Битум өндірісі
1 ТЕХНИКАЛЫҚ БӨЛІМ
1.1 Битумның құрамы мен қасиеттері, зерттеу әдістемелері
1.2 Мұнай битумдарының көмірсутектік құрамына күкірттің әсері
1.3 Тотығу үдерісінің негізгі сипаттары
1.3.1 Тотығу үдерісінің кинетикасы
1.3.2 Тотыққан битумдардың қасиеттері және оларды жақсарту тәсілдері
1.4 БАЗ қатысында битум эмульсиясын алу
2 ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ БӨЛІМ
2.1 Битум өндірісінде қолданылатын аппарат түрлері
2.2 Қаражанбас кен орны мұнайының физика . химиялық қасиеттері
2.3 Мұнай өңдеудегі толассыз сызбаның баяндалуы
3 ЕСЕПТІК БӨЛІМ
3.1 Толассыз сызба қондырғыларының материалдық баланстары
3.2 Автоматтандырылған технологиялық сызбаның баяндалуы
3.3 Тотықтыру колоннасының технологиялық есебі
3.4 Тотықтыру колоннасының механикалық есебі
3.5 Сеператордың технологиялық есебі
3.6 Пештің технологиялық есебі
4 ЭКОНОМИКАЛЫҚ БӨЛІМ
4.1 Техника.экономикалық көрсеткіштер есебі
4.2 Капиталдық шығындар есебі
4.3 Еңбек және төлемақы есебі
4.4 Жұмысшының жұмыс уақыты балансын анықтау
4.5 Жұмысшылардың тіркелу есебі
4.6 Штаттар, басшылар, арнайы мамандар және орындаушылардың төлемақы қоры
4.7 Өнімнің өзіндік құнын есептеу
4.8 Пайда және рентабелділікті есептеу
4.9 Жобаланған нысанның экономикалық тиімділігі
5 ТЕХНИКА ҚАУІПСІЗДІГІ ЖӘНЕ ЕҢБЕКТІ ҚОРҒАУ БӨЛІМІ
ҚОРЫТЫНДЫ
ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1.1 Битумның құрамы мен қасиеттері, зерттеу әдістемелері
1.2 Мұнай битумдарының көмірсутектік құрамына күкірттің әсері
1.3 Тотығу үдерісінің негізгі сипаттары
1.3.1 Тотығу үдерісінің кинетикасы
1.3.2 Тотыққан битумдардың қасиеттері және оларды жақсарту тәсілдері
1.4 БАЗ қатысында битум эмульсиясын алу
2 ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ БӨЛІМ
2.1 Битум өндірісінде қолданылатын аппарат түрлері
2.2 Қаражанбас кен орны мұнайының физика . химиялық қасиеттері
2.3 Мұнай өңдеудегі толассыз сызбаның баяндалуы
3 ЕСЕПТІК БӨЛІМ
3.1 Толассыз сызба қондырғыларының материалдық баланстары
3.2 Автоматтандырылған технологиялық сызбаның баяндалуы
3.3 Тотықтыру колоннасының технологиялық есебі
3.4 Тотықтыру колоннасының механикалық есебі
3.5 Сеператордың технологиялық есебі
3.6 Пештің технологиялық есебі
4 ЭКОНОМИКАЛЫҚ БӨЛІМ
4.1 Техника.экономикалық көрсеткіштер есебі
4.2 Капиталдық шығындар есебі
4.3 Еңбек және төлемақы есебі
4.4 Жұмысшының жұмыс уақыты балансын анықтау
4.5 Жұмысшылардың тіркелу есебі
4.6 Штаттар, басшылар, арнайы мамандар және орындаушылардың төлемақы қоры
4.7 Өнімнің өзіндік құнын есептеу
4.8 Пайда және рентабелділікті есептеу
4.9 Жобаланған нысанның экономикалық тиімділігі
5 ТЕХНИКА ҚАУІПСІЗДІГІ ЖӘНЕ ЕҢБЕКТІ ҚОРҒАУ БӨЛІМІ
ҚОРЫТЫНДЫ
ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Битум дегеніміз мұнайдың жоғары молекулалық көмірсутектері мен күкірт, азот, металлдардан құралған күрделі қоспа. Олар табиғи немесе мұнай, шымтезек, көмір, тақтатастар өндірісінен алынады. Алынатын битум түрлері пайдаланылатын орнына қарай жол, құрылыс, жабынды, және тұтқырлығы төмен лак – бояғыш заттар өндіріс үшін қолданылатын болып бөлінеді.
Шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын оның құрамы бойынша анықтайды. Келесі өрнекке сүйене отырып, мұнай құрамына байланысты шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын үш топқа бөліп қарастыруға болады:
А + С - 2,5 П ≥ 8 (1)
мұндағы, А, С, П – асфальтен, шайыр және парафин құрамына сәйкес:
1 топ – өте жақсы мұнай (жоғары шайырлы – аз парафинді, жоғары шайырлы – парафинді, шайырлы – азпарафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 8-ден жоғары.
2 топ – жарамды мұнай (шайырлы – парафинді, аз шайырлы – аз парафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 0 мен 8 аралығында.
3 топ – шектеулі жарамды немесе жарамсыз мұнай (шайырлы – жоғары парафинді, аз шайырлы – парафинді, аз шайырлы – жоғары парафинді) [6].
Шикізаттағы парафин мөлшері 3 % масс. аспауы шарт. Парафинді мұнайдан алынған битум аз парафинді мұнайдан алынған битуммен салыстырғанда созылу қасиеті (дуктилдігі) біршама төмен болады [4].
Битум - жоғары молекулалы көмірсутектер мен әр түрлі құрылыстағы гетероорганикалық қосылыстардан тұратын мұнайдың ауыр бөлігі. Битумның құрамы келесідей [% масс.]: көміртек 80-85, сутек 8,0-11,5, оттегі 0,2-4,0, күкірт 0,5-7,0, азот 0,2-0,5.
Битумның компоненттік құрамын анықтау үшін көптеген әдістер зерттелінді. Әр түрлі класс және топтарға жатқызылатын қосылыстарды анықтау үшін, жалпы қабылданған, еріткіштер мен адсорбенттерге көрсетілетін іріктегіштік қатынасы бойынша заттарды бөлу әдісі қолданылады. Бұл кең таралған әдіс бойынша битум асфальтенді, шайырлы, және май қосылыстарынан тұрады [7].
Шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын оның құрамы бойынша анықтайды. Келесі өрнекке сүйене отырып, мұнай құрамына байланысты шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын үш топқа бөліп қарастыруға болады:
А + С - 2,5 П ≥ 8 (1)
мұндағы, А, С, П – асфальтен, шайыр және парафин құрамына сәйкес:
1 топ – өте жақсы мұнай (жоғары шайырлы – аз парафинді, жоғары шайырлы – парафинді, шайырлы – азпарафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 8-ден жоғары.
2 топ – жарамды мұнай (шайырлы – парафинді, аз шайырлы – аз парафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 0 мен 8 аралығында.
3 топ – шектеулі жарамды немесе жарамсыз мұнай (шайырлы – жоғары парафинді, аз шайырлы – парафинді, аз шайырлы – жоғары парафинді) [6].
Шикізаттағы парафин мөлшері 3 % масс. аспауы шарт. Парафинді мұнайдан алынған битум аз парафинді мұнайдан алынған битуммен салыстырғанда созылу қасиеті (дуктилдігі) біршама төмен болады [4].
Битум - жоғары молекулалы көмірсутектер мен әр түрлі құрылыстағы гетероорганикалық қосылыстардан тұратын мұнайдың ауыр бөлігі. Битумның құрамы келесідей [% масс.]: көміртек 80-85, сутек 8,0-11,5, оттегі 0,2-4,0, күкірт 0,5-7,0, азот 0,2-0,5.
Битумның компоненттік құрамын анықтау үшін көптеген әдістер зерттелінді. Әр түрлі класс және топтарға жатқызылатын қосылыстарды анықтау үшін, жалпы қабылданған, еріткіштер мен адсорбенттерге көрсетілетін іріктегіштік қатынасы бойынша заттарды бөлу әдісі қолданылады. Бұл кең таралған әдіс бойынша битум асфальтенді, шайырлы, және май қосылыстарынан тұрады [7].
1. К. Б. Батманов. Доклады пятых международных научных Надировских чтений Алматы – Актобе 2007. Природный битум Қазахстана – прогрессивный дорожно – строительный материал нового типа.
2. Э. Г. Теляшев, И. Р. Хайрудинов, Ю. А. Кутьин, Г. А. Оразова, И. М. Тазабекова. //Башкирский химический журнал 2008/2. Подбор сырья для производства дорожных битумов в Казахстане.
3. Е. А. Аққазин, Е. Қ. Оңғарбаев, Е. А. Тілеуберді, З. А. Мансұров. Доклады седьмых международных научных Надировских чтений Алматы – Орал 2009. Мұнай битумдарының көмірсутектік құрамына күкірттің әсерін зерттеу.
4. Т. П. Сериков, Г. А. Оразова, И.Г. Теляшев, И. Р. Хайрудинов, Ю. А. Кутьин, И. М. Тазабекова. Сборник научных трудов международной научно – практической конференции. Исследование остатков нефтей как сырьевых компонентов для производства дорожных битумов.
5. Т. Н. Сухова. Журнал Нефть и Газ 2008/4. Битумные эмульсии для дорожного строительства
6. С. А. Обухова, А. Р. Давлетшин, Р. Р. Везиров, Э. Г. Теляшев, А. М. Сухоруков. Сборник научных трудов, В.:23/Уфа, 2001 г. Роль висбрекинга в углублении переработки нефти на НПЗ топливного профиля.
7. И. Б. Грудников, Е. В. Ипполитов, Ю. И. Грудникова. Технология производства битумов. Журнал: Химия и технология топлив и масел 2004/6.
8. Р. Б. Гун. Нефтяные битумы. М.: Химия 1989.
9. Ю. А. Кутьин, Э. Г. Теляшев, Г. Н. Викторова. Сборник научных трудов третьего международного семинара – совещания. Атырау, 2005. К вопросу разработки нового стандарта на дорожные битумы.
10. И. Б. Грудников. Производство нефтяных битумов. М.: Химия 1983.
11. В. В. Самсонов. Производство асфальтитсодержащих дорожных битумов. Журнал: Химия и технология топлив и масел 2008/6.
12. А. Н. Надиров. Технология окисления высоковязких нефтей, нефтяных остатков и природных битумов для получения гидроизоляционных материалов. Журнал: Нефть и Газ 2008/2.
13. Т. Ф. Ганиева, К. Ю. Аджамов, Г. Р. Кулиев. Влияние состава сырья на свойства окисленных битумов. Ж.: Нефтепереработка и нефтехимия, 1994/2.
14. Ю. А. Кутьин, Э. Г. Теляшев, Г. Н. Викторова. Битумы и битумные технологии сегодня и завтра. Ж.: Мир нефтепродуктов, 2004/3.
15. Л. С. Таболина, Д. А. Розенталь. Влияные состава гудрона на скорость образования асфальтенов в процессе окисления. Ж.: Химия и технология топлив и масел 1979/5.
16. К. М. Ахмедов. Структирование природных битумов добавками высоковязких продуктов и отходов нефтехимический промышленности. Нефтебитуминозные породы, достижения и перспективы. Изд.: Наука, Алма-ата, 1998.
17. В.С. Бочаров, Б. С. Марышев, А. И. Шулькин, И. Г. Кривцов, Ю. К. Комов. Кинетика процесса перемешивания нефтебитуминозных пород с минеральными материалами. Нефте – битуминозные породы, Алматы, 1998.
18. Н. К. Надиров, А. У. Мирманова, Э. М. Югай, В. А. Пашкин. Исследование физико – химических свойств синтетических нефтей из нефтебитуминозных остатков. Материалы Второго Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию нефтебитуминозных пород. Алматы – Гурьев, 1988.
19. Г. Р. Кулиев. Получение и регулирование коллидно – химических свойств битумных эмульсий из нефтебитуминозных пород Западного Казахстана. //Изв. АН КазССР. Сер хим, 1991/1.
20. Н. К. Надиров. Высоковязкие нефти и природные битумы. В 5-ти томах. Алматы: Ғылым, 2001. Т.1. 360с.
21. К. Б. Мусабеков, С. Б. Айдарова, Г. А. Туреханова, Б. С. Ахметжан. Получения битумной эмульсии в присутствии поверхностно – активных веществ // Научно – технологическое развитие нефтегазового комплекса. Алматы – Атырау, 2003.
22. И. В. Королев // технические поверхностноактивные вещества из вторичных ресурсов в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1991.
23. Под ред. И. Н. Петухова. Дорожные эмульсии: энциклопедия: в 3 т. Наука, 1998.-Т.1. 230с.
24. А. Ф. Кемалов. Влияние активирующих добавок на получение окисленных битумов //ХТТМ. – 2003. №1.
25. Bitumen Emulsions: General Information and Applications. Syndicatdes Emulsions Routieres de Bitume (SFERB), 1991.
26. Р. А. Кемалов, Е.А. Гадкий, А. Ф. Кемалов. Научно – практические аспекты получения водобитумных эмульсий на основе неионогенных поверхностно – активных веществ. Ж.: Нефтепереработка и нефтехимия. М.: 2008/1.
27. К. Б. Батманов, З. А. Мансуров. Разработка дорожно – строительного материала на основе природного битума. // Сб. Тезисов международной конференции. Уральск, 2006. 165с.
28. Б. У. Акчулаков. Создание нефтехимических производств в Казахстане // Нефть и Газ Казахстана, 2004/2.
29. Омаралиев Т.О. Специальная технология производства топлива из нефти и газа Алматы. Бiлiм .2003-232с.
30. Омаралиев Т.О. Химия и технология нефти и газа II часть. Деструктивные процессы. Алматы. Бiлiм .2001-278с.
31. Назарбаев Н.А. Казахстан – 2030. Послание Президента страну народу Казахстана. Алматы. 1997
2. Э. Г. Теляшев, И. Р. Хайрудинов, Ю. А. Кутьин, Г. А. Оразова, И. М. Тазабекова. //Башкирский химический журнал 2008/2. Подбор сырья для производства дорожных битумов в Казахстане.
3. Е. А. Аққазин, Е. Қ. Оңғарбаев, Е. А. Тілеуберді, З. А. Мансұров. Доклады седьмых международных научных Надировских чтений Алматы – Орал 2009. Мұнай битумдарының көмірсутектік құрамына күкірттің әсерін зерттеу.
4. Т. П. Сериков, Г. А. Оразова, И.Г. Теляшев, И. Р. Хайрудинов, Ю. А. Кутьин, И. М. Тазабекова. Сборник научных трудов международной научно – практической конференции. Исследование остатков нефтей как сырьевых компонентов для производства дорожных битумов.
5. Т. Н. Сухова. Журнал Нефть и Газ 2008/4. Битумные эмульсии для дорожного строительства
6. С. А. Обухова, А. Р. Давлетшин, Р. Р. Везиров, Э. Г. Теляшев, А. М. Сухоруков. Сборник научных трудов, В.:23/Уфа, 2001 г. Роль висбрекинга в углублении переработки нефти на НПЗ топливного профиля.
7. И. Б. Грудников, Е. В. Ипполитов, Ю. И. Грудникова. Технология производства битумов. Журнал: Химия и технология топлив и масел 2004/6.
8. Р. Б. Гун. Нефтяные битумы. М.: Химия 1989.
9. Ю. А. Кутьин, Э. Г. Теляшев, Г. Н. Викторова. Сборник научных трудов третьего международного семинара – совещания. Атырау, 2005. К вопросу разработки нового стандарта на дорожные битумы.
10. И. Б. Грудников. Производство нефтяных битумов. М.: Химия 1983.
