Технологія переробки нафти і газу. Частина 1
Залежно від характеру застосування вітчизняні бітуми подрузі-деляют на групи, підгрупи і марки, представлені в табл.9.1.
Бітуми - один з важливих продуктів переробки нафти. У промислових обсягах бітуми отримують із залишків перегонки нафти. Вони складаються в основ-ному з смол, масел і асфальтенів і з точки зору фізико-хімічної меха-ники дисперсних систем є складну колоїдну систему, або колоїдний розчин асфальтенов і асоційованих з ними високомол-кулярной смол в середовищі, утвореної маслами і низькомолекулярними смолами . Асфальтени можуть утворювати в залежності від кількісного соот-носіння зі смолами і маслами або жорсткий каркас, або окремі міцели, адсорбуючі і утримують смоли. Смоли обумовлюють цементує-щие, сполучні властивості бітуму та його еластичність. Масла є розжитися-лишнього середовищем, в якій розчиняються смоли і набухають асфальтени.
Ще в 1924 році Нелленштейн висловив припущення про колоїдної структурі нафтових бітумів. Він вважав, що вони складаються з трьох компонентів: ліофобних частинок (асфальтенов), ліофільних речовин (смол), що оточують ліофобні частки і перешкоджають їх злиттю, і масляної фази, в кото-рій вони з успензіровани. Значне число дослідників поділяють цю точку зору. Відмінності в поглядах виявляються при поясненні принципів побудови самої структури, а також характеру і виду взаємодій-наслідком в ній. Згідно менш поширеною думкою. бітуми можна розглядати як розчини асфальтенов в мальтенов або як розчини асфальтенов і твердих смол в оліях та м'яких смолах.
Сучасне, найбільш повне, колоїдно-хімічне уявлення про нафтових дисперсних системах (ПДВ) і бітумах в тому числі представлено в роботі З.І. Сюняева і ін. Який першим ввів поняття складна струк-турна одиниця або ССЕ.
ССЕ в ПДВ утворюються за рахунок міжмолекулярної взаємодії. В осно-ве міжмолекулярної взаємодії (ММВ) лежать Ван-дер-ваальсово сили, обумовлені балансом сил тяжіння і відштовхування .Під впливом зовнішніх чинників розміри ядра і адсорбційно-сольватного шару ССЕ можуть змінюватися. Ядро з мінімальним радіусом утворює на своїй поверхні сольватний шар максимальної товщини і навпаки. При зміні розмірів ядра і адсорбційно-сольватного шару відбувається кількісне перерас-пределеніе вуглеводнів між фазами, що значно впливає на фізико-хімічні властивості ПДВ.
Основним структурним елементом нафтового бітуму є ас-фальтеновий комплекс, що складається з зародка - ядра, асоціата молекул ас-фальтенов і адсорбційно-сольватного шару, утвореного із найбільш ліо-профільними молекул смол, переважно спирто-бензольних, і деяких компонентів масел. Середній ефективний діаметр цих асфальтенових когось комплексів становить 2,6 нм, що утворюється мономолекулярний адсорбційний шар имет товщину 2,3 нм, а розмір агрегатів 10 нм.
Бітуми при кімнатній температурі знаходяться в структурованому со-стоянні, при підвищенні ж температури вони плавляться і стають рухомими-ними. За класифікацією, наведеною в роботі. дисперсні системи за відсутності або наявності взаємодії між частинками діляться на свобод-нодісперсние і Связнодісперсние. Деякі дослідники ці перебуваючи-ня називають відповідно, золь і гель. У стані гель дисперсні частинки пов'язані один з одним в єдиний каркас з иммобилизованной дисперсійним середовищем, а в стані золь, дисперсні частинки бітумів не взаємодіють один з ін угом і хаотично розташовані в суцільний дисперсії ційної середовищі. Крім того, передбачається існування проміжного стану золь-гель, в якому дисперсні частинки, взаємодіючи між собою, обра-товують в окремих областях об'єму не пов'язані один з одним кластери.
