Производство, хранение и транспортирование вяжущих материалов

УДК 665.637.88 
 ББК 39.184.892 
         П80 

Рецензент 
канд. техн. наук, доц. Милюшенко С.А. (СибАДИ, г. Омск) 

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве 
методических указаний. 

П80 
Производство, хранение и транспортирование вяжущих материалов : 
методические указания / СибАДИ, Институт «Информационные системы, 
экономика и управление», Кафедра «Эксплуатация и сервис транспортно-
технологических машин и комплексов в строительстве» ;  сост. К.В. Беляев. – 
2-е изд., испр. – Электрон. дан. – Омск : СибАДИ, 2022. – URL: http://
bek.sibadi.org/MegaPro, для авторизованных пользователей. – Загл. с экрана.
– (Серия внутривузов-ских методических указаний СибАДИ).

Описано устройство и особенности расчета окислительных колонн для 
переработки 
нефтепродуктов 
в 
битумы. 
Изложены 
методики 
расчётов 
оборудования для хранения и транспортирования битума.  
Имеют интерактивное оглавление в виде закладок. 
Предназначены для практических занятий по курсу «Технология 
производства, доставки и применение органических вяжущих материалов в 
строительстве» 
для 
обучающихся 
по 
направлению 
23.04.03 
«Сервис 
транспортно-технологических машин и комплексов», 23.03.03 «Эксплуатация 
транспортно-технологических машин и комплексов» и 21.03.01 «Нефтегазовое 
дело» всех форм обучения. 

Текстовое издание (2,8 МБ) 
Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 МБ; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 
1 ГБ свободного места на жестком диске; 
программа для чтения pdf-файлов Adobe Acrobat Reader 

Техническая подготовка – А.А. Орловская 

Издание 2-е, исправленное. Дата подписания к использованию 27.12.2022 

Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ 
644080, г. Омск, пр. Мира, 5 
РИО ИПК СибАДИ 
644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1 

© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2022
© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2017 

Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей 
от информации, причиняющей вред их здоровью и 
развитию» 
данная 
продукция 
маркировке 
не 
подлежит 

ВВЕДЕНИЕ 

Органические вяжущие на основе битума нашли широкое 

применение в строительстве дорог (около 70% всего вырабатываемого 
битума). В России битум производится, как правило, на нефтеперерабатывающих 
заводах. Ограниченное число пунктов производства 
битумов предопределяет большой объем его выработки, который 
необходимо доставить потребителям. В регионы, не производящие 
вяжущие материалы, битум транспортируется чаще всего по 
железной дороге до начала строительного сезона. Таким образом 
создается огромный поток битума, который необходимо хранить до 
использования. 
С 
началом 
строительного 
сезона 
вяжущие 

материалы доставляются на места приготовления строительных 
смесей 
или 
происходит 
их 
преобразование 
в 
производные 

материалы – битумные эмульсии, модифицированные битумы и др. 
Для этой цели используется уже автомобильный транспорт. 

В процессе хранения и транспортирования происходит изменение 

свойств битума. Вопросы взаимосвязи между первоначальным качеством 
товарной продукции, влиянии технологических параметров 
применяемого оборудования и режимов их работы на качество 
битумов 
при 
их 
непосредственном 
использовании 
для 

осуществления 
профессиональной 
деятельности 
требуют 

необходимых знаний от специалистов, занятых в данной отрасли. 