11. В. В. Самсонов. Производство асфальтитсодержащих дорожных битумов. Журнал: Химия и технология топлив и масел 2008/6.
12. А. Н. Надиров. Технология окисления высоковязких нефтей, нефтяных остатков и природных битумов для получения гидроизоляционных материалов. Журнал: Нефть и Газ 2008/2.
13. Т. Ф. Ганиева, К. Ю. Аджамов, Г. Р. Кулиев. Влияние состава сырья на свойства окисленных битумов. Ж.: Нефтепереработка и нефтехимия, 1994/2.
14. Ю. А. Кутьин, Э. Г. Теляшев, Г. Н. Викторова. Битумы и битумные технологии сегодня и завтра. Ж.: Мир нефтепродуктов, 2004/3.
15. Л. С. Таболина, Д. А. Розенталь. Влияные состава гудрона на скорость образования асфальтенов в процессе окисления. Ж.: Химия и технология топлив и масел 1979/5.
16. К. М. Ахмедов. Структирование природных битумов добавками высоковязких продуктов и отходов нефтехимический промышленности. Нефтебитуминозные породы, достижения и перспективы. Изд.: Наука, Алма-ата, 1998.
17. В.С. Бочаров, Б. С. Марышев, А. И. Шулькин, И. Г. Кривцов, Ю. К. Комов. Кинетика процесса перемешивания нефтебитуминозных пород с минеральными материалами. Нефте – битуминозные породы, Алматы, 1998.
18. Н. К. Надиров, А. У. Мирманова, Э. М. Югай, В. А. Пашкин. Исследование физико – химических свойств синтетических нефтей из нефтебитуминозных остатков. Материалы Второго Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию нефтебитуминозных пород. Алматы – Гурьев, 1988.
19. Г. Р. Кулиев. Получение и регулирование коллидно – химических свойств битумных эмульсий из нефтебитуминозных пород Западного Казахстана. //Изв. АН КазССР. Сер хим, 1991/1.
20. Н. К. Надиров. Высоковязкие нефти и природные битумы. В 5-ти томах. Алматы: Ғылым, 2001. Т.1. 360с.
21. К. Б. Мусабеков, С. Б. Айдарова, Г. А. Туреханова, Б. С. Ахметжан. Получения битумной эмульсии в присутствии поверхностно – активных веществ // Научно – технологическое развитие нефтегазового комплекса. Алматы – Атырау, 2003.
22. И. В. Королев // технические поверхностноактивные вещества из вторичных ресурсов в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1991.
23. Под ред. И. Н. Петухова. Дорожные эмульсии: энциклопедия: в 3 т. Наука, 1998.-Т.1. 230с.
24. А. Ф. Кемалов. Влияние активирующих добавок на получение окисленных битумов //ХТТМ. – 2003. №1.
25. Bitumen Emulsions: General Information and Applications. Syndicatdes Emulsions Routieres de Bitume (SFERB), 1991.
26. Р. А. Кемалов, Е.А. Гадкий, А. Ф. Кемалов. Научно – практические аспекты получения водобитумных эмульсий на основе неионогенных поверхностно – активных веществ. Ж.: Нефтепереработка и нефтехимия. М.: 2008/1.
27. К. Б. Батманов, З. А. Мансуров. Разработка дорожно – строительного материала на основе природного битума. // Сб. Тезисов международной конференции. Уральск, 2006. 165с.
28. Б. У. Акчулаков. Создание нефтехимических производств в Казахстане // Нефть и Газ Казахстана, 2004/2.
29. Омаралиев Т.О. Специальная технология производства топлива из нефти и газа Алматы. Бiлiм .2003-232с.
30. Омаралиев Т.О. Химия и технология нефти и газа II часть. Деструктивные процессы. Алматы. Бiлiм .2001-278с.
31. Назарбаев Н.А. Казахстан – 2030. Послание Президента страну народу Казахстана. Алматы. 1997
1 ТЕХНИКАЛЫҚ БӨЛІМ
1.1 Битумның құрамы мен қасиеттері, зерттеу әдістемелері
Битум дегеніміз мұнайдың жоғары молекулалық көмірсутектері мен күкірт, азот, металлдардан құралған күрделі қоспа. Олар табиғи немесе мұнай, шымтезек, көмір, тақтатастар өндірісінен алынады. Алынатын битум түрлері пайдаланылатын орнына қарай жол, құрылыс, жабынды, және тұтқырлығы төмен лак - бояғыш заттар өндіріс үшін қолданылатын болып бөлінеді.
Шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын оның құрамы бойынша анықтайды. Келесі өрнекке сүйене отырып, мұнай құрамына байланысты шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын үш топқа бөліп қарастыруға болады:
А + С - 2,5 П = 8 (1)
мұндағы, А, С, П - асфальтен, шайыр және парафин құрамына сәйкес:
1 топ - өте жақсы мұнай (жоғары шайырлы - аз парафинді, жоғары шайырлы - парафинді, шайырлы - азпарафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 8-ден жоғары.
2 топ - жарамды мұнай (шайырлы - парафинді, аз шайырлы - аз парафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 0 мен 8 аралығында.
3 топ - шектеулі жарамды немесе жарамсыз мұнай (шайырлы - жоғары парафинді, аз шайырлы - парафинді, аз шайырлы - жоғары парафинді) [6].
Шикізаттағы парафин мөлшері 3 % масс. аспауы шарт. Парафинді мұнайдан алынған битум аз парафинді мұнайдан алынған битуммен салыстырғанда созылу қасиеті (дуктилдігі) біршама төмен болады [4].
Битум - жоғары молекулалы көмірсутектер мен әр түрлі құрылыстағы гетероорганикалық қосылыстардан тұратын мұнайдың ауыр бөлігі. Битумның құрамы келесідей [% масс.]: көміртек 80-85, сутек 8,0-11,5, оттегі 0,2-4,0, күкірт 0,5-7,0, азот 0,2-0,5.
Битумның компоненттік құрамын анықтау үшін көптеген әдістер зерттелінді. Әр түрлі класс және топтарға жатқызылатын қосылыстарды анықтау үшін, жалпы қабылданған, еріткіштер мен адсорбенттерге көрсетілетін іріктегіштік қатынасы бойынша заттарды бөлу әдісі қолданылады. Бұл кең таралған әдіс бойынша битум асфальтенді, шайырлы, және май қосылыстарынан тұрады [7].
Май - битумның қаттылығын және жұмсару температурасын түсіріп, оның аққыштығы мен булануын арттыра түседі. Майдың молекулалық массасы 240-800 аралығында (әдетте 360-500), ал ароматикалық деңгейін сипаттайтын атомдық қатынасы С:Н, әдетте 0,55-0,66 құрайды. Битумның майлы компонентінің химиялық құрамы таңдалынған мұнай мен тотығуға дейінгі бастапқы шикізатқа тікелей байланысты. Майлы қосылыстардың сипаттамасы келесідей, көміртек атомының саны 26 немесе одан да жоғары болатын, қалыпты және изоқұрылыстағы парафин қосылыстарының тығыздығы 790-820 кгм³, сыну коэффициенті 1,44-1,47, молекулалық массасы 240-600, қайнау температурасы 350-520 ºС, ал еру температурасы 56-90 ºС. Нафтенді көмірсутектердегі көміртек атомының саны 20-35 дейін, тығыздығы 820-870 кгм³, сыну коэффициенті 1,47-1,49, молекулалық массасы 450-650. Ал, ароматикалық қосылыстарға келсек, моноциклді құрылыстан полициклді құрылысқа ауысу барысында бүйіріндегі алифатикалық тізбектері қысқарылады. Битумнан бөлінген моноциклді ароматикалық қосылыстардың сыну коэффициенті 1,49-1,53, молекулалық массасы 450-620, сәйкесінше бициклді қосылыстарда 1,535-1,590 және 430-600, ал полициклді қосылыстардың сыну коэффициенті 1,59 артық, молекулалық массасы 420-670. Моноциклді ароматикалық қосылыстар, әдетте, бір бензол өзегінен және ұзындығы әр қилы келетін бүйірлік алкильді тізбектерден тұрады. Олардың құрамын бір немесе бірнеше нафтен сақиналары, сонымен қатар ішінде күкірт, кей кездері азот пен оттегі атомдары кездесетін гетероорганикалық қосылыстар құрайды. Көбіне, күкірт молекуланың циклдік бөліміне кіріп, тіпті өткелдңк байланыс түзуі де ықтимал. Бициклдік ароматикалық қосылыстар құрамына нафталин гомологтары, және құрамындағы күкірт, азот, оттегі қосылыстарының біршама мөлшері бар бензол гомологтары да кіреді.
Шайыр қалыпты температурада қызғылт - күңгірт түсті, тығыздығы 990-1080 кгм³ болатын қатты зат. Олар битумдардың қаттылығына, созылу және иілу қасиеттеріне басты әсерін тигізеді. Шайырлар өзара алифатикалық тізбектермен байланысқан, өте жақсы конденсацияланатын гетероциклдік және циклдік құрылысты жоғары молекулалы органикалық қосылыстарға жатқызылады. Олардың құрамына көміртегі, сутегі, оттегі, күкірт, азоттан басқа да элементтер, соның ішінде металлдар да кіреді; шайырдың молекулалық массасы 300-2500 аралығында болады.
Шайырлар май мен асфальтендер арасындағы аралық заттар болып саналады. Шайырдың асфальтенге ауысу барысында ароматикалық құрылыстағы көміртек атомының мөлшері артып, сутегі мөлшері төмендейді; ал С:Н қатынасы арта түседі. Шайырды құрайтын қосылыстардағы көміртек атомының саны 80-100. Асфальтендермен салыстырғанда, шайырдағы бүйірлік алифатикалық тізбектердің ұзындығы мен саны да артығырақ. С:Н атомдық қатынасы 0,6-0,8, ал жұмсару температурасы 35-90 ºС [8].
Шайырды асфальтендерден айырып алу үшін, шайырлар жақсы еритін, ал асфальтендер мүлдем ерімейтін С5 - С6 жеңіл қаныққан көмірсутектер пайдаланылады. Шайырды майдан айырып алу үшін хроматографиялық әдіс қолданылады.
Асфальтендер шайырдың тығыздалуынан кейінгі өнім. Олар жоғары молекулалы және төмен молекулалы заттарды түзу мүмкіншілігі бар бастапқы заттың күрделі қоспасынан алынғандықтан, таза полимерлік қосылыс ретінде қарастырылмайды. Бос күйінде асфальтендер қара немесе күңгірт түсті ерімейтін морт, қатты заттар. Битумның басқа компоненттерінен айырмашылығы олар қалыпты құрылыстағы қаныққан көмірсутектерде, сонымен бірге араласқан полярлы ерітінділерде - спиртэфирлі қоспаларда, төмен спирттерде, мұнай газдарында (метан, этан, пропан т.б.) ерімейді; әйтседе, бензол мен оның гомологтарында, күкіртсутекте, хлороформда, және төртхлорлы көміртекте оңай ериді [9].
Асфальтегенді қышқылдар және олардың ангидридтері - қоңыр-сұр түсті қоймалжың шайырлы заттар. Асфальтегенді қосылыстар спирт немесе хлороффромда оңай, ал бензинде шамалы ериді; тығыздығы 1000 кгм³ астам. Мұнай битумдарында аз мөлшерде кездеседі. Асфальтогенді қышқылдар және олардың ангидридтері битумның коллоидтық құрылысын тұрақтандырады.
Карбендер мен карбоидтер - мұнай және оның қалдықтарының жоғары температурада өңделуінен кейінгі алынған жоғары көміртекті өнімдер болып табылады. Карбендер төртхлорлы көміртекте, ал карбоидтер күкіртсутекте ерімейді.
Көбіне, битумдағы май және шайыр қоспасын асфальтендер мен мальтендерге жіктейді. Асфальтенді тұнықтыру арқылы алынған мальтендердің қасиеттерін зерттеу мақсатында Татар (1) және Батыс Сібір (2) мұнайы тәжірибелік түрде қарастырылып, және олардың гудрондарынан алынған битум түрлерінің қасиеттері 1 кестеде, ал 2-кестеде дайын битум құрамдастары болатын жоғары молекулалы қосылыстардың элементтік құрамы көрсетілген [8, 10]:
Кесте 1. Мальтендер мен битумдардың салыстырмалы қасиеттері
Көрсеткіштері
Гудрон 1
Гудрон 1 битумы
Гудрон 2
Гудрон 2 битумы
Жұмсару температурасы, ºС
36
45-55
22
46,5-50
Асфальтендер сипаттамасы
Мөлшері, % масс.
9,5
20,0-24,0
4,5
21,8-24,0
20 ºС-дегі тығыздығы, кгм³
1140
1180-1280
1120
1160-ден 1250 дейін
Элементтік құрамы, % масс.
С
83,90
84,02-86,10
83,75
83,95-85,44
Н
8,80
7,63-5,13
9,35
8,21-5,98
N
0,88
0,94-1,12
0,87
0,91-1,09
S
2,81
2,99-3,0
2,48
2,52-2,90
O
3,61
4,42-4,65
3,55
4,41-4,59
Мальтендер сипаттамасы
20 ºС-дегі тығыздығы, кгм³
922,7
931,0-956,0
915,4
921,7-930,5
100 ºС-дегі кинематикалық тұтқырлығы, мм²с
22,54
22,86-24,13
20,54
21,23-24,01
Қату температурасы, ºС
-
52-42
55
49-44
Кокстелуі, %
1,2
1,3-1,9
0,9-1,2
1,5
Кесте 2. Жоғары молекулалы қосылыстардың элементтік құрамы
Көрсеткіштері
Көмірсутектер
Шайырлар
Асфальтендер
Элементтік құрамы, %
Көміртек
89,0
83,0
84,5
Сутегі
11,0
10,0
8,1
Гетероатомдары
-
7,0
7,4
Молекулалық массасы
500
700
2000
Көміртек атомдарының мөлшері, %
Ароматикалық
52
76
82
Нафтендік
48
24
18
Алифатикалық
36
23
18
Молекуладағы сақина саны,%
Жалпы
8
10
20
Ароматикалық
52
75
90
Нафтендік
48
25
10
Битум құрамын толықтай зерттеуге оның топтық құрамын, ұсақ фракция молекулаларының өлшемдерін, С:Н қатынасын, хошиісті және өзек сандарын, бүйірлік тізбектердің саны мен ұзындығын анықтау жатқызылады. Битумның химиялық құрамы оның физикалық, реологиялық, коллоидтық қасиеттеріне қарағанда аз зерттелінген. Алайда, соңғы уақыттардағы жаңа әдістер мен құралдардың арқасында бұл мәселенің өзектілігі артта қалды. Битум құрамын зерттеуге жатқызылатын жаңа әдістерге: іріктегіштік ерітіндінің әсері, адсорбциялық хроматография, термодиффузия, диализ, электрлі тұндыру, адгезия, спектроскопия, микроскопия, электронды парамагнитті және өзекті магнитті резонанс, рентгеноскопия және т.б. [11].
Ортақ қабылданған анализ әдістемелері.
Фракциялық құрамын анықтау. Сұйық битумдардың фракциялық құрамы ГОСТ 11504-65 бойынша нақтыланылады. Ол 225, 315 және 360 ºС дейінгі қайнайтын фракция мөлшерімен анықталынып, сұйық битумдардың физика-химиялық қасиеттерін сипаттайды. 360 ºС дейінгі фракциялар алынған соң, 25 ºС-де пенетрация мен созылушылығын, қалдықтың жұмсару температурасы мен уақытын анықтайды.
