Мұнайлы битумдарды өндіру технологиясы
Битум табиғи немесе жасанды болуы мүмкін. Құрамында массасы бойынша 20%-тен көп минералды қоспасы бар табиғи битумдарды табиғи асфальт, ал жоғары температурада балқитын, морт минералдық қоспасыз түрін табиғи асфальтит деп атау қабылданған.
Қазіргі кезде табиғи битумды негізінен тау жыныстарынан – битуммен қаныққан әктастан, доломиттен, құмдақтан, сланецтерден алады. Табиғи битумның қалыптасуы әртүрлі жастағы геологиялық қыртыстарда кездесетін мұнайлардың тотығып, қоюлануының қорытындысы деп қарауға болады. Мұнай жер астында жылжып тұрады, кеуекті, жарықты шөгінді тау жыныстарында жиналып, жоғары температура мен қысымның, сондай-ақ тотығу процесінің әсерімен қатты немесе жабысқақ битумға айналады, яғни табиғи битумдар климаттық және геологиялық факторлардың әсерінен мұнайдан түзіледі. Сол факторлардың әсерінен мұнайдың құрамындағы жеңіл көмірсутектер буланып, қалған өнім тотығып, полимерленген. Бұл битумдар жердің жоғарғы қабатына жинақталады, немесе беттік көлдер түзеді.
Табиғи битумды асфальтты жыныстарды ыстық сумен (қазанда қайнату) трихлорэтилен немесе басқада органикалық еріткіштермен өңдеу арқылы бөліп алады. Табиғи битумдар ауа-райына тұрақтылығымен және тасты материалдар бетіне жақсы жабысуымен ерекшеленеді. Бұндай жағдайда, тау жыныстарын, әсіресе карбонатты жыныстарды ұнтаққа айналдырады. Алынған асфальтты ұнтақ, асфальт бетон үшін құнды компонент болып табылады. Табиғи немесе мұнай битумының асфальт ұнтағымен жақсы араласқан араласпасын асфальтты мастика деп атайды.
Табиғи битумдар мұнайдан пайда болады. Климаттық және геологиялық факторлардың әсерінен мұнайдан жеңіл қосылыстар ұшып, қалған масса тотығады және полимерленеді. Бұл битумдар жер қыртысының жоғары қабатарында жиналады немесе ашық көлшіктер ретінде қалыптасады.
Битум жер қыртысында қалыптасқан кезде, олар әктасты, доломитті және басқа да жыныстарға сіңіп, битумды немесе асфальтты тау жыныстарын түзеді және оның құрамындағы битумның үлесі 5-20% шамасында болады. Егер асфальтты тау жыныстарының құрамындағы битумның үлесі 10% арттса, одан битумды бөліп алу тиімді деп есептеледі. Көбінесе битумды суда қайнату немесе органикалық еріткіштерде еріту арқылы бөліп алады.
Бірінші тәсіл бойынша асфальтты тау жынысын ірілігі 6-10мм етіп бөлшектеп, суы бар ыдысқа орналастырады. Битумның минералды бөлшектерден бөлінуін жеңілдету үшін, суға тұз қышқылын қосады. Тау жынысы мен қышқылданған судан тұратын қоспаны үнемі аралстыра отырып қайнатады, нәтижесінде битум бөлініп, судың бетіне шығады. Оны арнайы қондырғының көмегімен бөліп алып, минералды бөлшектер мен судан бөлу үшін тұндырғыштарға жинайды. Қажетті жағдайларда битумды ауамен тотықтырады.
Екінші тәсіл бойынша тау жыныстарын майдалап арнайы ыдысқа салады да, органикалық еріткіштерді құйып, араластырады. Битум еріткіште ериді, ерітіндіні басқа ыдысқа құйып, буландыру жолымен битумды бөліп алады. Битумды бөлудің бірінші тәсілі, екіншісімен салыстырғанда экономикалық жағынан тиімді болып табылады.
Беттік битумдар мұнайдың жердің бетіне шығуы нәтижесінде пайда болып, беттік көлшіктер түрінде қалыптасады.
Егер тау жыныстарының құрамында битумның үлесі аз болса, онда оны ұнтақтап, асфальт ұнтағын алу үшін қолданады. Дисперстілігі жоғары ұнтақты зауыттық жағдайда, асфальттік мастикалар, асфальтбетонды, коррозияға қарсы жабындарды және гидрофобты қоспаларды алу үшін қолданады.
Бұрынғы Кеңес одағының аймағында құрамында битум бар жыныстар Тбилиси, Баку, Камчатка, Сібір, Орта Азия аймақтарында кездеседі. Қазақстан териториясында битумды жыныстар Маңғыстау облысы аймағында кездеседі.
