Курсовая работа - Изучение технологии производства экономичных и высококачественных связующих материалов при переработке тяжелых. Курсовая работа. Изучение и проектирование процессов производств. 1. Битум. Общие представления. Функциональность битума 2 Состав и структура нефтяных битумов
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
Введение 1. Битум. Общие представления. Функциональность битума 1.2 Состав и структура нефтяных битумов 1.3 Общие физико-химические свойства 1.4 Взаимосвязь физико-химических показателей битума с его составом и структурой 1.5 Технология производства нефтяных битумов 1.5 Технологические методы производства высокопрочных дорожных битумов 1.6 Характеристика полимерного модификатора 1.7 Модификация нефтяных битумов полимерными отходами 1.8 Повышение эксплуатационных свойств резинонаполненных битумных вяжущих 1.9 Способ получения нефтяного битума с добавлением органической фракции природного битума 2 Технологическая часть 2.1 Физико-химическая характеристика нефти месторождения ……. 26 2.2 Описание поточной схемы переработки нефти…………………… 29 2.3 Материальные балансы установок, входящих в поточную схему… 30 2.4 Описание технологической схемы 35 2.5 Технологический расчет основного аппарата……………………….. 36 Актуальность темы курсового проекта. Дорожная инфраструктура - жизненно важная система, влияющая на экономику государства. Проблема повышения качества дорожных покрытий весьма важна для казахстанского дорожного строительства поскольку интенсивность ввода новых автомагистралей по программе «Нурлы жол» напрямую связана с требуемым объемом затрат на ежегодный ремонт дорожных покрытий и определяется им. В этой ситуации достаточно остро ставятся вопросы производства качественных дорожных битумов, обеспечивающих значительное увеличение долговечности асфальтобетонных покрытий. [1] Битум - наиболее универсальный материал, применяемый в качестве вяжущего в дорожном строительстве. [2] Для создания прочной асфальтобетонной композиции необходимо использовать битумное вяжущее, наиболее стабильное к внешним воздействиям, особенно к действию воды, так как она приводит к вымыванию компонентов битума с поверхности минерала, в результате чего происходит нарушение физических и химических связей между вяжущим и наполнителем. В этой ситуации для улучшения качества битума особую актуальность приобретает применение модифицирующих добавок. [3] За последние несколько лет в качестве модификаторов битума использовались различные полимеры, включая пластомеры, такие как полиэтилен (ПЭ) [4,5], полипропилен [6,7], полиэтилен винилацетат [7–9], полистирол-акрилонитрил [10], полиэтилентерефталат [11], эластомеры, такие как натуральный каучук [12], бутадиен-стирольный каучук [13], этилен-пропилен-диеновый каучук [14] и др., термопластичные эластомеры, такие как полистирол-бутадиен-стирол [15–17], полистирол-этилен/бутилен-стирол [18,19], полистирол-изопрен-стирол [20] и наноматериалы [21]. Согласно результатам исследований, эти полимеры привели к некоторому улучшению качества свойства битума, такие как более высокая жесткость при высоких температурах, повышенная устойчивость к разрушению при низких температурах, улучшенная влагостойкость и более длительный срок службы [5,7,17]. Практическая значимость. Предложить свой путь переработки нефти месторождения Северное Бузачи, позволяющее получать битумы. Задачей исследования. Рассмотреть получение вяжущего для дорожных покрытий, обеспечивающее надёжную эксплуатацию в асфальтовых смесях, создания прочной асфальтобетонной композиции на основе модифицирующих добавок. Изучить влияние добавок модификатора на стандартизованные физико-механические показатели полимерно-битумных вяжущих. В качестве объекта исследования в курсового проекта рассмотрена нефть месторождения Североное Бузачи, которая является источником для получения качественных дорожных битумов, обеспечивающих значительное увеличение долговечности асфальтобетонных покрытий. Нефть месторождений полуострова Бузачи, особенно Каражанбаса и месторождения Северный Бузачи, характерна высокой вязкостью, большой смолистостью при значительном содержании сернистых соединений. Целью курсового проекта. Целью данного курсового проекта является изучение получения вяжущего для дорожных покрытий, обеспечивающее надёжную эксплуатацию в асфальтовых смесях, создания прочной асфальтобетонной композиции на основе модифицирующих добавок. 