Топтық химиялық құрамын анықтау. Әр түрлі әдістер мен ерітінділерді пайдалана отырып, битумның топтық химиялық құрамын анықтау соңында біршама өзгеше нәтижелерді алуға болады. Битумдағы асфальтен мөлшері БН-7030 маркасында изооктанмен 20:1 қатынасында 20,7 %, ал 40:1 қатынасында 18,7 % (масс.) құрайды. Егер А. Бестужев әдісі бойынша н-гептанды (10:1) қолдансак, сол битумдағы асфальтен 10,8 %-ды құрайды.
Одессалық МӨЗ қатысында ВНИИ МӨ шығарған әдістеме ерекше қызығушылық туғызады. Бұл әдістемеге сай анализді үш сатыда жүргізеді: асфальтендердің бөлінуі (тұндырылуы), хроматография көмегімен май және шайырды айыру, тұндыру әдісімен асфальтендерді алу, ірі кеуекті силикогельде май және шайырды айыру, және де хроматографиялық анализ жүргізу. Бұл әдістің артықшылығы битумдағы көмірсутек және шайырдың беттік түйісу шектігін дәл анықтауы,уақыттың үнемділігі және де ерітінді ретінде қолайлы бензин фракцияларының қолданылуы [8].
Техникада пайдаланылатын битумдар агрегаттық күйіне байланысты қатты және сұйық болып екіге бөлінеді. Алайда кей бірі аралық күйде - жартылай сұйық және жартыллай катты күйдегі битумдар болып келеді. Бәріне ортақ физика-химиялық сипаттамаларын аныктайтын битумдарды ортақ бір топка жатқызуга болатындай, олардың ешбір ортақ физика-химиялық сипаттамалары жоқ. Жалпы битумдарды техникалық және физика-химиялық қасиеттері бойынша тануға болады.
Мұнай битумдары гидро-, электро-, жылуизоляциялық қасиеттері кешенінен құралған. Олардың химиялық, радиациялық және атмосфералық әрекетке қарсы тұру қасиеті электрохимиялық, химиялық өндірісте, ядролық энергетикада және де ауыл шаруашылығында кеңінен қолданылуына мүмкіндік береді [12]. Битум қасиетін толық білу үшін оның барлық негізгі қасиеттерін өзара толықтастыру қажет.
Пенетрация. Бұл көрсеткіш стандартты қалыптағы заттың (калибрлі ине) жартылай сұйық немесе жартылай қатты өнімге белгілі жағдайда енуін, яғни заттың өнімге енуін және өнімнің бұл затқа көрсететін кедергісін сипаттайды. Пенетрация қосымша битумның қаттылығын пенетрометр көмегімен анықтайды; бұл құрылғы, ГОСТ 11501-78 келтірілген, пенетрация бірлігі және сынақ әдістемесі ретінде иненің ену тереңдігі 0,1 мм деп қабылданған. Температураға, иненің енгізілу күшімен ұзақтығына байланысты пенетрация мәні де өзгеріп отырады. Мысалға, 25 ºС-дегі әр түрлі маркалы жол битумдары 1Н күш пен 5с әсер еткенде (40*300)·0,1 мм, ал 0ºС-де 2Н күшпен 60с әсер еткенде (13*50)·0,1 мм тең. Сондықтан да оның анықталу шартын алдын-ала келісімді түрде жүргізіледі. Пенетрацияның әдеттегі анықталу шарты: 1Н күшпен әсер ету ұзақтығы 5 с, ал температура 25 ºС. Жоғары жылусақтағыш битумдарды алу үшін шикізатты және техникалық әдісті дұрыс таңдау қажет.
Жұмсару температурасы. Қыздыру барысында битум сұйық - аққыш күйге түсіп, жұмсарады және бұл жұмсару температурасымен анықталады.
Битумның жұмсару температурасы дегеніміз битумдардың қатты куйден сұйық куйге ауысу кезіндегі температурасы. Қазіргі кезде жұмсару температурасын анықтауда көптеген әдістер қолданылады. Тәжірибеде көп қолданылатынәдіс түрі Сақина және шар ГОСТ 11506-78 бойынша, сонымен қатар Кремер-Сарнов әдісі де қолданылып жүр.
Пенетрация индексі. Тұтқырлы битумдардың сипаттамасы үшін пенетрация индексі қолданылады. Бұл көрсеткіш битумның коллоидтық деңгейін сипаттайды.
Пенетрация индексі келесідей формуламен өрнектеледі:
0,0220-ПИ10+ПИ=lоg800-lgПtР-25 (2)
Пенетрация индексі бойынша битумдар үш топқа бөлінеді:
1. Пенетрация индексі -2 ден төмен; мұнай битумдарының иілгіштігі өте аз немесе нөлге тең.
2. Пенетрация индексі -2 ден +2 дейінгі битумдар;
3. Пенетрация индексі +2 ден жоғары битумдардың иілгіштігі айтарлықтай мағыналы [59].
Морттық температурасы. Қатты битум біршама мортты дене. Морттылық температурасы - бұл аз уақыт ішінде әсер еткен қысымнан материалдық бұзылуы басталатын температура. Фраас бойынша барлық битум 110 МПа қысымда 11 с созылған күшпен тиеу кезіндегі температура. Морттық температура жолды жабу жұмыстарындағы битум әсерлігін сипаттайды, егер морттық температура төмен болса, жол битумының сапасы да сонша жоғары болады. Әдетте, жол битумдарының морттық температурасы -2 ден -30 аралығында болады. Оны ГОСТ 11507-65-те көрсетілген әдісбойынша анықтайды. Бұл әдіс бойынша морттық температура деп 1 градмин жылдамдықпен салқындатылып, 9 мм радиусқа иілген түрде болат қабыршаққа 0,1 мм қалыңдықта жағылған 0,4 грамм массада аралық сызаттардың немесе жарылулардың болуын айтады. Салқындау температурасы көбеюімен бірге морттық темпреатурасы да артады.
Созылу қасиеті. Созылу (дуктильдік) - бұл битумның талшыққа дейінгі созылу қасиеті,ол үзілу сәтіндегі талшық ұзындығымен анықталынады. Бұл көрсеткіш, қосымша, әрі жабысу (адгезиялық) қасиетін де сипаттайды. Битумның созылу қасиетін анықтауғаарналаған құрылғы мен әдістеме ГОСТ 11505-75 келтіріледі.
Ағыстану қаиеттері. З. И. Сюняевтің ұсынған үлгісі бойынша мұнай және мұнай қалдықтары күрделі құрылыс бірліктерінен - өзара бекем байланысқан, әр түрлі қалыңдықтағы сольват қабыршағынан түзілген молекула үстіңгі құрылыстардан (ассоциат, кристаллит) тұрады. Олардың құрылысы мен мөлшеріне мұнай қалдықтарының ағыстану қасиеттері тәуелді болып келеді. Қыздыру барысында битумдардың ағыстану қасиеттерінің мәні өзара алшақтанбауы қажет. Битумның құрылыстық қасиетін Пракслер бойынша дисперстік коэффициентімен көрстеуге болады:
КД=СШ + СЦСА+ СҚ (3)
мұндағы СШ , СЦ, СА, СҚ - сәйкесінше, шайыр, циклдік қосылыстар, асфальтен және қаныққан қосылыстар мөлшері, % (масс.). Асфальтендер мен қаныққан қосылыстардың мөлшері жоғары болғанда КД төмендеп, асфальтендердің дисперленуі нашарлайды. Құрылыстық сипаттама келесідей түрде жазылуы да мүмкін:
КД = САСНАСНМ (4)
мұндағы СА - асфальтен мөлшері; СНА, СНМ - сәйкесінше, асфальтен және мальтендер үшін С:Н қатынасы.
Ағыстану қасиеттері бойынша битумдар үш типке бөлінеді:
1) Бірінші типке - ағыс қалыпты күш әсерінде жүретін битумдар жатқызылады. Бұл типке жатқызылатын битумдар тұтқырлы, коллоидты емес сұйықтықтар.
2) Екінші типке - әсерлесуден кейінгі жылдамдығы деформация басталуымен төмендей түсетін битумдар жатқызылады. Ал бірнеше уақыттан соң ол тұрақталады.
3) Үшінші типтегі битумдар әсерлесуден кейінгі жылдамдығы деформация басталуымен ең төменгі мәніне дейін түсіп, егер берілген күш өзге мәндерден жоғары болса, қайтадан артады. Битумдардың ағыстану қасиеттері 3-кестеде көрсетілген.
Кесте 3. Үш типтегі битумдардың ағыстану қасиеттерінің көрстекіштері
Қасиеттері
Күлді
(коллоидты ерітінді)
Күлді - гельді
ерітінді
Гельді ерітінді
Пенетрация, 0,1 мм: 0 ºС
25 ºС
46 ºС
57
50
320
16
55
148
40
53
120
Пенетрация индексі
1,2
0,2
2,3
25 ºС созылу қасиеті
өте жоғары
жоғары
өте төмен
Жұмсару температурасы, ºС
50
55
65,5
Адгезиялық қасиеті (жабысу) битум мен қатты минералды материалдар арасындағы қабықша беттігінде түзелетін екі электр өрісімен түсіндіріледі. Битумдардың адгезиялық қасиеті компоненттердің (асфальтендер және мальтендер) полярлығы мен осы заттардың полярлық емес ерітіндегі электр өткізгіштігімен сипатталады. Асфальтендер мен мальтендердің молекулалық массалары артқан сайын, электр өткізгіштігі де артады.
Битумдардағы парафин мөлшері адгезиялық қасиетін нашарлатады, сондықтан ол 5 %-дан аспауы қажет [36].
Егер битумдарға катионактивті заттар қосылса, оның құммен жабысуы үшін, ал гер анионактивті заттармен қосылысқан болса, мрамормен біріктіру үшін пайдаланылады [8, 10].
Тығыздығы. 20 ºС-дегі мұнай битумдарының тығыздығы 950 - 1150 кгм³ аралығында болады. Битум тығыздығы оның құрамындағы заттардың тығыздықтары бойынша ареометр және пинкнометр көмегімен өлшенеді. 1 ºС-ге қыздырғандағы тығыздықтың төмендеуін сипаттайтын тығыздықтың температуралық коэффициенті α барлық битумдар үшін 0,0006 г(см³·град) тең [13].
Мұнай битумдарының өндірісі үшін негізгі үш алу жолдары қолданылады:
1. Су буы немесе инерттік газ қатысында мұнай қалдықтарын айдау арқылы қойылыту;
2. 180-300ºС температурада әр түрлі мұнай қалдықтарын оттегімен тотықтыру;
3. Әр түрлі мұнай қалдықтарын дистилляттармен және тотыққан немесе қалдық битумдармен араластыру;
Сонымен қатар, жоғарыда көрсетілген әдістердің үйлестірілуі де кезігеді.
Битум термині - сұйық, орташа қатты немесе қатты көміртегі, сутегі және аз мөлшерде оттегі, күкірт, азот және металлдар, сонымен қатар, біршама мөлшердеасфальтен - шайырлы заттардан құралатын қосылыс. Бұл қосылыс күкіртсутекте, хлорформда және де басқа органикалық ерітінділерде ериді. Битумдар табиғи түрде немесе мұнай, торф, көміртек және тақта тас өндірісінен алынады [8]. Битумдардың түрлері, қолданылу әдістері 4-кестеде көрсетілген.
Кесте 4. Тауар битумдарының түрлері
Тобы
Бөлімі
Маркасы
Стандарт
1
2
3
4
Тұтқырлы мұнай битумдары
Жол
БНД-200300, БНД-130200, БНД-90130, БНД-6090, БНД-4060, БН-200300, БН-130200, БН-90130, БН-6090
ГОСТ
22245-76
Жабындық
БНК-45180,БНК-9040, БНК-9030
Жабындық өндірісі және гидроизоляция үшін қолданылады.
ГОСТ 9548-74
Арнайы
Лак бояу өнімдері үшін,
резеңке, электротехника, металлдарды қаптау,
ауысты изоляциялау
құралдарының өндірісінде қолданылады.
ГОСТ 8771-
76, 21822-76
Сұйық мұнай битумдары
Жол
БГ-2540, БГ-4070, БГ-70130,
СГ-4070, СГ-70130, СГ-130200,
МГ-2540, МГ-4070, МГ-70130,
МГ-130200
ГОСТ
11955-74
Таскөмір сығындылары
Жол
Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6
ГОСТ 46
41-74
Жол және арнайы
ДН-7, ДН-8 жол жұмыстары мен фундамент, ағаштарды қаптау
үшін қолданылады.
ТУ 6-16-1163-67
Тұтқырлы тақтатас битумдары
Жол және жабындық
БС-0, БС-1, БС-2, БС-3, БС-4,
БС-5, БС-6
ТУ 6-08-304-74
Жол және
бояу - изоляциялық жұмыстары үшін
БС-1, БС-2, БС-3
ТУ 38-10
941-75
Сұйық тақтатас битумдары
Жол және жабындық
С-1, С-2, С-3, С-4, С-5, С-6
ТУ 6-08-
304-74
1.2 Мұнай битумдарының көмірсутектік құрамына күкірттің әсері
Жобада Қаражанбас кен орнының тұтқырлығы жоғары мұнайына элемент күкіртті қосу арқылы төмен температурада және қысқы уақытта битум алу мүмкіндігі мен тотықтыру үдерісі барысындағы көмірсутектердің химиялық түрленуі қарастырылды.
Қаражанбас мұнайына әртүрлі мөлшерде (5-тен 20масс. %-ға дейін) элемент күкірт қосып, 160-210 ºС аралықтағы салыстырмалы түрде төмен температураларда ауамен тотықтыру үдерісі жүргізілді. Ауаның шығымы 1 кг шикізатқа 2,5-4 лмин құрады. Тотықтыру ұзақтығы 2-4 сағат аралығында болды [37,38].
Тотықтыру өнімдерінің негізгі физика - механикалық сипаттамалары мен осы көрсеткіштер бойынша битум маркаларына қойылатын талаптар 5 кестеде берілген.
Кесте 5. Қаражанбас мұнайы мен күкірт қоспасын тотықтыру өнімдерінің физика-механикалық көрсеткіштері
Т, ºС
t, мин
Жұмсару температурасы, ºСПенетрация, 0,1 мм
Күкірт шоғырланымы, % салмағы
БНД маркасының талаптары
0
5
7
10
4060
6090
90130
130200
200
180
-
40295
41206
6827
51-
ден артық
40-60
47-ден артық
61-90
43-
тен артық
61-130
40-тан артық 131-200
210
-
42205
45180
7824
240
-
44156
49116
8614
210
120
16255
3226
4476
8210
150
23225
3722
4756
909
180
31155
40123
5147
988
210
36105
4686
5729
1043
240
4165
5355
6224
1083
Кесте бойынша, мұнай мен 5-7 % салмақ күкірт қоспаларын 200 ºС температурада 3-4 сағат бойы тотықтыру нәтижесінде алынған үлгілердің физикалық-механикалық сипаттамалары БНД 200300, БНД 130200, БНД 90130 жол маркалы битумдарынан талап етілетін ауқымды орналасқан мәндерге сәйкес келеді. Қоспадағы күкірттің салмақ мөлшерін 10 %-ға дейін арттыру жұмсару температурасы мен пенетрациясы бойынша БН 7030 құрылыс маркалы битумдардың талаптарына сәйкес келетін битумдарды алуға мүмкіндік береді.
210 ºС температурада мұнай мен 5 % салмақ күкірттің қоспаларын тотықтыру өнімдері БНД 4060 жол маркасына қойылатын, ал мұнай мен 7 және 10 % салмақ күкірттің қоспаларын тотықтыру өнімдері БН 5050 және БН 9010 құрылыстық маркаларына қойылатын стандарттық талаптарды қанағаттандырады.
Қаражанбас мұнайы мен оны тотықтыру арқылы алынған өнімдердің құрамындағы өзгерістерді анықтау үшін оларға ИҚ-спектроскопиялық анализ жасалды.
