Получение битумов и битумных эмульсий строительного назначения с применением кавитационно-вихревых воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Докучаев, Владислав Викторович

• Докучаев, Владислав Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Докучаев, Владислав Викторович

Введение

ГЛАВА 1. Объекты и методы исследования

1.1. Сырье. Физико-химические свойства

1.2.Состав, технические и физико-химические свойства битумов

1.2.1. Технические свойства битумов

1.2.2. Физико-химические свойства битумов

1.2.2.1. Структура битумов

1.2.2.2. Стабильность битумов

1.3. Битумные эмульсии

1.3.1. Типы эмульсий

1.3.2. Устойчивость эмульсий

ГЛАВА 2. Разработка методики расчета и конструирование кавитационно-вихревого аппарата для процесса предокисления нефтяного сырья

2.1. Исследование влияния окисления нефтяного сырья в пенной системе. Использование процесса окисление в трубопроводах.

2.2.Разработка методики расчета кавитационно-вихревого предокислителя

2.3. Определение оптимальной скорости движения газового потока

2.4. Исследование газожидкостного режима, создаваемого газожидкостным смесителем.

2.5. Выбор количества распределяющих сопел в предокислительном аппарате.

ГЛАВА 3. Описание схем получения строительных марок битумов 45 3.1.Опытно-промышленные исследования кавитационно-вихревого предокислителя на установке 19-10 ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» по получению строительных марок окисленных битумов 50 3.1.1. Описание предлагаемой схемы получения строительных марок битумов 51 3.2. Подбор оптимального режима работы выносного кавитационновихревого аппарата.

3.2.1. Определение оптимального соотношения сырье:воздух, подаваемого в выносной ГЖКВ А

3.2.2. Расчет энергии активации процесса окисления. 66 3.3. Анализ качественных показателей работы блока получения строительных битумов

ГЛАВА 4. Получение нефтебитумных эмульсий при волновом воздействии.

4.1. Исследование влияния волновых воздействий на диссоциацию нефтяных углеводородов

4.2. Исследование гидродинамических характеристик гидродинамического аппарата

4.3. Устройство для физико-химической обработки жидких сред

4.4. Разработка методики расчёта кавитационных гидродинамических аппаратов

4.4.1. Кавитация как интенсификатор в процессах нефтехимии

4.4.2. Определение гидродинамических характеристик аппарата

4.4.3. Методика расчёта гидродинамических роторных аппаратов

4.5. Разработка процесса создания дорожных эмульсий на основе нефтебитума ООО «ЛУКОИЛ-Волгограднефтепереработка» методом гидроакустического воздействия 106 Общие выводы 112 Список использованных источников 113 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение битумов и битумных эмульсий строительного назначения с применением кавитационно-вихревых воздействий»

В новых экономических условиях значительно усложнились задачи, стоящие перед отечественным строительным комплексом, практически по всем направлениям его развития, и, кроме того, возникли новые задачи, продиктованные переходом экономики страны на рыночные отношения, а также геополитическими изменениями территории страны, коммерциализацией топливно-энергетического комплекса.

Несмотря на трудности переходного периода, обеспечение экономической безопасности России требует дальнейшего научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности, в том числе в строительном комплексе, что во многом зависит и от решения вопросов интенсификации производства и повышения качества продукции в строительных отраслях. Важное значение приобретают исследования, направленные на создание конкурентоспособных строительных материалов и создание экономически эффективных методов их производства.

Битум, являясь одним из наиболее известных инженерно-строительных материалов, используется широко, достаточно назвать дорожное строительство, изготовление кровельных и других гидроизоляционных материалов, применение в лакокрасочной и кабельной промышленности, поэтому спрос на высококачественные нефтяные битумы имеет постоянную тенденцию к росту. Связано это в первую очередь с повышением требований к качеству вырабатываемых нефтебитумов и с реализацией ряда возрастающих требований, предъявляемых потребителями данного вида продукции.

На большинстве НПЗ России действуют битумные установки, использующие физически и морально устаревшие технологии, что крайне затрудняет переход нефтеперерабатывающих предприятий на производство высококачественных битумов. Весьма проблематичным в условиях недостаточности финансирования на многих предприятиях является вопрос увеличения мощности битумных установок, при сохранении существующего 4 уровня качества, не говоря уже и о его значительном повышении. Особенно это касается такой консервативной сферы производства нефтебитумов как производство строительных битумов марок БН-70/30 и БН-90/10, широко используемых в промышленности и народном хозяйстве. При стандартном подходе для решения проблем увеличения мощности и повышения качества выпускаемой продукции требуется вложение значительных средств в реконструкцию действующих или строительство новых установок.

