ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХЛОРИДА ЖЕЛЕЗА НА СВОЙСТВА

ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ

¹Лю Инчжоу, ¹Малгаждарова Н.С., ¹Онгарбаев Е.К., ²Тлеуберды Е., ^2*Акказин Е.А., ²Умбеткалиев К.А.

¹Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан

²Институт проблем горения, Алматы, Казахстан

*E-mail: Erzhan.Akkazin@kaznu.kz

Ключевые слова: ОКИСЛЕННЫЕ БИТУМЫ, ХЛОРИД ЖЕЛЕЗА, ПЕНЕТРАЦИЯ, ДУКТИЛЬНОСТЬ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, битумы, полученные из тяжелых нефтяных остатков различаются по назначению: на строительные, кровельные и дорожные. Дорожные битумы обладают следующими физико-химическими свойствами: пластичность, растяжимость, пенетрация, температура размягчения, прочность, твердость, долговечность и др. Как известно, компоненты исходного сырья, температура, состав окисленных битумов, время окисления влияют на качество получаемых дорожных битумов. В данной работе выполнены экспериментальные работы по влиянию хлорида железа (III) на свойства окисленных битумов.

Основным сырьем получения битумов является остаток прямой перегонки нефти (гундрон), а также как добавки к катализаторам. Длительное нагревание сырья в процессе вакуумной перегонки нефти выше 300-350 ⁰C ведет к уплотнению би-циклоароматических углеводородов и обеднению гудрона этим компонентом [1]. Таким образом, из одного и того же сырья можно получить заметно отличающиеся по составу и свойствам гудроны в зависимости от режима работы атмосферно-вакуумной установки. Наиболее глубокие изменения протекают в процессе окисления битумов, которые затрагивают все его компоненты.

Интенсифицировать процесс окисления можно введением катализатора. В работах [1-7] показано, что наиболее применяемыми катализаторами получения битумов являются хлорид железа (FeCl₃·6H₂O) и ортофосфорная кислота.

Использование хлорида железа (III) снижает выход летучих. Выход целевого продукта возрастает на 3-5 %. В работе [2] показано, что хлорид железа тормозит общее превращение маслянистых компонентов гудрона и ускоряет превращение смол. Кроме того, при любой глубине окисления замедляются реакции термоокислительного крекинга, уплотнения и конденсации любых масляных групп, а такжк усиливаются в области групп смол.

При добавлении твердого хлорида железа (III) образуются ароматические компоненты с наиболее выраженными короткими алкильными заместителями и с меньшим числом ароматических колец. Процесс окисления гудрона может быть представлен по следующей схеме:

- парафино-циклопарафиновые, моноцикло-ароматические углеводороды;

- полициклические ароматические углеводороды;

- образование смол;

- асфальтены;

- карбоиды, карбены.

Моно-циклоароматическая фракция, подобно парафино-нафтеновым углеводородам повышает температуру размягчения и пенетрацию битума.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты проводились в лаборатории окислительных процессов углеводородного сырья института проблем горения. Эксперименты проводились в нагреваемом реакторе проточного типа длиной 0,20 м и внутренним диаметром 0,08 м (Рис. 1). Установка включает в себя следующие основные узлы: мотор продувки воздуха 1, регулятор расхода воздуха 2, патрубок подачи воздуха 3, реактор 4, кран 5, патрубок отбора битума 6 и терморегулятора 9.

Методика проведения экспериментов заключается в следующем: нагревают гудрон в электрической печи, затем по мере остывания гудрона, заполняют жидким гудроном нагреваемый реактор и включают терморегулятор. При мере повышения температуры до необходимых значений, постпенно добавляют катализатор. В экспериментах использовался нефтяной гудрон (г. Омск, Россия).

В ходе лабораторных работ было проведено окисление гудрона с температурой 200-250°⁰C в присутствии хлорида железа (III) с массовым содержанием 0,3, 0,6 и 1,0 %.

Рисунок 1. Установка окисления гудрона.

1 - мотор продувки воздуха; 2 - регулятор расхода воздуха; 3 - патрубок подачи воздуха; 4 - реактор; 5 - кран; 6 – патрубок отбора битума; 7 - штатив; 8 - нагрев печи; 9 - терморегулятор.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На рисунке 2 показан твердый шестиводный хлорид железа (FeCl₃·6H₂O).

