Физико-химические основы получения битумной эмульсии из тяжелых нефтей таджикской депрессии для дорожного строительства тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ
|
Мухитдинов, Фаридун
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Душанбе
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.02
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
МУХИТДИНОВ ФАРИДУН
? Г
I
5 ОД
^ о ш т
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМНОЙ ЭМУЛЬСИИ ИЗ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЕЙ ТАДЖИКСКОЙ ДЕПРЕССИИ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (02.00.04 - физическая химна)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Душанбе-2000
Работа выполнена с лаборатории «Химия гетсроинклкчсскпх «освмиашй» Нютетуга »шии им. В.И. Никитвиа All Республики Тздуоигиспш и ии кьфсдре «Авто.\шбш1ьаыо дороги» Таджикского тсишчсского ynisaspcinvra шз. М. Осами.
Ииучиис руководители: достор хшялсских наук ' Усманон Р.
кандидат технических наук Оси A.M. '
Официальна© оппоненты: доктор технических наук
Ширцфов А.Ш.
каадшат химических наук, доцент
Абдуллоеа ФЛ.
Ведущая организации - Тадягшсс&гий государственный национальный университет Защита состоится «/9? » . . 0% Цшю г. в 9™ часов на заседании диссертационного совета К.013.02.02 при институте химии им. В.И. Никитина АН Республика Таджикистан по адресу: 7Й063, г.Дуншнбе, ул. Айни, 299/2. Е-Mail, quli @ academy td, silk. orq.
С диссертацией ыо^аю ознакомиться в библиотеке Ин^-тшута химии им. Б.И. Нтзтша АН Республики Таджикистан.
Автореферат разослан « Ц » Of . года.
Ученый секретарь диссертационного
совета, кандидат химических наук Касымова Г.Ф.
Отн^-обо-М)0
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность тепы. Экономическое и социальной развитие страны тредусматривает рациональное использование всех еидоз ресурсов, снижение IX потерь, ускоренный переход к ресурсосберегающим п безотходным технологиям. • , . •
При этом важной экономической задачей, стоящей перед народным созяйством страны является -мобилизация некондиционных и сторичных ресурсов, нх более полное в всестороннее использование.
Поэтому, ' приоритетными направлениями фундаментальных и трикладных исследований, являются исследования по комплексной мапгческой" тереработке органического сырья. Среди органического сырья ведущее шачение имеют нефть и продукты еЗ переработки, которые являются одним из эсновных источникбв получения дорожного, кровельного, гидроизоляционного 1 др. битумов, широко используемых в народном хозяйстве.
В Тадасикистаяе, автом6б1шьные дорога являются важнейшим элементом юродного хозяйства. ,
' .. с
Для дальнейшего повышения эффективности дорожной отрасли и «родного хозяйства в целом, важное значение имеет экономное использование латериатьш-сырьевых ресурсов, поскольку потребность з сырье непрерывно застет, а добывать его приходится га все более отдаленных месторождений.
Кроме того, совершенствование технологических процессов в дорожном ггронтелъстве путем применения новых способов' нанесения дорожных юкрытий с использованием прогрессивных машин и оборудования, выдвигает >струю необходимость поиска путей и. методов приготовления дорожных юкрытий и повышения их долговечности. ' .
Одним из наиболее эффективных путей в этом деле является применение юверхностнсй обработки на основе битумных эмульсий, .способствующий 1копомному расходованию сырьевых ресурсов, улучшению экологии фоизводства, повышению надежности и долговечности дорожных покрытий и ¡едущий к интенсификации работы за счет применешгя прогрессивных механизмов и манпш. -
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является :2зрэ5отка физико-химических основ получения битумной э;-!ульсии из . .-л.-слых кефтсП Таджикской депрессии и. изучение нх свойств .для [спользования в дорожном строительстве.
Дм достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• Изучить физико-хишпеские свойства нефтей месторождений Таджикистана н их пригодность для производства дорожного битума.
