Материал: Проект битумной установки широкого профиля мощностью 190 тысяч тонн в год с расчётом реактора

Введение

Роль топлива в современной экономике исключительно велика. В народном хозяйстве нет ни одной отрасли, которая не находилась бы в зависимости от снабжения топливом.

Россия обладает огромными нефтяными ресурсами, основные запасы которых находятся в Западно-Сибирской и Волго-Уральской нефтегазоносных провинциях, занимающих обширное пространство страны. Нефтедобывающая промышленность получила развитие в Татарстане, Башкорстане, Самарской, Пермской, Волгоградской областях.

В больших размерах нефть и нефтепродукты транспортируются из Поволжья в центральные, северо-западные и другие районы по нефтепроводам, водным путям и железным дорогам.

Нефтеперерабатывающие предприятия сооружены в центральных районах (Москва, Рязань, Нижний Новгород, Ярославль, Кириши), в Поволжье (Саратов, Сызрань, Самара, Волгоград, Уфа), на Урале (Пермь, Омск), в Сибири (Омск, Ангарск, Ачинск), на Дальнем Востоке (Комсомольск-на-Амуре, Хабаровск), на Северном Кавказе (Грозный, Краснодар и Туапсе).

Развитие нефтеперерабатывающий промышленности на востоке страны значительно улучшило снабжение этих районов нефтепродуктами, которые прежде завозились из европейской части нашей страны.

В настоящее время созданы крупные нефтехимические комплексы в Нижнекамске, Тобольске, Томске.

С развитием нефтяной промышленности возросла переработка асфальтосмолистых нефтей, увеличилось производство и улучшилось качество битумов, которые вытеснили природный асфальт, но добыча последнего продолжается до сих пор.

В настоящее время битум широко применяют в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве и реактивной технике, а также для защиты от радиоактивных излучений. Ведущей областью применения битумов является строительство и ремонт дорог, жилых домов, промышленных предприятий и аэродромов.

Мировые мощности по производству нефтебитумов в 2001 г. составляли 111,5 млн.т. На долю России и других стран СНГ (бывшего СССР) в этом потенциально возможном объеме выработки битумов приходится около 12% общемирового производственного потенциала. Доля непосредственно России составляет 9,1% (2 место) мировой мощности производства нефтебитумов.

По развитию нефтебитумного производственного потенциала Россия среди развитых стран мира занимает второе место после США. Потенциальные возможности по производству нефтебитумов в России относительно мощности первичной переработки нефти достигли уровня США - 3,7%, что выше уровня выхода на нефть Франции, Италии, Японии, но значительно ниже относительно потенциальных возможностей Канады и Германии. Удельная мощность производственного потенциала получения нефтебитумов на душу населения в России сравнялась с лучшими достижениями европейских стран, однако в 1,6 раза отстает от уровня США и более чем в 3,5 раза - от уровня Канады.

Поскольку нефтебитум, используемый в качестве связующего вещества при изготовлении асфальтобетонных покрытий автодорог, составляет в среднем 6-8% в получаемой массе асфальтобетона, рассмотренные потенциальные возможности России в сопоставлении с семеркой развитых стан мира свидетельствуют о весьма низком уровне развития дорожного строительства в России при ее огромной территории. Фактически в реальном производстве в России положение в два раза хуже, так как использование производственной мощности по выработке нефтебитумов составляет менее 50%, тогда как в семерке развитых стран мира производственный потенциал используется на 90-96% (в количественном отношении) [1].

Битумная установка позволяет получать набор высококачественных конечных продуктов. Этот набор продуктов и объём их производства может варьироваться в зависимости от спроса. Окислением гудрона (фракции 500°С КК) могут быть получены битумы строительных (БН), кровельных (БНК) и дорожных (БНД) марок высокого качества.

Таким образом, производство больших объемов битума и его сбыт по сниженным ценам экономически целесообразно.

Использование битума в Краснодарском крае очень обшироно, т.к. в крае ведётся масштабное строительство различных сооружений, в частности в городе Краснодаре строятся высотные дома, в городе Сочи ведётся строительство зданий и спортивных объектов где используется строительный битум БН , а так же используется дорожный битум БНД для строительства дорог.

Теоретический раздел

Общие сведения о процессе производства битумов

Битум был первым продуктом из нефти, которым пользовался человек: уже за 3800 лет до нашей эры его применяли как строительный материал. Природные битумы и асфальты, добываемые в районах нефтяных месторождений, использовали в качестве связующих, антисептических, противокоррозионных и водонепроницаемых материалов, для строительства зданий и башен, водопроводных и водосточных каналов, туннелей, зерно- и водохранилищ, дорог, в судостроении. Битумами покрывали хранилища для зерна, скрепляли плиты стен и полов в храмах, их применяли в медицине и для мумификации трупов. Консервирующее свойство битумов обусловлено их высокой водо- и воздухонепроницаемостью. С развитием нефтяной промышленности возросла переработка асфальтосмолистых нефтей, увеличилось производство и улучшилось качество битумов, которые вытеснили природный асфальт, но добыча последнего продолжается до сих пор.

Под термином «битум» понимают жидкие, полутвердые или твердые соединения углерода и водорода с небольшим количеством кислород-, серо-, азотсодержащих веществ и металлов и значительным содержанием асфальтено-смолистых веществ, хорошо растворимых в сероуглероде, хлороформе и других органических растворителях [3].

Для производства нефтяных битумов используют три основных способа [4]:

• 1. Концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме в присутствии водяного пара или инертного газа (при переработке тяжелых асфальтосмолистых нефтей остаточные битумы получают атмосферной перегонкой).
• 2. Окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов деасфальтизации, экстрактов селективной очистки масел, крекинг-остатков или их смесей) при температуре 180-300 єC.
• 3. Компаундирование (смешение) различных нефтяных остатков с дистиллятами и с окисленными или остаточными битумами и др.