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМОВ 

В ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ КОЛОННЕ 

1.1. Технологическая схема окисления гудрона в битумы 

Наибольший объем окисленных битумов получают в аппаратах 
колонного типа [1, 4], которые представляют собой вертикальные 
пустотелые 
цилиндрические 
сосуды, 
работающие 
по 
схеме 
непрерывного действия. В колонне поддерживают определенный 
уровень окисляемого жидкофазного материала. Воздух на окисление 
подают в нижнюю часть колонны через маточник. Барботаж воздуха 
через 
слой 
жидкости 
приводит 
к 
ее 
практически 
полному 
перемешиванию, что подтверждается равенством температур по всей 
высоте зоны реакции и одинаковыми свойствами продукта. Таким 
образом, по структуре потока жидкой фазы колонна близка к 
аппарату идеального смешения. Обычно сырье подают под уровень 
раздела фаз, а битум откачивают с низа колонны, при этом твердые 
осадки в колонне не накапливаются. 
В 
ряде 
случаев 
битум 
откачивают 
из 
колонны 
через 
уравнительную емкость, наличие которой облегчает поддержание 
постоянства откачиваемого потока, что важно для обеспечения 
работы системы утилизации тепла битума (рис. 1.1, 1.2). Во 
избежание перегрева колонны в результате выделения теплоты 
реакции окисления в газовое пространство подают воду, которая, 
испаряясь, понижает температуру в колонне и разбавляет газы 
окисления. Если такого разбавления недостаточно для снижения 
концентрации кислорода до безопасной, в колонну вводят также 
водяной пар, вырабатываемый в парогенераторе за счет избыточного 
тепла сырья и продукта. Для поддержания теплового равновесия 
процесса применяют также циркуляцию части битума через выносные 
холодильники. 

К исходным данным для проектирования относятся: 
− производительность по сырью;
− качество сырья (плотность, температура размягчения по

методу КиШ, условная вязкость, температура вспышки); 

− ассортимент и качество получаемых битумов (марка по

ГОСТу, 
где 
определены 
такие 
основные 
эксплуатационные 

характеристики, 
как 
температуры 
размягчения 
и 
хрупкости, 

пенетрация, дуктильность, адгезия к минеральному материалу, 
плотность битума), а также их применение; 

− условия процесса окисления (температура, давление, расход 

воздуха, выход битума). 

 

 

Рис. 1.1. Схема окисления в колонне с утилизацией тепла: 
1– кипятильники; 2 – уравнительная емкость; 3 – окислительная колонна;            
4 – парогенератор; 5 – сепаратор с циклоном; 6 – огнепреградитель; 7 – печь;       
8 – компрессор; 9 – насосы 

 
Варианты заданий для практических расчётов приведены в    

прил. 1. 

В табл. 1.1 приведены условия процесса получения из гудрона 

окисленных битумов с температурой размягчения в интервале         
47–53 °С, при температуре 250 °С и давлении 0,1–0,3 МПа. Для 
остаточных битумов выход можно рассчитать по эмпирическим 
зависимостям. Если окислению подвергается гудрон с добавками, то 
выход битума будет определяться экспериментально или приниматься 
на 1−2% масc. больше или меньше в зависимости от вида добавки. 

 

Таблица 1.1  

Условия для получения дорожных битумов в окислительных колоннах 

 

Марка битума 
w, ч-1 
gвозд, м3/т 
υвозд, м3/с 
tразм, оС 

БНД – 40/60 
0,25 
66 
0,080 
53 

БНД – 60/90 
0,30 
45 
0,065 
50 

БНД– 90/130 
0,35 
30 
0,051 
47 

Примечание. w  – объемная скорость подачи гудрона; gвозд – удельный 

расход воздуха; υвозд  –  линейная скорость воздуха; tразм –  температура 
размягчения битума. 

 

 

 

Рис. 1.2. Компоновка битумного производства: 

1 – поршневой насос; 2 – окислительная колонна; 3 – компрессор; 

4 – погружные холодильники; 5 – емкость хранения;  

6 – выносная емкость сепарации; 7 – сепаратор; 8 – печь

На основании анализа данных по работе окислительных колонн 

непрерывного действия можно при расчетах принимать удельные 
расходы воздуха на окисление сырья, приведенные в табл. 1.2. 

По данным [7] расход воздуха на окисление составляет 

50–400 м3/т сырья в зависимости от марки получаемого битума. 