Бірдей мөлшерде (5 мас. %) күкірт қосылған мұнайды бірдей температурада (210 ºС) әртүрлі уақытта (2; 2,5; 3; 4 сағат) тотықтырғанда алынған өнімдердің спектрлерін салыстырғанда, 2 сағатта түзілген өнімнің спектрінде белгі беру қарқындылығы бірден азаяды. Бірақ үдеріс уақыты ұзарғанда азаю дәрежесінің шамасы үлкен болмайды да, 3 және 4 сағаттағы үлгілерде мұнайдың өзінің спектріндегі белгі беру қарқындылығымен салыстырғанда айырмашылық біршама аз болады. Бұл кезде алынған үлгілерде хошиісті құрылымдарға тиісті жолақ қарқындылығы өседі. Мұны күкірт қатысында тотықтыру үдерісінің нәтижесінде мұнай құрамындағы асфальтенді-шайырлы қосылыстар мен күкірт арасында химиялық әрекеттесудің өту мүмкіндігімен түсіндіріледі. ИҚ-спектроскопиялық талдау әдістері тотықтыру үдерісінің нәтижесінде қаныққан құрылымдардың мөлшерінің азайып, хошиісті қосылыстардың мөлшерінің көбейетіндігін көрсетеді [39,40].
1 - суретте хроматографиялық анализ әдісімен бастапқы мұнай мен оған 20 % салмақ күкірт қосып, 180 ºС температурада тотықтырғанда алынған н - алкандардың молекулалық-массалық таралуы (ММТ) көрсетілген.
Сурет 1 н - алкандардың молекулалық-массалық таралуы
Бастапқы мұнайдағы қалыпты алкандардың ММТ С17 және С32 көмірсутектеріне сәйкес екі максимуммен сипатталады. Битум үшін көміртек атомдарының саны өскен сайын қалыпты алкандардың мөлшерінің біртіндеп көбеюі тән, ең жоғары мөлшері С34 қалыпты алканда байқалады.
Тотықтыру нәтижесінде С25 дейінгі қалыпты алкандардың мөлшері азайып, пентакозаннан бастап қалыпты парафиндердің шоғырлануы арта бастайды.
Бұл жағдай қатқыл парафиндерді тотықтыру қиын екендігін және элемент күкіртпен аталмыш температурада әрекеттесу нәтижесінде олардың қайта таралуы орын алатындығын көрсетеді.
2 - суретте хроматографиялық анализ әдісі арқылы 210 ºС - де Қаражанбас мұнайы, сонымен қатар оған күкірт қоспай және 5 % күкірт қосылған кездегі тотықтыру өнімдеріндегі қалыпты алкандардың молекулалық - массалық таралуы (ММТ) келтірілген.
Сурет 2 Қаражанбас мұнайы (1) мен оны 210 ºС - де күкірт қоспай (2) және 5 % салмақ күкірт қосып (3) тотықтыру өнімдеріндегі қалыпты алкандардың ММТ
Қаражанбас мұнайына 5 % салмақ күкірт қосып, 210ºС жағдайында, тотықтыру уақыты әр түрлі болғандағы өнімдердегіқалыпты алкандардың ММТ 3 - суретте келтірілген.
Тотықтыру уақыты: 1 - 1-2 сағат,2 - 2-3 сағат, 3 - 3-4 сағат
Сурет 3 Қаражанбас мұнайын 210 ºС жағдайында 5 % салмақ күкірт қосумен тотықтыру өнімдеріндегі қалыпты алкандардың ММТ-ы
Суретте көрсетілгендей Қаражанбас мұнайындағы қалыпты алкандардың ММТ-сы С17 және С32 кезінде екі жоғары мағынаға ие. Мұнайдың тек өзіне қарағанда мұнайға күкірт қосып тотықтыру өнімдеріндегі көміртегі атомдарының саны артқан сайын қалыпты алкандардың мөлшерінің артқандығы анықталды және оның ең жоғары мөлшері С37 қалыпты алканда байқалады. Тотықтыру нәтижесінде қалыпты алкандардың мөлшері С17 дейін азаяды және пентакозаннан бастап қалыпты парафиндердің шоғырлануы арта бастайды.
5 % салмақ күкірт қатысында тотықтыру өнімінің құрамы 2 сағатта қалыпты алкандардың С12 бастап С36 дейінгі аралықтағы мөлшерді қамтыды. Мұндағы алғашқы 2 сағаттық тотықтыру өніміндегі қалыпты алкандардың салыстырмалы түрде мөлшері 8-9 %, ал 3 сағаттық - 16-17 %, 4 сағаттық - 25 %-ды құрайды. Тотықтыру үдерісінің нәтижесінде күкірт қосқан жағдайда тотықтыру уақытының артуымен қалыпты алкандардың мөлшері де артатындығы анықталды.
Алынған мәліметтерді тауарлы мұнай битумдарының мәліметтерімен салыстыру үшін БНД 6090, БНД 90130 маркалы жол битумдары мен БН 9010 маркалы құрылыс битумындағы қалыпты алкандардың ММТ түсірілді.
4-суреттен көрініп тұрғандай, екі жол битумдарының ММТ бірдей нүктелер арқылы өтеді, ал құрылыс битумының қалыпты алкандандарының ММТ біршама оңға қарай ығысқан және максимумдар С33 - С34 көмірсутектері үшін байқалалды.
Сурет 4 - БНД 6090 (1), БНД 90130 (2) және БН 9010 (3) маркалы битумдардағы қалыпты алкандардың ММТ-ы
Жол битумдарындағы қалыпты алкандардың жоғары мөлшері С33-С34 көмірсутектері үшін байқалады. Жол битумдарындағы қалыпты алкандарының жоғары мөлшері С30-С31 көмірсутектері үшін байқалады. Мұндағы қалыпты алкандардың салыстырмалы түрдегіжоғары мөлшері 10-11%-ды құрайды, бұл мұнайды тотықтыру өнімдеріне арналған мәндерден өзгеше болып келеді. Қаражанбас мұнайын тотықтыру өніміндегі қалыпты алкандардың ММТ битумдардағы қалыпты алкандардың ММТ жақын, бұл тотығу өнімдері құрамының тауарлық мұнай битумдарының құрамына сәйкес келетіндігін көрсетеді [3, 4].
Осылайша, мұнай мен оны өңдеу өнімдеріндегі қалыпты алкандардың ММТ анықтау химиялық түрленулер нәтижесінде парафиндердің құрамы мен мөлшерінің өзгерісін анықтауға мүмкіндік береді, бұл жүріп жатқан үдерістердің химизмін болжау үшін аса маңызды.
Қорыта келгенде, күкірт қатысында тотықтыру үдерісінің нәтижесінде мұнай құрамындағы асфальтенді-шайырлы қосылыстар мен күкірт арасында химиялық әрекеттесу болатындығы анықталды.
1.3 Тотығу үдерісінің негізгі сипаттары
Алғаш рет кәсіби деңгейде битумды 1844 жылы Ж. Г. Биерлей ұсынысы бойынша 204 және 316 ºС-де мұнай қалдығын ауамен үрлеу арқылы алған. Температура және үдерістің ұзақтығына байланыстыәр түрлі қасиеттегі битумдар алынып, бұл өнімдер биерлиттер деп аталынды. Ресейде тотыққан битум алғаш рет 1914 жылы Грозный қаласында алынды. Оның қарқынды дами түсуі 1925 жыл Баку қаласында болды.
Қазіргі технология 1т битумды 12 сағат көлемінде 230-300 ºС температурада 0,84-1,40 м³мин катализаторсыз ауа оттегісімен мұнай қалдықтарын тотықтыру үдерісінде жатыр. Реакторға ауа қысым түсіру арқылы немесе жүйелік вакуумдағы 66,7 кПа көмегімен сорылып алынады. Шикізаттағы ұшқыш заттар мөлшері мен тотығу тереңдігіне байланысты су булары мен көміртек диоксиді жүйеден шығарылып тасталады. Тотығу реакциасы - экзотермиялық, сондықтан да реакция аумағында температура жоғары болады [14,48].
Мұнай көмірсутектерінің тотығуы бір мезгңлде екі бағытта жүреді:
Қышқылдар Гидрокси Асфальтогенді Көмірсутектер қышқылдар
Шайырлар Асфальтен Карбендер Карбоидтер
Тотығу шарттарына байланысты қышқылды және нейтралды өнімдердің өзара ауысулары мүмкін. Жоғары температурада көміртек диоксиді бөлінеді, ал асфальтогенді қышқылдар асфальтендерге айналады.
Мұнай қалдығында хош иісті көміртектер көп болған сайын, тотыққан битумдағы химиялық байланысқан оттегі мөлшері артады. Тотыққан битумдағы оттегінің негізгі мөлшері күрделі эфир топтары түрінде кездеседі. Орта мәнінде олар 60 % битуммен қаныққан оттегіден құралады. Қалған 40 % - ы гидроксид, карбоксиль және карбониль топтарына үлескен. С-С байланысы үшін қажетті температура 250 ºС. Сәл төмен температурада оттегі шығынымен күрделі эфирлер түзіледі. Ал, егер 250 ºС-ден жоғары температурада карбендер мен карбоидтердің түзілуі артады. Битумдағы оттегінің функционалдық топтары тотығу тереңдігіне тікелей қатысты, яғни тереңдігі ұлғайған сайын оттегінің функционалдық топтары арта түседі.
Шикізатты ауамен үрлеген кезде құрамындағы қатты шайырлар мен асфальтендер артып, май қосылыстары арта түседі. Егер үрлеу үдерісі кезінде шайыр мөлшері өзгермейтін болса, онда май мөлшері үзіліссіз азайып, ал асфальтен мөлшері сондай көлемде арта түседі. Осыдан, майдан шайырлардың түзілуі асфальтеннің түзелу үдерісіндегі ортаңғы саты болып табылады. Тотыққан битумдардағы асфальтендердің 35-40 %-ға қоюлануынан карбендер мен карбоидтердің түзілуі анық байқалады [8, 15].
Гудронды тотықтыру үдерісіне әсер ететін негізгі факторлар: шикізат (мұнай) табиғаты, гудронның бастапқы жұмсару температурасы, оның құрамындағы май, парафинді және нафтанді қосылыстар, асфальтендер, температура, ауа шығымы, және тотығу үдерісінің ұзақтығы. Үдеріс факторларына сонымен бірге, реакция аймағындағы қысымды, қысылған ауа температурасын, колоннадағы сұйық фаза деңгейін жатқызуға болады.
Шикізат табиғаты. Шикізаттың табиғаты мен құрамына, алыну тәсілі мен күйіне байланысты тотығу үдерісінен бір көрсеткіштері ұқсас, енді бірі мүлдем өзгеше битум түрлерін алуға болады. 25 ºС - дегі пенетрациялары 100·0,1 мм болатын битумдардың жұмсару температуралары 48-ден 82 ºС аралығында. Тотыққан битумдарды 5 %-дан жоғары құрамындағы асфальтенді - шайырлы заттары бар шикізаттан алады. Ең қолайлысы 25 %-дан жоғары болғаны жөн. Әлемдік мұнай құрамындағы асфальтенді - шайырлы заттар мөлшері 50 %-дан асып, 70 %-ға да жетіп жатады. Қазіргі кезде битумдарды мұнайлардың барлық түрлерінен алуда.
Жалпы битумдарды тотығу үдерісін сипаттайтын болсақ:
1. Тотыққан битумдардың қасиеттері шикізат табиғатына тікелей байланысты;
2. Сәйкесінше, таңдалынған шикізатқа байланысты қасиеттері әр түрлі битумдар алынады: құрамындағы май мөлшерінің азаюымен бастапқы гудронның созылу қасиеті, битумның морттылық температурасы мен лап ету температурасы ұлғаяды, жылу өткізгіштігі мен иілу дәрежесі, ауа шығыны мен тотығу ұзақтығы төмендейді;
3. Деасфальтизация асфальттарынан алынған битумдарда, сол мұнай гудронын тотықтыру арқылы алған битумдармен салыстырғанда, парафин - нафтенді қосылыстардың мөлшері аз, шайыр мен асфальтендердікі жоғары болады; осыдан олардың пенетрациясы, иілу дәрежесінің төмендігі, ал созылу қасиеті мен морттылық температурасының және адгезиялық қасиеттерінің жоғарлығы түсіндіріледі.
4. Парафинді қосылыстардың әсері битумның дисперсті құрылысына байланысты, ондағы парафиндердің мүмкін болу мөлшері 3 % (масс.) аспауы қажет.шикізаттағы парафин қосылыстарының мөлшері артқан сәтте битумдардың созылу қасиеті нашарлап, ауа мөлшері мен тотығу ұзақтығы арта түседі.
5. Шикізаттағы парафин - нафтенді қосылыстардың мөлшері 10 - 12 % (масс.) құрайтындай болғаны жөн; бұл заттар - сұйылтқыштар, битумдардың қасиетін жақсартатын пластификаторлар болып табылады.
6. Шикізат құрамындағы күкірт және күкіртті қосылыстардың қатысы тотыққан битумдар қасиетін жақсарта түседі.
7. Тікелей 250-270 ºС-де айдалынып, аз уақыт ішінде тотығатын, еруге төзімді, жоғары пластикалық битумдарды алуға себепші болады [8, 16].
Үдеріс температурасы. Шикізатты битумға дейін тотықтыру барысында көптеген жылдамдық константаларының температуралық коэффициенттері өзгеше реакциялар жүреді. Температура әр түрлі үдірістерді әр қилы жүргізеді, сондықтанда құрамы мен қасиеттері мүлдем өзге тауарлық битумдар алынады.
Реакция температурасының артуымен бірге уақыт бірлігіндегі битумның температурасы, реакция жылдамдығы, және жеңіл фракциялардың ауамен үрілу қатысы артады. Температураның артуы кезінде диффузия константалары артып, беттік тартылысы азаяды, және сұйық фаза тұтқырлығының төмендеуімен газ көпіршіктерінің көлемі ұлғаяды. Соңында көптеген жоғары температурада тотыққан битумдардың пенетрациясы төмен болады. Шамамен көтерілген үдеріс температурасы реакция жылдамдығының азаюына әсерін тигізеді. Қажетті температура ретінде 250ºС ұсынылады.
Температураның үдеріске әсерін келесідей өрнектеуге болады:
Үдеріс температурасының артуымен қатар шикізат молекулаларының дегидрленуі артып, судың түзілуіне қатысатын оттегі мөлшері көбейеді, және де тотыққан битумдағы оттегі, күрделі эфир топтары, әлсіз қышқылдар мен фенолдар артып, битумдағы полициклді хош иісті қосылыстардың сыну коэффициенті жоғарылайды. Температураның 250 ºС - ден артуымен битумның жұмсару және морттық температурасы артып, ал тотыққан битумдардың пенетрация, жылусақтағыш, иілу дәрежесі төиендейді.
Үдеріс температурасының артуына қарай шикізаттың битумға дейін тотығу реакциясының жылдамдығы біршама төмендейді.
Үдеріс температурасының артуымен тотығу ұзақтығы мен ауа шығыны азаяды; 270 ºС - ден жоғары температурада ауа оттегісінің қолданылуы азайып, крекинг реакцияларының жылдамдығы артады, ал 300 ºС - ден жоғары температурада карбендердің түзілуі артып, битумдардың сыртқы ортаға шыдамдылығы нашарлайды.
Тотығу температурасын сәйкесінші шикізат табиғаты мен қажетті битум қасиеттеріне байланысты таңдау қажет; көптеген түрлері үшін бұл 250 ºС шамасында.