• Изучить влияние природы сырья н процесса окисления на состав и свойства получаемых продуктов.
• Поиск среди промышленных отходов республики возможных поверхностно-активных веществ (эмульгаторов) и их влияние на качество местного дорожного битума.
• Разработать способы получения битумных эмульсий с использованием зарубежных и местных эмульгаторов и изучить их реологические и эксплуатационные свойства;
• Разработать "способы практического применения битумной эмульсин для дорожного строительства.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
• На основе" изучеши пластовых и фнзюсо-хнмнческих особенностей тяжелых парафннистых нефтей разработаны технологические основы производства местного битуме и его эмульсин, определена перспективность их применения в дорожном строительстве.
• Исследовано влияние сернистых соединений добитумной фракции нефти на качество битума. |
• . Показана возможность использования в качестве эмульгатора, натриевые и'моноэтаноламиновые соли гудрона растительного масла (ГРМ) и сульфокислот сернистых соединений, полученных на основе высокосернистых тяжелых нефтей юга Таджикистана.
• Исследована возможность получения и использования битумной эмульсии нз местного сырья в дорожном строительстве.
Практическая значимость работы. На основе результатов исследований разработана технология получения битума и битумных эмульсий из тяжелых нефтей с использованием отходов некоторых производств Таджикистана, что позволяет решить вопрос рационального использования тяжелых, высокосернистых, парафннистых нефтей таджикской депрессии и обеспечивает расширение сырьевой базы производства органического вяжущего материала.
г
Разработан способ получения битумной эмульсии из-местного сырья для применения при поверхностной обработке автомобильных дорог.
, Разработаны технические указания ВСН 01-99 «Технические рекомендации по производству шероховатой поверхностной обработки покрытия оборудованием фирмы «Секмер» (Франция) в Республике Таджикистан».
Работа внедрена на объектах Душанбинского производственного управления автомобильных дорог МТДХ в городских улицах г.Душанбе при их ремонте.
Положения диссертации выносимые в>» защиту:
• Физико-химические свойства нефтей таджикской депрессии и их пригод ность для производства дорожного битума; •
• Способы улучшения качества местного битума с использованием отходов некоторых производств;
• Разработка способов получения битумных эмульсий с использованием местных и зарубежных эмульгаторов;
• • Результаты практического применения битумной эмульсии в дорожном строительстве. .
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Института химии им. В.И.' Никитина АН Республики Таджикистан и Таджикского технического университета, научно-техническом совете Министерства транспорта и дорожного хозяйства РТ, международной конференции «Химия и экология композиционных материалов на .основе битумных эмульсий и модифицированных битумов» (Минск, 1999г.), международной конференции «Горные регионы. Центральной Азии. Проблемы устойчивого развития» (Душадбе, 1999г.).
Экономический эффект от применения битумных эмульсий при поверхностной обработке по .сравнению с традиционной технологией составляет 4 млн. 637 тыс. 163 рублов (в ценах 1999 года).
Публикации. По материалам диссертации имеется б публикаций, в том числе: 4 научные статьи и 2 тезиса докладов..
Структура н объем работы. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 17. таблиц и 18. рисунков. Список использованной литературы включает 149 наименований.
Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной н методической частей, обсуждения результатов.
Э введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулировань цель и задачи работы, изложены основные положения диссертации, выносимы« на защиту и показана зд-зможность практического применения результата! исследования. •
* В литературном обзоре приведен анализ отечественных и зарубежны? работ по улучшению свойств вотумов, получения и применения битумны? эмульсий в дорожном строительстве и других отраслях народного хозяйства.
В экспериментальной части приведены характеристики исходные материалов, методика анализа и изучения физико-химических, структурных i других характеристик полученных продуктов.
В третьей и четвертой пшзас изложены. и обсуждены результата проггдеиных исследований в соответствии с целью работы. Приведены обласп применения полученных продуктов.
