Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0085

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0085
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технологический университет"
Название доклада
Исследование и разработка технологического решения увеличения функциональности материалов дорожных покрытий (щебень, шпалы) посредством сверхкритической флюидной пропитки их компонентами нефтяных шламов.
Докладчик
Гумеров Фарид Мухамедович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является создание научно-технического задела в области технологий получения пропиточного состава из продуктов экстракции компонентов нефтяного шлама и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий (щебень, шпалы) для повышения их эксплуатационных характеристик.

Актуальность и новизна исследования
Современное дорожное строительство нуждается в качественных и доступных материалах. Низкое качество материалов приводит к преждевременному износу и разрушению дорог. Вследствие этого сокращаются сроки службы, появляется необходимость проведения работ по их усилению и внеплановому ремонту.В последнее время приоритетным направлением является применение качественных каменных материалов, предназначенных для применения в основаниях дорог. При этом на практике для изготовления этих конструктивных слоев зачастую применяются традиционный песок и щебень. Дефицит качественного щебня создает предпосылки для поиска альтернативных дорожно-строительных материалов. Ввоз высокомарочного гранитного щебня марки 1000-1200 с Урала экономически не выгоден.
Разработка новых технологий укрепления щебня из мало-прочных карбонатных пород, является задачей актуальной. Ее решение позволит улучшить качество щебня и получить высокоэффективный дорожно-строительный материал. Актуальность темы характеризуется и тем фактом, что предложенная в проекте технология позволяет не только разделять нефтяные шламы, но и использовать их в качестве целевого продукта пропитки.
Процесс пропитки высокопористых твердых матриц с использованием растворителя в сверхкритическом флюидном состоянии является наиболее эффективным, перспективным и востребованным. Не длительный и в то же время не столь малый срок с момента предложения этого процесса (80-е годы прошлого столетия) не оправдывают низкий уровень его коммерциализации, ограниченный в настоящем лишь 2-3 технологиями промышленного масштаба при полном отсутствии таковых в РФ.
Описание исследования

 

Основной задачей настоящего исследования являлась разработка технологии по равномерной сквозной пропитке щебня, обеспечивающей уменьшение водопоглощения даже в случае дробления щебня в процессе эксплуатации. В качестве подобной технологии предложен способ сверхкритической флюидной импрегнации (пропитки) щебня и шпал компонентами нефтяных шламов.

Сверхкритические флюидные технологии, основанные на использовании рабочих сред в суб- и сверхкритическом флюидном состояниях, в настоящем являются одним из перспективных инновационных научно-технологических направлений. Сверхкритические флюиды, одновременно сочетая в себе достоинства газообразного и жидкого состояний рабочих сред, существенным образом интенсифицируют  процессы тепло- и массопереноса. В частности, динамическая вязкость сверхкритических флюидных сред менее чем на порядок превосходит аналогичный показатель обычных газов (~100 μП) и это имеет место в ситуации, когда плотность сверхкритических флюидов (~300÷800 кг/м3) как минимум на два порядка превышает плотность последних (~1 кг/м3). Диффузионность сверхкритических флюидных сред на 1-2 порядка превышает аналогичный показатель для тех же жидких органических растворителей. В случае сверхкритических флюидных сред отсутствует граница раздела фаз, поверхностное натяжение, а, соответственно, и капиллярный эффект. Что в совокупности определяет их высокую проникающую способность в пористые структуры и значимые перспективы, в том числе, и в рамках задачи пропитки щебня.

В ходе выполнения ПНИ были проведены следующие основные работы:

1) Исследована структура и физико-механические свойства исходного карбонатного щебня и материала железнодорожных шпал.

2) Изготовлен «модуль один» экспериментального образца комплексной установки для получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий

3) Разработана программа и методики исследований процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий (щебень, шпалы) на «модуле один» экспериментального образца комплексной установки.

 4) Проведены исследования процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий на «модуле один» экспериментального образца комплексной установки по разработанной программе и методике.

5) Получены на «модуле один» экспериментального образца комплексной установки 5 кг экспериментальных образцов пропиточного состава и 10 кг экспериментальных образцов материалов дорожных покрытий, пропитанных пропиточным составом.

6) Проведены исследования кинетики процесса получения пропиточного состава и кинетики процесса сверхкритической флюидной пропитки пропиточным составом материалов дорожных покрытий.

7) Разработаны математические модели процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки пропиточным составом материалов дорожных покрытий.

8) В целях масштабирования разрабатываемых технологических решений с учетом результатов экспериментальных исследований на «модуле один»  изготовлен «модуль два» (для подтверждения адекватности разработанных математических моделей и для получения экспериментальных партий пропиточного состава и материалов дорожных покрытий производительностью: по пропиточному составу – до 20 кг/сутки; по пропитке материалов – до 40 кг/сутки) экспериментального образца комплексной установки.

9) Проведена проверка адекватности математических моделей процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки пропиточным составом материалов дорожных покрытий.

10) Разработана программа и методики исследований процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий на «модуле два» экспериментального образца комплексной установки.

11) Проведены исследования процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий на «модуле два».

12) Получены на «модуле два» экспериментального образца комплексной установки 100 кг экспериментальной партии пропиточного состава и 100 кг экспериментальной партии материалов дорожных покрытий, пропитанных пропиточным составом.

