Способ получения серобитума

Изобретение относится к строительству, а именно к способам получения дорожно-строительных материалов.

Известен способ получения серобитума, включающий модифицирование серы и перемешивание серы с битумом (см. патент РФ №2163610 С2, МПК C08L 95/00, 2001).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе требуются высокие энергозатраты на длительный процесс смешения и используются значительные количества дорогостоящего синтетического модификатора - дициклопентадиена.

Известен способ получения серобитумного вяжущего (см. патент РФ №2255066 С1, 2005) путем совмещения расплавов предварительно модифицированной серы и битума, где серу предварительно связывают со смесью ненасыщенных жирных кислот - флотогудроном в соотношениях сера:флотогудрон, масс. %: (30:70)-(60:40), с получением органических полисульфидов и совмещают указанные расплавы при следующем соотношении компонентов, масс. %: предварительно модифицированная сера -органические полисульфиды - 20-80, битум - 20-80.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе получают продукт через множество стадий и используют дорогостоящий модификатор в значительных количествах.

Известен способ получения серобитумного вяжущего (см. патент РФ №2284304 С2, 2006), включающий смешивание компонентов - расплавленного битума и серы при нагревании при температуре 140-180°С, причем в расплавленный битум предварительно добавляют 1-5 масс. % стирольно-дициклопентадиен-инденовой смолы или алкадиен-стирольно-дициклопентадиен-инденовой смолы и 1-5 масс. % высокомолекулярных углеводородов - альфа-олефинов фракционного состава С₂₀-С₂₆ с температурой плавления 38-40°С и/или индустриального масла - нефтяного масла с вязкостью 5-50 мм /с при 50°С и перемешивают в течение 0,5 ч, затем порциями добавляют серу в массовом соотношении с битумом (10-50):(90-50) соответственно и перемешивают еще 2 часа.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе используют товарные битумы марок БНД 90/130 и БНН 80/120. Кроме того, следует отметить, что в температурном диапазоне, указанном в описании к патенту, происходит сильное выделение сероводорода, что делает этот способ неприемлемым по экологическим соображениям.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения серобитума (см. патент РФ №2223992 С2, МПК C08L 95/00, 2004), включающий предварительное нагревание битума марки БНД 60/90 до 125-170°С, активирование его кавитационно-акустическим воздействием, модифицирование серы путем введения в нее 0,5-10,0 масс. % от веса серы активированного битума и осуществлением кавитационно-акустического воздействия в течение 5-15 мин при 125-170°С, перемешивание кавитационно-акустическим воздействием модифицированной серы и активированного битума в весовом соотношении (0,03-1):1 при кратности циркуляции 3-10, принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе в качестве сырья используют товарные дорожные битумы, например, марки БНД 60/90, существенно увеличивая стоимость целевого серобитума. Кроме того, предварительно активируют серу добавкой битума при температуре 125-170°С, что требует нагрева серы выше температуры плавления (113°С), что дополнительно увеличивает энергозатраты и время процесса приготовления. Увеличение времени процесса получения готового продукта связано с тем, что в способе принятом за прототип, предварительно проводят кавитационно-акустическую активацию битума, затем модифицируют этим битумом серу и только затем проводят смешивание и кавитационно-акустическую обработку модифицированной серы и активированного битума.

Проблема при получении серобитума заключается в том, что возникла необходимость снижения энергозатрат на производство, за счет сокращения времени достижения требуемых качественных показателей путем снижения числа технологических стадий в сочетании с кавитационно-акустической интенсификацией процесса активации и смешения, а также вовлечения в производство серобитума остаточных нефтяных битумов с целью уменьшения стоимости конечного продукта за счет исключения стадии окисления битумного сырья.

Технический результат - сокращение времени достижения качественных показателей путем кавитационно-акустической (ультразвуковой) интенсификации процесса смешения, а также снижение себестоимости получаемого продукта, путем замены товарного окисленного нефтяного битума на остаточный нефтяной битум, представляющий собой тяжелый остаток вакуумной перегонки нефти, и за счет замещения до 20 масс. % битумного сырья дешевой серой.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения серобитума, включающем предварительный нагрев битума, перемешивание серы и битума кавитационно-акустическим воздействием, предварительный нагрев битума осуществляют кавитационно-акустическим воздействием до температуры 160±2°С, при этом используют серу и остаточный нефтяной битум, а для поддержания температуры в 160±2°С используют кавитационно-акустическое воздействие, которое осуществляют в течение 15-20 мин путем ультразвукового воздействия колебаниями с частотой 18-68 кГц широтно-импульсно модулированными в частотном диапазоне 10-400 Гц.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата получены в ходе апробации способа получения серобитума и экспериментов на опытной установке кавитационно-акустической (ультразвуковой) обработки.

Способ получения серобитума осуществляют следующим образом.

Остаточный нефтяной битум, представляющий собой тяжелый остаток вакуумной перегонки нефти, разогревают любым известным способом до подвижного текучего состояния и загружают в реактор. Затем остаточный нефтяной битум нагревают в реакторе кавитационно-акустическим воздействием до температуры 160±2°С. В остаточный нефтяной битум (образцы №№1-3, см. таблицу) при температуре 160±2°С вводят серу в количестве 5, 10, 15 и 20 масс. % и обрабатывают в течение 15-20 мин кавитационно-акустическим воздействием. Стальной реактор снабжен волноводом ультразвуковых колебаний, который расположен на оси реактора и соединен с внешним пьезокерамическим преобразователем. Электропитание пьезокерамического преобразователя осуществляют от управляемого блока питания, генерирующего переменный ток с частотой 18-68 кГц и имеющего возможность широтно-импульсной модуляции тока в частотном диапазоне 10-400 Гц. В зависимости от акустических свойств и количества среды, в которой находится волновод, блок питания автоматически настраивает резонансную частоту в диапазоне 18-68 кГц для достижения максимальной амплитуды акустических колебаний, вызывающих интенсивное кавитационно-акустическое воздействие на смесь серы и остаточного нефтяного битума. Одновременно накладывается широтно-импульсная модуляция тока в частотном диапазоне 10-400 Гц для создания в кавитационно-акустической камере стоячей волны, обеспечивающей максимальное воздействие на смесь и интенсификацию процесса смешения компонентов. Контрольный образец №4 не подвергали ультразвуковой обработке, а перемешивали лопастной мешалкой при 60 об/мин в условиях внешнего нагрева. При этом время перемешивания необходимое для достижения требуемых качественных показателей составляло не менее 45-50 мин.

Соотношение компонентов, свойства исходных и полученных образцов указаны в таблице.

Модификация остаточных нефтяных битумов элементарной серой в условиях кавитационно-акустического (ультразвукового) воздействия позволяет получать высококачественные дорожно-строительные материалы -нефтяные дорожные вяжущие. Основные качественные показатели образцов полученных с применением кавитационно-акустического (ультразвукового) воздействия и контрольного образца полностью соответствуют требованиям стандартов. Анализ данных таблицы позволяет сделать вывод о том, что введение серы в количестве 10 масс. % является оптимальным, а добавка до 20 масс. % серы негативно не влияет на достигнутые качественные показатели серобитумов, что позволяет снизить стоимость конечного вяжущего за счет замещения битумного сырья дешевой серой.

В отличие от классической технологии получения серобитумов применение ультразвука позволяет существенно снизить энергозатраты и время необходимое для получения конечной продукции, за счет высокой эффективности ультразвукового пьезокерамического преобразователя, к.п.д. которого достигает 93%. При этом ультразвуковая энергия механических колебаний непосредственно воздействует на серобитумное сырье, нагревая и перемешивая его.