получаемом серобитумном вяжущем до значения, превышающего 230°C. Данный показатель свидетельствует об отсутствии в полученном полуфабрикате не связанной серы. При этом обеспечивается экологичность процесса.

Полученный продукт является полуфабрикатом (либо компонентом) для приготовления дорожных и кровельных битумов различных марок путем смешивания его с прямогонным гудроном. При этом свойства получаемого, согласно предложенного изобретения, полуфабриката - серобитумного вяжущего, позволяют проводить такое смешение без ущерба качеству дорожных и кровельных битумов. А учитывая низкую стоимость гудрона, можно получать качественные и дешевые битумы различных марок, варьируя количество гудрона в смеси.

Характеристики используемых компонентов

Тяжелый нефтяной остаток представляет собой углеводородную композицию с началом кипения не ниже 360°C, содержащую в себе продукты крекинга, которые за счет большого числа непредельных соединений являются химически активными в реакциях осернения. Данный тяжелый нефтяной остаток в настоящее время в основном используется как компонент котельного топлива. В таблице 1 указаны качественные характеристики продуктов крекинга.

Сера элементарная вырабатывается на установке производства элементарной серы (установка Клауса). Используется для производства серной кислоты, удобрений. Предложенный способ позволяет утилизировать комовую серу, накапливаемую на предприятиях нефтепереработки.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходный нефтяной остаток с продуктами крекинга в расплавленном виде разогревают до температуры 115-120°C, добавляют в расплавленное сырье комовую серу (элементарную серу) в количестве 5-50 мас.% и интенсивно перемешивают в течение 8-15 минут. На этом этапе низкотемпературного осернения обеспечивается равномерное распределение серы в расплавленном сырье - исходном нефтяном остатке и начало ее перехода в химически связанное состояние. Затем нагревают смесь до температуры 140-270°C и продолжают перемешивание в течение 60-660 минут, при этом обеспечивается полный переход элементарной серы в химически связанное состояние. Осуществляют контроль параметров полученного полуфабриката - серобитумного вяжущего: температуры размягчения и температуры вспышки.

В таблице 2 приведены параметры процесса получения серобитумного вяжущего и характеристики полученного продукта.

Температура процесса (Т) обеспечивает протекание реакции осернения. При Т≥140°C начинается расщепление молекул серы и внедрение элементарной серы в двойные связи тяжелого нефтяного остатка. В интервале T=140-270°C процесс осернения ускоряется. При T>270°C происходит активное выделение сероводорода, побочных газов деструкции, происходит неконтролируемая реакция поликонденсации в объеме сырья. В результате полученный продукт будет обладать низкой пластичностью, высокой хрупкостью.

Длительность процесса подбирается таким образом, чтобы вся сера разложилась на радикалы и прореагировала. Время реакции зависит как от Т процесса, так и от содержания серы.

Из данных таблицы 2 видно, что полученный согласно изобретению полуфабрикат (компонент товарного битума) при различных параметрах процесса осернения удовлетворяет требованию полного перехода серы в химически связанное состояние - температура вспышки составляет более 230°C.

Полученное серобитумное вяжущее используется в качестве полуфабриката (либо компонента) для приготовления дорожных и кровельных битумов различных марок, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 22245-90, а также значительно превышающих по качеству требования данного Стандарта. Для этого полученное согласно предложенному способу серобитумное вяжущее смешивают с прямогонным гудроном, являющимся дешевым сырьем. Как было отмечено выше, такое смешение не сказывается на качестве битумов и является общеизвестным технологическим приемом. В таблице 3 приведены характеристики битумов, полученных при смешении серобитумного вяжущего с гудроном в различном соотношении.

Данные таблицы 3 свидетельствуют о соответствии полученных характеристик требованиям ГОСТ 22245-90 на дорожные битумы.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. В обогреваемый реактор, снабженный лопастной мешалкой, загружают 10 кг расплавленного нефтяного остатка с продуктами крекинга, при температуре 120°C добавляют 0,5 кг (5,0 мас. %) комовой серы, интенсивно перемешивают в течение 10 минут. Затем смесь нагревают до температуры 200°C и перемешивают в течение 60 минут. Получают 10,20 кг серобитумного вяжущего, остальное балансовое количество выделяется в виде сероводородных газов и направляется на узел переработки. Осуществляют контроль параметров полученного продукта: температуры размягчения и температуры вспышки. Полученный полуфабрикат смешивают с гудроном в количестве 2,4 кг (23,57 мас. %) и получают 12,6 кг битума дорожной марки. Осуществляют контроль параметров битума согласно ГОСТ 22245-90: температуры размягчения, пенетрации, температуры хрупкости, растяжимости.

Примеры 2-17 осуществляют аналогично примеру 1, используя различное количество исходных компонентов и различные параметры обработки (Таблицы 2, 3).

Таким образом, предложенное изобретение позволяет получать дешевое серобитумное вяжущее с улучшенными эксплуатационными характеристиками.