Таблица 1.2 

Нормы расхода воздуха (м3/м3) для колонн окисления в зависимости от 

перерабатываемого сырья 

Нефть 
Дорожный битум 
Строительный битум 

Смесь ухтинских нефтей 
32 
72 

Ромашкинская нефть 
40 
90 

Смесь западноукраинских нефтей 
90 
135 

Смесь западносибирских нефтей 
125 
225 

1.2. Определение производительности установки 

Для расчёта по заданию подбирают следующие исходные 
данные: 
−
производительность колонны по сырью GF, т/год;
−
марка получаемого битума, его температура размягчения tразм, °С;
−
качество сырья: температура размягчения tразм, °С; плотность
ρ4
20, кг/м3;
−
условия процесса: удельный расход воздуха gвозд на сырьё, м3/кг;
температура t, °С; давление Р, МПа; объёмная скорость подачи
сырья w.
Производительность колонны в час, кг/ч, [5] 
Gf= GF ⋅103 /(n⋅24),        
  (1.1) 
где n − число рабочих дней установки в году, n=200…250. 
Выход готового продукта, кг/ч, 
Gб= γ⋅Gf/100,         
  (1.2) 
где γ − выход битума, % масс. 

Значение γ берется в зависимости от температуры размягчения 

готового продукта (табл. 1.3). 

Таблица 1.3 

Выход битума 

Выход битума γ, % масс. 
99 
98 
97 
96 
94 
92 
85 

tразм битума,   °С 
40 
45 
48 
52 
70 
90 
120 

1.3. Расчёт материального баланса окислительной колонны 

Цель технологического расчета окислительной колонны – 

определение ее размеров, материальных и тепловых потоков. 

Если установка предусматривает производство нескольких марок 

окисленных битумов, то для составления материального баланса 
установки необходимо рассчитать материальный баланс каждой 
колонны в отдельности в зависимости от ее производительности. 

В табл. 1.4 приводится пример материального баланса установ-

ки, производящей дорожные и строительные битумы окислением 
смешанного сырья. 

Общий расход воздуха, кг/ч, [7] 

Gвозд=gвозд ⋅Gf⋅ ρвозд  ⁄ 1000,    
(1.3) 

где gвозд − удельный расход воздуха, м3/т сырья; ρвозд  − плотность 
воздуха, кг/м3. 

Плотность воздуха при 50 °С можно принять равной 1,093 кг/м3. 
Азот и инертные газы не участвуют в процессе окисления, поэтому 

количество азота равно суммарному количеству азота и инертных газов, 
поступающих в колонну с воздухом, то есть 0,77% масс., кг/ч, [7] 

2
N
G
 = 0,77⋅ Gвозд .      
  (1.4) 

Количество подаваемого на окисление кислорода, кг/ч, 

2
O
G
 = 0,23⋅ Gвозд.
 (1.5) 

Содержание свободного кислорода в газах окисления зависит от 

высоты слоя гудрона в колонне, расхода воздуха и температуры. Эти 
зависимости приведены на рис. 1.3 и 1.4. 

Количество остаточного кислорода в газах окисления, кг/ч, 

100

/
2
возд
O
G
G
⋅
= α
,                                    (1.6) 

Таблица 1.4

Материальный баланс установки, 

производящей дорожные 

и строительные битумы окислением 

смешанного сырья 

Показатель 
%

(масс.)

Масса,

кг/ч

В з я т о :

Гудрон 
Воздух 

100 
12,9 

16 000 
2069 

Итого 
112,9 
18 069 

П о л у ч е н о :

Битум 
Азот 
Кислород 
Диоксид углерода 
Вода 
Углеводородные  
газы 
 Отгон 

97,0 
10,0 
0,6 
1,0 
1,7 

2,0 
0,6 

15 540 
1593 
103 
154 
273 

320 
86 

Итого 
112,9 
18 069 

где α − содержание свободного 
кислорода в газах окисления (% 
объёма) определяется по рис. 
1.4. Для этого, зная плотность 
воздуха, необходимо размерность 
расхода воздуха из кг/ч 
перевести в м3/ч. 

Рассчитываются количест-

во 
и 
состав 
побочных 

продуктов окисления, выходящих 
из колонны. Принимают, 
что 
на 
образование 
СО2 

расходуется 
30% 
масс. 

