Тех характеристики смола каменноугольная для дорожного строительства
Каменноугольная смола представляет собой сложную смесь ароматических, гетероциклических соединений и их производных, выкипающих в широких пределах температур. Состав каменноугольной смолы разных заводов однотипен, он мало зависит от состава угля, в большой степени от режима коксования. В каменноугольной смоле присутствует более 400 индивидуальных соединений, некоторые из них производятся в промышленном масштабе.
Коксохимическая смола, состоящая в основном из конденсированных ароматических углеводородов и других высокомолекулярных соединений, относится к трудноперерабатываемому сырью. В промышленности смолу подвергают обезвоживанию и дистилляции на отдельные фракции, затем методами щелочной и кислотной экстракции, кристаллизации и гидроочистки получают бензол, нафталин, фенолы, пиридиновые основания и другие химические продукты. При этом каждая стадия выделения данных химических продуктов сопровождается применением повторных дистилляций, большим расходом тепла и реагентов, потерей ценных продуктов, например, нафталина [5].
В ходе выполненной нами ранее экспериментальной работы была получена модифицированная коксохимическая смола, которая представляла собой твердый пластичный продукт, нетоксичный и практически не имеющий специфического запаха фенола. Низкое содержание в нем серы и воды позволяет использовать подготовленную модифицированную смолу во многих процессах органического синтеза [3]. Такой продукт можно легко транспортировать до потребителя, что резко повышает его экспортные возможности при использовании.
Для модификации в смесь каменноугольной смолы с водой и катализатором вводили формальдегид для связывания фенола (в количестве 10–25 % мас. от его общего содержания) и донор водорода (в количестве 1–4 мас. % от количества каменноугольной смолы), проводили гидрогенизацию/термоокисление подготовленной смеси при температуре 100–150 °С и давлении воздуха 2,5–7 МПа и отделяли жидкую фракцию дистилляцией (при необходимости).
Введение формальдегида приводит к образованию фенол-формальдегидных смол, что повышает качественные показатели модифицированной смолы. Техническим результатом является снижение температуры процесса, стабилизация образуемых высокореакционных соединений, повышение эффективности переработки коксохимической смолы в высококачественную малотоксичную (4 класс опасности) модифицированную коксохимическую смолу, исключение образования органических малореакционых продуктов и разрушение комплексов с нехимическими связями, что расширяет область применения полученной смолы.
Продуктом данной переработки является коксохимическая смола модифицированная (КСМ), получаемая из отходов КХП путем дегидратации и окислительным обессериванием с параллельным удалением ароматических углеводородов [3]. Исследования отходов подтвердили возможность получения КСМ со следующими техническими характеристиками: полимеры и коксовое число не менее 68,5 %, низкое содержание серы 0,6 % и др.
Цель дальнейшей работы состояла в оценке возможности практического использования модифицированной коксохимической смолы и заключалась в разработке эффективных пропиточных составов для дорожного строительства, содержащих минимальное количество фенолов, на основе местной сырьевой базы – смолосодержащих отходов коксохимпроизводства АО «АрселорМиттал Темиртау». Одновременно с получением товарного продукта это позволит снизить техногенную нагрузку на окружающую среду региона.
Среди капитальных дорожных покрытий преобладающим типом являются асфальтобетонные покрытия [1]. Они представляют собой многослойную конструкцию, в которой верхние слои должны защищать нижележащие конструктивные слои дорожных одежд от доступа атмосферной влаги, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог.
В настоящее время на рынке строительства дорог в Казахстане предлагаются различные пропитывающие или, так называемые, «омолаживающие» составы. Они предназначены для профилактической защиты и восстановления первоначальных свойств асфальтобетонного и цементобетонного покрытия на начальной стадии шелушения и выкрашивания при неудовлетворительных показателях по водонасыщению, а также на участках дорог с дефектами в виде «мокрых» пятен, волосяных трещин, мелких выбоин, имеющих явные признаки шелушения или выкрашивания.
«Омолаживающие» составы проникают в структуру асфальтобетона, восстанавливают эластичность и повышают упругость асфальтобетонного покрытия, продлевая межремонтные сроки на 2–3 года. По своей природе они представляют собой текучие микробитумополимерные или другие композиции, содержащие ароматические соединения. Омолаживающие составы должны обладать небольшой летучестью, быть хорошо совместимыми с битумом и достаточно стабильными во времени.
Физико-химические характеристики модифицированной каменноугольной смолы
Тех характеристики смола каменноугольная для дорожного строительства
ОДОБРЕНЫ Главдортехом Минавтодора РСФСР (письмо от 05.05.88 N ГПТУ-1-2/175)
ПРЕДИСЛОВИЕ
Дальнейшее развитие дорожного строительства зависит от успешного решения вопроса обеспечения дорожно-строительных организаций качественными органическими вяжущими. Битумы, в значительных объемах готовящиеся в дорожных хозяйствах на локальных оксилительных установках, как правило, имеют невысокие структурно-реологические характеристики и низкую адгезионную способность к каменным материалам. Кроме того, недостатками этого способа переработки нефтяного сырья в битумы являются малая производительность установок и значительная энергоемкость процесса. Повышение производительности установок за счет высоких температур окисления влечет за собой ухудшение ряда свойств образующегося продукта.
