Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса получения резинобитумных композиций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Забавников, Михаил Владимирович

• Забавников, Михаил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Забавников, Михаил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ ПРОИЗВОДСТВА РЕЗИНОБИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ.

1.1 Характеристика нефтяных битумов как объекта модификации.

1.2 Полимерные материалы, применяющиеся для модификации нефтяных битумов.

1.2.1 Физико-химические процессы, протекающие при модификации нефтяного битума полимерными материалами.

1.2.2 Обзор технологического оборудования для модификации нефтяных битумов полимерными материалами.

1.3 Переработка изношенных шин как комплексное решение проблем экологии и повышения качества дорожных покрытий.

1.3.1 Физико-химические процессы, протекающие при модификации нефтяного битума резиновой крошкой.

1.3.2 Обзор технологического оборудования для модификации нефтяных битумов резиновой крошкой.

1.4 Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗИНОБИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ ИЗ ИЗНОШЕННЫХ ШИН.

2.1 Экспериментальная установка для получения резинобитумных композиций из резиновой крошки.

2.2 Исследование влияния фракционного состава, скорости вращения рабочих лопастей и времени смешения на физико-механические показатели резинобитумной композиции.

2.3 Исследование процесса набухания резиновой крошки в нефтяном дорожном битуме.

2.3.1 Набухание резиновой крошки из изношенных шин в нефтяном битуме в статическом режиме.

2.3.2 Исследование процесса набухания резиновой крошки в смесителе периодического действия.

2.4 Исследование процесса деструкции резиновой крошки в нефтяном битуме.

2.4.1 Термическая деструкция резиновой крошки в нефтяном битуме.

2.4.2 Исследование процесса деструкции резиновой крошки в нефтяном битуме в смесителе периодического действия.

2.5 Выводы из главы 2 69 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА МОДИФИКАЦИИ НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ ПРОДУКТАМИ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗНОШЕННЫХ ШИН.

3.1 Экспериментальная установка для исследования непрерывного процесса получения резинобитумных композиций.

3.2 Исследование влияния геометрии рабочих органов смесителя непрерывного действия на качество получаемой резинобитумной композиции. ф 3.3 Исследование влияния технологических параметров непрерывного процесса модификации нефтяного битума на физико-механические показатели резинобитумной композиции.

3.4 Исследование влияния стадии предварительного набухания резиновой крошки в битуме на физико-механические показатели композиции.

3.5 Исследование коэффициента неоднородности резинобитумной композиции, получаемой по непрерывной схеме. ф 3.6 Исследование процесса расслоения резинобитумной композиции. 96 3.7 Выводы из главы 3.

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗИНОБИТУМНОЙ КОМПОЗИЦИИ.

4.1 Диффузионная модель смесителя непрерывного действия.

4.2 Определение значения коэффициента продольного перемешивания в зависимости от скорости вращения рабочих органов.

4.3 Проверка адекватности математической модели.

4.4 Определение технологической мощности процесса получения резинобитумной композиции.

4.5 Определение реологических характеристик резинобитумной композиции.

4.6 Методика расчета длины и технологической мощности смесителя для получения резинобитумных композиций с заданными физикомеханическими показателями.

4.7 Выводы из гла.вы 4.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Технологическая схема производства резинобитумной композиции непрерывным способом.

5.2 Технико-экономическое обоснование непрерывного процесса производства резинобитумной композиции.

5.3 Исследование качественных показателей асфальтобетонов, полученных на основе резинобитумных композиций.

5.4 Выводы из главы 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса получения резинобитумных композиций»

В настоящее время проблеме поиска эффективного пути утилизации твердых бытовых отходов из полимерных материалов, в том числе и резинотехнических, уделяется все большее внимание. Проблема утилизации резиносодержащих отходов и, в частности, изношенных автомобильных шин (т.к. их накопление остается одной из важнейших экологических проблем) остается актуальной, несмотря на совершенствование технологии производства новых изделий и их вторичной переработки. Складирование и захоронение отходов полимеров экономически не эффективно и экологически не безопасно, т. к. при длительном хранении они могут выделять в окружающую среду вещества, способные привести к нарушению экологического равновесия. К моменту утраты автомобильными шинами эксплуатационных качеств собственно полимерный материал претерпевает весьма незначительные структурные изменения, что обуславливает возможность их вторичной переработки.

Наиболее перспективным представляются виды переработки отходов резиновых изделий, связанные с их измельчением, т.к. химические методы, такие как пиролиз и сжигание приводят к необратимой деградации полимерной основы материала. В процессе измельчения изношенных автомобильных шин основным продуктом помимо металлического и текстильного корда является резиновая крошка различных фракций. Вопрос

0 наилучшем применении резиновой крошки, проявляющего все ее технико-эксплуатационные свойства, до сих пор остается не решенным.

В мире уделяется большое внимание качеству строительных материалов. Требования к ним непрерывно ужесточаются. Нефтяной битум, используемый в строительной и дорожной индустрии, занимает немалый сектор строительных материалов. Он применяется в производстве кровельных материалов, паст, мастик, вяжущего для дорожного строительства и т.д. От физико-механических характеристик нефтяного

1 Автор выражает глубокую благодарность к-ту техн. наук, доценту Маликову Олегу Георгиевичу за научные консультации в области исследования непрерывных технологий переработки полимеров битума напрямую зависят качественные показатели строительных материалов на его основе. Поэтому улучшение характеристик нефтяного битума является важной и актуальной задачей промышленности строительных материалов. Одним из путей решения данной проблемы может стать использование продуктов переработки изношенных шин при производстве резинобитумных композиций, в том числе битумных вяжущих для дорожного строительства, где резиновая крошка может использоваться в качестве модификатора нефтяного дорожного битума, что позволяет увеличить срок службы дорожного покрытия. Долговечность асфальтобетонных покрытий значительно ниже нормативных сроков. Степень усталостного разрушения покрытия во многом определяется прочностными, деформационными и усталостными свойствами асфальтового покрытия, зависящими, прежде всего, от свойств вяжущего, так как микротрещины развиваются преимущественно в его пленке. Причиной, снижающей нормативный срок службы асфальтобетонных покрытий, является несоответствие свойств органических вяжущих с условиями работы асфальтобетонных покрытий при высоких и отрицательных температурах. Основным фактором, влияющим на резкое снижение сроков службы дорожных покрытий, является применение в асфальтобетонных смесях в качестве вяжущего битума низкого качества. Способы улучшения отдельных свойств покрытий, обуславливающих их долговечность, различны. Однако, положительного воздействия на долговечность асфальтового покрытия в целом можно достичь, если для приготовления асфальтовых покрытий использовать вяжущее с меньшей теплочувствительностью, более широким интервалом упруго-вязко-пластичного состояния, с более высокими когезионными и вязкостными показателями при положительных температурах, и с высокой эластичностью при низких, что достигается введением в их состав полимерных модификаторов, в том числе и резиновой крошки. При этом свойства органических вяжущих на основе нефтяного битума существенно улучшаются.

Технология получения резинобитумного вяжущего предусматривает использование резиновой крошки, полученной путем механического дробления изношенных автомобильных шин при нормальных температурах или в процессе восстановления протектора автомобильных шин при его шероховке. Затем эта крошка может быть использована в качестве модификатора нефтяного дорожного битума, что позволит увеличить срок службы дорожного покрытия. В данной работе разработан одностадийный технологический процесс модификации битума резиновой крошкой в смесителе непрерывного действия, конечной стадией которого является получение качественной резинобитумной композиции для дорожных покрытий, т.е. материала наиболее предпочтительного для широкого применения в дорожном строительстве по сравнению с используемыми в настоящее время. Выполненная работа направлена на совершенствование процесса получения резинобитумных композиций (РБК), используемых при изготовлении асфальтобетонных покрытий, путем модификации нефтяных дорожных битумов резиновой крошкой (РК), полученной в результате утилизации изношенных автомобильных шин. Это позволит не только улучшить качественные эксплуатационные характеристики нефтяных битумов, но и продвинуться в решении экологического вопроса, связанного с переработкой изношенных шин. В настоящее время в промышленности большинство технологических процессов, направленных на получение полимерных композиций на основе битума, в том числе и резинобитумных, осуществляется в основном по периодической схеме, не позволяющей в полном объеме использовать все технологические и физико-механические свойства модификаторов битума. Особенно остро этот вопрос стоит в дорожном строительстве, где нефтяные битумы, в том числе и модифицированные полимерами, используются как связующие при производстве асфальтобетона. Этим процессам присущи следующие основные недостатки: нестабильность физико-механических показателей получаемых смесей в разных партиях вследствие недостаточно полного исследования влияния параметров процесса на качество получаемой композиции; высокая метало - и энергоемкость; невозможность полной механизации и автоматизации процесса; высокая пожаро- и взрывоопасность; невозможность создания экологически чистых производств. Переход на новые прогрессивные технологии позволит устранить многие из этих недостатков, достигнув при этом высокого качества модифицированных битумов.

Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (код 201. Производственные технологии), 2001-2004 гг.

Целью работы является: исследование кинетики и аппаратурно-технологическое оформление непрерывного процесса получения резинобитумных композиций для дорожных покрытий на основе резиновой крошки, образующейся при утилизации изношенных шин. В соответствии с этим в данной работе поставлены и решены следующие задачи:

• проведен анализ современного состояния способов модификации нефтяных битумов полимерами и направлений совершенствования технологического оборудования;

• исследована кинетика процесса получения резинобитумных композиций на основе резиновой крошки из изношенных шин и предложены пути интенсификации процесса и повышения качества композиции;

• разработана экспериментальная установка, реализующая непрерывную технологию получения резинобитумной композиции, и исследовано влияние режимных переменных и технологических параметров на качество композиции;

• разработаны новые рабочие органы смесителя непрерывного действия, позволяющие существенно повысить интенсивность диспергирования резиновой крошки и качество получаемых композиций;

• предложена математическая модель процесса смешения резинобитумных композиций и диспергирования резиновой крошки в двухшнековых смесителях непрерывного действия, проверена ее параметрическая идентификация и проведена ее адекватность физическому процессу в смесителях;

• разработана методика расчета конструктивных и энергосиловых параметров смесителя непрерывного действия для получения резинобитумных композиций;

• проведена проверка качества асфальтобетонных дорожных покрытий, произведенных на основе получаемых резинобитумных композиций, и подтверждена эффективность предлагаемой непрерывной технологии получения РБК по сравнению с аналогами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально изучена кинетика и механизмы процессов набухания и деструкции резиновой крошки из изношенных шин в нефтяном битуме;

- предложен способ получения резинобитумных композиций по непрерывной схеме на базе двухшнекового смесителя;

- экспериментально изучена гидродинамика потоков в смесителе и процесс диспергирования резиновой крошки и предложены новые рабочие органы двухшнекового смесителя - конические насадки, - позволяющие интенсифицировать процесс и повысить качество резинобитумной композиции (получен патент РФ № 2247654);

- предложена математическая модель процесса смешения резинобитумных композиций в двухшнековых смесителях непрерывного действия, позволяющая рассчитывать конструктивные параметры смесителя.

Практическая ценность. Разработана экспериментальная установка -двухшнековый смеситель непрерывного действия со сменными рабочими органами, - позволяющая определять влияние технологических и конструктивных параметров на качество получаемой резинобитумной композиции. Предложена компоновка рабочих органов двухшнекового смесителя для непрерывного процесса модификации нефтяного битума, позволяющая интенсифицировать процесс диспергирования резиновой крошки в смесителе и повысить эффективность получения резинобитумной композиции. Предложена методика расчета смесителя непрерывного действия для производства РБК на основе РК из изношенных шин при условии обеспечения заданного качества смешения и мощности, затрачиваемой на смешение. Предложена непрерывная технологическая схема производства резинобитумной композиции на основе резиновой крошки из изношенных шин, позволяющая интенсифицировать процесс изготовления резинобитумных композиций и повысить их качество, что приводит к возрастанию прочности асфальтобетона на 15-20 %, повышению трещиностойкости на 25 % и морозостойкости на 15 %.

Рекомендации по конструированию и расчету энергосиловых характеристик основного технологического оборудования при производстве резинобитумной композиции непрерывным способом приняты к использованию в ОАО «НИИРТмаш» (г. Тамбов); Государственным учреждением «Дирекция строящихся автомобильных дорог» (г. Тамбов) рекомендованы к использованию разработанные технология модификации нефтяного дорожного битума резиновой крошкой и технологическое оборудование, которое внедрено в производственный цикл ОАО «Агропромдорстрой» (г. Тамбов). Результаты работы используются при подготовке студентов в ТГТУ (г. Тамбов) по специальности 261201 и магистрантов по программе 150400.26 и внедрены в МУП «МККУ» (г. Мичуринск).

Объём работы. Диссертация, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 104 источника, и 2 приложений. Содержание диссертации изложено на 149 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков, 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Забавников, Михаил Владимирович

Результаты работы внедрены в ОАО «НИИРТмаш» (г. Тамбов), ОАО «Агропромдорстрой» ( г. Тамбов), МУП МККУ (г. Мичуринск), в учебный процесс ТГТУ (г. Тамбов).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Забавников, Михаил Владимирович, 2005 год

1. Пащенко A.A., Сербии В.П., Старчевская Е.А. Вяжущие материалы. -К.: Вища школа, 1985. 440 с.

2. Розенталь Д.А., Куценко В.И., Мирошников Е.П. Модификация битумов полимерными добавками // Строительные материалы, 1995. №9. С. 23-25.

3. Рудакова Н.Я. и др. Нефтепереработка и нефтехимия. М. : ЦНИИТЭнефтехим, 1978, №6. - 38 с.

4. Грудников И. Б. Производство нефтяных битумов. М.: Химия, 1983. — 192 с.

5. Ахметова P.C. и др. Современное состояние производства и пути повышения качества битумов различного назначения. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1979, №6. - 28 с.

6. Wiad. naft, 1975, №12, р.268

7. Drogowuictwo, 1977, 32, № 6, р.475

8. Rev. gen. routes et aerodr. 1977, 51, № 516, p.37

9. Кац Б.И., Глотова H.A. Применение стабилизирующих добавок для улучшения качества тугоплавких битумов. / Полимерные строительные материалы. Сб.трудов. М.: Из-во ВНИиПКИПСМ. 1980. С. 94-99

10. Рыбьев А.И. Асфальтовые бетоны. -М.: Высшая школа. 1969. -256 с.

11. Улучшение качества асфальтобетона модификацией битума добавкой дивинилового эластомера. / Микрин В.И., Богуславский А. М., Лаврухин В.П.// Автомобильные дороги. 1979, №11. С.25-26.

12. Плотникова И.А. Исследование битумно-резиновых дисперсии как вяжущего материала для дорожных работ. М., «Химия», 1961. - 345 с.

13. Рогова Т.М., Кондратьева А.Н., Григорьева JI.A., Куценко В.И. Модификация битумных смесей термоэластопластами разветвленного строения // Строительные материалы. 1986. - №12. - С. 23.

14. Ф.Г. Унгер и др. Пилюля от раковой опухоли битума // Автомобильные дороги. 1998, №11. С.22-23.

15. Liu K.K.Y., Paroli R.M., Smith T.L. Formation de boursouflures dans les couvertures en bitumen élastomere SBS // Conseil national de recherches du Canada. Solution constructive. 2000, № 38. P. 1-4

16. Enrobés spéciaux pour renforcer et entretenir les autoroutes // Revu générale des routes et des aérodromes. 1991, № 681. P. 54-56.

17. Entretien des chaussées de cimen. // Revu générale des routes et des aérodromes. 1987, № 643. P. 25-28.

18. Дияров И. H., Фахрутдинов P.3., Кемалов А.Ф. Регулирование свойств окисленных битумов введением сополимера этилена с венил -осцетатом. Нефть и газ. Известия ВУЗов. 1997, № 6. С. 167.

19. Сурмели Д. Д., Красновская О. А., Мизонова В. И., Пискарев В. А. / Влияние вида резины на параметры производства и качество резинобитумных материалов. // Строительные материалы. 1976, №5. С.21-22.

20. Кондратьева А.Н. Термоэластопласты. М.: Химия, 1985. - 260с.

21. Битумное вяжущее для изготовления кровельной горячей мастики, модифицированное атактическим полипропиленом. А.В. Братчиков, Г.С. Шифрис, Х.В.Шарафиев // Строительные материалы, 1983, №3. С.23

22. Эксплуатационные свойства кровельных модифицированных битумов. Поваляев М.И., Михайлова O.K., Шнейдерова В.В. Строительные материалы. 1976, №8. С. 30-31

23. Метод количественной оценки эксплуатационной надежности полимербитумных материалов. Ладыженская Л.Л., Кисина A.M., Куценко В.И., Мирошников Е.П., Масленников В.Г. Строительные материалы. 1995, №12. С. 7-8

24. Метод количественной оценки эксплуатационной надежности полимербитумных материалов.А.Н. Паукку и др. Строительные материалы. 1988, №11. С.4-5

25. Полимерно-дегтебитумная пленка с высокими эксплуатационными показателями. Жаббаров У.Р., Провинтеев И.В. Строительные материалы. 1974, №6. С.16-17

26. Мировая практика применения дорожно-строительных материалов, содержащих в своем составе продукты утилизации изношенных шин: Материалы всемирного форума «Asphalt-Rubber 2003», Бразилия, г. Сан-Пауло, 2003.-54 с.

27. Бородин К.А. О мировом опыте использования асфальтов с резиновой крошкой. Проблемы экологии и ресурсосбережения при переработке и восстановлении изношенных шин: 7-я междун. науч.-практич. конф. М.: 2004. С.14-15

28. Bruno Turenne. L'intégrqtion de podrette de pneus dqns les bitu,es routiers. // Routes et Transports. 2000.V.30. №1. P.24-27

29. Глин Холлеран, и др. Современные технологии содержания дорожных покрытий. Дорожная техника. 2005, №1. С. 18 28.

30. Применение автоматизированной системы морфологического анализа при исследованиях полимербитумных материалов. А.Н. Пауку, В.А. Овчинников и др. Строительные материалы. 1990, №7. С.21-22

31. IRF: материалы междун. конф. Париж, 2001. 24с.

32. Поздняева Л.В. Нефтеполимерная смола в качестве модификаторанефтяного дорожного битума. Строительные материалы. 2003, №5. С. 17-18.

33. Баранова Е.М. Асфальтобетон на фототермоокисленных битумах и полимер-битумных вяжущих. Автореферат . к.т.н. Ростов-на-Дону. 1995г.

34. Future of reclaim rests in rubberized asphalt. // Rubber and plastics News. 1981. 10. №23. P.16-17

35. Сунгатова 3.0. Модификация нефтяных битумов эластомерами Автореф.к.т.н. Казань 1999г.

36. Деструкция каучукового вещества при производстве регенерата. / А.Д. Зайончковский, Г.В. Ливый // Каучук и резина 1968 , №4. С.34-36

37. Лаврухин В.П. и др. Способ приготовления битум каучукового вяжущего. -Инф. листок / РИО Воронежского ЦНТИ, №379-81, 1981. С 27-32

38. Андриади Ю.Г. Комплексно модифицированное полимерно-битумное вяжущее для верхних слоев асфальтобетонных покрытий. Автореферат . к.т.н. Ростов-на-Дону. 1999г.

39. Установка для изготовления битумно-резиновых мастик // Строительные материалы 1974, №3. С. 12-13

40. Фукс Г.И. Коллоидная химия нефти и нефтепродуктов. — М.: Знание, 1984. —64 с.

41. Влияние совместимости битума с каучуками на свойства битумно-полимерных композиций / В.А. Пискарев, Н.Л. Сироткина и др. Полимерные строительные материалы. Сб.тр. Вып. 53. -М.: Изд-во ВНИиПКИПСМ, 1980. С 85-93.

42. Применение стабилизирующих добавок для улучшения качества тугоплавких битумов / Кац Б.И., Глотова H.A. Полимерные строительные материалы. Сб.тр. Вып. 53. -М.: Изд-во ВНИиПКИПСМ, 1980. С 94-99.

43. Кошелев Ф.Ф., Корнев А.Е., Климов Н.С. Общая технология резины.М.: Химия, 1968 г.-560с.

44. Спектор Э.М., Мамадалиев А., Пфлаумер О.Э. Свойства битумно-полимерной проклеивающей мастики с модифицирующей добавкой. Строительные материалы. 1986, №7. С. 12-14

45. Долгов А.Н., Лаврухин В.П. Использование в строительстве битумов, улучшенных отходами каучукового производства. Строительные материалы. 1971, №2. С.20-21

46. Порадек С.В. Как получить высокое качество ПБВ и КОВ при модификации битума полимерами. Автомобильные дороги. Информационный сборник. М. 1997, №4. С.29-38

47. Применение автоматизированной системы морфологического анализа при исследованиях полимербитумных материалов / Пауку А.Н., Овчинников В.А. и др. Строительные материалы. 1990, №7. С. 21-22.

48. Кац Б.И., Глотова H.A. Модификация битумов строительного назначения Полимерные строительные материалы. Сб.тр. Вып. 54. -М.: Изд-во ВНИиПКИПСМ, 1981. С 78-96.

49. Жабаров У.Р., Провинтеев И.В. Полимерно-дегтебитумная пленка с высокими эксплуотационными показателями. Строительные материалы. 1974, №11. С. 16-17

50. Модификация битума высоковязкими полимерами / Бикерт П., Порт К., Роберс В. Строительные материалы. 1997, №12. С.22-23.

51. Вайсман А.Ф., Товкес И.Н., Маркова И.И. Устойчивость битумно-полимерных композиций к старению под действием повышенной температуры и кислорода воздуха. Строительные материалы. 1997, №12. С.26-27

52. Кровельный материал атаклон с битумно-полимерным вяжущим. H.A. Генслицкая и др. Строительные материалы. 1984, №3. С. 20-21

53. Андронов С.Г. Современные кровельно-гидроизоляционные материалы. // Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века. 2001, №2. С.2157.60,61,62,63,64,65