§ 4. НЕФТЬ И МЕТОДЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ

Плотность нефти - от 800 до 1000 кг/м³. Состав нефти: углерод 84 - 87 %, водород 12 - 14%, кислород до 2%, сера 0,01 - 7%, азот до 0,2%.

Нефти разных месторождений различаются по химическому составу и свойствам и подразделяются на ряды –

• 
  метановые -
  
• 
  нафтеновые -
  
• 
  ароматические -
  

По содержанию асфальто-смолистых веществ нефти подразделяют на:

• 
  высокосмолистые, более 20%,
  

• 
  смолистые - 8-10%
  
• 
  малосмолистые - меньше 8%.
  

• 
  высокопарафинистые - более 6%
  
• 
  парафинистые - 2-6%
  
• 
  малопарафинистые - меньше 2%
  

Переработка нефти заключается в ее разделении на фракции, различающие по плотности и температуре кипения:

Битумы производят из гудрона, перерабатывая его различными методами.

В таблице 4 приведены названия фракций и сведения о их плотности и температуре кипения.

Переработка нефти производится на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Возможны три варианта переработки: фракционирование ( дистилляция), крекирование, специальные виды переработки.
Таблица 4

Продукты фракционирования	Физические свойства фракций
	Температура кипения, оС	Плотность кг/м3
Светлые нефтефрации
Бензин	50-200	710-760
Лигроин	200-230	760-790
Керосин	230-315	790-870
Масляные фракции	Температура вспышки, оС
Соляровое масло	130-165	870-890
Парафин	165-190	890-920
Масло для двигателей	190-300	920-950
Остаточные продукты
Мазут	190-250	930-970
Гудрон	200-300	930-1000

• 
  - самая легкая бензиновая фракция выкипает при температуре от 50 до 200^оС,
  
• 
  - самая тяжелая - гудрон, остается после отбора из нефти всех фракций горючих и смазочных материалов.
  

По мере нагревания из нефти выкипают поочередно все более тяжелые фракции и, конденсируясь, превращаются в дистилляты, перечисленные в таблице 4.

Тяжелый остаток после отбора из нефти топливно-смазочных фракций - гудрон, является сырьем для приготовления битума.

2. Крекинг - процесс заключается в пиролизном расщеплении молекул тяжелых остатков нефти после фракционной разгонки.

При нагревании тяжелых остатков нефти до 425 - 650 ^оС и давлении 5 МПа, сложные молекулы делятся на более простые, легкие и мазут или гудрон распадается на бензино-керосиновые фракции с устойчивыми молекулами, оставляя некоторое количество неустойчивых молекул.

Неустойчивую часть крекинг-процесса путем окисления, полимеризации и фракционирования превращают в жидкий дорожный битум марок МГ 40/70 и МГ 70/30.

3. К специальным видам переработки отдельных фракций нефти относятся:

- селективная очистка масляных фракций фенолом или фурфуролом. После отгонки растворителя остается жидкий битум, который в смеси с гудроном идет на окисление для получения вязкого битума.

- обезмасливание гудрона жидким пропаном, в результате чего получают асфальт (битум) деасфальтизации.
Производство нефтяных битумов.
Нефтяные дорожные битумы производят тремя способами:

1 - атмосферно-вакуумная перегонка сырой нефти, при которой после отгонки топливных и масляных фракций остается гудрон.

При перегонке высокосмолистой нефти этот гудрон представляет собой остаточный битум, при перегонке менее пригодных нефтей, гудрон является сырьем для производства окисленных битумов.

2 - Окисление нефтяных остатков - гудрона, крекинг-остатков, кислородом воздуха является вторым способом производства окисленных битумов.

3 - Третий способ производства битумов - компаундирование, или смешение остатков перегонки нефти - битума деасфальтизации с экстрактами, получающимися при селективной очистке масляных фракций.
Производство остаточных битумов.

Остаточные битумы получают в виде высокосмолистого остатка после отбора из нефти топливно-смазочных фракций.