Использование дегтей, как добавок к битумам, позволяет несколько повысить адгезионные свойства последних, но одновременно снижает устойчивость к старению получаемых вяжущих. Негативными факторами традиционной технологии приготовления дегтебитумных композиций являются также:
необходимость предварительного окисления битума;
затраты электроэнергии на обезвоживание дегтя;
плохое совмещение дегтей с битумами.
Улучшение качества окисленных битумов, при одновременном повышении производительности оксилительных установок, может быть достигнуто за счет порционного введения в окисляемое сырье каменноугольных смол различных производств или каменноугольного мазута.
Интенсификация процесса окисления, за счет вводимых добавок, влечет за собой увеличенное потребление нефтяного сырья. В связи с этим имеющиеся в комплекте установки котлы, как правило, не обеспечивают достаточного количества сырья нагретого до температуры 200 °С, при которой окисление наиболее эффективно. Поэтому «Указания. » содержат сведения о технологических режимах введения добавок при предварительном нагреве сырья как до 195-200 °С, так и до 170-175 °С.
Опытно-производственные работы, проведенные на установках компрессорного и бескомпрессорного типов, показали значительные технико-экономические преимущества технологии окисления битума с добавками каменноугольных смол (мазута).
ВО ИЗБЕЖАНИЕ ОСАДКА НА ДНЕ РЕАКТОРА И УХУДШЕНИЯ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ТРУДА НА БИТУМНЫХ БАЗАХ, ЗАПРЕЩАЕТСЯ ВВЕДЕНИЕ ВСЕХ ВИДОВ ДОБАВОК В НЕФТЯНОЕ СЫРЬЕ ДО ОКСИЛЕНИЯ, Т.Е. ОКИСЛЕНИЕ КОМПАУНДОВ. ЗАПРЕЩАЕТСЯ ТАКЖЕ ДОБАВКА КАМЕННОУГОЛЬНОГО МАЗУТА И ПЕКОВОЙ СМОЛЫ К ГОТОВЫМ БИТУМАМ.
Настоящие указания разработаны на основе лабораторных исследований и производственных работ, проведенных Отраслевой научно-исследовательской дорожной лабораторией Воронежского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института и заменяют собой ранее изданные «Рекомендации по применению сырых каменноугольных смол высокотемпературного коксования в качестве активаторов процесса окисления нефтяного сырья, а также добавок, повышающих качество вяжущего».
«Указания. » составлены канд. техн. наук, ст. научн. сотр. Е.Я.Фарберовым и канд. техн. наук, доцентом В.П.Лаврухиным.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие «Указания. » содержат сведения по активации процесса окисления нефтяного сырья (гудрона), позволяющие получать вяжущие, отвечающие требованиям ГОСТ 22245-76, на битумы марок БНД.
1.2. В «Указаниях. » приведены требования к каменноугольным смолам и каменноугольному мазуту, технология приготовления битума с добавками, перечень источников их получения и пример расчета экономической эффективности.
1.3. Добавки каменноугольного происхождения, ускоряющие процесс окисления и улучшающие качество образующихся битумов, являются побочными продуктами и отходами различных производств:
1.4. Ускорение процесса окисления и повышение качества образующихся битумов достигается тем, что в перерабатываемое нефтяное сырье (гудрон) вводят упомянутые добавки порциями в процессе окисления через определенные интервалы времени.
1.5. Количество каменноугольной смолы (каменноугольного мазута) и интервалы времени ее введения находятся в зависимости от приготавливаемой марки битума и вида используемой добавки. Кроме того, режим введения добавки зависит от температуры предварительного нагрева сырья (гудрона) в котлах.
1.6. Битумы, получаемые окислением нефтяного сырья (гудрона) с каменноугольными добавками, отличаются высокими адгезионными свойствами к каменным материалам, улучшенными структурно-реологическими характеристиками и высокой устойчивостью к старению, которые в комплексе предопределяют удлинение срока службы асфальтобетонного покрытия.
1.7. Битумы, получаемые окислением нефтяного сырья (гудрона) с добавками каменноугольного происхождения, могут быть использованы для приготовления горячих асфальтобетонных смесей любых марок.
1.8. Применение сырых каменноугольных смол (каменноугольного мазута) при приготовлении вязких дорожных битумов позволяет на 10-15% расширить их сырьевой ресурс.
1.9. Санитарно-гигиенические условия работы с вяжущими, получаемыми по разработанной технологии, в сравнении с дегтебитумными композициями значительно улучшаются, но остаются несколько худшими, чем при работе с битумами.
1.10. Технология окисления нефтяного сырья с добавками каменноугольных смол несложна и требует незначительного дооборудования производственных баз.
2. МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРИЕМКА И ХРАНЕНИЕ ДОБАВОК
2.1. Исходными материалами для приготовления битумов являются:
а) нефтяное сырье для производства вязких битумов по ТУ 38-101582-75;
б) сырая каменноугольная смола высокотемпературного коксования по ОСТ 1462-80 или ТУ 14-6-171-80 марки Б сорт 1; 2 (Приложение 1);
в) смола полукоксования (Приложение 2);
г) пековая смола (Приложение 3);
д) мазут каменноугольный топочный по ТУ 38-101160-76 (Приложение 4);
е) смола газификации (Приложение 5).
2.2. Приемку добавки производят партиями. За партию принимают смолу однородную по составу и качеству в количестве до 60 т, полученную в один адрес и сопровождаемую документом, удостоверяющим качество и именуемым «Паспорт» или «Сертификат».
Перечень источников получения добавок приведен в приложении 6.
2.3. Смолу (мазут) из цистерн сливают самотеком по лоткам, установленным под сливное отверстие цистерны с углом наклона в сторону слива не менее 2°. При температуре окружающего воздуха выше +10 °С смола сливается без подогрева, при температуре ниже +10 °С ее следует разогревать до 30-50 °С. Разогрев может производиться при помощи паровых змеевиков, опускаемых в цистерну через горловину. Допускается применять другие нагревательные элементы со строгим соблюдением мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.
2.4. При сливе из железнодорожных цистерн следует иметь ввиду, что при большом содержании воды в смоле в процессе транспортировки происходит ее расслоение. Вода в этом случае вследствие различия плотностей находится выше смолы, и ее следует откачивать через горловину, либо отвести по лотку после слива смолы отдельно.
2.5. Каменноугольную смолу (каменноугольный мазут) следует хранить в закрытых хранилищах постоянного типа, которые исключают их загрязнение и обводнение. Категорически запрещается смешение добавок различных видов и их совместное хранение. При использовании на одном предприятии разных видов смол их следует хранить в отдельных хранилищах.
Хранилища оборудуются системами предварительного подогрева. При использовании электронагревателей, последние должны быть закрытого типа.
3. ОТБОР ПРОБ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ СМОЛ (МАЗУТА)
3.1. Отбор проб производят в порядке, указанном в ГОСТ 5445-79. Для контрольной проверки качества добавки от каждой партии отбирают пробу массой не менее 1,5 кг.
3.2. Определение плотности в пересчете на безводную смолу производят по ОСТ 1462-80 (Приложение 7).
3.3. Определение содержания воды производят в соответствии с ГОСТ 2477-65. В качестве растворителя применяют ксилол (по ГОСТ 9949-76) или толуол (по ГОСТ 9880-76).
3.4. Содержание веществ, нерастворимых в толуоле, в пересчете на безводную смолу определяют по ОСТ 1462-80 (приложение 7).
3.5. Определение зольности в пересчете на безводную смолу производят по ОСТ 1462-80 (приложение 7).
3.6. Условную вязкость при 80 °С определяют по ГОСТ 11503-74.
4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БИТУМОВ ОКИСЛЕНИЕМ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ С ДОБАВКАМИ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ СМОЛ
Общее количество вводимой добавки не зависит от температуры предварительного нагрева сырья в котлах перед подачей в реактор.
В тоже время, как размеры порций, так и их количество находятся в зависимости от температуры сырья.
4.2. Добавки считаются пригодными к использованию при содержании массовой доли влаги 3-5% и температуре 40-60 °С. При содержании массовой доли влаги 5-10% следует вводить соответствующую поправку при дозировании. При содержании влаги более 10% следует произвести частичное обезвоживание смолы, т.к. в противном случае возможно снижение температуры в реакторе и вследствие этого уменьшение производительности.
4.3. Технологический процесс приготовления битума включает:
а) обезвоживание и нагрев нефтяного сырья до 195-200 °С, либо до 170-175 °С;
б) подачу сырья в реактор. Объем закачиваемого в реактор сырья уменьшают на величину, равную массе добавки;
в) включение диспергаторов или компрессоров для подачи воздуха;
г) частичное предварительное окисление нефтяного сырья;
д) периодическое введение необходимого количества добавки порциями. Каменноугольная смола (каменноугольный мазут) подается только на поверхность окисляемого сырья. Скорость подачи регулируют положением крана дозатора из расчета, чтобы все количество одной порции было подано за 5 10 мин;
е) контроль окисления.
4.4. Количество добавки зависит от марки приготавливаемого битума и вида используемой смолы (мазута). Эти данные приведены в табл.1. Здесь же указано количество порций смол в зависимости от их вида и температуры нагрева сырья в котлах перед подачей в реактор.
Количество каменноугольных добавок, необходимых для получения битумов
Вид используемых смол
Общее количество добавки необходимое для получения битумов, %
Количество порций при температуре сырья в котлах