Способ получения битумного вяжущего Российский патент 2024 года по МПК C08L95/00 C09D195/00 

Изобретение относится к способу получения битумных вяжущих, предназначенных для производства асфальтобетонных смесей в дорожном строительстве.

Битумы нефтяные дорожные представляют собой остаточный высоковязкий нефтепродукт, требования к которому представлены в государственных стандартах ГОСТ 33133 или ГОСТ 22245. Битумы могут быть получены следующими способами: в виде остатка прямой перегонки нефти, окислением продуктов прямой перегонки нефти, компаундированием окисленных и неокисленных остатков. Битумы марки БНД предназначены для использования в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытый и оснований, а также в качестве основы для производства модифицированных битумов и битумных эмульсий. Битумы типа БНД обладают высокой температурой размягчения, низкой температурой хрупкости, высокой термостабильностью.

С целью улучшения эксплуатационных свойств битумов как в сырье для последующего окисления, так и непосредственно в продукт окисления может вводиться различный ассортимент модификаторов. Введение модификаторов способствует улучшению вязкостно-эластичных, прочностных, адгезионных свойств в широком интервале температур.

Известен способ получения битумной композиции, проводимый следующим образом. Бутадиенстирольный термоэластопласт при 25-50°С перемешивают с адгезионной добавкой, в качестве которой используют талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло: триэтаноламин (66-68): (32-34), затем при 150-160°С, термоэластопласт с адгезионной добавкой перемешивают с битумом при соотношении, мас.%:

битум - 97,3-77,0

бутадиенстирольный термоэластопласт - 2-16

указанная адгезионная добавка - 0,7-70,0 (RU 97113075, 1997).

Недостатком данного способа является необходимость использования для гомогенизации полимера и производства адгезионной добавки дорогостоящих реагентов, что оказывает существенное влияние на себестоимость модификатора и товарного битума.

Известен способ получения битумного вяжущего (US № 2008275183, 2008), которое содержит в своем составе битум в количестве 64-98 мас.%, и блок-сополимер моновинилароматического и полибутадиенового строения в количестве от 2 до 36 мас.%. Способ получения заключается в предварительном нагреве битумного компонента до температуры 160-221°С, добавлении композиции блок-сополимера и выдержке при температуре 180-221°С в течение 2-30 часов.

Недостаток способа заключается в проведении его при использовании высоких температур в течение длительного времени, что в результате деградации битумов приводит к ухудшению физико-химических показателей (увеличение вязкости и температуры размягчения, снижение дуктильности и пенетрации) и, соответственно, ухудшению эксплуатационных свойств битумов.

Известен способ получения модифицированного битумного вяжущего (RU 2712686, 2020), содержащего модификатор битума в количестве 3-10 мас.%, битума - до 100 мас.%. Модификатор, в свою очередь, состоит из резиновой крошки в количестве 50-70 мас.%, углеводородного масла - 10-20 мас.%, текстильного кордного пуха - 10-20 мас.%, насыщенного низкомолекулярного карбоцепного каучука - 0,5-2,0 мас.%, ненасыщенного высокомолекулярного карбоцепного каучука - 0,5-2,0 мас.%, и битума - до 100 мас.%.

Недостатком данного способа является технологическая сложность приготовления данной композиции вследствие наличия большого количества этапов подготовки и необходимого оборудования (в том числе, узлов дозирования и емкостей для хранения компонентов и производства модификатора), что приводит к высоким эксплуатационным и капитальным затратам для его изготовления с учетом низкой производительности, в результате чего процесс получения битума имеет низкую рентабельность.

Известен способ получения битумного вяжущего с улучшенными адгезионными характеристиками, который заключается в смешении 0,5-15 мас.%, жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза, содержащих 25 мас.%, воды, при комнатной температуре, с предварительно нагретым до 100°С битумом. Полученную смесь выдерживают при 100°С в течение 30 минут при периодическом перемешивании (Файзрахманова Г.М. Модификация битумных вяжущих жидкими продуктами быстрого абляционного пиролиза древесины. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Казань, 2015, https://www.rosrid.ru/).