В приложении к диссертации представлен акт испытаний разжиженногс бктуиа н битумной эмульсии при поверхностной обработке щгтоыобильньг дорог. • '
. ОСНОВНОЕ СОДЁРл^АНИЕ РАБОТЫ ВыСор ссхсДлых 1штерп2лоо □ псследоаанна ui сооЗега..
В работе осиоеньш объектом исследования являлись высокосершгстьи парафиннстые нефти Кичик-Бель, Акбаш-Адыр н Южный Кум юг Таджикистана.
Нефти месторождения Кнчих-Бель, Акбаш-Адыр и Южный Kyi относятся к типу тяжелых, смолистых, высокоссрнистых и парафинисты: нефтей с незначительным содержанием светлых продуктов перегонки (табл. 1).
Согласно классификации БашНИИНП нефти этих месторождеши являются пригодными для производства битумов и их состав соответствуе уравнению А+С-235П>8.
Добнтумцая широкая фракция высокосернистой нефти (ДШФВН] полученная после перегонки тозарной нефти, имеет следующий элементны) состав, мае. % : С-83,7-84,75 • Н - 11,1-11,5; S - 1,05-4,10 (в том чьел
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Таблица 1
- . . Ю1Ч1Ж-БВД*АК5ЛШ-АДО\ ЮЖНЫЙ КУМ
( а чнслигсяе-тмйгеизе гх^йк лра от и до, ,
о яааевккело-средп« знгташе)
.4 О Платность ксфткг/см1 Б0ЦШ1. В стандарт. Уоокя ДиНШЯ-ческ&я азгость, сп. На ПС9-ТН В станд. Услоп. 40° Температура з&стыза-юи,°С Начало кнпснля,- "С Содержание светлых фрЕихий в % от объема при температур« Содержание, % пообъСыу Примечание
100"С 200й С зоо"с асфальт СУОЛ шесл Параф. ссры
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14
• • 1у1естсро:хденкекичик-еель -о-__-_______i горизонт
1 0,»ЙМ),959 4893 ШЗ тя 0.3-0.73 2.59-г.61 257.5-78.7 2Л2ЛЗ иш П-7
0.942 +14 118 0,40 5,01 17,59 3,60 2930 67Д0 6,6 З.М
ОЙИ +20 по 3.7 15,1 2,73 23.48 68,79 8,8 3.7
11 горизонт
? шш <т аыа !ШЛ2 1ШД 1/4-9.57 Я2Ни 2.01-9.03 П-73
15 139,0 0,13 зд 17.5 0Д1 38.42 53,87 4,85 4.59
и® г +12 т : ш 1Ш ш ■1Ш ил АМ ш ■ Со.33 1218-1230
Мсстгга^^игд
1 ^У^^Га „ ^^
3 шш ¿¿2 зш 9,15:1.25 0.13-20.3 ШИ2 3.54-?4.89 1МНЧ.7 51,0-77,75 ¿¿мл 0.94-5.<5 П-17
0252 1&2 13 1 124 0.17 7.0 19.77 5.48 29.7 64.33. 15 3.62
даа^ЙС 145 - 4.8 14.77 3.67 18.5? 77.75 8.07 367
¿&4 19 •
II ге.чггагт
4 мадш- .шмли &ЗЛ 98-199 МЬЗД 9.4-21.96 1ЙД54 53.49-72-47 ¿СЫи 1йЬ£5 11-19
г 0.964 510.» :о 170 2.32 13.Х6 4.64 3023 • 65.13 5.72 ■'.75 Со. 22
0.М1 579.4 . \б 183 1.52 ИЛ 5.11 2011 64.78 6.51 л 59 (>022-1027)
Меядрсид«!. ■г ЮжтмЯ п-<
¡Иг» геитаи
3 ту ■• ы ана ; - ааыш хиътз СЗ,75-57,57
!Ш7 ■ и? 10.21 им 65.43 5.39 3.51
«я
сульфидной 0,75-3,15). Плотность - 0,8672. Температура начала'кипения 118-120°С.