Нафтові бітуми є дисперсними системами, основу яких со-ють частки, за своєю будовою подібні до багатокомпонентної міцел-лій. Ядро частки складається з відносно високомолекулярних і потім у найбільш важкорозчинних асфальтенов, а також в окремих випадках з карбенів і карбоїдів. Навколо ядра розташовуються адсорбовані нізкомо-лекулярние асфальтени або їх асоціати, а навколо останніх - смоли. Причому на периферії знаходяться найбільш розчинні речовини цього типу. Молекули смол пов'язані між собою за рахунок полярних (зазвичай кисень азот і серусо-які тримають) груп.
Таким чином, дисперсні частинки бітуму, на відміну від мицелл типич-них поверхнево-активних і колоїдних частинок не мають різко вираженою поверхні розділу з дисперсійним середовищем. В'язке масло (точніше, розчин різних низькомолекулярних продуктів перетворення вуглеводнів, а також парафіну в маслі) утворює дисперсійне середовище бітуму. Концентрація в ній частинок велика, і бітум відноситься до концентрованих дисперсних систем. Стабілізаторами дисперсної системи служать смоли, які не перешкоджають утворенню структури, але знижують силу зв'язку між частинками. Деформівні-руемость периферичного шару частинок і слабкі зв'язки між ними пояснюють еластичність бітуму і його здатність розтягуватися.
Великий інтерес представляє питання: як структура і структурообразова-ня впливають на термостійкість бітумів і матеріалів на їх основі? Утримуючи-ням і співвідношенням яких структур визначається міцність бітумів?
Досвід експлуатації дорожніх асфальтобетонних покриттів свідченням-і про те, що під впливом низьких температур і вологості в асфальтобетоні можуть виникати тріщини. Для збільшення терміну служби дорожніх покриттів необхідно створення міцних асфальтобетонних сумішей.
Так як дорожні бітуми завжди застосовуються як сполучні компоненти в суміші з мінеральними матеріалами, то прогнозування поведінки бітуму в робочих умовах неможливо без урахування властивостей використовуваного мінерального наповнювача. Характер і міцність зв'язків, що виникають на кордоні розділі-ня фаз між компонентами бітумомінеральної суміші, залежить від химиче-ської природи бітуму і мінерального матеріалу. Практично всі бітуми містять речовини, що володіють досить добре вираженими кислотні-ми функціями. тому хороша адгезія їх до карбонатних порід може бути пояснена кислотно-основним взаємодією з поверхневими ато-мами кальцію і магнію. Але, оскільки в дорожньому будівництві в складі ас-фальтобетонних сумішей використовуються як правило різні кислі ма-ли: граніти, піски річкові, морські і т.д. то для забезпечення адгезійної міцності дорожніх покриттів необхідно вводити додатково адгезійно-ні добавки лужної природи. Причому до теперішнього часу немає радикального методу вирішення цього питання.
Вплив складу бітумів на їх температуру крихкості і пенетрацію більш складне, тому що ці показники залежать більшою мірою від властивостей диспер-Сіон середовища.
В принципі, температура крихкості бітуму, як і температура розм'якшення підвищується зі збільшенням кількості дисперсної фази (асфальтенов), так як їх жорсткий каркас стає при цьому більш крихким. Однак це явище можна розглядати і з іншого боку: температура крихкості підвищується тому, що зменшується кількість дисперсійного середовища і підвищується температура переходу її в твердий стан. Іншими словами, температура хруп-кістки характеризує момент, коли вся система втрачає пластичність, стаючи аморфним твердим тілом.
Пенетрація, будучи по суті параметром в'язкості, також характеризує зміну пластичності середовища в залежності від зміни її кількості і з-става. Для підвищення пенетрации і зниження температури крихкості при заданій температурі розм'якшення необхідно знизити в'язкість і темпера-туру застигання дисперсійного середовища. Це досягається трьома шляхами.
Каталітичне окислення. Найчастіше в якості каталізаторів викорис-ся хлорид заліза і оксид фосфору.
Введення в бітум різних добавок, головним чином, синтетичних полімерів. Цей метод отримав дуже широке поширення.