автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Регулирование свойств катионных битумных эмульсий

Министерство общего и профессионального образования РФ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи

Л [

Карпеко Филипп Владимирович РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КАТИОННЫХ БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ.

Специальность 05.17.07 - Химическая технология топлива и газа.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Гуреев A.A. Научный консультант-доктор технических наук Каминский Э.Ф. Официальные оппоненты: Головин Г.С., д.х.н., профессор Винокуров В.А., д.х.н., профессор

Ведущее предприятие: Институт проблем нефтехимпереработки АН Республики Башкортостан

Москва -1998

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

Глава 1. Физико-химическая технология производства и применения битумных эмульсин (литературный обзор).

1.1.Органические вяжущие материалы и место битумных

эмульсий в структуре их потребления. 9

1.2. Представления о механизмах процессов образования и разрушения эмульсий битума в воде. 23

1.3. Компонентный состав современных битумных эмульсий. 32

1.4. Концепция исследования, основные цели и задачи. 38

Глава 2. Объекты и методы исследований.

2.1. Объекты исследований. 41

2.2. Методы исследований.

2.2.1. Стандартные методики испытаний и определения эксплуатационных свойств эмульсий. 45

2.2.2. Агрегативная и кинетическая устойчивость. 48

2.2.3. Вязкостно-температурные характеристики. 51

2.2.4. Межфазное натяжение. 53

2.2.5. Измерение диэлектрических параметров. 55

Глава 3. Разработка компонентного состава битумных эмульсий.

3.1. Регулирование состава дисперсионной среды. 5 7

3.2. Регулирование состава дисперсной фазы. 75

3.3. Принципы подбора компонентного состава битумных

эмульсий. 96

Глава 4. Регулирование свойств битумных эмульсий.

4.1. Кинетика и скорость распада эмульсий при контакте с поверхностью. 103

4.2. Адгезия пленки вяжущего к обрабатываемой поверхности. ПО

4.3. Вязкость битумных эмульсий.

115

Глава 5. Разработка компонентного состава и методов регулирования свойств би-

тумных эмульсий различного назначения.

5.1. Разработка составов битумных эмульсий для дорожного 123 строительства.

5.2. Изучение возможностей расширения областей применения битумных эмульсий. 135

5.3. Внедрение результатов работы. 138 Основные выводы. 142

Список литературы. 145

Словарь сокращений и аббревиатур. 152

Приложения.

153

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы.

Одним из важнейших направлений в области нефтепереработки в последние десятилетия стало исследование возможностей и способов интенсификации процессов переработки нефтяного сырья и рационализации использования нефтепродуктов с одновременной оптимизацией их эксплуатационных показателей. При этом в решении второй из обозначенных проблем на первый план выходят разработка и обоснование принципов и конкретных технологических приемов, направленных на получение продуктов с заданными свойствами и, соответственно, на расширение их сырьевой базы и областей применения.

К одним из самых многотоннажных нефтепродуктов относятся нефтяные битумы, которые одновременно являются и одним из самых дефицитных продуктов. Достаточно отметить, что по состоянию на 1997 год по общему объему производства нефтяных битумов РФ занимает второе место после США (3.2 млн.т./год). Из общего объема вырабатываемых в России битумов около 65 % составляют дорожные, 25 % - строительные и 10 % - кровельные марки. При этом потребность в битумах в-целомгудовлетворяется в целом на 80 %, а потребность в дорожных битумах - лишь на 60 %. Современный уровень развития строительства вообще и дорожного - в частности, предусматривает весьма жесткие требования к ассортименту и качеству строительных материалов. На сегодняшний день более 70 % выпускаемых в России битумов не соответствует по своему ассортименту и качеству требованиям рынка. В первую очередь это касается дорожных и кровельных марок битумов. Обозначенная проблема остро стоит на современном этапе практически перед всеми нефтеперерабатывающими предприятиями России и стран СНГ. Одним из направлений экономичного и высокотехнологичного использования такого дефицитного вяжущего материала как битум является