1. Битум. Общие представления. Функциональность битума Согласно европейской спецификации (EN 12597), битум определяется как практически летучий, адгезивный и гидроизоляционный материал, полученный из сырой нефти или присутствующий в природном асфальте, который полностью или почти полностью растворим в толуоле и очень вязкий или почти твердый при температуре окружающей среды [1]. Общеизвестно, что исходные характеристики битума в значительной степени зависят от процесса его производства и обработки, а также от характеристик битумной сырой нефти [2]. Хорошая сырая нефть и правильные процессы дистилляции могут улучшить свойства битума. Как правило, более тяжелая сырая нефть дает более высокий выход битума [3]. Поэтому очень важно иметь полное представление о характеристиках битума с разных сторон. Эти знания оказываются более важными, когда для некоторых применений битума некоторые трудности, такие как неоднородность фазы, неправильное диспергирование и нестабильность полимеров/добавок, затрудняют производство и применение битумных материалов. С коммерческой точки зрения битум представляет собой недорогой термопластический материал, который уже давно широко используется в кровельных и тротуарных покрытиях, смесях для дорожных покрытий и промышленных изделиях. Как в дорожных покрытиях, так и в промышленности битум должен быть устойчивым к климату и более жестким транспортным нагрузкам, по этой причине реологические свойства играют ключевую роль в различных аспектах [4,5,6]. С функциональной точки зрения битум должен быть достаточно текучим при высокой температуре (≈160 ° C), чтобы его можно было перекачивать и обрабатывать, чтобы обеспечить однородное покрытие заполнителя при смешивании. Кроме того, он должен быть достаточно жестким при высоких температурах, чтобы противостоять образованию колейности (в зависимости от местных температур ≈60 ° C). Наконец, он должен оставаться мягким и достаточно эластичным при низких температурах, чтобы противостоять термическому растрескиванию [4]. Все упомянутые требования практически противоположны, и большинство доступных чистых битумов не могут обеспечить все необходимые характеристики вместе. Более того, в некоторых применениях характеристики обычных чистых битумов могут быть неудовлетворительными с учетом требуемых технических свойств, поскольку они хрупкие в холодной среде и легко размягчаются в теплой среде. Этот ограниченный диапазон рабочих температур является основным недостатком чистого битума, ограничивающим его использование как для кровли, так и для дорожного покрытия. Кроме того, поскольку скорость движения и нагрузка резко возросли, незапланированная перегрузка заметно сократила срок службы асфальтовых покрытий, увеличив затраты на обслуживание и риски для пользователей. Следовательно, чтобы улучшить эксплуатационные свойства чистого битума, на сегодняшний день были введены различные добавки, и некоторые из них успешно используются для многих применений. Модификаторы и добавки, используемые для повышения эксплуатационных характеристик битума, включают: полимеры, химические модификаторы, наполнители, окислители и антиоксиданты, углеводороды и присадки, препятствующие отслаиванию. 1.2 Состав и структура нефтяных битумов С химической точки зрения битум определяется как вязкая вязкоупругая жидкость (при комнатной температуре), состоящая в основном из углеводородов и их производных, которая полностью растворима в толуоле, практически нелетучая и постепенно размягчается при нагревании [7]. Он включает очень большое количество молекулярных частиц, которые сильно различаются по полярности и молекулярной массе [8,9]. Элементный анализ показывает, что состав битума в первую очередь определяется его источником сырой нефти, и трудно дать конкретное географическое обобщение [10,11] (многие поставщики также смешивают битум из разных источников). Это было показано в широком исследовании SHRP (Strategic Highway Research: Special Report) [12]. Согласно этому отчету, основными составляющими битума являются углерод, содержание которого варьируется от 80 до 88 мас.%, И водород, составляющий от 8 до 11 мас.%. Кроме того, обычно присутствуют гетероатомы и атомы переходных металлов (главным образом ванадия и никеля): сера (от 0 до 9 мас.%), азот (от 0 до 2 мас.