Модификаторы полифункционального действия для получения окисленных дорожных битумов с улучшенными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.13, кандидат технических наук Петров, Сергей Михайлович

• Петров, Сергей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Сергей Михайлович

Введение

ГЛАВА 1 Научные и прикладные основы производства и 9 модификации нефтяных битумов (аналитический обзор)

1 • 1 Состава и строения остаточного нефтяного сырья

1.2 Особенности строения нефтяной дисперсной системы в 15 тяжелых нефтяных остатках

1.3 Способы получения нефтяных битумов

1.3.1 Технология окисления остаточного нефтяного сырья

1.3.2 Химизм окисления тяжёлых нефтяных остатков

1.3.3 Интенсификация процесса получения окисленных битумов

1.4 Взаимосвязь качественных показателей нефтяных битумов 34 с их составом и структурой

1.4.1 Влияние парафиновых углеродов на эксплуатационные 38 свойства битумов

1.5 Предпосылки разработки модифицированных битумов 40 дорожного назначения

1.5.1 Модификация битума поверхностно активными веществами

1.5.2 Модификация нефтяного битума полимерными 45 соединениями

ГЛАВА 2 Объекты и методы исследований

2.1 Объекты исследований

2.2 Стандартные и инструментальные методы исследований 55 2.2.1 Инструментальные методы исследований

2.2.1.1 Метод адсорбционно-жидкостной хроматографии

2.2.1.2 Метод инфракрасной спектроскопии

2.2.1.3 Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса

2.2.1.4 Электронная микроскопия

2.2.1.5 Импульсный ядерный магнитный резонанс

2.3 Стандартные методы исследований 58 2.3.1 Лабораторная установка получения окисленных битумов

2.3.2.

2.3.2.

2.3.2.

2.3.2.

2.3.2.5 2.3.2.

ГЛАВА

3.5 3.5.

3.5.2.

Исследование физико-химических свойств битумов

Метод определения глубины проникания иглы

Метод определения температуры размягчения

Метод определения растяжимости

Метод определения температуры хрупкости по Фраасу 60 Метод определения изменения массы после прогрева

Методы определения сцепления битума с мрамором и песком 60 Исследование физико-механических свойств асфальтобетонных смесей

Научно прикладные основы процесса окисления активированного остаточного нефтяного сырья Пригодность сырья для производства окисленных битумов 61 Изучение закономерностей получения окисленных битумов на 62 основе активированного гудрона

Адсорбционно-жидкостная хроматография для изучения 72 окисления активированного и неактивированного гудрона Применение ИК-спектроскопии для изучения строения 76 продуктов окисления активированного гудрона Исследования окисления гудрона с помощью импульсного ядерно-магнитного резонанса Определение твёрдых парафиновых углеводородов в тяжёлом нефтяном остатке и продуктах его окисления методом импульсного ЯМР

Изучение закономерностей реологических свойств и группового состава окисленных гудронов

Определение взаимосвязи параметров ядерного магнитного резонанса с динамической вязкостью окисленных гудронов

Изучение взаимных превращений компонентов активирующей добавки в условиях модификации остаточного нефтяного сырья

Окисление остаточного нефтяного сырья с участием сополимера этилена с винилацетатом

3.7.1 Модификация гудрона сополимером этилена с 105 винилацетатом

3.7.2 Окисление гудрона модифицированного сополимером 109 этилена с винилацетатом

3.8 Оценка эффективности окисления активированного и 116 модифицированного остаточного нефтяного сырья

3.9 Исследование физико-химических свойств окисленных 119 битумов

3.10 Исследование физико-механических свойств асфальтобетонных 122 смесей на основе окисленыых битумов

ГЛАВА 4 Разработка модификаторов для битумов дорожного назначения

4.1 Влияние компонентов активирующий добавок на 124 групповой состав и физико-химические свойства битума

4.2 Влияния сополимеров этилена с винилацетатом на физико- 130 химические свойства битума

4.3 Разработка полифункционального модификатора 137 на основе активирующей добавки и сополимера этилена с винилацетатом

4.4 Исследование физико-механические свойства 145 асфальтобетона на основе модифицированных битумов

4.5 Разработка составов модификаторов для битумов 150 дорожного назначения на основе альтернативного регионального сырья

4.6 Технологические схемы производства модификаторов и 159 битумов на их основе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модификаторы полифункционального действия для получения окисленных дорожных битумов с улучшенными свойствами»

Актуальность темы. Нефтяные битумы, относясь к одному из самых многотоннажных продуктов нефтепереработки, одновременно являясь и дефицитными, поскольку их низкое качество предопределено остаточным принципом их производства. Доля производства битумов в РФ от общего количества перерабатываемой нефти составляет 2,6%, общая потребность страны в качественных дорожных битумах удовлетворяется на 60%. В условиях, роста доли автомобильного транспорта в общем объеме грузоперевозок, значительном увеличение автомобильного парка России, выпускаемые нефтеперерабатывающими заводами дорожные битумы по своим эксплуатационным свойствам в полной мере не соответствуют возросшим требованиям к вяжущим материалам, в условиях которых в настоящее время работает покрытие. В связи, с чем возрастает актуальность не только в ремонте существующих и строительстве новых дорожных покрытий, но и в разработке нового поколения битумных вяжущих с улучшенными физико-химическими показателями, предопределяющие высокие физико-механические свойства и долговечность покрытий на их основе.