Мұнайлы битумдар мұнайды өңдеу арқылы алынады: 1) ауалық-вакуумдық айдау арқылы (қалдық битумдар); 2) битум қалдықтары – гудрондарды ауадғы оттегімен тотықтыру арқылы (тотықтырылған битумдар); 3) жоғары қысым мен температурада мазутты кренкингілеу кезіндегі қалдықтарды тотықтыру арқылы (крекинг битумдары); 4) гудрондардың асфальтты-шайырлы бөлігін пропан және басқа да әлсіз еріткіштермен тұндыру – асфальтсыздандыру арқылы (экстракты битумдар); 5) қышқыл гудрондарды өңдеу арқылы (қышқылдық битумдар).
Мұнай битумдары дегеніміз мұнайдан шыққан өнім. Мұнайды өңдеу дегеніміз - өңдейтін зауыттарда, олардың қайнау температурасына карай, мұнайды жеке фракцияларға бөлу технологияның негізгі кезеңдері болып табылады. Мұнайды фракциялық айдау қорытындысында, жанатын заттар (бензин, лигроин және басқа), майлайтын майлар (айналатын білік пен машинаға қажетті), сондай-ақ қарамай немесе мұнай битумын өндіруге жіберетін қалдық алынады.
Мұнай шикізатын арнаулы битум цехында қосымша өңдеуден өткізгеннен соң, қажетті тұтқырлығы және басқа да құнды технологиялық қасиеттері бар битум алынады.
Өңделетін табиғи битумдар салыстырмалы түрде аз және олар толығымен химия өнеркәсібінде пайдаланылады, ал мұнай битумдарын көбінше құрылыста қолданады.
Өндірісте кең таралған мұнайлы битумдарды алу тәсілі – тотықтырылғын битумдар өндіру. Тотықтырылғын битумды үздіксіз немесе үздікті тәсілмен түтікшелі қондырғыда тотықтыру арқылы өндіреді.
Үздіксіз әрекеттегі түтікшелі қондырғыда шикізатты эмульсиялы тотықтырудың сызбасы 3.1 – суретте көрсетілген.
1-реактор, 2-газды жағу үшін арналған циклонды пеш, 3-сепаратор, 4-өнім багы, 5-өнім насосы, 6-шикізат бу насосы, 7-циркулярлы бу насосы
3.1 сурет - Үздіксіз әрекеттегі түтікшелі қондырғыда мұнайды эмульсиялы тотықтырудың сызбасы
2-жылытқышта алдын ала қыздырылған рециркулятпен шикізат қоспасы, 8 – араластырғышта ауаның қатты ағынымен араластырылады. Пайда болған битум көбігі 3 – реактор түтікшелерінде тотықтырылып, 4 – өнім багына жиналады. Қосалқы газдар мен су буы 5 – конденсатор арқылы атмосфераға шығарылып, тотықтырылғын битум 6 – жинағыш бакка жиналады.
Мұнай битумдары, өңдіріс технологиясына байланысты, қарамайдан басқа майларды толық бөлу арқылы алатын - қалдықты, қарамайды тотықтыру арқылы алатын - тотықты, мазутты крекинг-процесімен өңдеу кезінде пайда болатын крекинг-қалдықтарды тотықтыру арқылы алынатын - крекингті, яғни көмірсутегтерді, жоғарғы температура (400-6000С) мен жоғары қысымда (0,5 МПа-ға дейін) ыдырататын болып бөлінеді. Экстракты – қарамайдың асфальт шайыры бөлігін пропан немесе басқа әлсіз ерітінділерінде (асфальтсыздандыру) шөгіндіру арқылы алынатын, қышқылды қарамайды, жанатын және майлайтын майларды күкірт қышқылымен тазалаудан қалған қалдықты бейтараптап алады.
Мұнай өңдейтін заводтарда битумды, табиғатта кездесетін бір-бірінен көмірсутек тобтарының сан қатынастарымен ерекшеленетін әртүрлі мұнайларды өңдеу арқылы алады. Шикізатты дұрыс таңдап, тиімді технология мен шараларды берілген техникалық талаптарға қатаң түрде сай келтіре отырып, битумның сапасын реттеуге болады.
Битумдар кең қолдану табуда. Оларды, әсіресе мұнай битумдарын жол, аэродром, шатыр және басқада асфальтбетонды жамылғыларда, су оқшаулайтын қорғау қондырғыларында байланыстырғыш зат есебінде пайдаланады.