Ауа шығыны. Белгілі мөлшерге дейін ауа шығынын артқан сәтте тотығу жылдамдығы да артады. Ауа шығыны битумның жұмсару температурасына тура пропорционал, мысалға, Қаражанбас кен орнының мұндай тәуелділіктерін қарастырсақ, битумның жұмсару температурасы 50 ºС болғанда, ауа шығыны 160 м³сағ, ал сәйкесінше жұмсару температурасы 70 ºС болғанда, ауа шығыны 210 м³сағ жетеді. Белгілі мәнге дейін (1,4 м³мин) 1 т шикізатқа ауа шығынын артқан сәтте үдеріс ықтималдығы артып, кейін одан әрі арту барысында ауа оттегісінің қолданылуы төмендеп, тотыққан битумның жылусақтағыштығы артады.
Қысым. Реакция аумағындағы қысымның жоғарылауы тотығу үдерісінің сапасы мен тотыққан битумдар қасиетін оттегінің сұйық ортаға еркін енуі себебінен жақсартады; үдеріске қысымның әсері келесідей бола алады:
1. Қысымның артуымен сұйық ортаға оттегінің диффузиялануы жақсарып, тотығу ұзақтығы қысқарып, жылу және суық сақтағыштық қасиеттері, тотыққан битумдардың иілгіштігі артады.
2. Сәйкес қысымды қадағалау арқылы жүйедегі алынатын битум қасиеттері мен құрамдарын бақылап отыруға болады.
3. Колонна типіндегі реактордан жол битумдарын 0,4 МПа - дан артық қысымда алу дұрыс емес, оның себебі битумдардың созылу қасиеттерінің бірден төмендеуі болып болып табылады.
4. Қысыммен тотықтыру барсында аз мөлшерде май фракциясын қолданып, созылуы, пенетрациясы мен иілу дәрежесі өте жоғары битум алуға болады.
1.3.1 Тотығу үдерісінің кинетикасы
Шикізатты битумға дейін тотықтыру реакцияларының кинетикасы мен математикалық сипаттамасы есептеулер және үдерістің қолайландырылуы үшін техникалық мәні зор. Тотығу кезінде сұйық - газ орталарының әсерлесу беттігінде өзгерістер жүреді; айдау үдерістері жүріп, статикалық қысымы төмендеп, температура арта түседі.
Газды ортадан оттегіні сорып алу нәтижесінде оның концентрациясының үздіксіз азаюы жүріп, сәйкесінше оттегінің парциалды қысымы да азаяды. Сұйық орта химиялық инертті азотпен қанығып, тотығу үдерісіндегі газдың сұйықтыққа таралуының диффузиялық коэффициенті, оның артынан реакция өнімдерінің тұтқырлықтары өзгеріске ұшырайды.
Бұл үдеріс үшін бірнеше тізбектер мен математикалық сипаттамалар келтірілген:
1. Н. И. Черножуков, С. Э. Крэйн, С. Р. Сергиенко келесідей нұсқаны ұсынады:
МЦА БЦА ПЦА Ш Ас
2. Ал, В. А. Гарболинский, С. Р. Сергиенко, Р. В. Анброх тотығу үдерісінде жоғары молекулалы қосылыстардың келесідей өзгерісін ұсынады:
МЦА БЦА ПЦА Ш Ас
мұндағы, МЦА - моноциклді ароматты қосылыстар; БЦА - бициклді ароматты қосылыстар; ПЦА - полициклді ароматты қосылыстар; Ш - шайыр; Ас - асфальтен;
Келтірілген тізбектердің анализі және авторлардың зерттеулері өндірістік шарттарда гудронды битумға дейін тотықтыру 220 - 260 ºС температурада жүргенде шикізат - гудронның құрамындағы парафинді - нафтенді қосылыстар мәнсіз өзгеріске ұшырайтындығы анықталды [8,17].
Шикізатты битумға дейін тотықтыру үдерісі - экзотермиялық. Бұл кездегі бөлінетін жылу мөлшері шикізаттың химиялық табиғатына, оның тотығу тереңдігі мен температурасына байланысты.
Көп сатылы тотығу үдерісінің сипатын уақыт аралығындағы жылу әсерінің өзгерісі арқылы қарастыруға болады. ИҚ - спектроскопиялық әдіс бойынша алдымен пероксидтер және (немесе) гидропероксидтер түзіледі. Негізгі қышқылдар мен күрделі эфирлер түзілу аралығында жылу эффектілігі 335 кДжмоль, ал температураныңартуы бірқалыпты болады.
Шикізаттың битумға дейін тотығуының жылулық эффектілігі битум қондырғыларын жобалау немесе эксплуатациялау барысында қажет. Оны реакцияның бастапқы және соңғы өнімдерінің жану жылулықтарының айырмашылықтары ретінде анықтайды:
∆Q = qб - qо + qн2о - qг (5)
мұндағы, qб - битумның жану жылулығы, кДжкг;
qо - реакцияның жеңіл органикалық өнімдерінің жану жылулығы, кДжкг;
qн2о - элементтерден судың түзелу жылулығы, кДжкг;
qг - гудронның жану жылулығы, кДжкг.
Жол битумдары үшін жылу эффектілігі 544 - 628 кДжкг-ды, ал құрылыс битумдары үшін 879 кДжкг-ды құрайды [8, 18].
1.3.2 Тотыққан битумдардың қасиеттері және оларды жақсарту тәсілдері
Тотыққан битумдар әр түрлі консистенцияда болады; бөлме температурасында - жартылай сұйық, сәйкесінше қатты немесе аралық күйде болуы мүмкін.
Жоғары температурада ерігіш битумдардың қасиеттері қның құрамы мен компоненттерінің қасиеттеріне байланысты. Оларды келесідей жіктеуге болады:
1. Асфальтен мөлшері 55 % (масс.), парафинді - нафтенді қосылыстар 20 % (масс.) аз мөлшерде; 25 ºС - дегі пенетрациясы (11 - 20)·0,1 мм- ді құрайтын
мортты битумлар;
2. 25 ºС - дегі пенетрациясы (11 - 20)·0,1 мм- ді құрайтын ммайысқыш битумдар;
3. Пенетрациясы 25 ºС - де 20·0,1 мм, асфальтендер мөлшері аз, ал парафинді - нафтенді қосылыстардың мөлшері 40 % (масс.) болатын майысқыштығы өте жоғары битумдар;
Бірінші топтағы битумнан бөлінген мальтендердің тығыздығы, тұтқырлығы жоғары және шынылану температурасы төмен болып келеді. Олардың еріткіштік коэффициенті 36,4-ке тең, яғни үшінші топтағы битум мальтендерінің майларынан 1,8 есе артық. Үшінші топтағы битум шайырларының молекулаларында сутектік және нафтендік қаңқалар көбірек, бұл битумның шайырлары иілгіштік қасиетімен ерекшеленеді. Сонымен қатар, бұл битумдардың асфальтендердегі оттектік функционалдық топтардың мөлшері де жоғары.
Битум бетіне қабықша болатын парафиндер - кристалды заттар ретінде иілгіштік немесе жабысқыштық қасиетке ие емес, сол себептен ол битумның созылу, иілу, мықтылық, адгезиялық қасиеттерін нашарлатады. Стандарт бойынша жол битумдарындағы парафин мөлшері әркелкі шектеулерге ие, мысалға Румыния, Польша, Швеция елдерінде - 2 % (масс.), ал Венгрия, Италияда - 2,5 % (масс.), Францияда - 4,5 % (масс.) - дан аспауы қажет.
Тотыққан битумдардың түсі қара, қатты түрлері - сынғыш, жылтырлығы - ашық түстен күңгіртке дейін, сұр-қоңыр түстен қара түске дейінгі сызықтармен сипатталады. Тотыққан битум көрсеткіштері 6-кестеде көрсетілген.
Кесте 6. Битум көрсеткіштері
Көрсеткіштері
Мәндері
25 ºС - дегі тығыздығы, кгм³
900-1070
25 ºС - дегі пенетрациясы, 0,1 мм
3-300
25 ºС - дегі созылуы, см
0-200
Температура, ºС
Жұмсару: Сақина және Шар әдісі бойынша
Кремер-Сарнов әдісі бойынша
38-218
27-204
Ашық ыдыстағы лап етуі
177-290
Жалындануы
204-343
Кокстенуі (Конрадсон бойынша), %
5-20
Мөлшері, % (масс.)
Ұшқыш заттар (260 ºС, 5 сағатта)
1-12
Күкіртсутекте ерігіштері
95-100
Лигроиде ерігіштері (31,1 ºС-де)
50-90
Ерімейтін (минералды емес) заттар
= 5
Минералды заттар
= 5
Карбендер
0-10
Күкірттер
= 7,5
Оттегі
= 5
Қаныққан қосылыстар
30-75
соның ішіндегі қатты парафиндер
= 10
сабындалатындары
= 2
Шикізатты оттекпен үрлеу битумның шығысын ғана емес, қалдықты битуммен салыстырғанда оның қасиеттерін арттырып, өнеркәсіп пен техникадағы қолдану аясын одан әрі кеңейте түседі. Әрі біршама қасиеттері бойынша тотыққан битумдар қалдықты битумдардан біршама артығырақ. Битумның негізгі қасиеттерінің бірі - ауа райы өзгерістеріне төзімділігі. Шикізаттың қажетті қасиеттеріне байланысты таңдалуымен қатар, оның жылу- және суықсақтағыштығының артып, арнайы қасиеттерді беру үшін тотықтыру үдерісіндегі температураны, реакция аумағындағы қысымды, ауа берілу жылдамдығы мен тотығу ұзақтығын, рециркуляциялардың қолданылуын сәйкесінше дұрыс таңдау қажет.
1.4 БАЗ қатысында битум эмульсиясын алу
Шикізаттағы битумның эмульсиялануына себепші болатын заттарды беттік активті заттар (БАЗ) деп атайды. Битум алу деңгейі дибутилфтоматқа, сульфидті - ашытқылы бардаларға, және де алкилфенолдарды оксиэтилдеу өнімдеріне байланысты. 10 - %-дық натрийдің метасиликат ерітіндісі қатысында, зерттеулер көрсеткендей, битумның алыну деңгейі 99 %-ға дейін жеткен [19].
Битумдар қазіргі кезде өнеркәсіпте, ауыл шаруашылығында, құрылыста, реактивті техникада, радиоактивті сәулелердің бөлінуінен сақтану жұмыстары, көпір - құбырларда гидроизоляциялау үшін қолданылады.
Битумдар полярлы емес заттар бола тұрып, полярлы сұйықтықтарда ерімейді, сондықтан да олар сумен коллоидты дисперсті жүйені - эмульсия түзеді. Битум эмульсиясының физка-химиялық қасиеттерін зерттеу деңгейі өрлеу үстінде, осыдан эмульсияның жол құрылысында қолданылуының шектігі толық анықталып болмады. Битумның түзілуі мен тұрақтылығы олардың құрамына енгізілетін арнайы эмульгаторлар - беттік активті заттарға байланысты. Битум беттігінде адсорбциялана алатын БАЗ:көмірсутек радикалдарынан және полярлық топтардан құралады. Көмірсутекті радикал гидрофобты және көбіне битумға, полярлығы төмен фазағабағытталып, ал полярлық топтар гидрофильді болғандықтан, суға жатқызылады. Осылайша БАЗ реттелуімен битум және су арасында беттік тартылысты азайтатын қабықша түзіледі. Композициялы түрде БАЗ-ды битум өндірісінде қолдану ыңғайлы, әрі жаңа әдістердің бірі болып табылады [20, 21].
Үшінші Халықаралық конгрестегі БАЗ келесідей топталынады:
1. Анионды БАЗ су ерітінділерінде молекуланың органикалық қалдықтарының кері зарядталынған ионын түзе диссоцияланады.
2. Катионды БАЗ су ерітінділерінде молекуланың органикалық қалдықтарының оң зарядталынған ионын түзе диссоцияланады.
3. Амфолитті БАЗ орта жағдайына байланысты су ерітінділерінде анион немесе катион молекуларының органикалық қалдықтарын түзе диссоцияланады. Қышқылдық ортада катиондық қасиетін көрсетсе, ал негіздік ортада аниондық қасиетін көрсетеді.
4. Ионогенді БАЗ су ерітінділерінде иондарды түзбейді. Олардың ерігіштігі полярлық функционалдық топтардың болуымен түсіндіріледі [22].
Үлкен қайталанатын бөлшектерден құралатын жоғары молекулалы (полимер) БАЗ жеке топтарға жіктеледі. Әрбір класс бірнеше бөлімдерден құралады:
1. Анионды БАЗ су ерітінділерінде беттік белсенділікке жауап беретін, май қышқылдарының тұздары мен сульфаттарынан, органофосфаттардан, таллол майынан құралатын ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
1.1 Битумның құрамы мен қасиеттері, зерттеу әдістемелері
Битум дегеніміз мұнайдың жоғары молекулалық көмірсутектері мен күкірт, азот, металлдардан құралған күрделі қоспа. Олар табиғи немесе мұнай, шымтезек, көмір, тақтатастар өндірісінен алынады. Алынатын битум түрлері пайдаланылатын орнына қарай жол, құрылыс, жабынды, және тұтқырлығы төмен лак - бояғыш заттар өндіріс үшін қолданылатын болып бөлінеді.
Шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын оның құрамы бойынша анықтайды. Келесі өрнекке сүйене отырып, мұнай құрамына байланысты шикізаттың битум өндірісіне жарамдылығын үш топқа бөліп қарастыруға болады:
А + С - 2,5 П = 8 (1)
мұндағы, А, С, П - асфальтен, шайыр және парафин құрамына сәйкес:
1 топ - өте жақсы мұнай (жоғары шайырлы - аз парафинді, жоғары шайырлы - парафинді, шайырлы - азпарафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 8-ден жоғары.
2 топ - жарамды мұнай (шайырлы - парафинді, аз шайырлы - аз парафинді). Өрнектің оң жақ бөлігі 0 мен 8 аралығында.
3 топ - шектеулі жарамды немесе жарамсыз мұнай (шайырлы - жоғары парафинді, аз шайырлы - парафинді, аз шайырлы - жоғары парафинді) [6].
Шикізаттағы парафин мөлшері 3 % масс. аспауы шарт. Парафинді мұнайдан алынған битум аз парафинді мұнайдан алынған битуммен салыстырғанда созылу қасиеті (дуктилдігі) біршама төмен болады [4].
Битум - жоғары молекулалы көмірсутектер мен әр түрлі құрылыстағы гетероорганикалық қосылыстардан тұратын мұнайдың ауыр бөлігі. Битумның құрамы келесідей [% масс.]: көміртек 80-85, сутек 8,0-11,5, оттегі 0,2-4,0, күкірт 0,5-7,0, азот 0,2-0,5.
Битумның компоненттік құрамын анықтау үшін көптеген әдістер зерттелінді. Әр түрлі класс және топтарға жатқызылатын қосылыстарды анықтау үшін, жалпы қабылданған, еріткіштер мен адсорбенттерге көрсетілетін іріктегіштік қатынасы бойынша заттарды бөлу әдісі қолданылады. Бұл кең таралған әдіс бойынша битум асфальтенді, шайырлы, және май қосылыстарынан тұрады [7].
