Расчет битумохранилища

 

Групповой состав битума предопределяет его коллоидную структуру и реологическое поведение и тем самым — технические свойства, которые характеризуются условными показателями качества, определяемыми в стандартных условиях. Среди этих показателей 
важнейшие: температуры размягчения и хрупкости, пенетрация (глубина проникания иглы в битум), дуктильностъ (растяжимость) — способность битума растягиваться в нить. Некоторые показатели определяют как для исходного битума, так и для битума после прогрева, который имитирует процесс старения. Стандартами задаются определенные значения показателей качества, что отражает оптимальный состав битума. Этот состав может быть различным для разных областей применения битумов.

 

Отечественной промышленностью вырабатывается широкий ассортимент битумов:

• дорожные битумы (вязкие, жидкие);
• строительные (индустриальные) битумы;
• кровельные битумы;
• изоляционные битумы;
• хрупкие битумы и  специальные высокоплавкие [9], [12], [18].

Основные российские НПЗ, где производят битум указаны в Таблице 1 [14].

Таблица 1

Производство битумов на российских НПЗ (по состоянию на 2006г.)

 

Предприятие	Произведено битума		Предприятие	Произведено битума
	Тыс. т	% к 2005г		Тыс. т		% к 2005г
Киришнефтеоргсинтез	284,5	104,8	Саратовский НПЗ	304,9		120,1
Нижегороднефтеоргсинтез	400,4	91,4	Волгограднефтепереработа	146,1		118,7
Рязанская НПК	495,7	120,2	Пермнефтеоргсинтез	562,0		107,2
Ярославнефтеоргсинтез	276,3	106,3	Ангарская НХК	114,6		113,2
Московский НПЗ	568,5	120,1	Салаватнефтеоргсинтез	-
Комсомольский НПЗ	-		Уфимский НПЗ	-
Омский НПЗ	168,5	97,5	Уфанефтехим	81,1	211,2
Куйбышевский НПЗ	-		Ново-Уфимский НПЗ		97,5
Туапсинский НПЗ	-		Афипский НПЗ
Ачинский НПЗ	99,5	132,2	Хабаровский НПЗ		107,9
Нижнекамск «Таиф – НК»	-		КраснодарЭкоНефть		274,8
Новокуйбышевский НПЗ	193,7	144,4	Ухтанефтепереработка		106,7
Сызранский НПЗ	286,7	85,3	Ярославский НПЗ им. Менделеева	-
Орскнефтеоргсинтез	150,8	140,5	Всего	4443,8	1111,1

 

Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие.

Вязкие битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытия. Основное количество таких битумов вырабатывается в России в соответствии с ГОСТ 22245—90, требования которого приведены в табл. 2

В соответствии с ГОСТ 22245-90 вырабатываются вязкие битумы двух типов: БНД – битум нефтяной дорожный  и БН – битум нефтяной. Все битумы маркируются по пенетрации при 25 ⁰С. При равной, пенетрации при 25 'С битумы БНД имеют более высокую температуру' размягчения, более низкую температуру хрупкости и большие значения пенетрации при 0 °С, чем битумы БН. В то же время для битумов БНД устанавливаются требования по дуктильности при 0 ⁰С, а требования по дуктильности при 25⁰С менее строгие в сравнении с битумами БН. Требования к термостабильности битумов БНД более жесткие [9], [12].

Некоторое количество вязких битумов вырабатывается на отдельных заводах по техническим условиям, носящим часто конъюнктурный характер. Однако битумы, вырабатываемые по ТУ 38.1011356—91 (табл. 3),пользуются большим спросом инофирм для строительства ответственных объектов как в России, так и за рубежом.

 В то же время на российском  внутреннем рынке предлагаются  и пользуются спросом импортные  битумы, вырабатываемые по спецификации  Neste.

Жидкие битумы предназначены для удлинения сезона дорожного строительства. В соответствии с ГОСТ 11955-82 их получают смешением вязких битумов БНД с дистиллятными фракциями — разжижителями. После укладки покрытия разжижитель постепенно испаряется. Применение жидких дорожных битумов не соответствует современным требованиям к энергосбережению и защите окружающей среды. Кроме того низкая температура вспышки предопределяет их пожароопасность [9], [12].