Такой способ возможен только при прямой перегонке высокосмолистых нефтей.

В результате получается вязкий битум марок БН 200 /300 до БН 60/ 90.

При прямой перегонке малосмолистых нефтей получают жидкие остаточные битумы марок МГ 130/ 200 и МГ 70/ 130.

Остаточные жидкие битумы получают также и при крекинг-процессе переработки нефти МГ 40/ 70 и МГ 70/ 130.

Гудрон, полученный на атмосферно-вакуумной установке применяют при производстве вязких битумов, окисляя его продувкой воздухом.

Процесс окисления может быть периодическим или непрерывным.

Периодическое окисление проводится в окислительных кубах, непрерывный - в трубчатых или колонных окислительных установках.

Сочетание этих факторов и состава исходной нефти изменяют время окисления в широких пределах. Оно может изменяться в пределах от 15 до 60 часов при температуре 250^о - 300^оС.

Характер изменения вязкости и теплостойкости перерабатываемого сырья (гудрона) в процессе окисления показан на рис.

На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) Российской Федерации используются различные способы получения битумов, чаще всего это окисление гудрона или его смеси с экстрактами селективной очистки масел.

Метод компаундирования пока еще не нашел должного использования на всех НПЗ, хотя имеет на это достаточное основание.

Производство нефтяных битумов основано на воздействии на нефть высокой температуры, разряжения воздуха, пара, кислорода, ПАВ.

Сырье для производства битума - гудрон или смеси гудрона с другими нефтепродуктами - получают прямой перегонкой нефти, предварительно обезвоженной и обессоленной.

Сущность перегонки заключается в разделении на фракции, различающиеся по температуре кипения.

Разделение нефти на фракции производят ступенчатым испарением и конденсации ее компонентов - фракционной разгонкой.

Технологическая схема прямой перегонки нефти приведена на рис. 1

Рис. 1. Схема прямой перегонки нефти и получение сырья (гудрон) для производства битума.

1; 3 - Нагревательные печи; 2- ректификационная колонна; 4 - вакуумная колонна; 5 - установка селективной очистки масел.

Нефть нагревают в печи 1 до температуры 300-340^оС, превращая ее в пары.

Пары нефти вместе с неиспарившимся остатком поступают в ректификационную колонну 2 , где их разделяют на дистилляты.

Ректификационная колонна представляет собой стальной цилиндр высотой до 30 м и диаметром 3-4 м , внутри которого на разной высоте расположены несколько десятков тарелок, которые собирают конденсирующиеся пары.

В верхних тарелках конденсируется фракция бензина при 120^оС, ниже - реактивного топлива 240 ^оС, керосина, лигроина, дизельного топлива.

Внизу колонны собирается тяжелый остаток - мазут.

Для отбора более тяжелых фракций - масел - мазут нагревают в печи 3, откуда он поступает в вакуумную колонну 4.

На тарелках в верхней части вакуумной колонны конденсируется дистиллят легкого солярового масла, ниже - дистилляты веретенного, машинного, автомобильного масел.

После отбора масляных дистиллятов в вакуумной колонне остается гудрон - основное сырье для производства битума.

Селективной очисткой в установке 5 дистилляты масел превращают в рафинаты и дистиллятные экстракты.

Оставшиеся после растворения пропаном смолисто-асфальтовые вещества, нерастворимые в пропане, называются битумом деасфальтизации.

На рисунке 2 показана технология производства асфальта деасфальтизации.


Рис.2. Схема производства асфальта (битума) деасфальтизации.

1. 
   колонна деасфальтизации,
   
2. 
   печь,
   
3. 
   эвапоратор,
   
4. 
   отпарная колонна.
   

Гудрон и пропан, нагретые до 200^оС, вводят в колонну деасфальтизации 2, гудрон - в верхнюю ее часть, пропан - в нижнюю.