13) Разработан лабораторный технологический регламент получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки им материалов дорожных покрытий.

14) Разработан проект технического задания на проведение опытно-конструкторских работ (ОКР). 

15) Разработаны рекомендации и предложения по применению результатов ПНИ.

Результаты исследования

1 После проведения патентных исследований было сделано заключение, что объекты разработки обладают необходимой патентной чистотой и является конкурентоспособным по своим характеристикам.
2 Разработанные экспериментальные образцы комплексной установки ("модуль один" и "модуль два") обладают следующими
достоинствами:
1) Нет аналогов в России.
2) По сравнению с зарубежными аналогами превосходят по ряду функций: - ценовая эффективность (в 2-3 раза дешевле) -модульная конструкция установки дает возможность быстро и легко проверить и оптимизировать параметры процесса. - возможность регенерации и рециркуляции экстрагента (пропан-бутан).
3) Обладают патентной новизной.
3 По результатам исследований экспериментальных образцов пропиточного состава в соответствии с разработанной программой и методикой определены основные характеристики матералов пропитки:
а) Кинематическая вязкость при 100°C - 27,37 сСт;
б) Содержание воды – следы;
в) Плотность- 910 кг/м3
4 По результатам исследований экспериментальных образцов материалов дорожных покрытий (щебень, шпалы), пропитанных пропиточным составом с использованием процесса сверхкритической флюидной пропитки установлены:
- Щебень обладает следующими характеристиками:
а) Сквозная пропитка.
б) Водопоглащение составляет 0.25 - 0.7%.
в) Адгезионные свойства "хорошие".
- Железнодорожные шпалы характеризуются:
а) Глубина пропитки - 100%.
б) Общее поглощение материала пропитки для наколотых сосновых шпал 110 кг/м3.
5 По результатам исследования кинетики получения пропиточного состава установлена эффективность и предпочтительность сверхкритического флюидного экстракционного процесса с пропан-бутановым экстрагентом в рамках задачи получения пропиточного состава из нефтяного шлама. Приведены результаты косвенной оценки узких диапазонов давлений для первой (50-65 бар) и второй (110-120 бар) кроссоверных точек изотерм растворимости исследованных нефтепродуктов в пропан - бутановом растворителе.
6 По результатам исследования кинетики процесса сверхкритической флюидной пропитки пропиточным составом материалов дорожных покрытий (щебень, шпалы) определены оптимальные термодинамические параметры и оптимальные временные промежутки процесса пропитки.
7 По результатам математического моделирования процессов получения пропиточного состава и сверхкритической флюидной пропитки пропиточным составом материалов дорожных покрытий определены оптимальные геометрические характеристики (высота, диаметр, объем) экстрактора и сосуда пропитки для пилотной установки.

Технология увеличения функциональности материалов дорожных покрытий (щебень, шпалы) посредством сверхкритической флюидной пропитки их компонентами нефтяных шламов является экономически эффективным и энергоресурсосберегающим. Внедрение данной технологии позволить одновременно замещать импорт дорожных материалов и утилизацию нефтяных шламов. При этом основные технические характеристики материалов дорожных покрытий, а именно водопоглощение, достигает значений 0,25%, тогда как у аналогов более 3,5%.

 

Практическая значимость исследования
В результате осуществления проекта выработаны научные предпосылки и предложены оригинальные, основанные на применении сверхкритических флюидных технологий, подходы к созданию пропитки щебня и железнодорожных шпал компонентами нефтяных шламов, отвечающей мировому уровню, а также требованиями энерго- и ресурсосбережения и высоким экологическим стандартам.
Выполнение проекта обеспечить развитие устойчивого и эффективного взаимодействия с потребителями продукции для развития отечественной системы науки, образования и высоких технологий.
К потенциальным потребителям научно-технических результатов данного проекта можно отнести партнеров Индустриального партнера:
- ОАО “Казаньоргсинтез”, ОАО “Газпром”, ОАО “Новотэк”, ОАО “НК ЛУКОЙЛ”, ОАО “Татнефть”, ОАО “Таиф-НК”, ЗАО “СИБУР-холдинг”, ООО “ТольяттиАзот”, ГП “Туркменгаз”, ОАО “Танеко”, НГК “Славнефть”, ОАО НК Русснефть” (по части утелезации нефтешламов и улучшения показателей рационального преродопользования);
- Федеральное дорожное агентство Министерства транспорта Российской Федерации (по использованию щебня и шпал обработанных предложенным в проекте способом).
- Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (возможный потребитель шпал обработанных предложенным в проекте способом. Более того один из направлений" Стратегического направления инновационного развития ОАО "РЖД" является: разработка и внедрение новых технологий по охране окружающей среды).
Коммерциализация результатов ПНИ будет осуществляться совместно с индустриальным партнером ООО ИВЦ «Инжехим». Профиль предприятия связан с разработкой и модернизацией тепло- и массообменного, реакционного, сепарационного и других видов технологического оборудования. Идеология предприятия полностью отразилась в названии предприятия: внедрение инженерных разработок. Он не отстает от мировых тенденций: переход от производства отдельных аппаратов к выпуску законченных технологических установок. ИВЦ "Инжехим" имеет собственные технологические разработки в области подготовки и переработки тяжелых нефтей, нефтешламов, кубовых остатков колонн. Выпуск продукции осуществляется на собственном производстве, что позволяет производить ее поставку в кратчайшие сроки.