Строительные битумы

Применяют при выполнении различных строительных работ, в частности для гидроизоляции фундаментов зданий.

Кровельные битумы применяют для производства кровельных материалов. Их разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки основы и получения покровного слоя) [12], [17].

Изоляционные битумы используют для изоляции трубопроводов с целью защиты их от коррозии [12], [17].

Хрупкие битумы (ГОСТ 21822-87) предназначены для использования в лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности. Битумы, представляющие собой твердое вещество черного цвета без запаха, выпускают двух марок: Б и Г (табл. 7) [12], [15].

Битумы - высокоплавкие мягчители (рубраксы) (ГОСТ 781-78) производят для резинотехнической и шинной промышленности. В зависимости от глубины проникновения иглы устанавливаются две марки битума: А-10 и А-30.

К высокоплавким относят  битумы с температурой размягчения  выше 100 °С. Такие битумы и маркируют  в зависимости от температуры  размягчения в отличие от вышеописанных  битумов, в основу маркировки которых  положена пенетрация при 25 °С. Известно несколько сортов высокоплавких битумов: битумы для аккумуляторных мастик, хрупкие битумы (лаковые), битумы — высокоплавкие размягчители (рубраксы). Все эти битумы получают глубоким окислением остатков перегонки нефти, и поэтому важным для них является показатель растворимости в тех или иных растворителях [12], [15].

Все битумы обычно используют в чистом виде. Однако достаточно часто в битумы вводят компоненты, улучшающие их потребительские свойства. Так, в дорожные битумы вводят адгезионные добавки, улучшающие сцепление битума с каменным материалом. Смешивая битумы с водой и эмульгаторами, получают битумные эмульсии. Все эти продукты производят обычно по нормативно-технической документации потребителей [12].

 

ГЛАВА 2. Описание принципиальной схемы битумохранилища

 

 Системы огневого нагрева битума применяют в битумохранилищах для нагрева битума до температуры перекачивания, в битумонагревательных котлах для обезвоживания и нагрева битума до рабочей температуры, а также в автобитумовозах и автогудронаторах для поддержания рабочей температуры битума. Системы огневого нагрева битума просты по конструкции, надежны в эксплуатации, имеют малый расход металла (Рис. 8).

Для нагрева битума в битумохранилищах наиболее простой и безопасной является система с зоной горения топлива в жаровой трубе (рисунок). Система состоит из горизонтальной жаровой трубы, вертикальных труб — воздухоподводящей и вытяжной, пропущенных через кровлю битумохранилища.

Топливная система состоит из бака для топлива с регулировочным краном, малого топливопровода, воронки с нижним топливопроводом. Воздухоподводящая труба должна быть выше кровли битумохранилища на 1,5...2 м, воронка должна быть расположена на 1,5...2 м ниже верхнего края воздухоподводящей трубы. Расстояние между малым топливопроводом и воронкой 0,4...0,5 м, расстояние между нижним топливопроводом и кирпичной кладкой зоны горения 0,5... 1 м. Топливо самотеком стекает из малого топливопровода в воронку и по нижнему топливопроводу — в зону горения.

Скорость подачи топлива регулируют по числу падения капель из малого топливопровода в воронку. Для нормальной работы системы разогрева битума достаточно 60... 100 капель топлива в минуту. В зоне падения капель днище жаровой трубы должно быть выполнено из кирпича. Теплопроизводительность ограничивается подачей воздуха, осуществляемой естественной тягой дымовой трубы. По способу регулирования подачи топлива систему называют капельницей. При достаточном уровне битума наджаровой трубой капельница работает надежно и безопасно.

Хотя температура дымовых газов и стенок дымовой трубы не очень велика, однако для исключения возгорания битума от стенок дымовой трубы ее выполняют двойной в зоне от жаровой трубы и высотой 1—1,5 м над самым верхним уровнем битума.

Достоинства систем огневого нагрева битума заключаются в простоте конструкции и обслуживания, экономичности. Недостатками систем огневого нагрева битума являются высокая пожароопасность, возможность возгорания битума и топлива, применяемого для работы топки [2], [4].