По углеводородному составу преобладают . нафтеновые, затем ароматические (35,39 %) н парафиновые (21,1 %) углеводороды.
В качестве эмульгаторов в работе использованы следующие продукты:
• Нефтяные сульфохислоты н их соли полученные сульфированием доб!ггумной широкой фракции. Элементный состав нефтяных сульфокислот следующий: С-51 %; Н-5,9 %; О - 15,3 %;' На - 7,3 %. Химическая формула СцНцОз^а. "
в Гудрон растительных масел (ГРМ) представляет собой кубовый остаток дистилляция ниряых кислот в является однородной, вязкой жидкостью темно-коричневого цвета с характерным запахом. В его составе имеются стеарины, слсетше зф'яры, госсшюл п другие углеадародные и азотсодержащие соединения. Плотность - 0,9-0,95 г/см1, вязкость при 50°С 6570 С ст, кислотное число 30-80 ыт КОН/г, содержание кислот и окснкислот 3065%;
• Щелочной смыв (щелок) получаемый при производстве мыла из растительных масел в процессе омыления аенроз едкими щелочами. Состав: жирные кислоты - до 1 %; ЫаОН - 0,5 %; Ка2НССЬ - 0,05 %. рН-10;
• Сапстоковое мыло получают при обработке растительных масел щелочами. Растворяется в воде н снижает поверхностное натяжение;
» Кубовый остаток монозтаиоламшювой очистки аммиака (МЭА) представляет собой жидкость коричневого цвета с запахом аммиака, плотностью 1,05-1,1 г/см3. Состав МЭА включает, мас.%: смолистые вещества продукта полимеризации мокеэтаноламкна - 60-65 %; муровьиную кислоту и другие включения - 5-15 %; Еоду - 25-30%;
• Французский эмульгатор ДИНОРАМ С (Ы-гсирпрогилендиамин).
Исследование влияние природы сырья и процесса окисления иа состав н свойства тяжелой остаточной часты нефти
/ В качестве объекта исследования была взята нефть Кичик-Бель со следующей характеристикой: <1*°- 0,9715, содержание парафина - 6,09, серы -5,64, азота-0,41%, кокса - 6,94.
Структурно-групповой состав нефти Кичик-Бель приведен на рис.\
10 30 50 70 §0 • 100
0
/ .
10
20 I См ^СнП - Са Ш
30
40 Углеводороды кипящие
выше 500 °С - 28,9 %
50 53,5%
60 70 80 90 100
Смолы-39,6.%
93,1/4
Асфальтены 6,9 %
350°С 500' С
РнсЛ.Струстурно-группоБой состав нефти Кячих-Бель. •
С11 Си» См . - процент углерода соответственно в гронзтнчгегкх, иафтеаовкх щаспах,
пергфнновых углеводородах и боковых ппклпческих соеданениях.
В 1-Ж-спектрг нефти Кнчик-Бель заметны интенсивные поглощения парафиновых углеводородов с дликоцепочным строением молекул (720 см"1) и нафтено-ароматических структур (745, 845 И:875 см"1). Полоса поглощения мягкой аромашки (700 см'1) очень слабая, однако отчетливо видны соединения поли циклической ароматгаси в области 750 и 1610 см"1. Заметно поглощение СО групп 41710 см"1), интенсивна также полоса поглощения сернистых соединений (1035 см'1).
С целью выяснения влияния глубины фракции на состав тяжелой остаточной части нефти Ккник-Бель (углеводороды; смолы, асфальтены), изучались их свойства в процессе прямой атмосфсрво-взхуумной перегонки (ркс. 2).
