Введение. Повышение энергоэффективности производств, связанных с добычей и переработкой нефти на каждом из технологических этапов, а также разработка и реализация проектов по увеличению энергоэффективности производств, обусловлены не только внутренними задачами развития бизнеса, но и внешними факторами. И если задачи бизнеса заключаются в максимальной прибыли, что определяет технологические подходы для максимального извлечения светлых фракций из нефтепродуктов, то внешние факторы сопряжены с возможностью запрета или ограничением производства товаров с низкой энергоэффективностью. Производство нефтяных битумов, основным потребителем которых является дорожная отрасль, это один из термических процессов нефтепереработки. В свою очередь, ключевыми факторами протекающих термических процессов и определяющими материальный баланс и качество получаемого битумного вяжущего являются: качество сырья, давление, температура и продолжительность термолиза. Необходимые для производства битума технологические параметры процесса определяют его как энергоемкое.Путь повышения энергоэффективности битумного производства вариативен и может заключаться в реализации одного или совокупности приемов:1-модернизации технологического оборудования;2-оптимизации производственного процесса;3-использовании возобновляемых источников энергии;4-сокращении теплопотерь;5-внедрении энергоэффективных технологий.Рассматривая наиболее приемлемый в каждом конкретном случае прием реализации энергоэффективности битумного производства, необходимо принимать во внимание системное углубление нефтепереработки, которой сопутствует изменение материального баланса и качества получаемых остатков – сырья для окисления в битум. Параллельно потребители пересматривают и ужесточают требования к качеству «товарных» битумных вяжущих. Все эти факторы инициируют необходимость пересмотра подходов к сырью и технологиям производства битумов.Решение практически всех обозначенных проблем возможно за счет широкомасштабного внедрения в технологические процессы нефтепереработки и дорожно-строительную отрасль производство неокисленных битумов и модифицированных вяжущих на их основе [1–12]. Остаточные или неокисленные вяжущие, приготовленные по технологии компаундирования [13] – это мягкие легкоплавкие материалы, являющиеся мелкодисперными коллоидными системами, относящимися к типу золь [14, 15], отличительными признаками которых являются [16]: относительно высокая плотность; высокая твердость и сопротивление к разрыву; чувствительность к изменению температуры; устойчивостью к термоокислительному старению [15]. Дополнительным преимуществом производства и использования неокисленных битумов является: - возможность избежать термического и окислительного воздействий на тяжелые компоненты нефтяного сырья и соответственно уменьшить влияние полимеризации и агрегации асфальтенов, смол и гетероатомных компонентов тяжелых остатков при производстве битумов, а следовательно увеличить их стойкость к старению [17, 18];- отсутствие окислительной полимеризации и деструкции компонентов сырья, приводящих к интенсивному образованию черного соляра и газов окисления, что уменьшает техногенный прессинг на окружающую среду и способствует снижению энергоемкости производства [19];- отсутствие процесса окисления сырья при высокой температуре, за счет которого происходит снижение полярности битума, а, следовательно, адгезия к минеральным материалам сохраняется высокой [20];- асфальтобетоны, приготовленные с использованием остаточных битумов, характеризуются более высокими показателями водостойкости, трещиностойкости, износоустойчивости и долговечности в целом.Таким образом, обоснованный научно-технологический подход к проектированию составов битумных вяжущих посредством компаундирования неокисленного нефтяного сырья является одним из ключевых драйверов в разработке и производстве технологически и энергоэффективных битумных вяжущих и асфальтобетонов с улучшенными свойствами для надежного дорожного покрытия на их основе.В соответствии с современными представлениями, битумы – коллоидные системы органического происхождения, для которых характерно наличие дисперсионной среды (мальтеновая часть) и дисперсной фазы (асфальтены) [21]. Следовательно, управляя формированием сольватных слоев на границе раздела «среда – фаза» можно перевести систему из неравновесного состояния в коллоидно устойчивое.