Май - битумның қаттылығын және жұмсару температурасын түсіріп, оның аққыштығы мен булануын арттыра түседі. Майдың молекулалық массасы 240-800 аралығында (әдетте 360-500), ал ароматикалық деңгейін сипаттайтын атомдық қатынасы С:Н, әдетте 0,55-0,66 құрайды. Битумның майлы компонентінің химиялық құрамы таңдалынған мұнай мен тотығуға дейінгі бастапқы шикізатқа тікелей байланысты. Майлы қосылыстардың сипаттамасы келесідей, көміртек атомының саны 26 немесе одан да жоғары болатын, қалыпты және изоқұрылыстағы парафин қосылыстарының тығыздығы 790-820 кгм³, сыну коэффициенті 1,44-1,47, молекулалық массасы 240-600, қайнау температурасы 350-520 ºС, ал еру температурасы 56-90 ºС. Нафтенді көмірсутектердегі көміртек атомының саны 20-35 дейін, тығыздығы 820-870 кгм³, сыну коэффициенті 1,47-1,49, молекулалық массасы 450-650. Ал, ароматикалық қосылыстарға келсек, моноциклді құрылыстан полициклді құрылысқа ауысу барысында бүйіріндегі алифатикалық тізбектері қысқарылады. Битумнан бөлінген моноциклді ароматикалық қосылыстардың сыну коэффициенті 1,49-1,53, молекулалық массасы 450-620, сәйкесінше бициклді қосылыстарда 1,535-1,590 және 430-600, ал полициклді қосылыстардың сыну коэффициенті 1,59 артық, молекулалық массасы 420-670. Моноциклді ароматикалық қосылыстар, әдетте, бір бензол өзегінен және ұзындығы әр қилы келетін бүйірлік алкильді тізбектерден тұрады. Олардың құрамын бір немесе бірнеше нафтен сақиналары, сонымен қатар ішінде күкірт, кей кездері азот пен оттегі атомдары кездесетін гетероорганикалық қосылыстар құрайды. Көбіне, күкірт молекуланың циклдік бөліміне кіріп, тіпті өткелдңк байланыс түзуі де ықтимал. Бициклдік ароматикалық қосылыстар құрамына нафталин гомологтары, және құрамындағы күкірт, азот, оттегі қосылыстарының біршама мөлшері бар бензол гомологтары да кіреді.
Шайыр қалыпты температурада қызғылт - күңгірт түсті, тығыздығы 990-1080 кгм³ болатын қатты зат. Олар битумдардың қаттылығына, созылу және иілу қасиеттеріне басты әсерін тигізеді. Шайырлар өзара алифатикалық тізбектермен байланысқан, өте жақсы конденсацияланатын гетероциклдік және циклдік құрылысты жоғары молекулалы органикалық қосылыстарға жатқызылады. Олардың құрамына көміртегі, сутегі, оттегі, күкірт, азоттан басқа да элементтер, соның ішінде металлдар да кіреді; шайырдың молекулалық массасы 300-2500 аралығында болады.
Шайырлар май мен асфальтендер арасындағы аралық заттар болып саналады. Шайырдың асфальтенге ауысу барысында ароматикалық құрылыстағы көміртек атомының мөлшері артып, сутегі мөлшері төмендейді; ал С:Н қатынасы арта түседі. Шайырды құрайтын қосылыстардағы көміртек атомының саны 80-100. Асфальтендермен салыстырғанда, шайырдағы бүйірлік алифатикалық тізбектердің ұзындығы мен саны да артығырақ. С:Н атомдық қатынасы 0,6-0,8, ал жұмсару температурасы 35-90 ºС [8].
Шайырды асфальтендерден айырып алу үшін, шайырлар жақсы еритін, ал асфальтендер мүлдем ерімейтін С5 - С6 жеңіл қаныққан көмірсутектер пайдаланылады. Шайырды майдан айырып алу үшін хроматографиялық әдіс қолданылады.
Асфальтендер шайырдың тығыздалуынан кейінгі өнім. Олар жоғары молекулалы және төмен молекулалы заттарды түзу мүмкіншілігі бар бастапқы заттың күрделі қоспасынан алынғандықтан, таза полимерлік қосылыс ретінде қарастырылмайды. Бос күйінде асфальтендер қара немесе күңгірт түсті ерімейтін морт, қатты заттар. Битумның басқа компоненттерінен айырмашылығы олар қалыпты құрылыстағы қаныққан көмірсутектерде, сонымен бірге араласқан полярлы ерітінділерде - спиртэфирлі қоспаларда, төмен спирттерде, мұнай газдарында (метан, этан, пропан т.б.) ерімейді; әйтседе, бензол мен оның гомологтарында, күкіртсутекте, хлороформда, және төртхлорлы көміртекте оңай ериді [9].
Асфальтегенді қышқылдар және олардың ангидридтері - қоңыр-сұр түсті қоймалжың шайырлы заттар. Асфальтегенді қосылыстар спирт немесе хлороффромда оңай, ал бензинде шамалы ериді; тығыздығы 1000 кгм³ астам. Мұнай битумдарында аз мөлшерде кездеседі. Асфальтогенді қышқылдар және олардың ангидридтері битумның коллоидтық құрылысын тұрақтандырады.
Карбендер мен карбоидтер - мұнай және оның қалдықтарының жоғары температурада өңделуінен кейінгі алынған жоғары көміртекті өнімдер болып табылады. Карбендер төртхлорлы көміртекте, ал карбоидтер күкіртсутекте ерімейді.
Көбіне, битумдағы май және шайыр қоспасын асфальтендер мен мальтендерге жіктейді. Асфальтенді тұнықтыру арқылы алынған мальтендердің қасиеттерін зерттеу мақсатында Татар (1) және Батыс Сібір (2) мұнайы тәжірибелік түрде қарастырылып, және олардың гудрондарынан алынған битум түрлерінің қасиеттері 1 кестеде, ал 2-кестеде дайын битум құрамдастары болатын жоғары молекулалы қосылыстардың элементтік құрамы көрсетілген [8, 10]:
Кесте 1. Мальтендер мен битумдардың салыстырмалы қасиеттері
Көрсеткіштері
Гудрон 1
Гудрон 1 битумы
Гудрон 2
Гудрон 2 битумы
Жұмсару температурасы, ºС
36
45-55
22
46,5-50
Асфальтендер сипаттамасы
Мөлшері, % масс.
9,5
20,0-24,0
4,5
21,8-24,0
20 ºС-дегі тығыздығы, кгм³
1140
1180-1280
1120
1160-ден 1250 дейін
Элементтік құрамы, % масс.
С
83,90
84,02-86,10
83,75
83,95-85,44
Н
8,80
7,63-5,13
9,35
8,21-5,98
N
0,88
0,94-1,12
0,87
0,91-1,09
S
2,81
2,99-3,0
2,48
2,52-2,90
O
3,61
4,42-4,65
3,55
4,41-4,59
Мальтендер сипаттамасы
20 ºС-дегі тығыздығы, кгм³
922,7
931,0-956,0
915,4
921,7-930,5
100 ºС-дегі кинематикалық тұтқырлығы, мм²с
22,54
22,86-24,13
20,54
21,23-24,01
Қату температурасы, ºС
-
52-42
55
49-44
Кокстелуі, %
1,2
1,3-1,9
0,9-1,2
1,5
Кесте 2. Жоғары молекулалы қосылыстардың элементтік құрамы
Көрсеткіштері
Көмірсутектер
Шайырлар
Асфальтендер
Элементтік құрамы, %
Көміртек
89,0
83,0
84,5
Сутегі
11,0
10,0
8,1
Гетероатомдары
-
7,0
7,4
Молекулалық массасы
500
700
2000
Көміртек атомдарының мөлшері, %
Ароматикалық
52
76
82
Нафтендік
48
24
18
Алифатикалық
36
23
18
Молекуладағы сақина саны,%
Жалпы
8
10
20
Ароматикалық
52
75
90
Нафтендік
48
25
10
Битум құрамын толықтай зерттеуге оның топтық құрамын, ұсақ фракция молекулаларының өлшемдерін, С:Н қатынасын, хошиісті және өзек сандарын, бүйірлік тізбектердің саны мен ұзындығын анықтау жатқызылады. Битумның химиялық құрамы оның физикалық, реологиялық, коллоидтық қасиеттеріне қарағанда аз зерттелінген. Алайда, соңғы уақыттардағы жаңа әдістер мен құралдардың арқасында бұл мәселенің өзектілігі артта қалды. Битум құрамын зерттеуге жатқызылатын жаңа әдістерге: іріктегіштік ерітіндінің әсері, адсорбциялық хроматография, термодиффузия, диализ, электрлі тұндыру, адгезия, спектроскопия, микроскопия, электронды парамагнитті және өзекті магнитті резонанс, рентгеноскопия және т.б. [11].
Ортақ қабылданған анализ әдістемелері.
Фракциялық құрамын анықтау. Сұйық битумдардың фракциялық құрамы ГОСТ 11504-65 бойынша нақтыланылады. Ол 225, 315 және 360 ºС дейінгі қайнайтын фракция мөлшерімен анықталынып, сұйық битумдардың физика-химиялық қасиеттерін сипаттайды. 360 ºС дейінгі фракциялар алынған соң, 25 ºС-де пенетрация мен созылушылығын, қалдықтың жұмсару температурасы мен уақытын анықтайды.
Топтық химиялық құрамын анықтау. Әр түрлі әдістер мен ерітінділерді пайдалана отырып, битумның топтық химиялық құрамын анықтау соңында біршама өзгеше нәтижелерді алуға болады. Битумдағы асфальтен мөлшері БН-7030 маркасында изооктанмен 20:1 қатынасында 20,7 %, ал 40:1 қатынасында 18,7 % (масс.) құрайды. Егер А. Бестужев әдісі бойынша н-гептанды (10:1) қолдансак, сол битумдағы асфальтен 10,8 %-ды құрайды.
Одессалық МӨЗ қатысында ВНИИ МӨ шығарған әдістеме ерекше қызығушылық туғызады. Бұл әдістемеге сай анализді үш сатыда жүргізеді: асфальтендердің бөлінуі (тұндырылуы), хроматография көмегімен май және шайырды айыру, тұндыру әдісімен асфальтендерді алу, ірі кеуекті силикогельде май және шайырды айыру, және де хроматографиялық анализ жүргізу. Бұл әдістің артықшылығы битумдағы көмірсутек және шайырдың беттік түйісу шектігін дәл анықтауы,уақыттың үнемділігі және де ерітінді ретінде қолайлы бензин фракцияларының қолданылуы [8].
Техникада пайдаланылатын битумдар агрегаттық күйіне байланысты қатты және сұйық болып екіге бөлінеді. Алайда кей бірі аралық күйде - жартылай сұйық және жартыллай катты күйдегі битумдар болып келеді. Бәріне ортақ физика-химиялық сипаттамаларын аныктайтын битумдарды ортақ бір топка жатқызуга болатындай, олардың ешбір ортақ физика-химиялық сипаттамалары жоқ. Жалпы битумдарды техникалық және физика-химиялық қасиеттері бойынша тануға болады.
Мұнай битумдары гидро-, электро-, жылуизоляциялық қасиеттері кешенінен құралған. Олардың химиялық, радиациялық және атмосфералық әрекетке қарсы тұру қасиеті электрохимиялық, химиялық өндірісте, ядролық энергетикада және де ауыл шаруашылығында кеңінен қолданылуына мүмкіндік береді [12]. Битум қасиетін толық білу үшін оның барлық негізгі қасиеттерін өзара толықтастыру қажет.
Пенетрация. Бұл көрсеткіш стандартты қалыптағы заттың (калибрлі ине) жартылай сұйық немесе жартылай қатты өнімге белгілі жағдайда енуін, яғни заттың өнімге енуін және өнімнің бұл затқа көрсететін кедергісін сипаттайды. Пенетрация қосымша битумның қаттылығын пенетрометр көмегімен анықтайды; бұл құрылғы, ГОСТ 11501-78 келтірілген, пенетрация бірлігі және сынақ әдістемесі ретінде иненің ену тереңдігі 0,1 мм деп қабылданған. Температураға, иненің енгізілу күшімен ұзақтығына байланысты пенетрация мәні де өзгеріп отырады. Мысалға, 25 ºС-дегі әр түрлі маркалы жол битумдары 1Н күш пен 5с әсер еткенде (40*300)·0,1 мм, ал 0ºС-де 2Н күшпен 60с әсер еткенде (13*50)·0,1 мм тең. Сондықтан да оның анықталу шартын алдын-ала келісімді түрде жүргізіледі. Пенетрацияның әдеттегі анықталу шарты: 1Н күшпен әсер ету ұзақтығы 5 с, ал температура 25 ºС. Жоғары жылусақтағыш битумдарды алу үшін шикізатты және техникалық әдісті дұрыс таңдау қажет.
Жұмсару температурасы. Қыздыру барысында битум сұйық - аққыш күйге түсіп, жұмсарады және бұл жұмсару температурасымен анықталады.
Битумның жұмсару температурасы дегеніміз битумдардың қатты куйден сұйық куйге ауысу кезіндегі температурасы. Қазіргі кезде жұмсару температурасын анықтауда көптеген әдістер қолданылады. Тәжірибеде көп қолданылатынәдіс түрі Сақина және шар ГОСТ 11506-78 бойынша, сонымен қатар Кремер-Сарнов әдісі де қолданылып жүр.
Пенетрация индексі. Тұтқырлы битумдардың сипаттамасы үшін пенетрация индексі қолданылады. Бұл көрсеткіш битумның коллоидтық деңгейін сипаттайды.
Пенетрация индексі келесідей формуламен өрнектеледі:
0,0220-ПИ10+ПИ=lоg800-lgПtР-25 (2)
Пенетрация индексі бойынша битумдар үш топқа бөлінеді:
1. Пенетрация индексі -2 ден төмен; мұнай битумдарының иілгіштігі өте аз немесе нөлге тең.
2. Пенетрация индексі -2 ден +2 дейінгі битумдар;
3. Пенетрация индексі +2 ден жоғары битумдардың иілгіштігі айтарлықтай мағыналы [59].
Морттық температурасы. Қатты битум біршама мортты дене. Морттылық температурасы - бұл аз уақыт ішінде әсер еткен қысымнан материалдық бұзылуы басталатын температура. Фраас бойынша барлық битум 110 МПа қысымда 11 с созылған күшпен тиеу кезіндегі температура. Морттық температура жолды жабу жұмыстарындағы битум әсерлігін сипаттайды, егер морттық температура төмен болса, жол битумының сапасы да сонша жоғары болады. Әдетте, жол битумдарының морттық температурасы -2 ден -30 аралығында болады. Оны ГОСТ 11507-65-те көрсетілген әдісбойынша анықтайды. Бұл әдіс бойынша морттық температура деп 1 градмин жылдамдықпен салқындатылып, 9 мм радиусқа иілген түрде болат қабыршаққа 0,1 мм қалыңдықта жағылған 0,4 грамм массада аралық сызаттардың немесе жарылулардың болуын айтады. Салқындау температурасы көбеюімен бірге морттық темпреатурасы да артады.
Созылу қасиеті. Созылу (дуктильдік) - бұл битумның талшыққа дейінгі созылу қасиеті,ол үзілу сәтіндегі талшық ұзындығымен анықталынады. Бұл көрсеткіш, қосымша, әрі жабысу (адгезиялық) қасиетін де сипаттайды. Битумның созылу қасиетін анықтауғаарналаған құрылғы мен әдістеме ГОСТ 11505-75 келтіріледі.
Ағыстану қаиеттері. З. И. Сюняевтің ұсынған үлгісі бойынша мұнай және мұнай қалдықтары күрделі құрылыс бірліктерінен - өзара бекем байланысқан, әр түрлі қалыңдықтағы сольват қабыршағынан түзілген молекула үстіңгі құрылыстардан (ассоциат, кристаллит) тұрады. Олардың құрылысы мен мөлшеріне мұнай қалдықтарының ағыстану қасиеттері тәуелді болып келеді. Қыздыру барысында битумдардың ағыстану қасиеттерінің мәні өзара алшақтанбауы қажет. Битумның құрылыстық қасиетін Пракслер бойынша дисперстік коэффициентімен көрстеуге болады:
КД=СШ + СЦСА+ СҚ (3)
мұндағы СШ , СЦ, СА, СҚ - сәйкесінше, шайыр, циклдік қосылыстар, асфальтен және қаныққан қосылыстар мөлшері, % (масс.). Асфальтендер мен қаныққан қосылыстардың мөлшері жоғары болғанда КД төмендеп, асфальтендердің дисперленуі нашарлайды. Құрылыстық сипаттама келесідей түрде жазылуы да мүмкін:
КД = САСНАСНМ (4)
мұндағы СА - асфальтен мөлшері; СНА, СНМ - сәйкесінше, асфальтен және мальтендер үшін С:Н қатынасы.