широкое внедрение в практику дорожного и коммунального строительства эмульсий битума в воде (в дальнейшем - битумных эмульсий). Постановкой данной работы была сделана попытка повышения качества и расширения возможных областей применения такого несомненно перспективного строительного материала как битумные эмульсии за счет целенаправленного регулирования их физико-химических показателей. К наиболее важным преимуществам битумных эмульсий по сравнению с традиционно используемыми вяжущими материалами (разогретые до высоких температур вязкие дорожные битумы, разжиженные нефтяными дистиллятами битумы) следует отнести прежде всего их заметно меньшую вязкость уже при 20°С, сопоставимую с вязкостью дисперсионной среды (водной фазы), а также более высокую адгезионную способность к поверхностям различной структуры и природы (кислые и щелочные минералы, металл и т.д.). Снижение вязкости позволяет повысить точность дозирования вяжущего материала и распределять его более тонкими слоями, что, в свою очередь, исключает вероятность "потения" слоев (выступления битума на поверхность из объема слоя) и приводит к сокращению расхода вяжущего материала. Повышенная адгезия способствует созданию высокопрочных и долговечных дорожных конструкций.

В настоящее время в РФ доля битумных эмульсий в общей структуре органических вяжущих материалов, потребляемых в дорожном строительстве, по разным оценкам не превышает 1.5-2 %, в то время как в развитых странах этот показатель находится на уровне 20-40 %. Справедливости ради стоит отметить, что в последние годы наметилась тенденция к повышению доли эмульгированного битума в структуре потребления органических вяжущих в нашей стране, что обусловлено рядом обстоятельств, подробно рассмотренных в главе 1.

Разработка рациональных с экономической и технической точек зрения технологий производства битумных эмульсий и строительства с их использова-

нием различных конструктивных слоев дорожной одежды имеет большое практическое значение и возможна лишь с учетом качественных особенностей применяемых в нашей стране материалов (битумы, минеральные материалы и т.п.). С экономической точки зрения оправдан поиск ПАВ отечественного производства, которые могут выступать в качестве эффективных эмульгаторов битума в воде. Цель работы.

Целью настоящей работы является разработка физико-химической техноло-

(-Рхп , /

гйй производства и применения катионных битумных эмульсий, приготов- ;/

ленных на основе продуктов отечественного производства и с учетом некоторых особенностей качества отечественных строительных материалов, главным образом - битумов, эмульгаторов (ПАВ и ПАВ-содержащих продуктов), различных модификаторов и добавок. Научная новизна работы.

Разработаны принципы подбора компонентного состава битумных эмульсий с целью регулирования их эксплуатационных свойств и расширения областей применения. В ходе этой работы были решены следующие задачи:

1) разработаны методические основы оптимизации используемых для эмульгирования битумов с учетом их коллоидно-химической структуры, которая изменяется в ходе структурно-фазовых переходов, сопровождающих различные стадии производства и применения,

2) выявлены общие закономерности изменения эксплуатационных свойств эмульсий вследствие изменения природы и/или структуры дисперсной фазы и дисперсионной среды,

3) оптимизированы основные технологические параметры процессов производства и применения битумных эмульсий и разработаны основы физико-химической технологии этих процессов,

4) предложен механизм распада эмульсий на поверхностях различной природы, что позволило регулировать их устойчивость при контакте с обрабатываемой поверхностью. Разработаны основные принципы и технологические приемы регулирования эксплуатационных свойств битумных эмульсий различного назначения путем введения добавок и изменения коллоидного состояния и химической природы как дисперсной фазы, так и дисперсионной среды. Предложены методы оценки свойств эмульсий и с их учетом установлены закономерности изменения параметров эмульсий с изменением степени дисперсности и компонентного состава системы. Отмечена исключительно важная роль направленного изменения межфазного поверхностного натяжения на границе "битум-вода" как основного инструмента регулирования эксплуатационных свойств эмульсий.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Разработаны основные принципы ФХТ производства и применения катион-ных битумных эмульсий в соответствии с общей теорией углеводородных дисперсных систем, развиваемой в работах З.И. Сюняева и его научной школы. При этом отмечено, что если процессы производства, транспортировки и хранения эмульсий должны реализовываться в I экстремальном состоянии (гтщ, Ьтах)', то в процессах использования данного типа вяжущего материала следует стремиться к достижению II экстремального состояния (гтах, Установлены способы перевода эмульсий в указанные экстремальные состояния. Разработана методологическая база приемов активирования сырья, подтвержденного комплексом реологических (регулирование и исследование вязкости, межфазного натяжения) и электрофизических исследований (измерение и регулирование электрофизических свойств). Разработана также технология рационального использования битумсодер-жащих масс (БСМ), образующихся при утилизации газообразных отрав-

1 Здесь г - радиус ядра, Ь - толщина адсорбционно-сольватного слоя ССЕ.

ляющих веществ типа зарина, зомана, VX, с получением эмульгированного вяжущего материала, который предложено использовать для устройства слоев оснований из эмульсионно-минеральных смесей и для регенерации старых покрытий методом холодного рисайклинга.

Проведенные исследования позволили решить проблему разработки компонентного состава битумных эмульсий, что дает возможность более широко вовлекать эмульсии не только в область дорожного строительства, но и в другие сферы гражданского строительства. В целом это означает более рациональное использование битума.

Большая часть экспериментов, связанных с регулированием устойчивости, разработкой компонентного состава эмульсий, модификацией битума и водной фазы, разработкой физико-химических методов оценки свойств эмульсий проведена на базе битумной лаборатории РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и лаборатории АБЗ ДАОЗТ "Асфальтобетонсервис". Экспериментальные образцы битумных эмульсий были получены на пилотной установке ДАОЗТ "Асфальтобетонсервис" (производительность до 500 кг/ч, система Batch, зазор "ротор-статор" 0.1 мм, скорость вращения ротора 11000 мин"1, производитель - Marius Pedersen, Дания). Большинство рассмотренных в работе рецептов было отработано на пилотной установке и прошло апробацию на промышленной эмульсионной установке ДАОЗТ "Асфальтобетонсервис" (производительность - 12 т/ч, система Inline, зазор "ротор-статор" 0.3 мм, скорость вращения ротора 5000 мин"1, производитель - Marius Pedersen, Дания). Образцы, успешно прошедшие испытания, применялись РСУ АОЗТ "Интерасфальт", ЗАО "Трансстромсервис", "Шоссе", "ТВДорстрой", ССУ "Асфальт", СП "Автобан" и другими организациями при ремонте и реконструкции МКАД, Кутузовского и Ленинского проспектов, Рязанского, Минского и Рублевского шоссе и прочих объектов г. Москвы и Московской области.

ГЛАВА 1. Физико-химическая технология производства и применения битумных эмульсий (литературный обзор).

1.1. Органические вяжущие материалы и место битумных эмульсий в структуре их потребления.

В этой главе проанализированы структура потребления органических вяжущих материалов, области и особенности использования битумных эмульсий в различных отраслях строительной индустрии, проблемы, возникающие при их применении, а также пути дальнейшего развития и расширения сферы их использования.

Протяженность автомобильных дорог общего пользования в РФ по состоянию на 1.01.1997 составляет 558.5 тыс. км (оценка ФДС РФ [1]), а протяженность ведомственных дорог - почти 440 тыс. км, что явно недостаточно для нормального функционирования экономики страны. Для сравнения протяженность автодорог в Великобритании, чья площадь почти в 70 раз меньше площади России, составляет 370 тыс. км [1]. Специалисты ФДС считают, что для удовлетворения социально-экономических потребностей страны минимальная протяженность сети автомобильных дорог в России должна составлять 1500 тыс. км.