Однако, битумы – это сложные коллоидные системы, для которых характерен значительный разброс показателей свойств, обусловленный отличием группового состава нефти и технологическими факторами ее добычи и переработки. Таким образом, нестабильные исходные характеристики битума, являющиеся проявлением изменчивого группового состава битумных дисперсий, не всегда дают возможность, используя окисление и различные приемы модифицирования, получить стабильные битумные вяжущие с набором требуемых уникальных реологических и технологических свойств. Таким образом, положив в основу разработки целенаправленный подход к групповому составу битумных дисперсий, посредством компаундирования остаточного сырья нефтепереработки, можно решить вопрос по разработке эффективных, стабильных во времени и воспроизводимых битумных композиций для дорожно-строительной отрасли.Целью работы была разработка составов битума компаундированного неокисленного (БКн) марки 50/70 и оценка эффективности относительно товарной марки БНД 50/70.Материалы и методы. В работе в качестве компонентов нефтепереработки для последующего компаундирования в битум БКн 50/70 рассматривались: гудрон, мазут, асфальт деасфальтизации. Рассмотрим более детально используемые компоненты. Гудрон – черный остаток, образующийся в результате отгонки из нефти при атмосферном давлении и под вакуумом топливных и масляных фракций. Содержит парафины, нафтены и ароматические углеводороды, преимущественно с большим числом атомов углерода, а также асфальтены и нефтяные смолы. В гудроне концентрируется основное количество, содержащихся в нефти металлов. Мазут – жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых фракций. Деасфальтизаты используются как промежуточный продукт в производстве остаточных масел или как сырье для установок каталитического крекинга и гидрокрекинга.Показатели свойств сырья представлены в таблице 1.Известно, что между групповым составом, структурой вяжущих и их характеристиками существует прямая зависимость. Так как главной задачей исследования была определена разработка эффективных сочетаний компонентов для получения БКн путем последовательного компаундирования, позволяющего минимизировать потребление энергии, необходимой для запуска химических процессов при окислении сырья, был определен групповой углеводородный состав (табл. 2).  Таблица 1Показатели свойств нефтяного сырья Наименование показателейНефтяное сырьегудронмазутасфальт деасфальтизацииВязкость условная при 80 °С, с2006,3–Температура размягчения, °С34–42Температура вспышки в открытом тигле, °С290251– Таблица 2Групповой углеводородный состав сырья Группы углеводородовВид нефтяного сырьягудронмазутасфальтдеасфальтизацииПредельные насыщенные углеводороды (ПНУ)13,530,8-Ароматический углеводороды AУ-I4,820,31,2Ароматический углеводороды AУ-II4,915,11,6Ароматический углеводороды AУ-III33,74,57,3Ʃ масел56,970,710,1Смолы (С-I)11,414,710,9Смолы (С-II)18,87,920,4Ʃ смол30,222,631,3Асфальтены (А)12,96,758,6 Исследование проводилось с применением жидкостно-адсорбционной хроматографии на приборе «Градиент-М». Суть метода заключается в разделении сложных смесей веществ на отдельные компоненты и проведении качественного и количественного анализа компонентов разделяемой смеси. Принцип действия жидкостного хроматографа заключается в следующем: раствор анализируемой смеси с помощью узла ввода пробы помещается в верхнюю часть хроматографической колонки. Анализируемая смесь прокачивается элюентом (подвижная фаза) через хроматографическую колонку, в которой происходит разделение анализируемой смеси на отдельные компоненты. Вытекающий из колонки элюат, содержащий отдельные компоненты анализируемой смеси, распознаются детектором и выполняется регистрация вещества. Технология приготовления компаунда марки БКн включала в себя 2 этапа: нагрев компонентов и их последовательное смешение. Технологические параметры процесса: скорость 200–400 об/мин; температура 165–175 °С; время30 минут. Исследование свойств сырьевых нефтяных компонентов и битума выполнялись по стандартным методикам. Полученные пластифицирующие смеси были проанализированы по выбранным показателям, с последующим расчётом частных критериев эффективности.Kэфi=Зпок.iЗГОСТi ,                           (1)где Kэф.i- частный критерий эффективности i-го показателя; Зпок.i- фактическое значение i-го показателя; ЗГОСТi- требуемое значение i-го показателя.