Наиболее выгодным теплоносителем для змеевика дополнительного отсека является водяной пар, так как он обладает рядом преимуществ: доступный, не токсичный, гибкий режим нагрева, не высокие условия нагрева (до 160 ⁰С), и при непосредственном нагреве битума не происходит потери его важных свойств.

 

 

Рис. 8. Система огневого нагрева битума в битумохранилище: 1 - воронка; 2 - топливный бак; 3 - верхний топливопровод; 4 - топливный кран; 5 - кровля битумохранилища; 6 - верхний уровень битума; 7 - нижний рабочий уровень битума; 8 - основной отсек; 9 - дополнительный отсек; 10 - змеевик дополнительного отсека; 11 - насосная установка; 12 - заслонка шиберная; 13 - стенка битумохранилища; 14 - изоляционный слой; 15 - жаровая труба; 16 - слой кирпичей; 17 - воздухоподводящая  труба; 18 - нижний топливопровод.

Так же широкому распространению нагревания водяным паром способствует другие достоинства этого метода обогрева, а именно:

• большое количество тепла, выделяющегося при конденсации единицы массы водяного пара (2260 – 2990 кДж на 1 кг конденсирующегося пара при давлении соответственно 0,1 – 1,2 МПа;
• высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке – порядка 5000 – 18000 Вт/ м^{2 0}С;
• равномерность обогрева (так как конденсация пара происходит при постоянной температуре) [20].

 

ГЛАВА 3. Расчетная часть

 

Расчет ведется для битумохранилища ямного типа с массой хранимого битума      m = 100 тонн. Необходимые размеры приводятся в литературе [5], для  битумохранилища [4], [6]. Формулы для расчета в [2], [8] константы в [10],[11].

3.1 Тепловой расчет битумохранилища

3.1.1. Расчет полезно расходуемого тепла

                                           (16)

 

где  С_Б – удельная теплоемкость битума (при 90 ⁰С), [кДж/к г· ⁰С]; С_В – удельная теплоемкость воды, С_В = 4,19 кДж /кг · ⁰С [10]; П – производительность, П = 10т/ч = =10000 кг/ч; - относительное содержание воды в битуме при 90 ⁰С, [%].

Для дорожных битумов в ГОСТе 22245-90 значение исключено, по техническим расчетам оно составляет 1-2 %, примем что = 2% ( ГОСТ 6617-67 для строительных битумов: содержание воды – следы).

Таблица 2

 

Зависимость удельной теплоемкости битума от температуры

 

Температура битума, 0С	10-20	30-60	60-100	100-150	150-180
Теплоемкость, кДж/кг · 0С	1,1-1,25	1,25-1,45	1,45-1,65	1,65-1,85	1,85-2,2

 

Для основного отсека:

 

 

 

Для дополнительного отсека:

 

.

 

Общее количество полезно расходуемого тепла:

 

                                      (17)

3.1.2. Расчет потерь тепла из дополнительного отсека в основной

 

Потеря тепла из дополнительного отсека в основной является частично восполнимой потерей:

 

                                                  (18)

 

где - площадь перегородки между основным и дополнительным отсеками, [м²]; h₁ – коэффициент теплопередачи основного отсека,[кВт/м²· ⁰С]; t₁ – температура битума в основном отсеке в начале нагрева, t₁ = 20 ⁰С; t₃ – начальная температура перекачивания битума шестеренным насосом, t₃ = 95 ⁰С.

 

                                                                (19)

 

где a – ширина перегородки, a=4,62м ; - высота слоя битума у перегородки, .

 

                                              (20)

 

                                                    (21)

 

где и - коэффициенты теплоотдачи от битума к материалу перегородки и обратно, = = 0,097 кВт/ (м² ·⁰С); l_cm – толщина стенки, l_cm = 0,2 м; - коэффициент теплопроводности стенки, = 0,00075 кВт/ м· ⁰С [2].

 

 

.

3.1.3. Расчет потерь тепла через стенки и днище в почву

Для основного отсека:

 

                              (22)

 

Для дополнительного отсека: