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. 10 099) 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 компонентовизучить влияние активирующей добавки на скорость окисления остаточного нефтяного сырья, структурно-групповой и химический состав, физико-химические свойства конечных продуктовразработать 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 Татарстанобосновать 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 битумаустановлены закономерности изменения структурно-группового и химического состава остаточного нефтяного сырья в зависимости от состава активирующей добавки и времени окислениявпервые 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 окислениявпервые с участием модификатора полифункционального'" действия получены окисленные битумы с улучшенными характеристиками из гудрона высокопарафинистой нефтисоздана 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 битумовмодификаторы полифункционального действия улучшают основные показатели физико-механических свойств асфальтобетонных смесей, превосходят аналогичные показатели при применении исходного битумарезультаты 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.

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.