В зависимости от характера применения отечественные битумы подразделяют на группы, подгруппы и марки:

• - битум нефтяной дорожный вязкий БНД-90/130, БНД-60/90 - применяется в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных и аэродромных покрытий;
• - битум нефтяной строительный БН-50/50, БН-70/30, БН-90/30 - применяется для строительных работ;
• - битум нефтяной кровельный БНК-40/180, БНК-90/40,БНК-90/30 - для производства кровельных покрытий и гидроизоляции;
• - битум нефтяной пластичный для защитных покровов кабелей БЗК - применяется для антикоррозийной защиты кабелей;
• - масса кабельная специальная МБК - применяется для нанесения защитных антикоррозийных покрытий при изготовлении кабелей;
• - соляр - используется для приготовления топлива.

Совершенствование технологии битумного производства позволит интенсифицировать процесс и улучшит свойства битумов [2].

В настоящее время доля окисленных битумов в нашей стране в общем объеме их производства составляет 73 %. Впервые в промышленных масштабах окисленные нефтяные битумы начали производить в 1844 г по предложению Ж. Г. Биерлея путем барботажа воздуха через слой нефтяных остатков при 204 єC и 316 єC. В зависимости от температуры и продолжительности процесса получали битумы различных свойств; продукт этот был назван «биерлитом». В России окисленный битум был впервые получен в 1914 году в г. Грозном. Развитие производства окисленных битумов в СССР началось с 1925 года в г. Баку.

Современная технология заключается в окислении нефтяных остатков кислородом воздуха без катализатора при температуре 230-300 єC с подачей 0,84-1,40 м³/мин воздуха на 1 тонну битума при продолжительности до 12 ч. Воздух может подаваться в реактор под давлением или всасываться благодаря вакууму в системе до 66,7 кПа (500 мм рт. ст.). Отгон и потери зависят от содержания летучих веществ в сырье, от глубины окисления и находятся в пределах 0,5-10 % (масс.) от сырья. Пары воды и диоксид углерода выводится из системы. Реакция окисления - экзотермическая, поэтому температура в зоне реакции повышается. Получение битума из нефтяного сырья составляет по существу его загущение по причине конденсации низкомолекулярных соединений. Кислород воздуха взаимодействует с нефтяным сырьем и расходуется в различных реакциях окисления. С повышением температуры увеличивается доля кислорода расходуемого на образование воды. В целом процесс окисления характеризуется переходом масел в смолы, а смолы в асфальтены. Задача технологии битумного производства является такой подбор сырья, который приводит к получению конечного продукта с высокими эксплуатационными показателями [5].

Количество химически связанного кислорода в окисленном битуме увеличивается с повышением содержания ароматических углеводородов в сырье-нефтяном остатке. Основное количество кислорода находится в виде сложноэфирных групп. В среднем они содержат 60 % кислорода, поглощенного битумом. Остальные 40 % распределены примерно поровну между гидроксидными, карбоксильными и карбонильными группами. Оптимальной температурой образования связи С = О является 250 єC [3].

Выбор и обоснование способа производства и технологической схемы

Технологическая схема битумной установки должна обеспечивать требуемую производительность, возможность получения широкого ассортимента битумов при достаточно хорошем их качестве. Обязательным требованием должно быть обеспечение возможности поддержания максимальной поверхности реагирующих фаз, высокой степени ее обновления и оптимальная продолжительность контакта сырья с воздухом. Процесс будет высокоэффективным при наличии специальной системы отвода тепла, выделяющегося в результате окисления сырья.

Следует также решить вопрос обезвреживания и утилизации газов окисления и жидкого отгона. Одним из наиболее вероятных способов считается сжигание газов в печах и передача отгона в нефтеловушки, либо использование его в качестве топлива.

При выборе реакционного устройства необходимо учитывать тип сырья и качество готового продукта. Если при окислении выделяется много тепла, предпочтение следует отдать реакторам колонного типа, в которых избыточное тепло легко отводится подачей воды наверх колонны. Реакторы трубчатого типа предпочтительны для производства строительных битумов с температурой размягчения по КИШ более 60-70 єC, так как позволяет достигать нужной глубины окисления за сравнительно короткое время, без ухудшения таких показателей, как пластичность, морозостойкость и адгезионные свойства [2,6].

С ростом потребления окисленных битумов битумные установки укрупняли, вводили более совершенные методы контактирования сырья с воздухом. Емкость вертикальных кубов, применяемых в промышленности, постоянно возрастает.

На рисунке 1.1 приведена схема весьма распространенной установки, состоящей из 5-11 вертикальных кубов-окислителей (диаметром 5,4 м, высотой 10 м):

Аппараты: 1 - печь; 2, 9 - вытяжные трубы; 3-8 - кубы-окислители; 10, 11 - конденсаторы смешения; 12, 13 - насосы; 14 - раздаточники; 15 - цистерна. Потоки: Й - сырье; ЙЙ - воздух; ЙЙЙ - вода; IV - газообразные продукты окисления; V - сконденсированные продукты.

Рисунок 1.1 - Схема полунепрерывной битумной установки

Установка обычно сблокирована с вакуумной установкой. Кубы работают периодически, однако горячее сырье из вакуумной колонны поступает на установки непрерывно. В начале работы каждого куба его заполняют на 2/3 высоты гудроном, после чего через маточник подают воздух. Избыточное давление воздуха изменяется в пределах 0,05-0,10 МПа. В зависимости от природы сырья и заданных качеств битума температуру окисления поддерживают в пределах 220-280 єС.