Ағыстану қасиеттері бойынша битумдар үш типке бөлінеді:
1) Бірінші типке - ағыс қалыпты күш әсерінде жүретін битумдар жатқызылады. Бұл типке жатқызылатын битумдар тұтқырлы, коллоидты емес сұйықтықтар.
2) Екінші типке - әсерлесуден кейінгі жылдамдығы деформация басталуымен төмендей түсетін битумдар жатқызылады. Ал бірнеше уақыттан соң ол тұрақталады.
3) Үшінші типтегі битумдар әсерлесуден кейінгі жылдамдығы деформация басталуымен ең төменгі мәніне дейін түсіп, егер берілген күш өзге мәндерден жоғары болса, қайтадан артады. Битумдардың ағыстану қасиеттері 3-кестеде көрсетілген.
Кесте 3. Үш типтегі битумдардың ағыстану қасиеттерінің көрстекіштері
Қасиеттері
Күлді
(коллоидты ерітінді)
Күлді - гельді
ерітінді
Гельді ерітінді
Пенетрация, 0,1 мм: 0 ºС
25 ºС
46 ºС
57
50
320
16
55
148
40
53
120
Пенетрация индексі
1,2
0,2
2,3
25 ºС созылу қасиеті
өте жоғары
жоғары
өте төмен
Жұмсару температурасы, ºС
50
55
65,5
Адгезиялық қасиеті (жабысу) битум мен қатты минералды материалдар арасындағы қабықша беттігінде түзелетін екі электр өрісімен түсіндіріледі. Битумдардың адгезиялық қасиеті компоненттердің (асфальтендер және мальтендер) полярлығы мен осы заттардың полярлық емес ерітіндегі электр өткізгіштігімен сипатталады. Асфальтендер мен мальтендердің молекулалық массалары артқан сайын, электр өткізгіштігі де артады.
Битумдардағы парафин мөлшері адгезиялық қасиетін нашарлатады, сондықтан ол 5 %-дан аспауы қажет [36].
Егер битумдарға катионактивті заттар қосылса, оның құммен жабысуы үшін, ал гер анионактивті заттармен қосылысқан болса, мрамормен біріктіру үшін пайдаланылады [8, 10].
Тығыздығы. 20 ºС-дегі мұнай битумдарының тығыздығы 950 - 1150 кгм³ аралығында болады. Битум тығыздығы оның құрамындағы заттардың тығыздықтары бойынша ареометр және пинкнометр көмегімен өлшенеді. 1 ºС-ге қыздырғандағы тығыздықтың төмендеуін сипаттайтын тығыздықтың температуралық коэффициенті α барлық битумдар үшін 0,0006 г(см³·град) тең [13].
Мұнай битумдарының өндірісі үшін негізгі үш алу жолдары қолданылады:
1. Су буы немесе инерттік газ қатысында мұнай қалдықтарын айдау арқылы қойылыту;
2. 180-300ºС температурада әр түрлі мұнай қалдықтарын оттегімен тотықтыру;
3. Әр түрлі мұнай қалдықтарын дистилляттармен және тотыққан немесе қалдық битумдармен араластыру;
Сонымен қатар, жоғарыда көрсетілген әдістердің үйлестірілуі де кезігеді.
Битум термині - сұйық, орташа қатты немесе қатты көміртегі, сутегі және аз мөлшерде оттегі, күкірт, азот және металлдар, сонымен қатар, біршама мөлшердеасфальтен - шайырлы заттардан құралатын қосылыс. Бұл қосылыс күкіртсутекте, хлорформда және де басқа органикалық ерітінділерде ериді. Битумдар табиғи түрде немесе мұнай, торф, көміртек және тақта тас өндірісінен алынады [8]. Битумдардың түрлері, қолданылу әдістері 4-кестеде көрсетілген.
Кесте 4. Тауар битумдарының түрлері
Тобы
Бөлімі
Маркасы
Стандарт
1
2
3
4
Тұтқырлы мұнай битумдары
Жол
БНД-200300, БНД-130200, БНД-90130, БНД-6090, БНД-4060, БН-200300, БН-130200, БН-90130, БН-6090
ГОСТ
22245-76
Жабындық
БНК-45180,БНК-9040, БНК-9030
Жабындық өндірісі және гидроизоляция үшін қолданылады.
ГОСТ 9548-74
Арнайы
Лак бояу өнімдері үшін,
резеңке, электротехника, металлдарды қаптау,
ауысты изоляциялау
құралдарының өндірісінде қолданылады.
ГОСТ 8771-
76, 21822-76
Сұйық мұнай битумдары
Жол
БГ-2540, БГ-4070, БГ-70130,
СГ-4070, СГ-70130, СГ-130200,
МГ-2540, МГ-4070, МГ-70130,
МГ-130200
ГОСТ
11955-74
Таскөмір сығындылары
Жол
Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6
ГОСТ 46
41-74
Жол және арнайы
ДН-7, ДН-8 жол жұмыстары мен фундамент, ағаштарды қаптау
үшін қолданылады.
ТУ 6-16-1163-67
Тұтқырлы тақтатас битумдары
Жол және жабындық
БС-0, БС-1, БС-2, БС-3, БС-4,
БС-5, БС-6
ТУ 6-08-304-74
Жол және
бояу - изоляциялық жұмыстары үшін
БС-1, БС-2, БС-3
ТУ 38-10
941-75
Сұйық тақтатас битумдары
Жол және жабындық
С-1, С-2, С-3, С-4, С-5, С-6
ТУ 6-08-
304-74
1.2 Мұнай битумдарының көмірсутектік құрамына күкірттің әсері
Жобада Қаражанбас кен орнының тұтқырлығы жоғары мұнайына элемент күкіртті қосу арқылы төмен температурада және қысқы уақытта битум алу мүмкіндігі мен тотықтыру үдерісі барысындағы көмірсутектердің химиялық түрленуі қарастырылды.
Қаражанбас мұнайына әртүрлі мөлшерде (5-тен 20масс. %-ға дейін) элемент күкірт қосып, 160-210 ºС аралықтағы салыстырмалы түрде төмен температураларда ауамен тотықтыру үдерісі жүргізілді. Ауаның шығымы 1 кг шикізатқа 2,5-4 лмин құрады. Тотықтыру ұзақтығы 2-4 сағат аралығында болды [37,38].
Тотықтыру өнімдерінің негізгі физика - механикалық сипаттамалары мен осы көрсеткіштер бойынша битум маркаларына қойылатын талаптар 5 кестеде берілген.
Кесте 5. Қаражанбас мұнайы мен күкірт қоспасын тотықтыру өнімдерінің физика-механикалық көрсеткіштері
Т, ºС
t, мин
Жұмсару температурасы, ºСПенетрация, 0,1 мм
Күкірт шоғырланымы, % салмағы
БНД маркасының талаптары
0
5
7
10
4060
6090
90130
130200
200
180
-
40295
41206
6827
51-
ден артық
40-60
47-ден артық
61-90
43-
тен артық
61-130
40-тан артық 131-200
210
-
42205
45180
7824
240
-
44156
49116
8614
210
120
16255
3226
4476
8210
150
23225
3722
4756
909
180
31155
40123
5147
988
210
36105
4686
5729
1043
240
4165
5355
6224
1083
Кесте бойынша, мұнай мен 5-7 % салмақ күкірт қоспаларын 200 ºС температурада 3-4 сағат бойы тотықтыру нәтижесінде алынған үлгілердің физикалық-механикалық сипаттамалары БНД 200300, БНД 130200, БНД 90130 жол маркалы битумдарынан талап етілетін ауқымды орналасқан мәндерге сәйкес келеді. Қоспадағы күкірттің салмақ мөлшерін 10 %-ға дейін арттыру жұмсару температурасы мен пенетрациясы бойынша БН 7030 құрылыс маркалы битумдардың талаптарына сәйкес келетін битумдарды алуға мүмкіндік береді.
210 ºС температурада мұнай мен 5 % салмақ күкірттің қоспаларын тотықтыру өнімдері БНД 4060 жол маркасына қойылатын, ал мұнай мен 7 және 10 % салмақ күкірттің қоспаларын тотықтыру өнімдері БН 5050 және БН 9010 құрылыстық маркаларына қойылатын стандарттық талаптарды қанағаттандырады.
Қаражанбас мұнайы мен оны тотықтыру арқылы алынған өнімдердің құрамындағы өзгерістерді анықтау үшін оларға ИҚ-спектроскопиялық анализ жасалды.
Бірдей мөлшерде (5 мас. %) күкірт қосылған мұнайды бірдей температурада (210 ºС) әртүрлі уақытта (2; 2,5; 3; 4 сағат) тотықтырғанда алынған өнімдердің спектрлерін салыстырғанда, 2 сағатта түзілген өнімнің спектрінде белгі беру қарқындылығы бірден азаяды. Бірақ үдеріс уақыты ұзарғанда азаю дәрежесінің шамасы үлкен болмайды да, 3 және 4 сағаттағы үлгілерде мұнайдың өзінің спектріндегі белгі беру қарқындылығымен салыстырғанда айырмашылық біршама аз болады. Бұл кезде алынған үлгілерде хошиісті құрылымдарға тиісті жолақ қарқындылығы өседі. Мұны күкірт қатысында тотықтыру үдерісінің нәтижесінде мұнай құрамындағы асфальтенді-шайырлы қосылыстар мен күкірт арасында химиялық әрекеттесудің өту мүмкіндігімен түсіндіріледі. ИҚ-спектроскопиялық талдау әдістері тотықтыру үдерісінің нәтижесінде қаныққан құрылымдардың мөлшерінің азайып, хошиісті қосылыстардың мөлшерінің көбейетіндігін көрсетеді [39,40].
1 - суретте хроматографиялық анализ әдісімен бастапқы мұнай мен оған 20 % салмақ күкірт қосып, 180 ºС температурада тотықтырғанда алынған н - алкандардың молекулалық-массалық таралуы (ММТ) көрсетілген.
Сурет 1 н - алкандардың молекулалық-массалық таралуы
Бастапқы мұнайдағы қалыпты алкандардың ММТ С17 және С32 көмірсутектеріне сәйкес екі максимуммен сипатталады. Битум үшін көміртек атомдарының саны өскен сайын қалыпты алкандардың мөлшерінің біртіндеп көбеюі тән, ең жоғары мөлшері С34 қалыпты алканда байқалады.
Тотықтыру нәтижесінде С25 дейінгі қалыпты алкандардың мөлшері азайып, пентакозаннан бастап қалыпты парафиндердің шоғырлануы арта бастайды.
Бұл жағдай қатқыл парафиндерді тотықтыру қиын екендігін және элемент күкіртпен аталмыш температурада әрекеттесу нәтижесінде олардың қайта таралуы орын алатындығын көрсетеді.
2 - суретте хроматографиялық анализ әдісі арқылы 210 ºС - де Қаражанбас мұнайы, сонымен қатар оған күкірт қоспай және 5 % күкірт қосылған кездегі тотықтыру өнімдеріндегі қалыпты алкандардың молекулалық - массалық таралуы (ММТ) келтірілген.
Сурет 2 Қаражанбас мұнайы (1) мен оны 210 ºС - де күкірт қоспай (2) және 5 % салмақ күкірт қосып (3) тотықтыру өнімдеріндегі қалыпты алкандардың ММТ
Қаражанбас мұнайына 5 % салмақ күкірт қосып, 210ºС жағдайында, тотықтыру уақыты әр түрлі болғандағы өнімдердегіқалыпты алкандардың ММТ 3 - суретте келтірілген.
Тотықтыру уақыты: 1 - 1-2 сағат,2 - 2-3 сағат, 3 - 3-4 сағат
Сурет 3 Қаражанбас мұнайын 210 ºС жағдайында 5 % салмақ күкірт қосумен тотықтыру өнімдеріндегі қалыпты алкандардың ММТ-ы
Суретте көрсетілгендей Қаражанбас мұнайындағы қалыпты алкандардың ММТ-сы С17 және С32 кезінде екі жоғары мағынаға ие. Мұнайдың тек өзіне қарағанда мұнайға күкірт қосып тотықтыру өнімдеріндегі көміртегі атомдарының саны артқан сайын қалыпты алкандардың мөлшерінің артқандығы анықталды және оның ең жоғары мөлшері С37 қалыпты алканда байқалады. Тотықтыру нәтижесінде қалыпты алкандардың мөлшері С17 дейін азаяды және пентакозаннан бастап қалыпты парафиндердің шоғырлануы арта бастайды.
5 % салмақ күкірт қатысында тотықтыру өнімінің құрамы 2 сағатта қалыпты алкандардың С12 бастап С36 дейінгі аралықтағы мөлшерді қамтыды. Мұндағы алғашқы 2 сағаттық тотықтыру өніміндегі қалыпты алкандардың салыстырмалы түрде мөлшері 8-9 %, ал 3 сағаттық - 16-17 %, 4 сағаттық - 25 %-ды құрайды. Тотықтыру үдерісінің нәтижесінде күкірт қосқан жағдайда тотықтыру уақытының артуымен қалыпты алкандардың мөлшері де артатындығы анықталды.
Алынған мәліметтерді тауарлы мұнай битумдарының мәліметтерімен салыстыру үшін БНД 6090, БНД 90130 маркалы жол битумдары мен БН 9010 маркалы құрылыс битумындағы қалыпты алкандардың ММТ түсірілді.
4-суреттен көрініп тұрғандай, екі жол битумдарының ММТ бірдей нүктелер арқылы өтеді, ал құрылыс битумының қалыпты алкандандарының ММТ біршама оңға қарай ығысқан және максимумдар С33 - С34 көмірсутектері үшін байқалалды.
Сурет 4 - БНД 6090 (1), БНД 90130 (2) және БН 9010 (3) маркалы битумдардағы қалыпты алкандардың ММТ-ы
Жол битумдарындағы қалыпты алкандардың жоғары мөлшері С33-С34 көмірсутектері үшін байқалады. Жол битумдарындағы қалыпты алкандарының жоғары мөлшері С30-С31 көмірсутектері үшін байқалады. Мұндағы қалыпты алкандардың салыстырмалы түрдегіжоғары мөлшері 10-11%-ды құрайды, бұл мұнайды тотықтыру өнімдеріне арналған мәндерден өзгеше болып келеді. Қаражанбас мұнайын тотықтыру өніміндегі қалыпты алкандардың ММТ битумдардағы қалыпты алкандардың ММТ жақын, бұл тотығу өнімдері құрамының тауарлық мұнай битумдарының құрамына сәйкес келетіндігін көрсетеді [3, 4].
Осылайша, мұнай мен оны өңдеу өнімдеріндегі қалыпты алкандардың ММТ анықтау химиялық түрленулер нәтижесінде парафиндердің құрамы мен мөлшерінің өзгерісін анықтауға мүмкіндік береді, бұл жүріп жатқан үдерістердің химизмін болжау үшін аса маңызды.
Қорыта келгенде, күкірт қатысында тотықтыру үдерісінің нәтижесінде мұнай құрамындағы асфальтенді-шайырлы қосылыстар мен күкірт арасында химиялық әрекеттесу болатындығы анықталды.
1.3 Тотығу үдерісінің негізгі сипаттары
Алғаш рет кәсіби деңгейде битумды 1844 жылы Ж. Г. Биерлей ұсынысы бойынша 204 және 316 ºС-де мұнай қалдығын ауамен үрлеу арқылы алған. Температура және үдерістің ұзақтығына байланыстыәр түрлі қасиеттегі битумдар алынып, бұл өнімдер биерлиттер деп аталынды. Ресейде тотыққан битум алғаш рет 1914 жылы Грозный қаласында алынды. Оның қарқынды дами түсуі 1925 жыл Баку қаласында болды.
