автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Природные битумы из киров Западного Казахстана



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах: рукописи

Шамиль Хайрулдович БЕКЕУЯАТОВ

ПРИРОДНЫЕ ШТУМЫ ИЗ КИРОВ ЗАПАДНОГО

КАЗАХСТАНА ( ИЗВЛЕЧЕНИЕ, ПЕРЕРАБОТКА, ПРИМЕНЕНИЕ ' В АСФАЛЬТОБЕТОНЕ)

Специальность 05.23.05 "Строительные материалы-

ег изделия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1993

/

Работа выполнена в Казахском дорожном научно-исследовательском институте.

Научный руководитель - доктор .технических наук,

профессор Н.В.Горедшев

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Е.Н.Баринов . - кандидат технических наук, с.н.с.•А.В.5уденский

Ведущая организация - Управление автомобильных дорог

Московской области "Мосавтодор"

Заишта состоится "25" ноября 1992г. в_часов на

заседании специализированного совета К 053.30.13 ВАК при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, Москва, ГСП-47, Ленинградский проспект, 64, МАДИ. Телефон для справок: 155-03-28.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского автомобильно-дорожного института. Отзывы на автореферат с подписью, заверенной ¡ечатью, просим "направлять в специализированный совет института.

Автореферат разослан " " _ 1992г.

Учений секретарь специализированного совета К'053.30.13

к.т.н.,доцент Л.П.Бессонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность -работы. Восполнение дефицита битумов в Казахстане происходи? за счет использования битумосодержащих пород (БСП) - киров при приготовлении битумоиинеральных смесей.

Кироминеральные смеси, хотя и обеспечивают высокие эксплуатационные свойства покрытий, имеют ряд недостатков, не позволявших широко использовать БСП в дорожном строительстве. Наиболее существенными недостатками являются: значительные затраты на транспортирование пустой породы (песка), отсутствие необходимого технологического оборудования в хозяйствах для приготовления ки-

роминеральных смесей в установке, неоднородность кира по содержа...

ниго органической части и ее физико-механическим свойствам, пониженная водостойкость смеси, невозможность модифицирования органического вялушего до требуе:лых свойств. Все это требует разработки кардинально нового направления в использовании ЕСП.

Таким направлением является извлечение органической части кира растворителем и доведение ее свойств до товарного дорожного битума. По способу получения, составу, свойствам полученный битум отличается от стандартного промышленного битума и, следовательно,' имеет свой специфику, пока недостаточно изученную;

Целью работы является совершенствование технологии извлечения и применения органического вяжущего из Киров.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:", разработать оптимальную технологии извлечения органического вяжущего из кира;

довести выделенное-органическое вяжущее до товарной продукции;

изучить особенности.и свойства асфальтового бетона на полученных- битумах;

составить техническое задание на разработку рабочего проекта на строительство опытно-промышленной экстракционной установки для извлечения органической части из кира и ее переработки на дорожный битум.

" Научная новизна. Теоретически и экспериментально установлен механизм экстракции органического вяжущего из киров месторождений-Беке-Таспас и Мунайяы-Мола.

Исследованы процессы получения остаточных и окисленных битумов из- экстрагированного вяжущего.

Установлены особенности структуры и свойств асфальтового бетона на природных битумах и направления ик улучшения.

На защиту выносятся результаты теоретических' и экспериментальных исследований получения товарных дорожных битумов из киров и их применения.в асфальтобетоне.

Практическая ценность. Разработана технология получения окисленных и остаточных товарных битумов путем экстракции органического вяжущего из кира углеводородным растворителем с последующим его отгоном и окислением.

Обоснована целесообразность строительства опытно-промышленной установки производительностью 20„тыс.то^н в год стандартных дорожных битумов, что сократит транспортные расходы на перевозку пустой породы кира,' обеспечи? • возможность замены кироминеральных

г

смесей асфальтобетонньыи, повысит качество и долговечность'дорож-ньпс покрытий.