Рисунок 2. Твердый хлорид железа.

На рисунке 3 показан полученный ИК спектр исходного гудрона. Его физико-химические свойства: коксование – 14,0 %, плотность – 0,98 г/см³, молекулярная масса – 532 а.е.м. Фракционный состав гудрона: парафиново-нафтеновые – 11,82 %, легкие ароматические углеводороды – 19,5 %, средне-ароматические углеводороды – 33,6 %, тяжелые ароматические углеводороды – 7,0 %, смолы – 22,66 %, асфальтены – 5,42 %.

Рисунок 3. Полученный ИК-спектр гудрона.

Твердые битумы (с малой глубиной проникания иглы) имеют высокую температуру размягчения, но малую растяжимость, т.е. являются относительно хрупкими (особенно при отрицательных температурах). Битумы с низкой температурой размягчения, т.е. мягкие, обладают высокой пластичностью. В таблице 1 приведены характеристики продуктов окисления при различных температурах окисления и концентрации хлорида железа.

Таблица 1 - Характеристики продуктов окисления при различных температурах и концентрации FeCl₃.

Температура, ^0C	Показатель	Массовое содержание
		0,3% FeCl3	0,6% FeCl3	1,0% FeCl3
180	Пенетрация	-	-	103
	КиШ	-	-	43
	Дуктильность	-	-	22.2
200	Пенетрация	289	144	74
	КиШ	23.5	38	60
	Дуктильность	/	/	8.5
240	Пенетрация	22	26	90
	КиШ	78	90.5	56
	Дуктильность	2.5	2.5	6

Как видно из таблицы, можно получить зависимость пенетрация от концентрации FeCl₃ при температуре 200°C и 240°C.

На рисунке 4 показана температурная зависисмость изменения содержания хлорида железа при окислении гудрона. Как видно из рисунка, при температуре 200 ⁰C, пенетрация постепенно снижается с повышением количества хлорида железа. При температуре 240°⁰C, пенетрация наоборот увеличивается с повышением концентрации хлорида железа.

Рисунок 4. Зависимость пенетрации от концентрации FeCl₃.

1 - 200°C; 2 - 240°C.

В результате экспериментов выявлено, что при пониженных температурах и времени (90 мин) увеличением содержания катализатора (хлорид железа) можно получить различные марки дорожного битума. Применение хлорида железа ускоряет окисление нефтяного гудрона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных экспериментов обнаружено практическое использование хлорида железа (III) для каталитического окисления нефтяных гудронов. Окисленные в присутствии хлорида железа (III) битумы обладают более высокой теплостойкостью, а также морозоустойчивостью. Кроме того, битумы обладают широким интервалом пластичности и высокой температурой размягчения. По результатам исследований установлены оптимальные режимы процесса окисления нефтяного гудрона при относительных низких температурах и за короткое время. При температуре окисления 240°⁰С и времени окисления 90 мин, концентрация хлорида железа составило 0,6 масс. %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маркусон И. Асфальт. Изд. Совет нефтяной промышленности, 1926.

2. Кудрявцева И.Н., Розенталь Д.А., Проскуряков В.А. Исследование влияния хлористого железа на процесс окисления битумов и составляющих их компонентов // Журнал прикладной химии. 1971. Т. 44. № 10. -С.2229-2235.

3. Гун Р.Б., Гуревич И.Л. Производство нефтяных битумов. ГОСИНТИ, 1960.

4. Winniford R.S. and Witherspoon P.A. Конференция по химии и химической переработке нефти и природного газа. Будапешт, 1968, стр. 967.

5. Сергиенко С.Р. Высокомолекулярные соединения нефти. Изд. 2–е «Химия», 1964.

6. Гуреев А.А., Сомов В.Е., Луговский А.И. и др. Новое в технологии производства битумных материалов// Химия и технология топлив и масел. 2000. № 2. С. 49-51.

7. Хайрудинов И.Р., Доломатов М.Ю., Кульчицкая О.В. и др. Кинетичекие параметры процесса окисления нефтяных остатков// Химия и технология топлив и масел. 1991. № 12. С. 20-23.