Встречные потоки гудрона и пропана интенсивно перемешиваются, масла растворяются в пропане и более легкий раствор из верхней части колонны поступает на селективную очистку, в результате которой получается очищенное масло - рафинат.

Смесь смолисто-асфальтовых фракций, как более тяжелая, скапливается в нижней части колонны, откуда идет на очистку от примеси пропана для чего нагревается в трубчатой печи 2, в эвапораторе 3 из смеси выпаривается основная часть пропана, а оставшаяся его часть отделяется перегретым паром в выпарной колонне 4, со дна которой отбирают битум деасфальтизации.

Выход битума деасфальтизации составляет 40 -70% от массы гудрона в зависимости от состава исходной нефти;

Вязкость битума деасфальтизации примерно соответствует по глубине проникания иглы 25^оС марке 40/60.

При необходимости менее вязкого битума битум деасфальтизации смешивают с дистиллятным и остаточным экстрактом из атмосферно-вакуумной установки или с исходным гудроном.
Производство остаточного битума.
Остаточные маловязкие битумы могут быть получены на атмосферно - вакуумной установке при переработке смолистой малопарафинистой нефти ароматического ряда.

При таком сырье тяжелым остатком в вакуумной колонне будет не гудрон, а остаточный битум с вязкостью 200/300.

Остаточный битум вязкости до 40/60 получают более полным отбором масляных фракций из гудрона, что возможно при высокой температуре, более глубоком вакууме, при одновременной обработке перегретым паром.

Схема установки для получения остаточного вязкого битума приведена на рисунке 3.

Гудрон из атмосферно - вакуумной установки нагревают до 300^оС в трубчатой печи, откуда он поступает в колонну глубокого вакуума.

Рис.3 Схема производства остаточного битума.

В колонне глубокого вакуума гудрон обрабатывается перегретым паром, что способствует более полному отбору масляных фракций.

Дистиллят отобранных масел идет на очистку, остаточный битум из нижней части колонны перекачивают в хранилище.
Производство окисленного битума.

Вязкий битум получают, окисляя гудрон продувкой через него воздуха при температуре 220 - 260^оС.

Повышение вязкости битума при этом происходит вследствие окисления смол и асфальтенов и увеличения их количества в битуме.

В зависимости от вида перерабатываемой нефти, состава и свойств получившегося гудрона, для его окисления выбирают конструкцию окислительной установки, в наибольшей степени соответствующую технологии НПЗ.

В практике применяют следующие конструкции окислительных установок:

-окислительный куб,

-трубчатый вертикальный реактор,

-реактор колонного типа,

-бескомпрессорный окислительный реактор.

На рисунке 4 приведена схема окислительной установки с реактором колонного типа.

Гудрон, нагретый в трубчатой печи перегоняют компрессором в колонный окислительный реактор, размеры которого различны в зависимости от требуемой производительности: высота от 4 до 25 м, диаметр от 0,8 до 3 м

Воздух подают через трубу с многочисленными отверстиями маточник и он превращается в пузырьки или воздушную пыль, благодаря чему площадь соприкосновения воздуха с гудроном становится очень большой, что ускоряет процесс окисления.

Самые вязкие марки дорожного битума получают за 5-6 часов продувки.

На рисунке 5 приведена схема окислительного реактора бескомпрессорного типа, представляющего собой цилиндр 1, с несколькими отсеками, отделенными друг от друга гидравлическими перегородками 2.

Реактор заполняют гудроном на 2/3 объема и продувают воздухом, который засасывается диспергатором - крыльчаткой 5 через вариатор 4. Крыльчатку вращает электродвигатель 3.

Процесс окисления и выход готового битума идут непрерывно, окисляемый гудрон через гидравлическую перегородку переливается последовательно через все отсеки и окисляется кислородом воздуха, который засасывается крыльчаткой.
Производство битума методом компаундирования (смешения)
Получение битума по методу смешения (компаундирования) основано на смешении нефтепродуктов различной вязкости - остаточных и окисленных битумов, асфальтенов деасфальтизации , экстрактов, гудрона.