Битумның сапасын жақсартудың тиімді тәсілдерінің бірі, ол битумға каучук немесе каучук сияқты заттарды қосу болып табылады. Бәрінен жиі, арзан және жеткілікті резина-техникалық бұйымдар өндірісінің қалдықтары немесе тозып, пайдалануға жарамай қалған, мысалға автомобильдік дөңгелек қабтарын өңдеу өнімдері қолданылады.
Битумға резинаны қосқанда оның термиялық төзімділігі мен тозуға төзімділігі артады. Қосылатын резина қиқымының мөлшері, бастапқы битум сапасына, әсіресе оның жабысқақтығына байланысты 3-15% (битумның массасынан) шегінде болады. Әсіресе жасанды каучуктерді, мысалға полизобутиленді қосқанда жоғары нәтижеге қол жеткізуге болады (битумның массасынан 5%-ке дейін).
Ара майлар
Қара майлар – қатты отындарды (тас көмір, қоңыр көмір, торф, сланец, ағаш) құрғақ айдау кезінде алынатын, сұйық және тұтқыр консистенциядағы органикалық байланыстырғыш зат. Гидроизоляция үшін негізінен тас көмір қара майлары кеңінен қолданылады.
Қара майлар негізінен армот көмірсутектері мен олардың күкіртті, азотты және оттекті туындыларынан тұрады.
Қара майлардың топтық құрамы шикізат пен өңдеу тәсіліне байланысты әр түрлі болады. Қара майдың топтық құрамын анықтау үшін оларды фракциялық айдайды. Қара майдың заттық құрамы төмендегідей: органикалық еріткіштерде ерімейтін қатты, көмірлік қиын балқитын заттар (бос күйіндегі көміртек); тек пиридинде ғана еритін қатты, балқымайтын кара май шайырлары; қара майларға эластикалық қасиет беретін және бензол мен хлороформда еритін тұтқыр пластикалық балқитын қара май шайырлары; сұйық қара май майлары (қайнау температурасы 1700С тең жеңіл, қайнау температурасы 170-2700С тең орташа, қайнау температурасы 270-3000С тең ауыр және қайнау температурасы 300-3600С тең антраценді майлар), қатты қалдық – қара күйе.
Қара май дисперсті ортасы қара май майлары, ал дисперсті фазасы бос күйіндегі көміртек және шайырлар болып келетін күрделі дисперсті жүйе. Көміртек бөлшектерінің бетінде тұтқыр пластикалық шайырлар мен қышқыл және негізді заттар молекулаларының қабаты орналасады. Осындай мицеллалардың концентрациясына байланысты қара майдың құрылымы мен тұтқырлық қасиеттері өзгереді.
Өзінің құрылымы бойынша қара майлар суспензияға жатады, сондықтан олардың тұтқырлығы негізінен қатты фазаның концентрациясына тәуелді; қара майдың мицеллалары битуммен салыстырғанда ірілеу, сольватты қабықшалары көбінген, сондықтан қара майдың тұтқырлығы механикалық және жылулық өңдеу кезінде қатты өзгереді. Төмен температураларда майларда еріген жекеленген аромат көмірсутектер кристалданып, қара майдың байланыстырғыш қабілетін төмендетеді. Битумнан өзгеше қара майлар құрамында тек анион белсенді ғана емес, сонымен бірге катион белсенді заттар көп болғандықтан, қара май адсорбцияланатын материалдармен шекарадағы физика-химиялық процестер, битуммен салыстырғанда қарқынды жүреді. Сонымен бірге қара майлардың катион белсенді қосылыстарының есебінен тек негіздік қана емес қышқылдық беттерге де адгезиясы жақсарады. Беттік белсенді заттардың әсерінен қара майларда органикалық заттардың тотығуы мен полимерленуі қарқындайды, кейбір қосылыстар жұмыс істеу мерзімінде суда ериді, соның есебінен қара майлар битуммен салыстырғанда тез қартаяды. Битуммен салыстырғанда қара майлардың құрылымы қыздыруға төзімсіз келеді.
Тас көмірді кокстеу нәтижесінде шикі тас көмір қара майы алынады. Кокстеу температурасына байланысты шикі қара майлар екі топқа жіктеледі: біріншілік немесе төменгі температуралық, генератор газын 500...7000С температурада жартылай кокстеу арқылы алынады; екіншілік немесе жоғары температуралық, тас көмірді 1000...13000С температурада кокстеу кезінде алынады.
Шикі тас көмір қара майларында ұшқыш және кристалдық заттар мөлшерінің көп болуы, олардың тез қартайуына әсер етеді. Сонымен бірге оларды құрамында улы, оңай тотығатын заттар көп болғандықтан, құрылыста қолданбайды.