Реализация, работы. На основе результатов проведенных 'исследований разработаны:

С

■технологический регламент на проектирование опытно-промышленч ной установки по выделении органической части из битумосодержаших пород;

технические условия "Битумы природные дорожные" (проект); технологический регламент на установку-по выделению и переработке-природного битума;

.рабочий проект "Опытно-промышленная, установка по выделению природного вяжущего.на месторождении Веке-Таспас"г

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзном совещании по комплексной переработке и использованию нефтебитуминозных пород (Алма-Ата, 1982 г.), научно-техническом семинаре "Научно-технический, прогресс з дородаой отрасли" (Алма-Ата, 1991 г.), Всесоюзной научно-технической" конференции "Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог'ЧВладимир, 1991г.').

Публикации. Материалы выполненных исследований-, опубликованы в 9 статьях, 3 нормативно-технических документах, получены 2 авторских свидетельства.

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, обших выводов, списка.литературы иа"Г70 наименований и 7 приложений. Общий объем работы составляет 274 страницы машинописного текста, содержит 88 таблиц и 46 рисунков."

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, раскрыта ее цель, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе обобщены данные по структуре, содержанию органического вяжущего, -физико-механическим и химическим свойствам

БСП месторождений Республики Казахстан. Рассмотрены и проанализированы сутествугаие технологии и оборудование по разработке месторождений ЕПП и их транспортированию, приготовлению кироминеральных смесей, Увлечению органической части.

Исследованиями Н.К.Надирова, В.С.Бочарова, А.В.Руденского, З.Э.Рацена, И.М.Руденской, И.А.Плотниковой, Б.Я.Стрельниковой, В.К.Найденко, В.Н.Елькина, М.В.Сокальской, С.Г.Фурсова и др. показано, что минеральная часть БСП Казахстана в основном представле--на барханным песком, покрытым прочносвязанным органическим вяжущим, содержание которого может изменяться от долей процента до 60-70$ в пределах одного месторождения. Вязкость органических вяжущих так же изменяется в пределах одного месторождения и может изменяться от. жидких до вязких и строительных марок бит^а.

На месторождениях БСП Казахстана, имеющих малую толщину слоя вскрыши и песчаный тип коллектора, применяется карьерный способ разработки. Разработка пластов ЕСП с содержанием органического вяжущего до 30$ ведется в течение всего года обычными землеройно-транспортнши механизмами.

Подразделениями Министерства транспортного строительства разработаны технологии и оборудование для приготовления кироминераль-ных смесей, которыз успешно действуют во всех регионах республики. Однако неоднородность кира, отсутствие в хозяйствах необходимого технологического оборудования, высокие транспортные затраты предопределяют применение кира в дорожном строительстве в районах, ' расположенных вблизи месторождений БСП.

Увеличение объемов-использования БСП возможно путем извлечения из них органической части и переработки ее в дорожный битум.

Анализ,зарубежных и отечественных технологий извлечения орга-

,ничеокой части хира показал, что технология извлечения органическим растворителем - стабильным газовым конденсатом, разработанная совместно коллективом авторов ВНИИУС и НПО "Дортехника", наиболее полно учитывает природные особенности, сырьевую базу и свойства БСП Казахстана.

Однако нетрадиционность применяемого органического растворителя", особенности получаемого полупродукта и товарного битума требуют разработки технологии получения и изучения свойств конечного продукта.

Цель и задачи исследований определены на основе проведенного анализа.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки по механизму извлечения.и переработки природного органического вяжущего, повышению водостойкости асфальтобетона на природном битуме.

На основании проведенных исследований растворения 50 органических соединений в природном органическом вяжущем месторождения Беке-Таспас выяснено, что экстракцию можно рассматривать как двухступенчатый процесс, на первой стадии которого происходит разрушение структуры природного органического аяжушего парафиновыми углеводородами, размывание сольватной оболочки и оголение ассоциатов,' состоящих из асфальтенов и смол.

На второй стадии экстракции происходит растворение этих ассоциатов полярными углеводородами.

Обе стадии экстракции обеспечивают применение высоко- и низкотемпературных фракций стабильного газового конденсата_ Узенъско-го-ГЯЗ.