В настоящее время актуальным является вопрос разработки технологии производства битумов, позволяющей увеличить мощность и улучшить качество продукции на действующих битумных установках без значительных капитальных вложений.

Волновые воздействия, если их применять в различных химико-технологических процессах, повышают её эффективность и дают возможность создавать более компактные аппараты.

Целью диссертационной работы является получение качественных строительных битумов марок БН-70/30 и БН-90/10 для производства гидроизоляционных материалов, а также, получение стабильных битумных эмульсий, используемых в дорожном строительстве.

Цель достигается изучением влияния волновых воздействий на углеводородное сырье, созданием новых аппаратов и методик их расчета для реализации различных механизмов создания волнового поля и разработкой технологических процессов с учетом волновых и вихревых эффектов.

Новизна научных результатов

1. Предложен новый подход к получению строительных марок битумов, используемых при производстве гидроизоляционных материалов с использованием кавитационно-вихревых эффектов, который позволил улучшить эксплуатационные показатели битумов, такие как пенетрация дуктильность и вязкость.

2. Предложена энергосберегающая схема получения строительных марок битумов с применением предокислителя, позволяющая получать 5 окисленные битумы при температурах 140-150 °С вместо обычных 210-280°С.

3. Получена стабильная битумная эмульсия, с повышенными адгезионными свойствами, используемая в дорожном строительстве, при использовании спроектированного гидродинамического аппарата, основанного на принципах кавитационно-вихревых эффектов.

Основные задачи исследований

1. Получить высококачественный битум для производства гидроизоляционных материалов путем усовершенствования процесса производства строительных марок нефтебитумов в аппаратах колонного типа с применением выносных газожидкостных кавитационно-вихревых аппаратов.

2. Получить стабильную битумную эмульсию, используемую в дорожном строительстве, без применения дополнительных эмульгаторов, при помощи разработанного диспергатора.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Докучаев, Владислав Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований был получен строительный битум с улучшенными качественными характеристиками, марок БН70/30 (БН-90/10), с повышенными температурой размягчения по КиШ на 4,18 (6,78)%, пенетрацией на 8,21 (16,16)%, дуктильностью на 15,36 (98,06)%.

2. Разработана конструкция выносного ГЖКВА, позволяющая проводить процесс предокисления в кавитационно-вихревом режиме при достаточно низких температурах (до 140-150°С).

3. На основе разработанной конструкции выносного ГЖКВА предложен процесс производства окисленных нефтебитумов строительных марок.

4. Выявлен механизм влияния волновых воздействий при получении битумных эмульсий.

5. Получена устойчивая битумная эмульсия при гидроакустическом воздействии на среду «битум-вода» без введения эмульгаторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Докучаев, Владислав Викторович, 2007 год

1. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М.: Химия, 1973.- С. 432 .

2. Грудников И.Б., Фрязинов В.В. Химия и технология топлив и масел, 1978,- №8.- С. 8-11.

3. Баженов В.М. Нефтепереработка и нефтехимия. 1970,- №10.- С. 27-29.

4. Гун Р.Б. Новое в производстве улучшенных битумов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1971.- С. 10-15.

5. Фрязинов В.В., Грудников И.Б. Химия и технология топлив и масел, 1978,-№2.-С. 11-14.

6. Розенталь Д.А. Нефтяные окисленные битумы. Л., 1973.

7. Флин Г. Физика акустической кавитации. В кн. Методы и приборы ультразвуковых исследований под ред. У. Мазани, т.1, ч. "Б", М.:Мир, 1967.- С.138.

8. Сиротюк М.Г. О поведении кавитационных пузырьков при больших интенсивностях ультразвука. Акуст. ж. 1961, № 4.- С.499.

9. Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.:Химия,1983.- С. 41.

10. Мережко Ю.И. Диссертация. Уфа. УНИ. 1989г.

11. Сиротин JI.M., Нефтепереработка и нефтехимия. 1962, №4.- С. 41.