1 2 3
53,5 • 45,0 37,9
41,5
38,0
39,6
20,3
16,3
6,9
б
в
РксД. ГрупаоаоЗ состгз шзута в гугрот аз софта Кмчкх-Бель 1 - всфтъ Кпчик-Беяь; 2 - ыгзуг, З-гуДрон, а - углегодороды; б-смолы; в -Есфаяътмш
Из рис. 2 видно, что при переходе от пефта к мазуту а гудрону с уменьшением содержания углеводородов резко возрастает содержание асфальтенов. Количество смол с углублением отбора фракции практически не меняется. .
В продолжении был проведен анализ характера изменещм высокомолекулярных веществ нефти Ккчкк-Бель и получения га них окисленного • битума во технологическому процессу, осуществляемому на Колхозобадсхом НПЗ.
Данные, характеризующие изменение группового состава мазута и гудрона нефти Кичик-Бель в процессе окисления, приведены п табл. 2.
ТбЗлзша 2.
Изменение группового состипа при окислении проду!стоз ' переработки (мазута п гудрона) пефтп 1*ппш;-Бель
Продукт Тегягерзтура "с Содержани:,%. Кгалстчое «шсяо, КСИ'ЮСг Пгргфин, %
УВ С А Кербепа и мгхпрпметд
Магут ЗбЭ'С ' 34 45,0 35,0 16.8 0.2 3.3 4.7
БН-2 43 ■ .43.5 32.1 24.1 0.3 ' 2.0 ■ 4.6
БН 3 52 41.6 31.0 27.0 0.4 1.5 4.5
БН-4 - 38.7 27.7 31.2 0.4 1.1 4.5
БН-5 73 33.1 23.0 38.5 0.4 03 4.4
ГУдрсн 500"С ■15 37.9 41.0 20.3 03 14 ■ 3.9'
БН-2 " 47 37.2 37.1 25.3 0.4 1.3 3.8
• БН-З 58 36.8 32.2 30 2 ° 0.4 0.7 З.б
ГЬ табл. 2 видно, что при окислении мазута наряду с уменьшением содержания углеводородов я смол, возрастает содержание асфальтенов.
Прн окислешш уменьшаются кислотные активные полярные группы, что свидетельствует о протекании таких реакций, как зтернфикзция я декарбоксилированде, сопровождающиеся выделением поды п углекислоты, и установлением кислородных мостнкоз в молекулах смол И асфальтеноз. С углублением процесса окисления содержание твердого ппрафнна уменьшается незначительно. „
Как видно из проведенных исследований, высокосмоянстые высокосернистые нефти Кичик-Беяь являются приемлемым сырьем для получения окисленных бптумов.
Получение дорегогьгк битумов аз тжкелых высокосмолпстых нефтей Кпчик-Б&яь. Технологический процесс производства должен обеспечивать полуненн? дорожных битумов, соответствующих третьему тшту (по А.С. КолбаиовсгссГ
Битума Щ типа характеризуются наличием предела текучести, эластичных свойств когезни и деформатавной устойчивостью. В упруго вязком состоянии они оуладают достаточно высокой теплоустойчивостью.
' Битумы Ш типа обладают промежуточными ссойствами и их получают ишпаувдирошшем uepeciairaeiniux с гудроном легких смолистых нефтей, с масляными дистиллятам*: и другими разжижателями.'
Так, npir добавлении догудроновой фракции нефти Кичик-Бель в количестве 43/о б БН-2,'мо::ага получить битум со следующим составом: УБ-47-43 с/с, С-30-31 %, А-22-23 %. А при смешивании Б-5 с нефтью Кичик-Бель при соотношении 1:1 получают битумы с составом : УВ-45-46 %, C-3I-32 %, А-22-23%.
Полученный тздрш образом битум не всегда- удовлетворяет требованиям по всем показателям.качества.'В таких случаях довести битум до требуемого качества можно, смешивая битум с нефтепродуктом, ГРМ я т.д.
Сыс теина нефтепродуктов н окисленных битумов позволяет регулировать состав смеет, понизить содержание асфальтенов, температуру размягчения, хрупкости и его эмульгирующую способность..