Созданию условий для скорейшего развития экономики и национальных ресурсов страны путем удовлетворения спроса и доступности автомобильных перевозок служит разработанная и принятая в 1994 году Правительством РФ федеральная целевая программа "Дороги России", получившая в 1995 г. статус президентской программы. В частности, эта программа предусматривает общий объем инвестиций на строительство новых и реконструкцию существующих автомобильных дорог в размере 80 млрд. USD (на период до 2000 г.), при этом ожидаемый суммарный экономический эффект составит более 300 млрд. USD.

Результаты обследования структуры и состояния автомобильных дорог РФ, проведенного в 1997 г. Федеральной Дорожной Службой, показывают, что в пределах нормы находится лишь 15 % эксплуатируемых покрытий, 10 % нуждаются в реконструкции, остальные (порядка 75 %) - требуют капитального ремонта.

Вопросам реконструкции и ремонта существующих покрытий уделяется особое внимание, т.к. при этом возможно значительное высвобождение финансовых ресурсов за счет внедрения в практику новейших разработок в области экономичных методов восстановления покрытий, при использовании которых одновременно достигается снижение ущерба окружающей среде. В качестве примера достаточно привести технологию холодного рисайклинга, при котором имеет место полностью безотходное повторное использование материалов. По оценкам специалистов фирмы ^Мг^еп, разработавших этот процесс [2], более 60 % дорожной сети РФ целесообразно реконструировать с применением холодного рисайклинга. При этом восстановление первоначальных свойств покрытия достигается за счет создания несущего слоя из отфрезерованного материала (асфальтовой крошки, скрепленного неорганическим (цемент) и органических (битумная эмульсия) вяжущих материалов. Решение обозначенных выше проблем возможно лишь с учетом отечественного и зарубежного опыта, накопленного, в частности, в сфере оптимизации структуры потребления органических вяжущих материалов, используемых в дорожном строительстве, и улучшения эксплуатационных свойств этих материалов, а также совершенствования технологии производства различного рода работ по строительству и ремонту автодорог.

Здесь необходимо кратко остановиться на сопоставлении баланса производства органических вяжущих материалов в России и за рубежом. По общему объему производства нефтяных битумов РФ занимает второе после США место в мире - соответственно 3.4 и 32 млн. т. в год по состоянию на 1996 г. (данные Международной дорожной федерации ТИР [3]). При этом если на

крупнейших заводах США доля битума составляет от 1.6 (НПЗ в Баутауне, Техас, Ехоп) до 12.5 % от мощности первичных установок (НПЗ в Уайтинге, Индиана, Amoco), то в РФ доля битума от общего количества переработанной нефти составляет 2.6 % [4].

Из общего объема битумов, вырабатываемых в РФ, около 65 % составляют дорожные, 25 % - строительные и 10 % - кровельные. Общая потребность в битумах удовлетворяется в среднем на 80 %, потребность в битумах дорожных марок - лишь на 60 %, что вызывает ощутимый дефицит. Подобная ситуация сложилась более 20 лет назад [5]. Это вызвано в первую очередь тем обстоятельством, что битум долгое время в нашей стране не считался целевым продуктом нефтепереработки и совершенствованию технологии его производства не уделялось должного внимания. Недостаточное финансирование битумного производства привело к тому, что оборудование на большинстве отечественных НПЗ морально и физически устарело, а качество и ассортимент вырабатываемых битумов, а также объем их производства, напрямую связанный с проблемами сырьевой базы, не всегда в полной мере соответствуют требованиям современного рынка. Поэтому перед НПЗ России остро стоит вопрос реконструкции битумных производств. На сегодняшний день для производства нефтяных битумов реально используются три способа:

• концентрирование нефтяных остатков вакуумной перегонкой в присутствии водяного пара (остаточные битумы);

• окисление кислородом воздуха тяжелых нефтяных остатков - гудронов, полугудронов, высокомолекулярных экстрактов, крекинг-остатков с