%), кислород (от 0 до 2%), ванадий до 2000 частей на миллион и никель до 200 частей на миллион [10,13,14]. С молекулярной точки зрения, основными соединениями полярных гетероатомов, указанных выше, являются: сульфиды, тиолы и сульфоксиды, кетоны, фенолы и карбоновые кислоты, пиррольные и пиридиновые соединения, а большинство металлов образуют комплексы, такие как металлопорфирины [14]. Анализ молекулярно-массового распределения показывает, что битум представляет собой сложную смесь примерно из 300–2000 химических соединений (среднее значение 500–700), что очень затрудняет полную химическую характеристику. Сложность структуры битума затрудняет идентификацию и выделение каких-либо отдельных соединений, кроме парафинов, поэтому битумы делятся на группы компонентов. От битума выделяют следующие группы углеводородов: масла, смолы (бензол и спиртбензол), асфальтены, иногда асфальтогенные кислоты и их ангидриды, карбены и карбиды. Количество масел и смол часто называют мальтенами. Масла представляют собой дисперсионную среду битума, представляющую собой вязкую жидкость желтого цвета. Растворимость масел зависит от их химического состава, включая соотношение парафиновых и ароматических углеводородов. Парафиновые углеводороды ухудшают растворимость и набухание асфальтенов, что приводит к нарушению однородности битума. Ароматические углеводороды обладают растворимым действием на асфальтены, сохраняют полярность, повышают адгезионные свойства битума и его термостойкость, воздействие атмосферных факторов. Масла снижают твердость, температуру разрушения и температуру размягчения битума, увеличивают их подвижность, текучесть и испарение, которое характеризуется температурой вспышки, которая не должна быть ниже 220-240°C, иначе битум может иметь горючие свойства. Смолы являются носителями твердости, гибкости и пластичности битума. Это твердое вещество розовато-коричневого цвета. Смолы являются важным компонентом битумов, их технологические и эксплуатационные свойства различаются в зависимости от размера. Смолы - это системы с пятью или шестью кольцами ароматических, нафтеновых и гетероциклических структур, связанных алифатическими структурами. Они представляют собой вязкие жидкости с низкой подвижностью или аморфные твердые вещества с высокой плотностью или равные вместе взятые. Помимо углерода (79-87%) и водорода (8,5-9,5% по весу) смола содержит азот (до 2% по весу), кислород (1-10%) и серу (1-10%). Асфальтены - это дисперсная фаза битума и компонент структуры битума. Они кристаллические и аморфные, черного цвета, высокой плотности, твердые. При повышении температуры примерно на 300°C асфальтены становятся гибкими, а при дальнейшем повышении температуры они разрушаются с выделением газообразных и жидких веществ и кокса. Асфальтены являются продуктами уплотнения циклических соединений и высокомолекулярных соединений битума до образования высококонденсированного гетероциклического соединения и пространственной структуры. Химический состав асфальтенов изучен недостаточно из-за сложности его структуры. Асфальтогенные кислоты и их ангидриды - коричнево-серые, густой смолистой консистенции. Их размер определяет скорость адгезии битума к минеральным материалам, особенно основным и карбонатным породам, стабилизирует коллоидную структуру битума. Карбены и карбоиды - это углеродные продукты переработки нефти и ее отходов при высоких температурах (крекинг-битумные продукты). Увеличение количества карбенов и карбоидов увеличивает вязкость и хрупкость битума. Все эти соединения и компоненты взаимодействуют друг с другом. Физические межмолекулярные взаимодействия превращают битумную структуру в связанную дисперсную систему, свойства которой во многом зависят от размера частиц дисперсной фазы (в первую очередь, поверхностных структур асфальта) и ее объемного состава. Изменения размера этих частиц в коллоидной структуре битума изменяют его свойства, а также свойства материалов, на которых он основан. Состав и коллоидная структура битума определяют его эксплуатационные технические свойства, которые характеризуются проникновением (или глубиной проникновения иглы), пластичностью (удлинением), температурами размягчения и разрушения и другими стандартными показателями качества. Состав и структура углеводородов и соединений, а также их соотношение играют важную роль в обеспечении качества битума. Представления о структуре битума постоянно развиваются. Теория структуры битума рассматривает битум как пространственно-дисперсную систему, свойства которой зависят от взаимодействия и молекулярного взаимодействия трех основных компонентов - масел, смол и асфальтенов. Кроме того, концентрация асфальтенов и их структурное состояние, которое зависит от среды, в которой находится битум, является фактором формирования структуры вяжущего в целом [3, с.30-31,12-13]. Смолы, масла и асфальтены как высокомолекулярные соединения битумов образуются в дисперсных системах под действием физических межмолекулярных взаимодействий, первичной структурной единицей которых является битум. Ассоциации представляют собой сложные структурные единицы, окруженные сольватной мембраной. Взаимодействие молекул включает силы Ван-дер-Ваальса, которые основаны на балансе гравитационных и осциллирующих сил. Под влиянием внешних факторов размеры сложных структурных единиц ядра и адсорбционно-сольватного слоя могут изменяться. По степени взаимодействия частиц дисперсной фазы по структуре битум делится на следующие типы: гель (тип I), золь-гель (тип III) и золь (тип II). На рисунке 1 показано образование структурных типов битума.  