Известный способ обладает рядом недостатков. Использование в качестве модификатора жидкого продукта быстрого пиролиза, содержащего 25 мас.%, воды, способствует значительному ухудшению показателей глубины проникновения иглы, вязкости, температуры размягчения целевого продукта. При этом показатель - адгезионная прочность улучшается незначительно.

Более близким к изобретению является способ получения битумного вяжущего с улучшенными вязкоупругими и адгезионными характеристиками, который заключается в смешении 5-30 мас.%, гидрофобизированного диоксида кремния или органомодифицированного монтмориллонита, 5-10 мас.%, бионефти - жидкого продукта быстрого пиролиза древесной биомассы с содержанием воды 20-45 мас.%, характеризующегося плотностью 1,12-1,21 и битума - остальное, до 100 мас.%. При этом при смешении вышеоговоренных компонентов используют бионефть, предварительно нагретую до температуры 180°С, а полученную смесь указанных компонентов выдерживают при нагревании в течение 30-60 мин (RU 2785849, 2022).

Известный способ обладает рядом недостатков.

Предварительный нагрев бионефти при 180°С не обеспечивает ее полное или частичное обезвоживание, а повышенное наличие влаги способствует снижению прочностных и адгезионных свойств битумов. Помимо этого, нагрев бионефти до столь значительной температуры способствует усилению процессов старения, полимеризации и, как результат, необратимому росту вязкости, что значительно усложняет равномерный ввод бионефти в состав, и, как следствие, образование гомогенной смеси. Кроме того, введение в состав указанного количества бионефти способствует значительному снижению температуры размягчения и увеличению пенетрации целевого продукта, а приготовление композиции при нагревании в течение длительного времени способствует ухудшению вязкостных и прочностных свойств целевого битума.

Техническая проблема заключается в повышении адгезионных свойств битумного вяжущего.

Указанная проблема решается созданием способа получения битумного вяжущего путем пиролиза целлюлозных отходов, последующего отделения образованных при этом жидких продуктов пиролиза, разделения жидких продуктов пиролиза с образованием подсмольной воды и жидкого органического слоя - бионефти, которую подвергают обезвоживанию с получением бионефти с содержанием воды менее 20,0 мас.%, затем полученную бионефть нагревают до 80,0-90,0°С и смешивают с предварительно нагретым до 80,0-140,0°С битумом нефтяным дорожным при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- бионефть с содержанием воды менее 20,0 мас.% 0,5-5,0

- битум нефтяной дорожный остальное, до 100,0,

выдерживают продукт смешения при 80-120°С в течение 30-60 минут и охлаждают с получением целевого битумного вяжущего.

Полученный технический результат заключается в замедлении процессов старения, полимеризации, обеспечении равномерного ввода бионефти в состав, и, как следствие, образование гомогенной смеси.

Сущность заявленного способа заключается в следующем.

Проводят пиролиз лигноцеллюлозных отходов.

Используемые в описываемом способе лигноцеллюлозные отходы деревообрабатывающей промышленности представляют собой, в частности, опилки хвойных и лиственных пород.

При проведении способа возможно использовать как быстрый, так и медленный пиролиз.

Пары, полученные в процессе деструкции сырья, конденсируют и отделяют образованные при этом жидкие продукты пиролиза. Несконденсированные газы направляют в топку печи реактора.

Жидкие продукты пиролиза разделяют, в частности, центрифугированием и декантацией на подсмольную воду и жидкий органический слой, представляющий собой бионефть.

Далее, полученную бионефть подвергают обезвоживанию до содержания воды менее 20,0 мас.%, с использованием в частности, центрифугирования, декантации. Для более глубокой осушки (обезвоживания) применяют вакуумную перегонку.