Битумы деасфальтизации содержат много смол; гудрон содержит много масел; оксиленные битумы содержат много асфальтенов.

Смешением этих компонентов в различных соотношениях получают компаундированный битум требуемых состава и свойств.

Кроме того, компаундирование - наиболее удобный процесс для введения в битум добавок ПАВ, модификаторов и др., а так же для заводского приготовления разжиженного битума.

Технологическая схема производства битума методом компаундирования приведена на рисунке 6.

Рис.6. Технологическая схема производства битума

методом компаундирования (смешения).
Окисленный и остаточный битум, асфальт деасфальтизации, являющиеся сырьем для компаундирования, из резервов - хранилищ перекачивают в смесители в расчетных соотношениях, в эти же смесители добавляют ПАВ или другие компоненты , например модификаторы, синтетические смолы.

Смешение ведут с непрерывным контролем получающейся вязкости смеси битумов и по достижении заданной вязкости компаундированный битум перекачивают в емкости - хранилища и раздаточные.

Объединение нескольких емкостей с разными видами битума и добавок в единую систему с трубопроводами, кранами и компрессорами позволяют смешивать компоненты компаундированного битума в любых соотношениях, окислять их до смешения или в смешенном состоянии, перемешивать до полной однородности.
§ 5. БИТУМЫ ВЯЗКИЕ, ЖИДКИЕ, СЛАНЦЕВЫЕ,ПРИРОДНЫЕ.
Показатели свойств нефтяных битумов.

Марка битума	Температура размягчения оС,не менее	Глубина проникания иглы 25оС, 0,1 мм	Растяжимость см, при 25оС, не менее
Дорожные битумы, П25/ П25
БНД 40/60	51	40/60	40
БНД 60/90	47	60 /90	50
БНД 90/130	43	90/130	60
БНД 130/200	39	130/200	65
БНД 200/300	35	200/300	-
Строительные битумы, КиШ/П25
БН 50 /50	50	41-60	40
БН 70/30	70	21-40	3
БН 90/10	90	5-20	1
Кровельные битумы, КиШ/П25
БНК 45/130	40-45	140-120	не нормир.
БНК 90/40	85-95	35-45	-“-
БНК 90/30	85-95	25-35	-“-

Битумы нефтяные дорожные вязкие.
Битумы нефтяные дорожные выпускают двух классов - БНД (битум нефтяной дорожный) и БН (битум нефтяной).

Качество битумов БНД выше, чем БН. Вязкие битумы характеризуются комплексом показателей свойств и подразделяются на марки по условной вязкости, определяемой глубиной проникания иглы.

Комплекс показателей свойств вязких дорожных битумов нормирован стандартом ГОСТ 22245-90 как показано в таблице.

Таблица

Наименование показателей	Норма для битума марки
	БНД 200/300	БНД 130/200	БНД 90/130	БНД 60/90	БНД 40/60	БН 200/300	БН 130/200	БН 90/130	БН 60/90
1. Глубина проникания иглы, 0,1мм при 25 оС	201-300	131-200	91-130	61-90	40-60	201-300	131-200	91-130	60-90
при 0 оС, не менее	45	35	28	20	13	-	-	-	-
2. Температура размягчения по кольцу и шару,	35	40	43	47	51	33	38	41	45
3. Растяжимость см, не менее при 25 оС	-	70	65	55	45	-	80	80	70
при 0оС, не ниже,	20	6,0	4,0	3,5	-	-	-	-	-
4. Температура хрупкости, оС, не выше	-20	-18	-17	-15	-12	-14	-12	-10	-6
5. Температура вспышки, оС, не ниже	220	220	230	230	230	220	230	240	240
6. Изменение температуры размягчения после прогрева, оС, не более	7	6	5	5	5	8	7	6	6

Качество битумов БНД выше, чем БН главным образом по температуре хрупкости, которая у битумов БНД значительно ниже, чем у БН, что позволяет применять их в районах с суровым климатом.