12. Баннов П.Г. и др.-Нефтепереработка и нефтехимия. 1977, №9.- С. 14-16.

13. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. М.: Химия, 1983.-С.192.

14. Фрязинов В.В., Ахметова Р.С. Труды БашНИИНП, вып. 8, Химия, 1968.-С. 167-170.

15. Тематический обзор. Современное состояние производства битума. №5, М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1993.

16. Грудников И.Б., Егоров И.В., Прокопюк С.Г. Нефтепереработка и нефтехимия. 1999, №5.- С. 42-45.

17. Mozes Gy, Kadar J., Kristof M., Mafki, 324, Kiadv, Veszprem, 1966.

18. Аминов Ш.Х., Кутьин Ю.А., Струговец И.Б., Теляшев Э.Г. Современные113битумные вяжущие и асфальтобетоны на их основе. СПб.: Недра,2007.

19. Бергман JI. Ультразвук и его применения в науке и технике. М., ИЛ, 1957.

20. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорожные битумы.-М.: Транспорт,-1973.С.-261.21. Пат. 2762756,1957., (США)22. Пат. 151882,1964., (ВНР)

21. Рахмилевич Р.З., Новости нефтяной техники, Нефтепереработка. 1959., №7,32.

22. Ластовкина Г.А., Радченко Е.Д., Рудина М.Г. Справочник нефтепереработчика. Л., Химия, 1986., С. 648.

23. Хропатый Ф.П. Нефтяник, 1959, №12.- С. 14.

24. А.с. 1247074, 1986., (Россия)

25. А.с. 1389837, 1988., (Россия)

26. Hakl A., Erdol u. Kohle, 18, 780, 1965.

27. А.с. 1042792, 1983., (Россия)

28. Пат. 297899, 1972., (Австрия)

29. Senolt Н., Uneroffentliche Untersuchungen der OMV A.G., 1967.

30. Фридман B.M. Ультразвуковая химическая аппаратура. -М., «Машиностроение», 1967.

31. А.с. 1526810, 1986., (Россия)

32. Пат. 2030439, 1995., (Россия)

33. Пат. 2044029, 1995., (Россия)

34. Руденская И.М. Нефтяные битумы. Химический состав, коллоидная структура, свойства и способы производства. 1963.

35. Черножуков Н.И., Крейн С.Э. Окисляемость минеральных масел. Гостопиздат, 1955.

36. Березников А.В., Виноградов М.В., Колосов М.А.,. Кудрявцева И.Н,

37. Ильина Т.В., Розенталь Д.А., Тоболина Л.С., Тимпанова Ж.Л., Федосова

38. В.А. Исследование процесса окисления нефтяных битумов //Окисление114углеводородов, их производных и битумов. Сборник статей вып. 9,10 1972.

39. Бембель В.М., Леоненко В.В., Сафонов Г.А. Влияние гетероатомных соединений на окисление нефтяного гудрона //Химия и технология топлив и масел. 1995.-№ 4.-С. 33-35

40. Пажитнова Н.П. Исследование влияния природы сырья на состав и свойства окисленных дорожных битумов (автореферат). М., 1970.

41. Новое в производстве улучшенных битумов. 1971. Кинетика процессов окисления гудронов в битумы.

42. Сергиенко С.Р., Семячко Р.Л., Галич А.Н. // Журнал прикладной химии. 1959, 32, вып. 3.

43. Березников А.В. Влияние условий окисления на состав и свойства окисленных битумов: Дис. канд. техн. наук. Л., 1975.

44. Розенталь Д.А., Березников А.В., Кудрявцева И.К., Таболина Л.С., Федосова В.А. Битумы. Получение и способы модификации. Учебное пособие. Л., 1979.

45. Евдокимова Н.Г., Гуреев А.А., Гохман Л.М., Гурарий Е.М., Маненкова Н.И. Влияние качества сырья на свойства дорожных битумов // Химия и технология топлив и масел. 1990.- № 4.-С. 11-13.

46. Кудрявцева И.Н., Диссертация, Ленинградский технологический институт им. Ленсовета, 1970.

47. Белоконь Н.Ю., Бурлаков С.Н., Калошин А.И., Сюткин С.Н. -Нефтехимия и нефтепереработка. 2000, №5.- С. 41-46.

48. Скабло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей промышленности. М., «Химия», 1982.

49. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1971.

50. Белкин А.П. Насосы и насосные агрегаты для перекачки и заправки ракетным топливом и горючим. М., Военное издательство, 1989.

51. Хафизов Ф.Ш., Шаяхметов Ф.Г., Кузеев И.Р. Оценка параметра115массообменных волновых роторных аппаратов /Сб. Экстракция/, Уфа, 1994.

52. А.с. 623571,1978., (Россия)

53. А.с. 1042792, 1983., (Россия)

54. Белоконь Н.Ю., Бурлаков С.Н., Истомин JI.B., Сюткин С.Н. -Нефтехимия и нефтепереработка. 2001, №4.- С. 45-47.

55. Бергман J1. Ультразвук и его применения в науке и технике. М.:ИЛ,1957.

56. Хуснияров М.Х. Диссертация УНИ. Уфа. 1993.

57. Хафизов Ф.Ш. и др. Газожидкостной аппарат, пат. СССР. 1806002, 1993.

58. Хафизов Ф.Ш., Разработка технологических процессов с использованием волновых воздействий, диссертация д.т.н., Уфа, 1996.

59. Юминов И.П. Диссертация УНИ. Уфа. 1999.

60. Ванчухин Н.П. Диссертация УГНТУ, Уфа. 2000.

61. Перник А. Д. Явление кавитации. Издательство «Судостроение». Ленинград. 1966.- С. 439.

62. Арэуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях.

63. Горшков А.С., Русецкий А.А. Кавитационные трубы. «Судостроение», 1972.-С. 192.

64. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.

65. Bottcher H.N., Die Zerstorung von Metallen durch Hohlsog (Kavitation), Zs. VD1.80, 1499(1936).

66. Mousson J.M., Untersuchunger uber Hohlsog (Kavitation), Zs. VD1.83, 397 (1938).

67. Голямина И.П. Ультразвук маленькая энциклопедия.

68. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред.

69. Маргулис М.А. Основы звукохимии./Учебное пособие для хим. и хим-технол. Тех ВУЗов. М. Высшая школа. 1984,- С.110.70. Патент РФ №2185898.

70. Бергман Л. «Ультразвук» М., 1957.

71. Розенберг Л.Д. Физические основы ультразвуковой технологии.116

72. Издательство наука. М., 1970.

73. Днсяткин Ю.Ф. и др. Распиливание жидкостей. М. Машиностроение. 1977.- С.208.

74. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. «Советская энциклопедия». -М, 1979.

75. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. M.-JL, Машиностроение, JIO, 1976.- С.168.

76. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции: М.: Химия,- 1990.-С.256. 77.Sehgal С., Steer R.P., Sutherland R.D., Verral R.E. I.Phys. Chem., 1977, v.81,p.2618.78.1arman P.D.I. Acoust. Soc. Amer., 1960, v.32, p. 1459.

77. Noltingk В. E., Neppiras E. A. Proc. Phys. Soc., 1950, v.63B, p.674.

78. Hervey E.N.I. Amer. Chem. Soc., 1939, v.61, p.2392.

79. Degrois M., Baldo P.Ultrasonics, 1974, v. 12, p.25.

80. Маргулис M.A. Ж. физ. химии, 1981, т.55, с. 154.

81. Маргулис M.A. Ж. физ. химии, 1985, т.59, с. 1497.

82. Margulis М. A. Ultrasonics, 1985, v.23, p. 157.

83. Margulis M. A. Adv.in Sonochemistry, 1990, v.l, p.39-80.

84. Качанов Ю.С., Козлов, Левченко В.Я. Возникновение турбулентности в пограничном слое. Новосибирск, 1982, Наука сиб. отд. С. 149.

85. Бадовская Л.А., Корякин А.В., Кулькевич В.Г. Действие ультразвука на систему фурфурол-перекись водорода // Изд. Вузов Химия и химическая технология топлив и масел. 1962, №12,- С.8-11.

86. Буштан З.И. Изучение влияния ультразвука на скорость окисления //Химия и химическая технология топлив и масел. 1961, №12.- С. 11.

87. Старчевский В.Л., Брезген Ю.Б., Мокрый Е.Н. Кинетические закономерности и механизм окисления альдегидов в ультразвуковом поле //Акустическая кавитация и применение ультразвука в химической технологии, Славское, 1985.- С.87.

88. Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело- жидкость. Львовский117университет, 1970.

89. Червинский К.А., Плужников В.А., Беляков В.Н. Влияние звуковых частот на процесс окисления н-декана кислородом, Львовский университет, 1970.

90. Хафизов Ф.Ш., Разработка технологии акустической регенерации щелочных поглотителей в процессах демеркаптанизации легких углеводородов, дисс.к.т.н. Уфа,1985.

91. Хафизов Ф.Ш. Окисление этилмеркаптида натрия в акустическом поле.-Деп. в ЦНИИТЭНефтехим 08.10.91,№8нх-91, Деп.

92. Moon S, Duchind, ICoony Application of ultrasond to arganic reachons ultrasonic catalysis anhydrolyses ofcarboxylic esters Fetragedron Letters 1979,v20,№14,p. 3917-3920.

93. Kenneth I Chen, Shailendra K.Gupta Formation of polysulfides in agucons Solution -Environ Lett, 1973,v4, №3.-p 187-200.

94. Френкель Я.И. Ж. физ. химии, 1940, №4.- С.305.

95. Скоробогатов В.И. Применение ультраакустических исследований к веществу. М,"МОПО" т.10,1960.- С.85.

96. Апостолов С.А. Оптимизация процессов производства битумов из нефтяных гудронов //Нефтепереработка и нефтехимия. 1987.-№ 8.-С.11-12.

97. Сорокин И.Г. Влияние температуры размягчения сырья на качество дорожных битумов //Нефтепереработка и нефтехимия. 1989.-№ 6.-С.8-11.

98. Евдокимова Н.Г., Гвоздева В.В., Гуреев А.А., Донченко С.А. Оптимизация процесса получения окисленных дорожных и строительных битумов // Химия и технология топлив и масел. 1990.-№7.-С. 11-12.

99. Романов С.И., Казначеев С.В., Легкодимова Г.В. Влияние температуры окисления сырья на устойчивость дорожных битумов //Химия и технология топлив и масел. 1993.-№6.-С. 6-8.

100. Гун Р.Б. Интенсификация производства и улучшение свойств окисленных битумов вяжущих для цветных покрытий //Химия и технология топлив и масел. 1980.-№ 7.-С. 51-53.

101. Грудников И.Б., Шестаков В.В., Мингараев С.С., Колесников Ю.А.118

102. Интенсификация процесса получения окисленных битумов с помощью пористых диспергаторов воздуха // Химия и технология топлив и масел. 1993.-№ 8.-С. 7.

103. Руденская И.М., Руденский А.В. Реологические свойства битумов. М., «Высшая школа», 1967.

104. Лалабеков С.К., авт. свид. СССР №85256 (1949); Бюлл. изобр., №12 (1950).

105. Провинтеев М.В., авт. свид. СССР №103191 (1949); Блюл, изобр., №5 (1956).

106. Гун Р.Б. Нефтяные битумы: Учеб. пособие для рабочего образования. -М.: Химия, 1989.- С. 152.

107. Голустов В. С. и др. Распыливание жидкостей М.: Химия, 1979.-С.216.

108. Маргулис М.А., Акопян В.Б. Экспериментальные исследования зависимости скорости звуко-химических реакций и потока сонолюминесценции от интенсивности ультразвуковых волн. Х.Ф.Ж., 1978, т.52,№3.-С.601-604.

109. Патент № 2143314. Газожидкостной реактор /Хафизов Ф.Ш., Юминов И.П., Кузьмин В.И., Баженов В., Аликин М.А., Хафизов Н.Ф. БИ № 35 от 27.12.1999.

110. Патент № 2176929 Газожидкостной реактор /Хафизов Ф.Ш., Хафизов Н.Ф., Андреев B.C., Зязин В.А., Морошкин Ю.Г., Хафизов И.Ф. БИ № 35 от 20.12.2001.

111. Пат. России, №2001666, Гидродинамический кавитатор, Кузеев И.Р., Хафизов Ф.Ш., Хуснияров М.Х., Абызгильдин Ю.М. Бюл. №39-40,1993

112. ГОСТ 22245-90 Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. 1990.

113. Гистлинг A.M., Баром А.А. Ультразвук в процессах химической технологии. Л.:Госхимиздат,1960.- С.95.