Многолетний опыт изучения и применения в дорожных покрытиях кироминеральных смесей показывает, что они имеют пониженную водо-

стойкость. На эту особенность кироминеральных смесей указывают В.Я.Стрельникова, И.А.Плотникова, М.Б.Сокальская, В.К.Найденко, И.И.Карцева, С.Г.курсов, К.М.-О.Ахмедов.

Причиной пониженной водостойкости кироминеральных смесей является высокая анионная активность природных углеводородов, составляющая 11-22'мг КОН/г и. способствующая интенсификации процесса диффундирования воды, ослаблению когезионных и адгезионных связей.

Снижения кислотности природных органических вяжущих, выделенных из кира, можно добиться путем отгона легких.фракций углеводородов,^- в частности, пйрафино-нафтеновой составляющей. Дальнейшее понижение кислотности до нормативной возможно добавлением-ка-тионактивных поверхностно-активных веществ или использование в качестве минерального материала карбонатных пород, неактивйрованного мгнерального порошка, извести. Конкретные величины вводимых добавок уточнены экспериментальными исследованиями.

В третьей главе приведена: методики извлечения органического вяжущего из кира и получения из него дорожных битумов; методики исследований органических вяжуших материалов и -асфальтового бетона-; результаты исследований составляющих .кира, органического вяжущего, асфальтового бетона. Все исследования велись на органическом вкжутем кира месторождений Беке-Таспас и Мунайлы-Мола. Микроскопическими и колориметрическими методами, а также адсорбционной

»

хроматографией установлено, что масляная часть природных органических вяжуших содержит в своем составе относительно низкомолекулярные соединения с темЬературой начала кипения 240°С. Относительно невысокая степень ароматичности асфальтенов природного вяжущего, равная 0,29, предопределяет получение дорожных битумов с не-

й

жесткой структурой. Асфальтены природного вяжущего однородны и представлены в основном частицами размером 0,9-1,0 мкм.

Исследование выбранного растворителя показало, что стабильней газовый конденсат Узеньского ГПЗ доступен, дешев, в нем отсутствуют вредные и дурнопахнуше компоненты, невелико содержание серы (0,02-0,04%), значительно количество ареноэ (7,0-13,1%), обладающих интенсивным межмолекулярным взаимодействием с природным органическим вяжущим.

Подбор необходимого количества растворителя для экстракции показал,- что объемная кратность, растворителя к киру должна составлять 3:1:- (рис.1).

о з с. о я

ООН К СО о о я а <11 у з-е« я о« г о а х х и 2 о о.За> о « э-оЗ X 0! О.Г Я е* Я X

арьл а>« о-н »стог . 01 о

§х а л" но о га с о а, х ас

о з л с, а X.

<и а с: >,1в <и к а е- "я х о га х

13(100)

12(92) 11(85)

10(71)

9(69)

8(62) 7(54)

6(46)

• ■ 2 |

< V • I

■А

/ /

1 V

_

*

Рис. I.

0 1 г 3 4 5 6 7 8 9 10

Объемная кратность растворителя к Ъиру

Степень извлечения органического вяжущего из кира от объема растворителя - стабильного газового конденсата при: 1-одноступенчатой экстракции; 2-двухступенчатой экстрацции

?

Повысить степень извлечения органики из кира возможно экстракцией в перекрестном токе и применением предварительного разжижения (табл.1). В качестве сравнения в этой же таблице представлены данные по разработанному в США способу экстракциипо которому предварительная обработка производится фенолом, а сам процесс экстракции гептаном.

, . • ' Таблица' I

— у -1-

¡Количество Степень извлече-;разжижителя ния органическо-!и раствори-!го вяжущего из ¡теля,% от }кира,% от массы ¡массы кира ^органической-

№ пп

Наименование разжижителя и растворителя

!