Затем обезвоженную бионефть нагревают до 80,0-90,0°С и смешивают с предварительно нагретым до 80,0-140,0°С битумом нефтяным дорожным при следующем соотношении компонентов, мас.%: бионефть с содержанием воды менее 20,0 мас.% - 0,5-5,0; битум нефтяной дорожный - остальное, до 100,0.

Продукт смешения выдерживают при 80-120°С в течение 30-60 минут и охлаждают с получением целевого битумного вяжущего.

Заявленное изобретение иллюстрируется следующими примерами, не ограничивающими его применение.

Пример 1

Измельченные сосновые опилки загружают в приемник-бункер, откуда подают в предварительно нагретый до 500°С пиролизный реактор, где проводят быстрый пиролиз. Опилки, поступающие в реактор, подвергают мгновенному мощному тепловому воздействию (в течение 1 с). Образующиеся в процессе деструкции пары конденсируют с образованием жидких продуктов, а несконденсированные газы направляют в топку печи реактора. Жидкие продукты быстрого пиролиза разделяют декантацией с образованием жидкого органического слоя - бионефти и подсмольной воды. Полученную бионефть осушают путем вакуумной перегонки при давлении 2,0 кПа и температуре 90°С до содержания воды 14,5 мас.%. Затем базовый битум марки БНД 50/70 нагревают до температуры 140°С, а осушенную бионефть - бионефть, содержащую 14,5 мас.%, воды, до 90°С. Далее осушенную бионефть (модификатор) добавляют в базовый битум БНД 50/70 в количестве4,0 мас.%, и всю смесь выдерживают в изотермическом режиме при 100°С в течение 30 минут при непрерывном перемешивании. Полученный компаунд охлаждают на воздухе в течение одного часа с получением целевого битумного вяжущего.

Примеры 2-4

Способ получения битумных вяжущих по примерам 2-4 аналогичен способу по примеру 1, при этом состав битумных вяжущих и условия их получения приведены в таблице 1.

Пример 5

Проводят медленный пиролиз лиственных опилок. Пиролиз проводят при давлении 0,1 МПа, температуре 500°С и времени контакта 2 часа. В реактор объемом 500 мл загружают сырье - лиственные опилки. Сырье с помощью газовых горелок, регулируя подачу газа, нагревают со скоростью 5-10°С/мин и выдерживают при температуре 500°С в течение 2 ч. Продукты реакции конденсируют в прямом холодильнике и собирают в приемник. По окончанию процесса жидкие продукты путем декантации разделяют на две фазы: органический слой - бионефть и подсмольную воду. Осушку органического слоя осуществляют центрифугированием и декантацией. Для этого бионефть медленного пиролиза лиственных опилок подвергают центрифугированию в течение 30 мин при скорости вращения 3500 мин^-1 и затем декантируют. Полученная бионефть содержит 19,6 мас.% воды. Затем базовый битум марки БНД 60/90 нагревают до температуры 140°С, а бионефть медленного пиролиза, содержащую 19,6 мас.%, воды, до 90°С. Далее бионефть (модификатор) добавляют в базовый битум БНД 50/70 в количестве4,0 мас.%, и всю смесь выдерживают в изотермическом режиме при 100°С в течение 30 минут при непрерывном перемешивании. Полученный компаунд охлаждают на воздухе в течение одного часа с получением целевого битумного вяжущего.

Пример 6

Способ получения битумных вяжущих по примеру 6 аналогичен способу по примеру 5, при этом состав вяжущих и условия их получения приведены в таблице 1.

Образцы битумных вяжущих, полученных по примерам 1-6, испытывают по основным показателям в соответствии с ГОСТ 33133 и ГОСТ 22245. Результаты испытаний представлены в таблицах 2-4.

Результаты испытаний показывают, что образцы битумных вяжущих, полученные по примерам 1-6, соответствуют основным требованиям ГОСТ 33133 для битумов нефтяных дорожных марок БНД 50/70 и БНД 70/100 и ГОСТ 22245 для битума нефтяного дорожного марки БНД 60/90.