На основании полученной базы частных критериев эффективности, оптимизация составов выполнялась по обобщенному критерию эффективности. Kэфоб.=nNn=1i∙Kэф , i                    (2)Запроектированное битумное вяжущее БКн 50/70, а также битум марки БНД 50/70, были подвергнуты процессам старения по методике RTFOT в течение 40 ч. Тестированию подвергались образцы после каждых 5 ч прогрева для оценки динамики изменения температуры размягчения и пенетрации при 25 °С. Также, для оценки склонности битумов к старению был использован коэффициент возрастания динамической вязкости (Квдв).Квдв = h60стар/h60,                         (3)где h60стар – динамическая  вязкость при 60°С после прогрева вяжущего в тонкой пленке в течение 5 ч, Па∙с; h60 – динамическая  вязкость вяжущего при 60°С, Па∙с.Основная часть. В соответствии с полученными данными (табл. 2) рассматриваемый гудрон характеризуется соотношением группы масел к смолам и асфальтенам 60:40 и может являться эффективным компонентом для компаундирования составов БКн. Мазут характеризуется значительным количеством лёгких углеводородов и малым смол и асфальтенов. Асфальт деасфальтизации представлен преобладающим количеством асфальтенов (А) при критически малом содержании мальтеновой части. Данный компонент целесообразен в проектируемых составах как основной источник тяжелых углеводородов.В таблице 3 представлены рецептуры битума неокисленного битумного вяжущего, по свойствам максимально приближенные к контрольной марке БНД 50/70. Выбор приготовленных составов, осуществлялся на основании показателей лабораторного контроля (табл. 4).  Таблица 3Рецептуры битумов компаундированных неокисленных  Наименование рецептурыСоотношение компонентов в составе смеси, %гудронмазутасфальт деасфальтизации№1333235№2332740№3322543№4352045№5351847№6351550№7351451№8371053 Таблица 4Оценка соответствия образцов БКн марке БНД 50/70  Наименование показателейБНД 50/70№ составов вяжущих БКнгостфакт12345678Глубина проникания иглы при 25 °С, мм–151-70547568615755464437Температура размягчения по кольцу и шару, °С  (КиШ)51534548515455565760Растяжимость при 0 °С, см3,53,53,83,53,33,23,532,52,1Растяжимость при 25 °С, см,6072>100>10092,795,195,578,259,254,7Температура хрупкости по Фраасу, °С-16-17-18-17-16-16-16-15-15-14Температура вспышки, °С230242274276280284284288290294Изменение массы после старения, %0,60,60,50,50,50,40,30,40,30,3Изменение температуры размягчения после старения, °С7665553544Обобщенный критерий эффективности–1,071,181,181,151,191,21,131,191,12 Данные таблицы демонстрируют, что не все составы по формальным признакам (глубина проникания иглы при температуре 25 °С) отвечают марке 50/70. Очевидно, что введение в состав компаунда более 47 % асфальта деасфальтизации (составы № 6 – № 8 с процентом ввода компонента 50–53 % соответственно), обогащенного асфальтенами при критически малом содержании мальтеновой части формирует жесткую структуру вяжущего, что в последующем негативно отразится как на его модифицировании в случае необходимости, таки на свойствах асфальтобетона на его основе. Повышенное содержание асфальтенов в битумных дисперсиях повысило температуру хрупкости с -18 °С для состава №1 до -14 °С для состава № 8. При этом динамика изменения температуры размягчения составов № 1-8 характеризуется обратной зависимостью. Максимальный показатель по КиШ характерен для серии образцов № 8 и составляет 60 °С и 45 °С для состава № 1. Оценка эффективности разработанных составов БКн выполнялась не путем сравнительного анализа полученных данных с требованиями нормативных документов, а посредством использования математического аппарата (формулы 1 и 2). Результаты расчета обобщенных критериев эффективности для выбора оптимального состава битума БКн 50/70 представлены в таблице 4. Определенный как наиболее эффективный, состав № 5 был проанализирован с точки зрения группового состава и на предмет типа запроектированной структуры, таблицы 5 и 6.  