По глубине проникания иглы и растяжимости при температуре 0 ^оС требования к битумам БНД также выше, чем к битумам БН.

Вязкие битумы применяют в качестве вяжущего в горячих асфальтобетонных смесях.

В северных районах в асфальтобетонных смесях применяют битум менее вязких марок, чем в южных, что обеспечивает дорожным покрытиям повышенную трещиностойкость.

В районах с умеренным и теплым климатом в смесях используют битум более вязких марок, так как это повышает сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий.

Для повышения адгезионной прочности и водостойкости асфальтобетона к битумам добавляют поверхностно-активные вещества ПАВ.

В дорожных одеждах с асфальтобетонными покрытиями, битум постепенно становится более вязким вследствие влияния на него кислорода воздуха и солнечной радиации.

Такие полимеризационные изменения в битуме называют старением.

Способ определения интенсивности старения битума, разработанный в Союздорнии, заключается в определении степени изменения массы битума и показателей глубины проникания иглы, растяжимости, хрупкости битума после прогрева в тонком слое при температуре ^оС, в течение часов.

С использованием этого метода разработаны технические условия на битум нефтяной дорожный улучшенный БНУ, в котором нормированы показатели глубины проникания, растяжимости и хрупкости после прогрева.
Таблица 4

Наименование показателей	Нормы для марок				Методы Испытаний
	МГ 25/40	МГ 40/70	МГ 70/30	МГ 130/200
1. Условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60оС, с	25-40	41-70	71-130	131-200	По ГОСТ 11503-74 или с дополнением п.4.2 стандарта
2. Количество испарившегося разжижителя при выдерживании битума в термостате (110оС,5ч.) или в вакуумтермостате (100оС, 3ч.), % от массы битума, не менее	9	8	7	5	По ГОСТ 11504-73
3. Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя, оС, не ниже	27	28	29	30	По ГОСТ 11506-73
4. Температура вспышки в открытом тигле, оС, не ниже	100	100	110	110	По ГОСТ 4333-48
5. Испытание на сцепление с мрамором или песком	Выдерживает в соответствии с контрольным образцом N 2				По ГОСТ 11508-74 по методу Б с дополнением по п.4.3 настоящего стандарта

Примечание: Допускается до 01.011978 г. изготовление битумов марок МГ 40/70 и МГ 70/30 в виде остаточных продуктов при атмосферно-вакуумной перегонке нефти без добавления присадок и без нормирования показателей по пп. 2;3 и 5.
Таблица

Наименование показателей	Нормы для марок
	СГ 25/40	СГ 40/70	СГ 70/130	СГ 130/200
3. Температура размягчения остатка после определения испарившегося разжижителя, оС, не ниже	34	37	39	39
4. Температура вспышки в открытом тигле, оС, не ниже	40	45	50	60
5. Испытание на сцепление с мрамором или песком	Выдерживает в соответствии с контрольным образцом N2

Таблица

Наименование показателей	Нормы для марок
	МГ 25/40	МГ 40/70	МГ 70/130	МГ 130/200
1. Условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 оС, с	25-40	41-70	71-130	131-200
2. Количество испарившегося разжижителя при выдерживании битума в термостате (110оС,5 ч.) или в вакуумтермостате (100оС,3 ч.) % от массы битума, не менее	9	8	7	5
3.Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя, оС, не ниже	27	28	28	30

Поверхностно-активные вещества.
Вещества поверхностно- активные.

Номенклатура показателей

Для повышения трещиностойкости асфальтобетонных покрытий необходимо в смесях применять вяжущее повышенной пластичности и эластичностью при отрицательной температуре, что осуществляется введением в вязкий битум добавок полимеров.

В РФ в качестве полимерной добавки применяют блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС (стирол-бутадиен -стирол) - ДСТ -30—01 (дивинил-стирольный термоэластопласт).

В качестве пластификатора добавляют индустриальные масла.

Технические требования к ПБВ приведены в таблице