части

ракции газового ..'<,) с температурой 00°С

1. Разжижитель -конденсата (Г н.к. свыше 31

Растворитель - фракции газового конденсата с температурой к.к. до 300 С

2. Разжижитель - фр.Г.Ка с тампера-турой н.к. свкше 300 С

Растворитель - йр0Г.К. с темпера турой к.к. до-300 С

3. Разжижитель - фр.Г.К. с температурой н.к. свыше 300 С

Растворитель - I турой к.к. до 3'

4; Разжижитель - % водный раствор фенола

Растворитель - гептан

5. Разжижитель - 5% водный раствор фенола

Растворитель - гептан

6. Разжижитель - 5% водный раствор фенола

Растворитель - гептан

10Г.К. с гемпера-

280

10

280

20

280

2 280

10 280

20 280

85,8 ,

87,6

90,8

82,6 84,3 ; 87,1

Степень извлечения органического вяжущего при экстракции ста^ бильным газоаым конденсатом в значительной степени зависит от его

«

Продолжение табл.3 •

1 ! а ! ^ ! 4 ! 0 ! О ! 7 ! Ь

Биту.« остаточный БПД 60/90+3$ извести 2,37 4,9 0,1 7,3 3,4 0,95 0,С7

Битум остаточный БПД 60/90+10% неактивированного минерального порошка 2,36 4,7 0,3 6,9 3,0 0,92 0,ЬЗ

Битум окисленный ЕПД 60/90+2,0% берез-няковских аминов 2,36 4,8 0,1 6,6 3,3 0,94 0,86

Битум окисленный ШД 60/90+4,5% извести 2,36 4,7 0,2 6,5 3,4 0,90 0,82

Битум окисленный ЩЦ 60/90+10% неактивированного минерального порошка 2,37 4,8 0,4 6,2 3,1 0,8В 0,78

В пятой главе представлены климатическая характеристика района проектирования и дальнейшего строительства опытно-промышленной установки, состав установки, технология извлечения природяого органического вяжущего из кира, материальный баланс и параметры технологического режима установки, потребность в трудовых, материальных и.энергетических ресурсах при строительстве и оослужива-нин установки, основные технико-экономические показатели.

На основании разраооганной технологии извлечения органических вяжущих из битумосодержаших пород, по материалам инженерных изысканий, технологическому регламенту ив соответствии с заданием на' проектирование, научно-производственным объединением "Сопзнефтепромхим" в 19ВЭ-1990 г г. был разработан раоочий проект Опытно-промьшленная установка го выделению природного вяжущего на месторождении "Веке-Таспас"..Разработку шнекового экстрактораj сушильного агрегата, отстойников выполнило НПО "Дортехника".

П

Технологическая схема извлечения природного органического вяжущего из к,.ра- стабильным газовым конденсатом

Экспликация;

I - бункер-отстоййик; 2 - шнековый экстрактор; 3 - фильтр грубой очистки; '4 - фильтр тонкой очистки; 6 - первый теплообменник; б - второи теплообменник; 7 - печь-нагрева;-8 - сепаратор первой ступени; 9 - сепаратор второй ступени: 10 - емкость для битума; .II - сушильная печь; 12 - сепаратор; 1>3 - емкость растворителя; 14 - транспортер

Рис.3 '

•Исходя из значительной удаленности объекта строительства от населенных пунктов, отсутствия воды в районе месторождения, а также технологии .переработки в проекте предусмотрены сооружения,обеспечивавшие автономность работы установки.

Режим работы установки предусмотрен непрерывный круглосуточный .

Технологическая схема, извлечения природного органического вяжущего приведена на рис.3.

Строительство бпытно-промьшленной установки производительностью по товарному битуму 20 тыс.т/год (производительность по породе, - 150,35 тыс.т/год;. предполагается начать во втором полугодии 1992 г. Срок строительства установки 22 месяца. Потребность в сырьевых, топливно-энергетических.!! трудовых р урсах при строительстве установки составит: электроэнергия - 157 квг, топливо - 200 т, кислород - 3341 м3, количество работающих - 86 человек.