Құрылыста шикі қара майлардан су және жеңіл майларды айыру нәтижесінде алынатын, айдалған қара майлар кеңінен қолданылады. Айдалған қара майлардың құрамында жеңіл, ұшқыш аромат және қаныққан көмірсутектер мен нафталин аз, ал ауыр, антроценді майлар мен тұтқыр шайырлардың үлесі көп болады.
Тотықтырылған қара майларды шикі тас көмір қара майларын 170...2000С температурада тотықтыру арқылы алады. Қоладнылған қондырғылардың түріне байланысты тотықтыру уақыты 4...16 сағатқа дейін созылуы мүкін. Өндірісте тотықтырылған қара майлардың ДО-4, ДО-6, ДО-7, ДО-8 маркалары өндіріледі.
Гидроизоляциялық мақсатта қара күйені антанценді майлар және басқа да қара май материалдарымен араласытру арқылы алынатын құрастырылған қара майлар кеңінен қолданылады. Бұндай қара майлардың құрамы есептік және тәжірибелік жолмен таңдалады.
Қара күйе – қатты немесе тұтқыр аморфты зат. Бұл тас көмірден 3600С температурада тас көмір қара майын айдау нәтижесінде алынатын өнім. Қара күйе негізінен шайырлы заттардан, бос күйіндегі көміртектен, кокс пен көмір қалдықтарынан, антраценнен, фенантерннен, нафталин және майлардан тұрады. Қара күйе негізінен жабын материалдарын, қара күйе лагын, құрастырылған қара майларды өндіруде қолданылады.
Қара майлардың қасиеттері олардың құрамы мен құрылымна тәуелді.
Қара майлардың негізгі механикалық қасиеті – оның тұтқырлығы.
Қара майдың тұтқырлығы стандартты температурада вискозиметрдің тесіктері арқылы өткен қара май мөлшерінің уақытымен сипатталады. Бұл мақсатта дайындалған вискозиметрге, сынау температурасынан 2...3С0 жоғары температураға қыздырылған қара майды құяды. Сынау температурасына жеткен кезде қара майдан термометрді шығарып, вискозиметрдің шығыршықты клапанын ашады. Өлшегіш цилиндрдегі аққан қара май деңгейі 25 мл жеткен кезде секундомерді қосып, қалған 50 мл қара майдың вискозиметрден өту уақытын анықтайды. Стандартты вискозиметр бойынша 1с, 0,025...0,03 Па·с динамикалық тұтқырлыққа сәйкес келеді. Стандартты вискозиметр тесіктерінің диаметрі 3, 5, 10мм сәйкес келеді, сынау температуралары 30, 50С0. Тұтқырлығына байланысты қара майлар: Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6 маркада өндіріледі.
3.2 кесте – Тас көмір қара майларына қойылатын талаптар
| р/с | Көрсеткіштер атауы | Әр марка үшін талап | |||||
| Д-1 | Д-2 | Д-3 | Д-4 | Д-5 | Д-6 | ||
| Тұтқырлығы С305 С3010 С505 | 5..70 - - | - 5...20 - | - 21..50 - | - 51..120 - | - 121..200 - | - - 100..80 | |
| Судың массалық үлесі, % | |||||||
| Толуолда ерімейтін заттардың массалық үлесі, % | |||||||
| Көрсетілген температураға (0С) дейін айдалатын фракциялардың массалық үлесі, % | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | |||
| 3000С деінгі фракцияны бөліп алғаннан кейінгі жұмсару температурасы | |||||||
| Фенолдардың массалық үлесі, % | |||||||
| Нафталиннің массалық үлесі, % |
Қара майлардың құрамында полярлы атом топтары бар қосылыстар мен фенолдардың көп болуына байланысты қорғаушы бетке адгезиясы жоғары және улы болады.
Қара майлар биологиялық тұрақты, қара түсті, өзіне тән тас көмір шайырының иісі бар улы зат. Оталу температурасы 150..1900С, жану температурасы 180...2700С. Тас көмір қара майларының нағыз тығыздығы 1,1-1,3г/см3, газ қара майларының 1,0-1,2г/см3.
Қара майлардың ауа-райына тұрақсыздығы мен тез қартайуы құрамындағы ұшқыш заттардың булануы нәтижесінде және құрамындағы тотығып полимерленуге бейім келетін қанықпаған жоғарымолекулалы көмірсутектер үлесінің көп болуынан болады. Уақыт өтуімен қара майлардың топтық құрамының өзгеруі, олардың негізгі қасиеттерінің өзгеруіне алып келеді.