кислорода, а на образование 
Н2О – 65% масс. Образование 
других окислов несущественно. 

Количество израсходован-

ного кислорода, кг/ч,

//
2
O
G
= 

2
O
G
− 
/
2
O
G
.
  (1.7) 

Температура размягчения, °С 

Рис. 1.3. Содержание свободного кислорода в газах окисления, 
отходящих из аппарата: 1 – окисление в трубчатом реакторе при 
270 °С; 2 – окисление в колонне при 270 °С; 3 – окисление в кубе 

при 270 °С; 4 – окисление в кубе при 250 °С 

Содержание свободного 

кислорода, % об. 

Количество образующегося СО2: 

2

2
2
2

//
3,0

O

CO
O
СО
M

M
G
G
⋅
⋅
=
,  
 
                (1.8) 

где  

2
CO
G
− количество образующегося СО2, кг/ч; 

2
CO
M
 − молекуляр-

ная масса СО2; 

2
O
M
− молекулярная масса О2. 

 

 

Расход воздуха в колонне, м3/ч 

Рис. 1.4. Зависимость содержания свободного кислорода   

в газах окисления от расхода воздуха в окислительной колонне  

при получении дорожных битумов 

 
Количество образующейся воды [5] 

2

2
2
2

//
65
,0

O

O
H
O
О
Н
M

M
G
G
⋅
⋅
=
,   
 
          (1.9) 

где 
O
H
M
2  – молекулярная масса Н2О.  

Количество гудрона, пошедшее на образование СО2 и Н2О, кг/ч,  

G = (

2
CO
G
– 0,3⋅ 
//
2
O
G
) + (
O
H
G
2 – 0,65· 
//
2
O
G
),         (1.10) 

что составляет   (G/Gf) ·100%  масс. от сырья. 

Количество углеводородных газов и паров соляра в отходящих 

газах процесса окисления зависит от температуры окисления, 
содержания легких фракций в сырье, расхода воздуха. Количество 
углеводородных газов, образующихся в процессе окисления, кг/ч: 

 Gу.г = К1· Gf /100,  
 
 
        (1.11) 

где К1 – объём углеводородных газов, % масс, принимают равным  1–2%. 
 

Содержание свободного 

кислорода в газе окисления, % 

Таблица 1.5 

Физико-химические характеристики некоторых веществ 

 

Соедине-

ние 

Молекуляр-

ная масса 

Плотность 
ρ4
20, кг/м3 

Температура 
кипения, оС 

Температура 
критическая 

К,  оС 

Критическое 
давление Р, 

МПа 

Н2 
2,016 
0,09 
-252,8 
33,3 
1,294 

N2 
28,0 
1,25 
-195,8 
126,3 
3,398 

СО 
28,0 
1,25 
-191,58 
132,9 
3,489 

СО2 
44,0 
1,96 
-78,5 
304,3 
7,381 

Н2S 
34,1 
2,56 
-60,3 
373,6 
9,007 

О2 
32,0 
1,43 
-18 
154,8 
5,08 

SО2 
64,0 
2,86 
-10 
430,6 
7,893 

Н2О 
18,0 
1000 
100 
647,4 
22,12 

Черный 
соляр 1 
180 
758 
250 
681,4 
1,66 

Черный 
соляр 2 
210 
794 
560 
721,8 
1,54 

 
Расчет жидких продуктов в составе отгона, кг/ч, производится с 

учётом соблюдения материального баланса как остаток после 
определения всех составляющих процесса окисления: 

Gж = К2· Gf /100, 
 
                  (1.12) 

где К2 – объём отгона, % масс. 

Объём отгона не должен превышать 2%. 
Физико-химические 
характеристики 
некоторых 
веществ 

приведены в табл. 1.5 [5]. 

1.4. Тепловой баланс окислительной колонны 

Цель расчета теплового баланса колонны – определение из-

быточного тепла, которое необходимо отводить циркуляционным