При эксплуатации установки..годовая потребность в сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсах составит: в растворителе (газовом конденсата - 1260 т/год; электроэнергии - I млн. кВт.ч;'топливе.(мазут; - 3,91 тыс.т; тегоюзнергии - 2042 ГКал; воды - 12 т.м3; работавших - 51 чел.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I.Обоснована целесообразность замены применяемого метода использования кира в дорожном строительстве Казахстана- на более прогрессивный метод ~ извлечение природного органического.вяжущего из кира и его переработка на дорожные битумы.

2.Теоретическими обобщениями и лабораторными исследованиями установлена оптимальная технология извлечения природного органи-

ческого вяжущего двухстадийной обработкой стабильным газовым конденсатом Узеньского ГПЗ, а также повышения его качества, чего не удавалось сделать при прямом использовании кира.

. 3.Исследована и предложена для практического использования технология переработки углеводородного сырья,извлеченного из кира, на остаточные и окисленные природные дорожные битумы.

4.Показано более высокое качество природного битума по сравнении с нефтяным, за исключением водостойкости, раскрыты причины пониженной водостойкости, предложены пути устранения этого недостатка.

5.Получены положительные результаты применения природных битумов в асфальтобетоне с обеспечением его высокого качества и возможности замены кироминеральных смесей асфальтобетонными в масштабе республики.

6.Запроектирована опытно-проиышленная установка по извлечению углеводородов из кира месторождения Беке-Гаспас с'переработкой полученного сырья на остаточные и окисленные дорожные битумы.

Основные положения диссертации.изложены в следующих работах:

1.Бекбулатов Ш.Х. Перспективы использования битуминозных пород в дорожном строительстве// Нефтебитуминозные породы. Перспективу использования: Материалы Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию нефтебитуминозных пород. - Алма-Ата: Наука' , 1982. -4.10-25.

2.Бекбулатов Ш.Х. Сырьевая база дорожного строительства Казахстана' в условиях дефицита битума//Автомобильные дороги.. 1991^ -Р.8-Ю.

3.Бекбулагов Ш.Х. Сеть автомобильных дорог Казахстана и проблемы её содержания/Автомобильные дороги, 1991,

4. Бекбулатов Ш.Х. Новый способ переработки битумосодержащих пород// Научно-технический прогресс в дорожной отрасли: Материалы научно-технического семинара/ Минавтодор. Алма-Ата.-1991.'С.62-63.

5. Бекбулатов Ш.Х. Некторые особенности использования природных органических вяжущих материалов при строительстве и ремонте .автомобильных дорог// Научно-технический прогресс в .дорожной отрасли:'Материалы научно-технического семинара/ Минавтодор.Алма-Ата. 1991. С. 98-100. •

6. Бекбулатов Ш.Х. Свойства природных органических вяжущих материалов, выделенных из•битумосодержащих пород (БСП)// Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог. - Владимир, 1991. С.108-109.

7. Бекбулатов Ш.Х. Пряродни органични СВЪР зващи вещества пьгного строительство. - Птища. 1991. й I."

8. Бекбулатов Ш.Х., Рацен В.З. Свойства природных битумов, полученных из битумосодержащих пород// Научно-технический прогресс в дорожной отрасли/ Мннтрансстрой Казахстана, Алма-Ата.1992.

9. Бекбулатов Ш.Х. Исследование термической стойкости дорожных битумов, полученных из битумосодержащих пород Западного • Казахстана// Научно-технический прогресс в дорожной отрасли/ Минтрансстрой Казахстана, Алма-Ата. 1992.

10. A.c. № IÖ79558 СССР, МКИ В 65 С 33/14 В 65 С 33/24. Шнековый конвейер/ Курочкин В.А., Бекбулатов Ш.Х., Рахматулин Я.Г. и др. - Заявл. 26.04.82; Опубд. 15.03.84, Бгал.Я 10.

11. A.c. № Н24074_СССР, МКИ Е 01 С 19/10. Установка для приготовления асфальтобетонных смесей/ Бекбулатов Ш.Х., Рацен З.Э., Каблов А.Я. и др.- Заявл. 16.02.83; Опубл. 15.II.84,Боя Я 42.

МД1. ».621 т.100 в.ГС.Жг.