Инструменты пользователя

Инструменты сайта


courses:refining:битум_и_остаточные_топлива

Нефтяной битум и остаточные топлива

У нефтепереработчика есть две возможности для использования кубовых остатков — производство остаточного топлива и нефтяного битума. Выбор между этими возможностями определяется характеристиками исходной сырой нефти и потребностями рынка.

Нефтяной битум

Нефтяные битумы представляют собой высокосмолистые высоковязкие продукты, получаемые из остатков перегонки нефтей, крекинга и очистки масел. В состав битумов входят в основном масла, смолы и асфальтены. 1)


Дешевизна и прочность сцепления с различными материалами, стойкость к действию химикалий и растворов обуславливают широкое применение нефтяных битумов в различных отраслях промышленности: в производстве кровельных материалов, гидротехнике, при изготовлении гидроизоляционных материалов на бумажной основе, при закреплении берегов водоемов и сыпучих дюн, в судостроении и т.п. Тугоплавкие и пластичные битумы — рубраксы — применяются в резиновой промышленности как материал, придающий резине водостойкость. Однако основное количество нефтяных битумов (свыше 75%) потребляется для строительства и ремонта дорог. Важнейшее назначение битума в дорожных покрытиях — быть прочным вяжущим материалом, цементирующим гранулы каменного наполнителя, сообщать дорожному покрытию прочность и стабильность. 2)

Нефтяные битумы содержат различные количества асфальтенов, состоящих из очень сложных молекул. Асфальтены — полиароматические соединения с высоким соотношением количества углеродных атомов к количеству водородных атомов, в которых бензольные кольца тесно прилегают друг к другу (конденсированные циклы). Молекулы этих веществ содержат обычно более 50 атомов углерода.


Если содержание асфальтенов достаточно высоко, то такая остаточная фракция может служить прочным и стабильным связующим материалом, то есть битумом.

Содержание асфальтенов в битуме влияет на его твердость и температуру размягчения: чем больше в битуме асфальтенов, тем он тверже. Смолы повышают цементирующие свойства битума и его эластичность. Масла в битуме являются разжижающей средой, в которой растворяются смолы и набухают асфалътены.

Битумы можно разделить на четыре категории, хотя такое деление и не является строгим. Это — прямогонный нефтяной битум, окисленный битум (или асфальт), дистиллятный раствор битума и битумная эмульсия.

Прямогонный нефтяной битум

Остаток, который получается при глубокой вакуумной, перегонке смолистых нефтей (при отборе 80—90% дистиллятов), можно непосредственно использовать как битум. Это — черное или темно-коричневое вещество, при комнатной температуре оно очень вязкое (густое) или твердое. Чем выше была температура на установке вакуумной перегонки нефти, тем больше вязкость битума.

Для характеристики этого вида битума используют два основных показателя: температура размягчения и пенетрация (проницаемость). Температурой размягчения называют температуру, при которой предмет определенной формы и заданной массы начинает погружаться в битум. В наиболее распространенной методике используют стальной шар. Нефтяные битумы, поступающие в продажу, обычно имеют температуры размягчения около 25— 170°С (80-340°F).

Пенетрация является мерой твердости битума. Прибор для измерения этого показателя снабжен стальной иглой с тяжелой верхней частью. Пенетрацию определяют как глубину, на которую игла погружается в битум при заданной температуре за стандартный промежуток времени. Очень твердые битумы характеризуются нулевым значением пенетрации, а показатель для более мягких битумов достигает 250.


Производство широкого набора битумов на нефтеперерабатывающем заводе обеспечивается за счет смены режима. Например, некоторое время установка вакуумной перегонки работает на заполнение резервуара битумом с величиной пенетрации 40—50, после этого режим ее работы изменяют так, чтобы получался битум с величиной пенетрации 250, который заполняет новый резервуар. Смешивая эти два компонента непосредственно в емкости для транспортировки на грузовике, барже или в цистерне, можно получить продукт с любой заданной величиной пенетрации от 40 до 250. 3)

Помимо пенетрации и температуры размягчения, важными показателями для битумов являются растяжимость, температура хрупкости, вязкость, адгезия и др.

Растяжимость (дуктильность) битума характеризуется расстоянием, на которое его образец можно вытянуть при определенных условиях в нить до разрыва.

Температура хрупкости – это температура, при которой пленка битума, нанесенная на стальную пластинку, дает трещину при изгибе этой пластинки (от -2 до -30 °C) Чем ниже эта температура, тем выше качество битума. Окисленные битумы имеют меньшую температуру хрупкости, чем остаточные битумы той же пенетрации.

Вязкость битумов наиболее полно характеризует их консистенцию при различных температурах применения. При максимальной температуре применения вязкость должна быть как можно выше.

Адгезию (прилипание) оценивают по степени покрытия битумом частиц щебня или гравия после обработки образца в кипящей воде. Адгезионная способность битума зависит от его химического состава: в присутствии парафина она снижается, поэтому его содержание ограничивается (не более 5%).4)

Окисленный битум

Помимо повышения температуры вакуумной перегонки, имеется возможность изменять консистенцию мягких битумов химическим путем в воздуходувке. На этой установке остатки от переработки нефти или крекинг-остатки продувают горячим воздухом, в результате чего происходит химическая реакция. Кислород присоединяется к битуму, либо водород соединяется с кислородом и образует воду, которая затем испаряется. В результате получается более твердый и резиноподобный битум. Этот способ позволяет получить битумы с низкой величиной пенетрации и требует меньших затрат, так как при этом используется пек, содержащийся в сырой нефти.

Оборудование установки производства битума

Дистиллятный раствор битума

Для многих областей применения битума требуется, чтобы материал оставался текучим. Например, при строительстве дорог он должен хорошо смешиваться с гравием и песком. Поэтому асфальт обычно смешивают и укладывают при повышенных температурах. Чтобы упростить требования к оборудованию в местах укладки, отказавшись от работы при высоких температурах, и одновременно получить твердое и прочное покрытие, иногда в битум добавляют разбавитель. Разбавитель (или разжижитель) размягчает битум, что позволяет работать с ним при низких температурах. После укладки асфальта разбавитель испаряется и образуется прочное и твердое асфальтовое покрытие.

Время, за которое разбавитель испарится (оно обычно измеряется днями), зависит от того, какой именно продукт использовали для разбавления. Если требуется быстрое загустение битума (образование конечного твердого материала), то разбавителем должна служить достаточно легкая фракция, например, нафта. Если допустимо более длительное время загустения, то используют керосин. Тип разбавителя обычно находит отражение в маркировке дистиллятных растворов битума: БГ (быстрогустеющие) и СГ (густеющие со средней скоростью) (некоторые авторы называют их быстро и средне затвердевающими битумами, а также выделяют еще и медленно затвердевающие 6).

Использование дистиллятных растворов битума всегда было сопряжено с проблемами. В самом деле, разбавитель проходит через всю систему и уходит в никуда — это дорого. Кроме того, если быть точными, он уходит не в никуда, а в атмосферу, и, значит, загрязняет воздух.

Битумные эмульсии

Чтобы достичь той же гибкости в использовании оборудования и при этом избежать проблем, связанных с разбавителем, разработали производство эмульсий. Эмульсия — это смесь, содержащая 50—70% битума и 30—50% воды. Чтобы эти компоненты оставались в смешанном состоянии, добавляют эмульгатор, что-нибудь типа мыла. Хотя эмульгатор гораздо дороже, чем битум, его требуется всего один процент.

Из готового материала вода испаряется точно так же, как и разбавитель, и в результате образуется твердый асфальт. С эмульсиями можно работать при более низких температурах по сравнению со всеми остальными сортами битума, поскольку добавление воды для облегчения работы не требует больших затрат. Для строительства дорог обычно используют мягкие битумы с индексом пенетрации 200—300. Для промышленных целей применяют материал, для которого эта величина составляет 40—50. Для кровельных материалов (гонт, толь, пергамин) и для настилки полов (влагонепроницаемые покрытия, плитка) битумы часто смешивают с глиной.

Один любознательный инженер обнаружил, что частицы битума в эмульсиях отрицательно заряжены, такие эмульсии называются анионными. Некоторые наполнители, которые используют в смесях с битумом, также отрицательно заряжены. Поэтому иногда оказывается трудно полностью смешать наполнитель с битумной эмульсией, особенно если это проделывают в сырую погоду, когда возможны электрические токи. Для борьбы с этим явлением придумали специальные эмульсии, в которых частицы битума заряжены положительно. Такие эмульсии, которые называют катионными, охотно совмещаются с наполнителем. Для дорожных работ в основном применяют катионные эмульсии.

Остаточные топлива

Остаточное топливо (также называемое котельным) — это то, что остается, когда все нефтепродукты уже приготовлены (поэтому оно и называется остаточным). Во многих странах остаточное топливо — это всего лишь остаток от перегонки сырой нефти, то есть мазут. В России к остаточным нефтяным топливам относятся топлива, содержащие нефтяные остатки. Кроме топочных мазутов, они представлены моторными топливами ДТ и ДМ (топлива для среднеоборотных дизелей), высоковязкими судовыми топливами, а также флотскими котельными мазутами. В США мазут в основном используется как сырье для вакуумной перегонки. В этом случае основным ингредиентом остаточных нефтепродуктов является остаток от вакуумной перегонки (пек). 7)

Котельное топливо применяют в промышленных печах или стационарных паровых котлах (топочные мазуты), а также в судовых энергетических установках (флотские мазуты).8)

Получение остаточного топлива

Так как остаточное топливо является побочным продуктом, требования, предъявляемые к товарному продукту, достаточно расплывчаты. Наиболее важной характеристикой является вязкость, которая показывает, насколько жидкость сопротивляется течению, как это показано на рисунке ниже (вязкость кленового сиропа больше, чем вязкость воды).


Стандартной единицей вязкости является сантистокс. Поскольку вязкость меняется в зависимости от температуры (горячий сироп течет лучше, чем холодный), вязкость в сантистоксах измеряют при 80°С или при 100°С. К остатку от вакуумной перегонки обычно добавляют какой-либо разбавитель (дистиллятный нефтепродукт) для того, чтобы достичь максимальной приемлемой вязкости. Обычно в качестве разбавителя используют какую-либо тяжелую маловязкую фракцию, которая представляет собой небольшую ценность в качестве сырья, например, для крекинга. Скажем, это может быть крекинг-газойль, если он есть.

Другим нормируемым показателем является содержание серы. Допустимое выделение серы из промышленных топлив изменяется в широких пределах в зависимости от географического положения и от требований потребителя. Остаточное топливо может быть сернистым и малосернистым. Граница между этими категориями находится в области содержания 0,5—1% серы по массе. Содержание серы зависит в основном от состава исходной сырой нефти. Методика удаления серы из остаточного топлива требует сложного дорогого оборудования, которое будет описано в следующей главе. Таким образом, разница в цене между сернистым и малосернистым продуктом отражает затраты на обессеривание, а также возрастающие потребности в малосернистых остаточных топливах.

Наконец, как и в случае дистиллятных топлив, для остаточных топлив имеет значение температура вспышки. Поскольку для перекачивания остаточных топлив требуется нагревание, температура вспышки в данном случае еще более важна. В то же время остаточное топливо служит отстойником, в который можно слить множество разнообразных ненужных продуктов. Температура вспышки является фактором, ограничивающим возможности такого сливания.9)

В России выпускаются следующие марки котельных топлив:

  1. Флотские мазуты марок Ф-5 и Ф-12 (согласно ГОСТ 10585-99). Их получают смешением мазута и гудрона сернистых нефтей с дистиллятными фракциями прямой перегонки и вторичных процессов.
  2. Топочные мазуты марок 40 и 100 (согласно ГОСТ 10585-99), которые являются наиболее массовыми котельными топливами. Они предназначаются для всех котельных и нагревательных установок общего назначения.
  3. Топливо для мартеновских печей. Применяется в сталеплавильных печах и других нагревательных установках металлургических предприятий 10).

В зависимости от перерабатываемых нефтей ГОСТ 14298-79 устанавливает следующие марки нефтяного топлива для мартеновских печей: МП – малосернистое (до 0,5 % серы), МП-1 – малосернистое (до 1 %) и МПВА – высокоароматизированное, высокосернистое 11).

Отечественные котельные топлива, хотя по качеству примерно соответствуют зарубежным аналогам, однако недостаточно полно удовлетворяют потребностям по целому ряду показателей: содержанию серы и механических примесей, зольности и температуре застывания высокопарафинистых мазутов. Отечественные котельные топлива по сравнению с зарубежными содержат значительное количество разбавителей – ценных дизельных фракций, что обусловливается нехваткой мощностей висбрекинга, с одной стороны, и недостатком депрессорных присадок – с другой.12)

Словарь

адгезия adhesion
асфальтены asphaltenes
битумные эмульсии emulsifield bitumen
дистиллятный раствор битума distillate bitumen solution
дуктильность ductility
нефтяной битум petroleum bitumen
окисленный битум oxidized bitumen
окислительная колонна oxidizer
пенетрация penetration
прямогонный нефтяной битум straight-run bitumen
температура размягчения softening point
температура хрупкости brittleness temperature
трубчатый реактор tubular reactor

Назад в блог

1) , 3) , 7) , 9) Леффлер Уильям Л. Переработка нефти. — 2-е изд., пересмотренное / Пер. с англ. — М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2004. — 224 с: ил. — (Серия «Для профессионалов и неспециалистов»).
2) , 6) Гуревич И. Л. Технология нефти (Ч. 1). Общие свойства и первичная перегонка нефти: Учебник для вузов. 3-е изд. М.: Химия, 1972. 359 с.
4) , 5) , 12) Ахметов С. А. и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие / С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов; Под ред. С. А. Ахметова. — CПб.: Недра, 2006. — 868 с.; ил.
Только авторизованные участники могут оставлять комментарии.
courses/refining/битум_и_остаточные_топлива.txt · Последние изменения: 19.05.2016 10:47 — wikicat

Инструменты страницы