Du pétrole lourd et des résidus sous vide ont été utilisés pour obtenir du bitume routier 50/70 en utilisant deux méthodes différentes de distillation à la vapeur à 323-362 °C et par oxydation, une méthode utilisant une colonne remplie à une température de 211 à 220 °C. Les résidus obtenus par deux méthodes de distillation à la vapeur et d'oxydation sont respectivement appelés bitume non oxydé et bitume oxydé. Les produits ont été évalués à l'aide de différentes normes, notamment GOST 33133-2014, GOST 22245-90 et ASTM D5. Les résultats ont montré que le rendement en bitume oxydé atteint un taux maximal de 89.59 % en poids, tandis que celui du bitume non oxydé est de 55 % en poids. Le point de ramollissement du bitume oxydé est de 49 à 57 °C par rapport à celui du bitume non oxydé (46 à 49 °C). Il est remarquable que le point de ramollissement et la pénétrabilité précédents de 47 à 71 points du bitume oxydé soient conformes aux normes de 50/70 pour le bitume, selon la norme. Le bitume non oxydé a un point de ramollissement relativement bas et une valeur de pénétration plus élevée de 71 à 275, ce qui correspond à un bitume 200/300. Comparativement, l'utilisation d'une colonne à garnissage est avantageuse par rapport à la distillation à la vapeur, en raison de la grande capacité des buses à renforcer le contact entre la matière première et l'air comprimé dans la zone de réaction et à réduire le temps de réaction à 4.15 h.
Introduction
Les besoins quotidiens, dus à la croissance économique mondiale, augmentent les activités de transport routier détruisant les routes.1. Cependant, la nécessité d'améliorer la construction et la reconstruction de nouvelles routes est devenue le principal défi des producteurs de bitume. Compte tenu de la disparition progressive du pétrole conventionnel et de la disparition progressive du pétrole conventionnel, les industries pétrolières sont confrontées à un défi majeur qui est de développer de nouvelles techniques moins coûteuses facilitant la production de bitume afin de remédier aux problèmes d'infrastructures routières.
De nos jours, des sources d'hydrocarbures non conventionnelles telles que le pétrole lourd, le bitume naturel, le pétrole de schiste ont été découvertes dans de nombreux pays comme le Canada, le Venezuela, Brasilia, la Russie, le Tchad et Madagascar. La découverte de ces ressources favorisera la croissance de la production afin d'équilibrer le déficit énergétique et celui du bitume sur le marché mondial. Par définition, le pétrole lourd et le bitume naturel se caractérisent par une viscosité élevée et une faible densité API avec une très faible concentration de composés volatils. fractions distillées, telles que le gasoil et le kérosène, ainsi qu'une grande quantité de résines et d'asphaltènes.
D'une manière générale, l'évaluation du bitume routier est essentiellement fonction de la technologie de production, de la concentration relative en résines et en asphaltènes. Les composants respectifs du bitume routier jouent un rôle particulier conférant une performance synergique au bitume. L'asphaltène est le composant le plus lourd et responsable du caractère non newtonien du bitume, et ils ont une influence directe sur le point de ramollissement et la rigidité du bitume. Les résines favorisent la bonne adhésion du bitume à la surface des minéraux et la ductilité (élasticité). Les saturés et les aromatiques sont responsables des propriétés rhéologiques du bitume, comme la viscosité.
Pour répondre aux défis liés aux demandes et exigences de qualité des bitumes routiers présents sur le marché, le développement de nouvelles techniques efficaces est nécessaire. Parmi les méthodes déjà connues figurent la distillation sous vide du pétrole, l'oxydation à l'air, la combinaison des résidus lourds après distillation sous vide, l'extraction sélective et les résidus du procédé de désasphaltage des goudrons. Plusieurs séries de travaux sur la production de bitume routier ont été réalisées pour obtenir une meilleure qualité de bitume adaptable aux exigences pratiques ainsi que pour mettre en évidence le mécanisme des réactions qui peuvent se produire lors de l'oxydation du résidu sous vide et de la valorisation du pétrole lourd. Abdullin et coll. a étudié la stabilité thermo-oxydative du bitume de pétrole en utilisant une « suroxydation » de 240 à 260 °C avec un temps d'oxydation de 4 à 8 h. Ils ont rapporté que la température de ramollissement augmentait de 30.5 à 36 °C en fonction du temps d'oxydation. Les propriétés telles que la viscosité-température et la ductilité à 0 °C ont diminué. Hilde Soenen et coll. a expérimenté le processus d'oxydation de deux résidus différents du processus de viscoréduction et du processus de craquage en utilisant le récipient de soufflage d'air du laboratoire à 260 °C et un débit d'air de 1 l/min, sous pression atmosphérique. Ils ont conclu que la pénétration des aiguilles du bitume est de 187 à 190 points et que le point de ramollissement est de 36.9 °C et 39.2 °C selon les normes EN 1426 et EN 1427. Chaala et al. ont effectué une pyrolyse sous vide de résidus de broyeurs automobiles en utilisant l'huile pyrolytique comme modificateur du bitume routier, et ils ont indiqué que la pénétration des aiguilles des bitumes est de 113 et 204, le point de ramollissement était de 45 °C et 45.8 °C et le point Fraass était de − 7. °C et − 8.5 °C. Ils ont également conclu que le mélange du bitume sous vide et du résidu pyrolytique peut diminuer la pénétrabilité et augmenter le point de ramollissement en raison du changement de composition du bitume, alors ces bitumes peuvent se comporter comme des fluides non newtoniens à haute viscosité. Du côté des bitumes non oxydés, peu de travaux et de littérature ont été présentés, hormis Chaale et al. d'après ses analyses physico-chimiques et rhéologiques des résidus de pyrolyse sous vide, ils ont déclaré que le résidu pyrolytique est considéré comme étant bitume de pétrole.
Dans les études mentionnées ci-dessus, les auteurs ont proposé différentes méthodes de production de bitume routier en tenant compte de tous les paramètres tels que la température, le débit d'air, la pression, le temps et les matières premières, sauf pour améliorer les performances des équipements, notamment la colonne et les accessoires, afin de réduire le coût de production.. Deuxièmement, aucune comparaison n’a été effectuée sur les produits obtenus par différentes méthodes dans les travaux mentionnés. Cependant, ce travail se concentre sur l'utilisation d'une colonne d'oxydation spécialement garnie pour augmenter la surface de contact entre la matière première et l'air comprimé injecté afin de réduire le coût de production, suivi de la comparaison du bitume oxydé avec le bitume non oxydé obtenu par distillation à la vapeur.. Pour évaluer les performances des produits obtenus, diverses méthodes telles que la pénétration de l'aiguille dans le bitume pour déterminer la marque et la rigidité du bitume par le pénétromètre sont essentielles. De plus, la température de ramollissement mesurée par la méthode à bille et anneau pour déterminer la température maximale de fonctionnement du bitume, la ductilité est déterminée par un ductilomètre réglé à 0 °C, la température de fragilité est obtenue par la méthode Fraass, les mesures rhéologiques (viscosité et capacité d'adhésion du bitume) ainsi que la détermination de la composition du bitume par analyse SARA (saturés, aromatiques, résines et asphaltènes).
Résultats et discussions
Procédé de distillation à la vapeur (production de bitume non oxydé)
Tables 1 et 2 montrer les résultats des produits obtenus après distillation à la vapeur d'huile lourde. Les résultats révèlent que l'augmentation de la température du bas (302-340 °C ± 2 °C) et du haut (150-201 °C ± 1 °C) de la colonne diminue le rendement en bitume de 55 % ± 0.3 à 47. % ± 0.2 respectivement. En revanche, cette hausse des températures diminue la pénétration du bitume de 275 à 71 unités. Une diminution du rendement en bitume s'est produite en raison de réactions telles que l'évaporation et la condensation de composants de haut poids moléculaire (résines et asphaltènes). Le rendement du bitume et ses propriétés sont principalement favorisés par la température de fond de la colonne et déterminés par la température de la vapeur d'eau surchauffée. Remarquablement, lorsque la température en partie basse de la colonne est d'environ 300 °C, le produit collecté en pied (bitume non oxydé) semble être un plastique visqueux alors qu'avec une température croissante jusqu'à 340 °C et plus, le produit non oxydé les résidus de bitume présentent une faible pénétration jusqu'à 71 unités. Ainsi, faire varier la température de fond de colonne permet d'obtenir le résidu de bitume requis avec une pénétration différente. Il convient donc de mentionner que les propriétés attendues du bitume dépendent principalement de la température de la partie inférieure de la colonne, de préférence supérieure à 300 °C. La température reste un facteur clé pour le processus de distillation à la vapeur d’eau du pétrole lourd pour la production du bitume non oxydé. Parallèlement, les hydrocarbures légers (huiles synthétiques) sont la condensation résultante de la vapeur d'hydrocarbures légers ; ils ont été obtenus à côté de la colonne. Le résultat a montré que le rendement en huile synthétique légère I a augmenté dans les échantillons 1 et 2 de 34 à 37 % et a diminué jusqu'à 23 % dans l'échantillon 3. L'huile synthétique II a augmenté de façon exponentielle de 11 à 14 % et jusqu'à 30 % respectivement dans échantillons 1, 2 et 3, avec une augmentation de la température. Ceci explique pourquoi le taux de fractions légères dans le pétrole lourd est inférieur à celui des fractions moyennes. La température de tête de colonne permet de contrôler la quantité de produits de tête tandis que la température de pied de colonne assure le contrôle de la quantité et de la qualité du bitume non oxydé.