Вмести с этим, для получения качественных битумов при окислении тяжелых остатков нефтепереработки необходимо также подбирать сырьё строго определенного состава, которому удовлетворяют гудроны тяжёлых нефтей нафтеноароматического основания, содержащие большое количество смолисто-асфальтеновых веществ. Таким образом, интенсификация процесса производства окисленных битумов с высокими эксплуатационными свойствами, с вовлечением остаточного сырья парафинонафтенового основания, является весьма актуальной задачей.

В настоящее времени разработаны различные методы повышения эффективности процесса окисления, в частности, увеличение поверхности контакта фаз за счет совершенствования устройств подачи воздуха, оптимизации параметров технологического процесса, также известно применение катализаторов. На наш взгляд наиболее перспективным направлением интенсификации производства окисленных битумов с улучшением их качества является введение в процесс их получения 5 различных модифицирующих добавок способных изменять реакционную способность исходного сырья и улучшать основные физико-химические свойства полученных битумов.

Другим оптимальным способом повышения сроков службы асфальтобетонного покрытия, в силу физической природы и структурных особенностей последнего, является и изменение структуры и свойств битума непосредственным введением в него модифицирующих добавок. В связи, с чем разработка составов модификаторов и рациональной технологии приготовления модифицированных битумных вяжущих на их основе, представляется задачей весьма актуальной.

Выполненная работа является частью НИР кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского государственного технологического университета в рамках приоритетного направления «Создание научных основ и разработка новых высокоэффективных технологий в химии и нефтехимии» (ГР №01. 2003. 10099) и в соответствии с национальной программой совершенствования и развития сети автомобильных дорог России «Дороги России XXI века» на период до 2010 г.

Цель работы и основные задачи исследования. Цель работы заключается в разработке активирующих добавок и модификаторов полифункционального действия на основе смеси карбоновых кислот, многоатомных спиртов и сополимера этилена с винилацетатом и получения с их использованием окисленных дорожных битумов с улучшенными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: разработать оптимальный состав активирующей добавки для интенсификации процесса окисления гудрона с учётом особенностей химического состава и структуры выбранных компонентов; изучить влияние активирующей добавки на скорость окисления остаточного нефтяного сырья, структурно-групповой и химический состав, физико-химические свойства конечных продуктов; разработать состав модификатора полифункционального действия на основе активирующей добавки и сополимера этилена с винилацетатом; 6 провести расширенные испытания модифицированных битумов и асфальтобетонных смесей на их основе в лабораториях ведущих дорожных организаций республики Татарстан; обосновать принципиальную технологическую схему производства окисленного битума по интенсивной технологии с участием разработанных модификаторов.

Научная новизна: разработаны составы активирующей добавки и модификатора полифункционального действия на основе смеси карбоновых кислот и многоатомного спирта с участием сополимера этилена с винилацетатом способные интенсифицировать процесс окисления остаточного нефтяного сырья и оказывать комплексное воздействие на свойства товарного битума; установлены закономерности изменения структурно-группового и химического состава остаточного нефтяного сырья в зависимости от состава активирующей добавки и времени окисления; впервые определены закономерности получения битумов путем совместного окисления гудрона с сополимером этилена с винилацетатом. По данным ИК-спектроскопии, ЭПР получены зависимости изменения структурного состава, содержания свободных стабильных радикалов и ванадил комплексов в битумах от времени окисления; впервые с участием модификатора полифункционального'" действия получены окисленные битумы с улучшенными характеристиками из гудрона высокопарафинистой нефти; создана методика определения количественной оценки содержания твёрдых парафиновых углеводородов с помощью импульсного ЯМР, установлена взаимосвязь ЯМР-параметров с динамической вязкостью нефтяного сырья и продуктов его окисления.