Использование в описываемом способе бионефти, содержащей менее 20 мас.%, воды, в первую очередь, снижает температуру размягчения по кольцу и шару целевого продукта, повышает такие показатели, как дуктильность и пенетрация при 25°С, а также сцепление с мрамором. Максимальная доля вовлекаемой бионефти определяется нижним граничным значением «Температура размягчения по кольцу и шару» и верхним граничным значением показателя «Пенетрация при 25°С, 0,1 мм».

Адгезионные свойства полученных образцов оценивают качественно, по ГОСТ 11508-74 Метод А, а также количественно, по методике количественной оценки сцепления дорожных битумов с минеральным материалом Т.С. Худяковой (Худякова Т.С., Розенталь Д.А., Машкова И.Н., Березняков А.В. «Количественная оценка сцепления дорожных битумов с минеральным материалом. Химия и технология топлив и масел, 1987, №6, с. 35-36). Оценку сцепления битумов с минеральными материалами - согласно ГОСТ 11508-74 Метод А производят путем визуального сравнения полученных после испытания образцов с контрольными образцами с использованием мрамора в качестве минерального материала.

Для количественной оценки, согласно методике Худяковой Т.С., после проведения испытания и сушки полученных образцов на воздухе последние снимают с сетки и взвешивают. Зная массу исходного битума, помещенного на минеральный материал, массу самого материала и массу образца после испытания, рассчитывают количество битума, которое не отделилось от поверхности материала (покрытие) в процессе кипячения, и рассчитывают относительную величину сцепления.

Таким образом, из приведенных данных следует, что вовлечение бионефти, содержащей менее 20,0 мас.%, воды, в качестве модификатора в битумы способствует улучшению адгезионных свойств битумных вяжущих. При этом качество последних находится в допустимых пределах требований ГОСТ 22245 и ГОСТ 33133 для соответствующих марок битумов нефтяных дорожных.

Изобретение относится к способу получения битумных вяжущих, предназначенных для производства асфальтобетонных смесей в дорожном строительстве. Способ осуществляют путем пиролиза лигноцеллюлозных отходов, последующего отделения образованных при этом жидких продуктов пиролиза, разделения жидких продуктов пиролиза с образованием подсмольной воды и жидкого органического слоя - бионефти, которую подвергают обезвоживанию до содержания воды менее 20,0 мас.%. Затем полученную бионефть нагревают до 80,0-90,0°С и смешивают с предварительно нагретым до 80,0-140,0°С битумом нефтяным дорожным при следующем соотношении компонентов, мас.%: бионефть с содержанием воды менее 20,0 мас.% 0,5-5,0 и битум нефтяной дорожный остальное до 100,0, выдерживают продукт смешения при 80-120°С в течение 30-60 мин и охлаждают с получением целевого битумного вяжущего. Технический результат заявленного изобретения заключается в замедлении процессов старения, полимеризации, обеспечении равномерного ввода бионефти в состав и, как следствие, образовании гомогенной смеси. 4 табл., 6 пр.

Способ получения битумного вяжущего путем пиролиза лигноцеллюлозных отходов, последующего отделения образованных при этом жидких продуктов пиролиза, разделения жидких продуктов пиролиза с образованием подсмольной воды и жидкого органического слоя - бионефти, которую подвергают обезвоживанию до содержания воды менее 20,0 мас.%, затем полученную бионефть нагревают до 80,0-90,0°С и смешивают с предварительно нагретым до 80,0-140,0°С битумом нефтяным дорожным при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- бионефть с содержанием воды менее 20,0 мас.% 0,5-5,0,

- битум нефтяной дорожный остальное до 100,0, выдерживают продукт смешения при 80-120°С в течение 30-60 мин и охлаждают с получением целевого битумного вяжущего.