Дл2 расширения- выпуска качественных .разаовкекных битумов исследовалось влияние ДШФВН" Кичик-Бель на структуру, реологические свойства н строение битума. ;
Исследован!« по определению влияния 2,5-10 ' % ' ДШФВН па. реологические свойства битума проводились в области температур 40-70°С на приборе «Реотесг - 2».
В таблице 3 приведены реологические параметры б!пума без ДШФВН н с его добавлением. •
' Таблица 3.
Реологические свойства битума без ДШФВН и с её добавлениями
№ j i Наименование исследуемого объекта Температура, 6С Предельное динамическое цапряжение едзвга, н/м2 ' То Динамическая шпкостъ, ы с/>Г Л
Битум (битум+2,5% ДШФВН после 10 дневного нахождения под солнцем при температуре 70°С) 45 50 60 70 145,0 (135,0) 64,0 (65,0) 26,0 (65,0) 14,0 (10,0) 123,0 (113,0) 453 (43,3) 12,8(15,1) 5,1 (3,1) J
Битум + 2,5 % (5%) 10% ДШФВН
45: 24 (20) 16 • б 6,6(35,2)
50 14(10) 7 13,7
60 3(7) 3 21,7(13,5)
5,4
7,3 (4,6) 2,4
Как видно пз табл. 3, при температуре 45°С динамическал вязкость составляет 123,0 н'"с/м2. При те?шератург 70"'С вязкость сяпгоегм в 25 раз.
При добавлении 2,5-10 % ДШФЗН дшгг-мическоя 1'чзкость и динамичгское напряжение сдвига снижается при 45°С в 2-10 ра?.. Псвышеш.-е" температуры до 70°С приводит к исчезновению предельного динамического напряжения сдвига и снижению динамической вязкост!! з 30-70 раз.
Тахим образом, проведенные исследования показывают, что присутствие "ДШФВН з биту».« снижает его дннамотеское напряжение сдвига и вязкости. Это обеспечивает обволакивание минерального материала без нагрева или при слабом подогреве н, в результате, дает возможность достаточно хорошо смачивать тонким слоем битума поверхность минерального материала и зтрошпенуть з его поры.
Исследование ИК-спе/ороз продуктов окисления ДШФВН показывает, что сульфиды, содержащиеся в нем, окисляются с разрывом связи С-З и образованием непредельных связей и структур, содержащих группы >БО, >502,-0-502-0, -ОН,>СО. Окисление под действием солнечной радиации и кислорода воздуха сопровождается интенсивным накоплением высокомолекулярных ' продуктов.' Эта • продукты ■• окисления (сернистые соединения) обогащают битум высокомолекулярными кислотами и другими серо - и кислородсодержащими труппами. Они, в свою очередь, вступают в химическое взаимодействие с катионами тяжелых и щелочноземельных металлов на поверхности минерального материала, в результате чего образуются нерастворимые поверхностные соединения типа сульфонал»:
Следовательно, образовавшиеся новые хемосорбцпонные соединения на поверхности раздела обеспечивают прочную связь битума с минеральными материалами.
Актагвдая битумов пз иефти Кпчнк-Бель яислорастсорнмы.м ПАВ.
Нги:;ог гаспотиос число и высокое содержание твердых парафинов в битумах» полученных ю кгфти Кичик-Бгль, иг дают хорошие показатели сцепления с поверхac.cr-.t0 каменного' материала. Поэтому возникает необходимость, гфомг р;ижн;;<аяня данных битумов, их активировать.
Для улучшения сцепления нкактиЕных битумов с поверхностью камгшшх материалов,' ускорена процесса формирования покрытий, а также облегчения образовать эмульсий при змульпгровлнии битума с качестве ПАВ использовал ГРМ.
В таблице 4 даны показатели ецгплгння инактивного битума, з который были Еседсиы разл