Рисунок 1 - Структурные прямые кривые битума Битумы демонстрируют дисперсию мицелл в тяжелых вязких нефтях. Мицеллы состоят из агрегатов высокомолекулярных углеводородов, которые сорбируют масла через свои плоскости и внутренние слои. Если мицеллы пептизированы и могут свободно перемещаться в мелкой фракции, то система представляет собой золь и определяет вязкий поток и эластичность мицелл в соответствии с рисунком 2а. Если между мицеллами действуют гравитационные силы, то мицеллы, плоскости которых заполнены вязкой жидкостью, образуют нерегулярную структурную решетку геля в соответствии с рисунком 2б.  Рисунок 2 - Гравитационные силы между мицеллами Гель I типа отличается прочной структурой, в которой диспергированные частицы связаны между собой дисперсной средой, иммобилизованной на плоском каркасе. Асфальты такой структуры, как правило, состоят более чем на 25% из асфальтенов, менее чем на 24% из смол и более чем на 50% из полициклических ароматических соединений. Обычно к этому типу относятся битум строительного качества. Золь II типа состоит из частиц минимального размера, не взаимодействует между собой и расположены хаотично в дисперсной среде. Битумы этого типа содержат не более 18% асфальтенов, более 36% смол и более 48% полициклических ароматических соединений. Такие конструкции характерны для кровельных марок битумов, свободно-дисперсионных систем типа гидрон. Золь-гель типа III имеет промежуточные размеры взаимодействующих дисперсных частиц. Среди них - действительные силы межмолекулярных взаимодействий, отражающие степень структурной и механической прочности всех масляных дисперсных систем. Такой тип конструкции характерен для дорожных марок битума [1, с.214-215,12, с.95-96,13, с.63-64]. Сложность усвоения свойств битума и процессов образования структур в нем объясняется тем, что в зависимости от температуры они относятся к твердому телу при отрицательной температуре и жидкости при положительной температуре и даже в тонкой пленке они не прозрачны. 1.3 Общие физико-химические свойства Тяжелая нефть и битум представляют собой вязкоупругие материалы, проявляющие свойства как жидкостей, так и твердых тел (Базылева и др., 2010; Де Кее и др., 1998; Мортазави-Манеш, Шоу, 2014; Рохас, Кастанья, 2008). Обычно плотность тяжелых нефтей и битумов составляет от 0,934 до 1,04 г / см3 при 15,6 ° C (60 ° F). Повышение температуры от температуры окружающей среды до 120 ° C вызывает снижение плотности тяжелых нефтей и битумов примерно на 7%, как обычно показано на Рисунке 2.3 (Mochinaga et al., 2006). Географическое положение нефтяной залежи является одним из параметров, влияющих на свойства различных нефтей (Базылева и др., 2010), что можно понять из таблицы 2.3. Кроме того, коллоидная структура тяжелой нефти и битума вносит твердые частицы в качестве эффективного параметра для различных свойств. Это означает, что следует учитывать такие характеристики частиц, как количество, размер, распределение по размерам, плотность, форма, химический состав поверхности, компактность агрегатов и поведение частиц в различных полях потока. Из-за своей вязкоупругой природы тяжелые нефти и битумы проявляют свойства разжижения при сдвиге при более низких температурах (ниже комнатной температуры), и, следовательно, недостаточно указать одно значение вязкости (Базылева и др., 2010; Де Кее и др. , 1998; Рохас, Кастанья, 2008). Тяжелая нефть и битум демонстрируют типичное стеклование при температурах около -40° C и -20° C соответственно, которые могут отличаться от нефти к нефти (Claudy et al., 1992; Jiménez-Mateos et al., 1996; Rojas and Castagna, 2008; Schmidt, Santucci, 1966). Плотность , (г/см 3 )   Температура, T (°C) Точно так же невозможно определить температуру плавления тяжелой нефти и битума, поскольку они состоят по меньшей мере из двух несмешивающихся фаз, и каждая фаза имеет свою собственную температуру плавления. |