Таблица 5Групповой углеводородный состав битума марки 50/70 Наименование углеводородовВид вяжущегоБКнБНДПредельные насыщенные углеводороды (ПНУ)11,306,30Ароматический углеводороды AУ-I5,405,40Ароматический углеводороды AУ-II2,902,10Ароматический углеводороды AУ-III11,0014,00Ʃ масел30,6027,80Смолы (С-I)15,9016,90Смолы (С-II)20,6025,60Ʃ смол36,5042,50Асфальтены (А)32,9029,70 Данные таблицы 5 демонстрируют, что битумные вяжущие БНД и БКн 50/70 по групповому составу близки. Однако в неокисленном компаундированном образце содержится больше асфальтенов, что ожидаемо, ввиду особенностей группового состава сырьевых компонентов.  Таблица 6Структурный тип битума БКн 50/70 серия №5 Наименование показателяIII структурный тип по ГрушкоСостав № 5БКн 50/70Структурный тип битумаIIIИндекс пенетрации-1,0…+1,0+0,21Температура размягчения по кольцу и шару, °Спромежуточное значение55Температура хрупкости по Фраасу, °Свысокая-16Растяжимость, см, 25 °С0°Свысокаянизкая95,53,5Склонность к старениюмалаямалаяКогезиявысокаявысокаяКоэффициент стандартных своств Кстд = (Тр – Тхр)/Д250,65…1,10,74Интервал пластичности ИР = Тр – Тхрпромежуточный71 К преимуществам неокисленных битумов относится устойчивость их структуры к старению. В связи с этим, представляло интерес изучение характера и кинетики изменения физико-механических свойств разработанного компаундированного БКн 50/70 и окисленного БНД 50/70 (рис. 1).  Рис. 1. Динамика изменения при длительном термостатировании:a) температуры размягчения; б) пенетрации при температуре 25°С  Для возможности оперативной оценки интенсивности протекания процессов старения было предложено использовать коэффициент возрастания динамической вязкости (Квдв) разработанного и контрольного составов 50/70 (табл. 7).В соответствии с полученными данными, Квдв  неокисленного битума значительно меньше, чем у контрольной серии (окисленного битума), что характеризует запроектированную коллоидную систему с точки зрения реологии, как более стабильную и устойчивую к термической деструкции. Таблица 7Влияние вида вяжущего на изменение Квдв Вид вяжущегоДинамическая  вязкость при 60°С, Па∙сКвдвдопослестаренияБНД 50/7032510403,2БКн 50/702795301,9 Выводы. В процессе выполнения исследования установлено, что в процессе проектирования БКн была сформирована наиболее предпочтительная «золь-гелевая» дисперсная структура вяжущего с точки зрения работы вяжущего в составе асфальтобетона.Как видно, изменения показателей компаундированного битума БКн в процессе длительного термостатирования характеризуются линейным трендом, что свидетельствует о стабильной коллоидной структуре полученного продукта. Изменения свойств окисленного битума БНД 50/70, носят полиноминальный характер, которому свойственны локальные скачки показателей в определенные промежутки термостатирования, и свидетельствуют о незначительном сопротивлении структуры окисленного битума деструктивным термоокислительным процессам. Таким образом, полученные данные демонстрируют ингибирование термического и окислительного воздействий на компоненты компаундированного сырья и, соответственно, уменьшение влияния полимеризации и агрегации асфальтенов, смол и гетероатомных компонентов тяжелых остатков при производстве битумов, а, следовательно, увеличение стойкости такого вяжущего к старению.Также необходимо отметить, что с точки зрение энергоэффективности производство компаундированных неокисленных вяжущих имеет значительные преимущества перед окисленными. Так продолжительность компаундирования неокисленных компонентов до однородного состояния составляет 30–40 мин, температура объединения компонентов 160–170 °С. Технология производства окисленных битумов включает в себя ряд технологических переделов: окисление происходит при 250–290 °С, чем выше температура, тем быстрее протекает процесс, однако она же ускоряет реакции образования карбенов и карбоидов; необходимо обеспечение производства сжатым воздухом и давлением не более 0,4 МПа. Комплексный анализ полученных результатов демонстрирует возможность получения высокого технического результата от использования приемов компаундирования неокисленного нефтяного сырья.