Практическая значимость: разработаны составы модификаторов с использованием вторичных продуктов нефтехимических и смежных отраслей промышленности республики Татарстан, позволяющие существенно расширить интервал работоспособности и обеспечить высокие адгезионные свойства модифицированных битумов; модификаторы полифункционального действия улучшают основные показатели физико-механических свойств асфальтобетонных смесей, превосходят аналогичные показатели при применении исходного битума; результаты расширенных лабораторных испытаний окисленных битумов в дорожно-строительных предприятиях: ОАО ПРСО «Татавтодор», ОАО «СМП Нефтегаз», ОАО «Трест Камдорстрой» подтвердили высокое качество разработанных составов модификаторов полифункционального действия и рекомендованы для выпуска опытно-промышленной партии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодной научной сессии КГТУ в период 2006-2009 гг.; VI Международной конференции «Химия нефти и газа» (Томск, 2006 г); Всероссийской научно-практической конференции «Большая нефть XXI века» (Альметьевск, 2006 г); Всероссийской конференции «Молодые учёные и инновационные химические технологии» (Москва, 2007 г); Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2007» (Уфа, 2007 г); Международной научно-практической конференции «Нефтепереработка - 2008» (Уфа, 2008 г). Работа отмечена именным дипломом «50 лучших инновационных идей Республики Татарстан», г. Казань, 2006.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 17 работах, включая 3 статьи в журналах из списка рекомендованного ВАК, и 13 тезисов докладов. Получен патент РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 185 наименований и приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста, включая 35 таблиц и 73 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Нефтехимия», Петров, Сергей Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены закономерности изменения структурного и группового химического состава и качественных характеристик окисленных битумов, с участием активирующих добавок и модификаторов полифункционального действия.

2. Разработаны составы активирующих добавок и модификаторов полифункционального действия на основе смеси карбоновых кислот, многоатомных спиртов и сополимеров этилена с винилацетатом для интенсификации процесса окисления гудронов и модификации битумов дорожного назначения с улучшенными техническими характеристиками.

3. Разработаны универсальные композиции модификаторов для улучшения низкотемпературных и адгезионных свойств товарных битумов и физико-механических показателей асфальтобетонных смесей на основе вторичных продуктов химических производств республики Татарстан.

4. Проведены расширенные лабораторные испытания модифицированных битумов и асфальтобетонных смесей на их основе. Подтверждена целесообразность выпуска опытно-промышленной партии битумов дорожного значения с использованием разработанных модификаторов полифункционального действия.

5. Проведен структурно-динамический анализ тяжелых нефтяных остатков и продуктов их окисления с использованием метода импульсного ЯМР. Установлена взаимосвязь параметров ЯМР с количественным содержанием твердых парафиновых углеводородов и динамической вязкостью исследованных НДС.

6. Предложены принципиальные технологические схемы производства окисленных битумов с участием активирующей добавки и модификаторов полифункционального действия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Сергей Михайлович, 2009 год

1. Поконова Ю.В. Нефтяные битумы. Скт.Пет.: Санкт-Петербургская издательская компания «Синтез», 2005.- 154с.

2. Туманян Б.П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем.- М.: техника 2000г.

3. Теляшев И.Р. Исследование закономерностей взаимодействия тяжелых нефтяных остатков с элементной серой: Автореф.Дисс.канд. техн. наук. -Уфа, 2001,24с.

4. Михайлов В.В. Нефтяные дорожные битумы. — Москва.: Дориздат, 1949.-87с.

5. Посадов И.А. Интегральный структурный анализ высокомолекулярныхtсоединений нефти. / И.А. Посадов, O.F. Попов, Д.А. Розенталь // Нефтехимия. 1984. - Т. 24. - № 3. - С. 300-305.

6. Унгер Ф.Г., Варфоломеев Д.Ф., Андреева JI.H., Гордеев В.Н. Применение метода ЭПР к анализу парамагнетизма в нефтях и нефтепродуктах // Методы исследования состава органических соединений нефти и битуминоидов. —М.: Наука, 1985. — с.181-197.

7. Катаев P.C. Динамика структурного упорядочения в нефтяных дисперсных системах. 2000. - 38с. (Автореферат докт. дисс. / КГТУ им. Кирова).

8. Посадов И.А. Комплексное термографическое исследование структуры нефтяных асфальтенов / И.А. Посадов, Н.В. Сиротинкин Ю.В. Поконова, В.А. Проскуряков // ЖПХ 1975. - Т. 48, - № 9: - С. 2055-2059.

9. Поконова Ю.В. Химия высокомолекулярных соединений нефти. JL: Из-во Ленинградского ун-та, 1980.- 172 с

10. Колбановская A.C. Дорожные битумы. / A.C. Колбановская, В.В. Михайлов М.: Транспорт, 1973. - 264 с.

11. Розенталь Д.А., Посадов И.А., Попов О.Г., Пауку А.Н. Методы определения и расчета структурных параметров фракций тяжелых нефтяных остатков. -Л.: ЛТИ, 1981. 80с.14