Ауа-райына тұрақсыздығы мен қара май тұтқырлығының өзгеруіне тұрақтылық дәрежесі, қара майлардағы жеңіл, орташа және ауыр майлардың үлесімен анықталады.
3000С температураға дейінгі фракцияны айдаудан кейінгі қара майдың жұмсару температурасы, битумға ұқсас анықталады.
Қара майдың құрамындағы фенолдың мөлшерін анықтау үшін 170...2700С температурада қара май үлгісін айдау арқылы алынған фракциядан фенолды сілтінің көмегімен бөліп алып, сілті көлемінің ұлғаюын өлшейді. Нафталиннің үлесін 170...2700С фракциясының кристалдануы кезінде бөлінген тұнба мөлшерін өлшеу арқылы анықтайды.
Қара майдың тұтқырлығы мен жылуға тұрақтылығын арттыру үшін тас көмір шайырына немесе маркасы төмен қара майға 180...2000С температурада күкірт немесе құрамында күкірт бар материалдар енгізеді. Осының нәтижесінде қара май көмірсутектері дегидратацияланып, малекула аралық байланыстар өзгереді.
Қара майлардың сапасын арттыру үшін оладың құрамына 30% мөлшерінде минералды дисперсті толықтырғыштар (ұнтақталған әктас, доломит, тас көмір немесе цемент шаңы) енгізеді. Бұндай қара майлар толықтырылған қара май деп аталады.
Ара майлар өндірісі
Кокс пешіне түрлі маркадағы байытылған көмірлерден дайындалған шихтаны тиеп, шихтаны ауа қатысынсыз қыздырады. Кокстеу 1100...12000С температурада көмірден барлық ұшатын заттар ұшып біткен соң аяқталады. Кокстеу процесі нәтижесінде шикі тас көмір шайырларының буы мен аммиак суы арнайы салқындатқыштарда жиналып, конденсацияланады. Бумен бірге салқындатқыштарда кокс пен көмірдің майда бөлшектері де жиналады. Әрі қарай конденсация өнімдері қара май жинағышқа жіберіліп, онда шикі шайыр аммиак суынан ажыратылады. Бұндағы шикі қара майдың шығымы 5% шамасында.
Газды пештерде тас көмірді газдендіру 1250...13000С температурада жүргізіледі, бұл жағдайдағы шикі шайырдың шығымы кокстеу кезіндегіден де төмен болады.
Шихтаны пештерде жартылай кокстеу 500...7000С температурада жүргізіледі. Бұл тәсілмен алынған төменгі температурадағы шикі қара майдың құрамында шаруашылыққа қажетті құнды заттар көп болады және ол заттар арнайы қара майды айдау қондырғыларында фракциялану арқылы бөлінеді.
Периодты жұмыс істейтін қара майды айдау қондырғысының сызбасы 3.2 - суретте көрсетілген.
1,2 – айдау өнімдерін жинағыш, 3,4 – су салқындатқыштары, 5 – жылуалмастырғыш-сусыздандырғыш, 6 – шлем құбыр, 7 – тік куб, 8 – төккіш құбыр, 9 – қара күйені тұндырғыш, 10 – қара күйе ыдысы
3.2 сурет - Периодты жұмыс істейтін қара майды айдау қондырғысының сызбасы
5 жылуалмастырғышқа шикі қара майды тиеп, 80...1000С температурадағы қара май майларының буымен ол аздап сусызданады. Сусызданған қара май 7 айдау кубына түсіп, қыздыру нәтижесінде одан майлардың буы бөлінеді де, олар шлем құбыр арқылы жылуалмастырғышқа барады. 3 салқындатқыштарда қара май буларының толық конденсациясы жүреді де, белгілі бір температуралық интервалда айдалған фракциялар 1 жинағыштарда жиналады. Айдау процесі тоқтаған соң 7 кубта қалған қара күйе, 8 төккіш құбыр арқылы 9 қара күйені тұндырғышқа өтеді. 1500С дейін салқындатылған қара күйе арнайы шұңқырға жиналады. Жинағышқа жылуалмастырғыш арқылы 4 салқындатқышта түзілген конденсат жиналады. Әрі қарай цикл қайталанады.
Үздіксіз процесс кезінде шикі қара майды айдау вакуумда жүргізіледі. Бұндай құндырғыларда кубтар бір-бірімен құбыр арқылы байланыстырылған, қара май бір кубтан екінші кубқа орын ауыстырады және әр кубта белгілі бір фракция бөліп алынады. Ең соңғы кубта қара күйе жиналады.