Қазіргі технология 1т битумды 12 сағат көлемінде 230-300 ºС температурада 0,84-1,40 м³мин катализаторсыз ауа оттегісімен мұнай қалдықтарын тотықтыру үдерісінде жатыр. Реакторға ауа қысым түсіру арқылы немесе жүйелік вакуумдағы 66,7 кПа көмегімен сорылып алынады. Шикізаттағы ұшқыш заттар мөлшері мен тотығу тереңдігіне байланысты су булары мен көміртек диоксиді жүйеден шығарылып тасталады. Тотығу реакциасы - экзотермиялық, сондықтан да реакция аумағында температура жоғары болады [14,48].
Мұнай көмірсутектерінің тотығуы бір мезгңлде екі бағытта жүреді:
Қышқылдар Гидрокси Асфальтогенді Көмірсутектер қышқылдар
Шайырлар Асфальтен Карбендер Карбоидтер
Тотығу шарттарына байланысты қышқылды және нейтралды өнімдердің өзара ауысулары мүмкін. Жоғары температурада көміртек диоксиді бөлінеді, ал асфальтогенді қышқылдар асфальтендерге айналады.
Мұнай қалдығында хош иісті көміртектер көп болған сайын, тотыққан битумдағы химиялық байланысқан оттегі мөлшері артады. Тотыққан битумдағы оттегінің негізгі мөлшері күрделі эфир топтары түрінде кездеседі. Орта мәнінде олар 60 % битуммен қаныққан оттегіден құралады. Қалған 40 % - ы гидроксид, карбоксиль және карбониль топтарына үлескен. С-С байланысы үшін қажетті температура 250 ºС. Сәл төмен температурада оттегі шығынымен күрделі эфирлер түзіледі. Ал, егер 250 ºС-ден жоғары температурада карбендер мен карбоидтердің түзілуі артады. Битумдағы оттегінің функционалдық топтары тотығу тереңдігіне тікелей қатысты, яғни тереңдігі ұлғайған сайын оттегінің функционалдық топтары арта түседі.
Шикізатты ауамен үрлеген кезде құрамындағы қатты шайырлар мен асфальтендер артып, май қосылыстары арта түседі. Егер үрлеу үдерісі кезінде шайыр мөлшері өзгермейтін болса, онда май мөлшері үзіліссіз азайып, ал асфальтен мөлшері сондай көлемде арта түседі. Осыдан, майдан шайырлардың түзілуі асфальтеннің түзелу үдерісіндегі ортаңғы саты болып табылады. Тотыққан битумдардағы асфальтендердің 35-40 %-ға қоюлануынан карбендер мен карбоидтердің түзілуі анық байқалады [8, 15].
Гудронды тотықтыру үдерісіне әсер ететін негізгі факторлар: шикізат (мұнай) табиғаты, гудронның бастапқы жұмсару температурасы, оның құрамындағы май, парафинді және нафтанді қосылыстар, асфальтендер, температура, ауа шығымы, және тотығу үдерісінің ұзақтығы. Үдеріс факторларына сонымен бірге, реакция аймағындағы қысымды, қысылған ауа температурасын, колоннадағы сұйық фаза деңгейін жатқызуға болады.
Шикізат табиғаты. Шикізаттың табиғаты мен құрамына, алыну тәсілі мен күйіне байланысты тотығу үдерісінен бір көрсеткіштері ұқсас, енді бірі мүлдем өзгеше битум түрлерін алуға болады. 25 ºС - дегі пенетрациялары 100·0,1 мм болатын битумдардың жұмсару температуралары 48-ден 82 ºС аралығында. Тотыққан битумдарды 5 %-дан жоғары құрамындағы асфальтенді - шайырлы заттары бар шикізаттан алады. Ең қолайлысы 25 %-дан жоғары болғаны жөн. Әлемдік мұнай құрамындағы асфальтенді - шайырлы заттар мөлшері 50 %-дан асып, 70 %-ға да жетіп жатады. Қазіргі кезде битумдарды мұнайлардың барлық түрлерінен алуда.
Жалпы битумдарды тотығу үдерісін сипаттайтын болсақ:
1. Тотыққан битумдардың қасиеттері шикізат табиғатына тікелей байланысты;
2. Сәйкесінше, таңдалынған шикізатқа байланысты қасиеттері әр түрлі битумдар алынады: құрамындағы май мөлшерінің азаюымен бастапқы гудронның созылу қасиеті, битумның морттылық температурасы мен лап ету температурасы ұлғаяды, жылу өткізгіштігі мен иілу дәрежесі, ауа шығыны мен тотығу ұзақтығы төмендейді;
3. Деасфальтизация асфальттарынан алынған битумдарда, сол мұнай гудронын тотықтыру арқылы алған битумдармен салыстырғанда, парафин - нафтенді қосылыстардың мөлшері аз, шайыр мен асфальтендердікі жоғары болады; осыдан олардың пенетрациясы, иілу дәрежесінің төмендігі, ал созылу қасиеті мен морттылық температурасының және адгезиялық қасиеттерінің жоғарлығы түсіндіріледі.
4. Парафинді қосылыстардың әсері битумның дисперсті құрылысына байланысты, ондағы парафиндердің мүмкін болу мөлшері 3 % (масс.) аспауы қажет.шикізаттағы парафин қосылыстарының мөлшері артқан сәтте битумдардың созылу қасиеті нашарлап, ауа мөлшері мен тотығу ұзақтығы арта түседі.
5. Шикізаттағы парафин - нафтенді қосылыстардың мөлшері 10 - 12 % (масс.) құрайтындай болғаны жөн; бұл заттар - сұйылтқыштар, битумдардың қасиетін жақсартатын пластификаторлар болып табылады.
6. Шикізат құрамындағы күкірт және күкіртті қосылыстардың қатысы тотыққан битумдар қасиетін жақсарта түседі.
7. Тікелей 250-270 ºС-де айдалынып, аз уақыт ішінде тотығатын, еруге төзімді, жоғары пластикалық битумдарды алуға себепші болады [8, 16].
Үдеріс температурасы. Шикізатты битумға дейін тотықтыру барысында көптеген жылдамдық константаларының температуралық коэффициенттері өзгеше реакциялар жүреді. Температура әр түрлі үдірістерді әр қилы жүргізеді, сондықтанда құрамы мен қасиеттері мүлдем өзге тауарлық битумдар алынады.
Реакция температурасының артуымен бірге уақыт бірлігіндегі битумның температурасы, реакция жылдамдығы, және жеңіл фракциялардың ауамен үрілу қатысы артады. Температураның артуы кезінде диффузия константалары артып, беттік тартылысы азаяды, және сұйық фаза тұтқырлығының төмендеуімен газ көпіршіктерінің көлемі ұлғаяды. Соңында көптеген жоғары температурада тотыққан битумдардың пенетрациясы төмен болады. Шамамен көтерілген үдеріс температурасы реакция жылдамдығының азаюына әсерін тигізеді. Қажетті температура ретінде 250ºС ұсынылады.
Температураның үдеріске әсерін келесідей өрнектеуге болады:
Үдеріс температурасының артуымен қатар шикізат молекулаларының дегидрленуі артып, судың түзілуіне қатысатын оттегі мөлшері көбейеді, және де тотыққан битумдағы оттегі, күрделі эфир топтары, әлсіз қышқылдар мен фенолдар артып, битумдағы полициклді хош иісті қосылыстардың сыну коэффициенті жоғарылайды. Температураның 250 ºС - ден артуымен битумның жұмсару және морттық температурасы артып, ал тотыққан битумдардың пенетрация, жылусақтағыш, иілу дәрежесі төиендейді.
Үдеріс температурасының артуына қарай шикізаттың битумға дейін тотығу реакциясының жылдамдығы біршама төмендейді.
Үдеріс температурасының артуымен тотығу ұзақтығы мен ауа шығыны азаяды; 270 ºС - ден жоғары температурада ауа оттегісінің қолданылуы азайып, крекинг реакцияларының жылдамдығы артады, ал 300 ºС - ден жоғары температурада карбендердің түзілуі артып, битумдардың сыртқы ортаға шыдамдылығы нашарлайды.
Тотығу температурасын сәйкесінші шикізат табиғаты мен қажетті битум қасиеттеріне байланысты таңдау қажет; көптеген түрлері үшін бұл 250 ºС шамасында.
Ауа шығыны. Белгілі мөлшерге дейін ауа шығынын артқан сәтте тотығу жылдамдығы да артады. Ауа шығыны битумның жұмсару температурасына тура пропорционал, мысалға, Қаражанбас кен орнының мұндай тәуелділіктерін қарастырсақ, битумның жұмсару температурасы 50 ºС болғанда, ауа шығыны 160 м³сағ, ал сәйкесінше жұмсару температурасы 70 ºС болғанда, ауа шығыны 210 м³сағ жетеді. Белгілі мәнге дейін (1,4 м³мин) 1 т шикізатқа ауа шығынын артқан сәтте үдеріс ықтималдығы артып, кейін одан әрі арту барысында ауа оттегісінің қолданылуы төмендеп, тотыққан битумның жылусақтағыштығы артады.
Қысым. Реакция аумағындағы қысымның жоғарылауы тотығу үдерісінің сапасы мен тотыққан битумдар қасиетін оттегінің сұйық ортаға еркін енуі себебінен жақсартады; үдеріске қысымның әсері келесідей бола алады:
1. Қысымның артуымен сұйық ортаға оттегінің диффузиялануы жақсарып, тотығу ұзақтығы қысқарып, жылу және суық сақтағыштық қасиеттері, тотыққан битумдардың иілгіштігі артады.
2. Сәйкес қысымды қадағалау арқылы жүйедегі алынатын битум қасиеттері мен құрамдарын бақылап отыруға болады.
3. Колонна типіндегі реактордан жол битумдарын 0,4 МПа - дан артық қысымда алу дұрыс емес, оның себебі битумдардың созылу қасиеттерінің бірден төмендеуі болып болып табылады.
4. Қысыммен тотықтыру барсында аз мөлшерде май фракциясын қолданып, созылуы, пенетрациясы мен иілу дәрежесі өте жоғары битум алуға болады.
1.3.1 Тотығу үдерісінің кинетикасы
Шикізатты битумға дейін тотықтыру реакцияларының кинетикасы мен математикалық сипаттамасы есептеулер және үдерістің қолайландырылуы үшін техникалық мәні зор. Тотығу кезінде сұйық - газ орталарының әсерлесу беттігінде өзгерістер жүреді; айдау үдерістері жүріп, статикалық қысымы төмендеп, температура арта түседі.
Газды ортадан оттегіні сорып алу нәтижесінде оның концентрациясының үздіксіз азаюы жүріп, сәйкесінше оттегінің парциалды қысымы да азаяды. Сұйық орта химиялық инертті азотпен қанығып, тотығу үдерісіндегі газдың сұйықтыққа таралуының диффузиялық коэффициенті, оның артынан реакция өнімдерінің тұтқырлықтары өзгеріске ұшырайды.
Бұл үдеріс үшін бірнеше тізбектер мен математикалық сипаттамалар келтірілген:
1. Н. И. Черножуков, С. Э. Крэйн, С. Р. Сергиенко келесідей нұсқаны ұсынады:
МЦА БЦА ПЦА Ш Ас
2. Ал, В. А. Гарболинский, С. Р. Сергиенко, Р. В. Анброх тотығу үдерісінде жоғары молекулалы қосылыстардың келесідей өзгерісін ұсынады:
МЦА БЦА ПЦА Ш Ас
мұндағы, МЦА - моноциклді ароматты қосылыстар; БЦА - бициклді ароматты қосылыстар; ПЦА - полициклді ароматты қосылыстар; Ш - шайыр; Ас - асфальтен;
Келтірілген тізбектердің анализі және авторлардың зерттеулері өндірістік шарттарда гудронды битумға дейін тотықтыру 220 - 260 ºС температурада жүргенде шикізат - гудронның құрамындағы парафинді - нафтенді қосылыстар мәнсіз өзгеріске ұшырайтындығы анықталды [8,17].
Шикізатты битумға дейін тотықтыру үдерісі - экзотермиялық. Бұл кездегі бөлінетін жылу мөлшері шикізаттың химиялық табиғатына, оның тотығу тереңдігі мен температурасына байланысты.
Көп сатылы тотығу үдерісінің сипатын уақыт аралығындағы жылу әсерінің өзгерісі арқылы қарастыруға болады. ИҚ - спектроскопиялық әдіс бойынша алдымен пероксидтер және (немесе) гидропероксидтер түзіледі. Негізгі қышқылдар мен күрделі эфирлер түзілу аралығында жылу эффектілігі 335 кДжмоль, ал температураныңартуы бірқалыпты болады.
Шикізаттың битумға дейін тотығуының жылулық эффектілігі битум қондырғыларын жобалау немесе эксплуатациялау барысында қажет. Оны реакцияның бастапқы және соңғы өнімдерінің жану жылулықтарының айырмашылықтары ретінде анықтайды:
∆Q = qб - qо + qн2о - qг (5)
мұндағы, qб - битумның жану жылулығы, кДжкг;
qо - реакцияның жеңіл органикалық өнімдерінің жану жылулығы, кДжкг;
qн2о - элементтерден судың түзелу жылулығы, кДжкг;
qг - гудронның жану жылулығы, кДжкг.
Жол битумдары үшін жылу эффектілігі 544 - 628 кДжкг-ды, ал құрылыс битумдары үшін 879 кДжкг-ды құрайды [8, 18].
1.3.2 Тотыққан битумдардың қасиеттері және оларды жақсарту тәсілдері
Тотыққан битумдар әр түрлі консистенцияда болады; бөлме температурасында - жартылай сұйық, сәйкесінше қатты немесе аралық күйде болуы мүмкін.
Жоғары температурада ерігіш битумдардың қасиеттері қның құрамы мен компоненттерінің қасиеттеріне байланысты. Оларды келесідей жіктеуге болады:
1. Асфальтен мөлшері 55 % (масс.), парафинді - нафтенді қосылыстар 20 % (масс.) аз мөлшерде; 25 ºС - дегі пенетрациясы (11 - 20)·0,1 мм- ді құрайтын
мортты битумлар;
2. 25 ºС - дегі пенетрациясы (11 - 20)·0,1 мм- ді құрайтын ммайысқыш битумдар;
3. Пенетрациясы 25 ºС - де 20·0,1 мм, асфальтендер мөлшері аз, ал парафинді - нафтенді қосылыстардың мөлшері 40 % (масс.) болатын майысқыштығы өте жоғары битумдар;
Бірінші топтағы битумнан бөлінген мальтендердің тығыздығы, тұтқырлығы жоғары және шынылану температурасы төмен болып келеді. Олардың еріткіштік коэффициенті 36,4-ке тең, яғни үшінші топтағы битум мальтендерінің майларынан 1,8 есе артық. Үшінші топтағы битум шайырларының молекулаларында сутектік және нафтендік қаңқалар көбірек, бұл битумның шайырлары иілгіштік қасиетімен ерекшеленеді. Сонымен қатар, бұл битумдардың асфальтендердегі оттектік функционалдық топтардың мөлшері де жоғары.
Битум бетіне қабықша болатын парафиндер - кристалды заттар ретінде иілгіштік немесе жабысқыштық қасиетке ие емес, сол себептен ол битумның созылу, иілу, мықтылық, адгезиялық қасиеттерін нашарлатады. Стандарт бойынша жол битумдарындағы парафин мөлшері әркелкі шектеулерге ие, мысалға Румыния, Польша, Швеция елдерінде - 2 % (масс.), ал Венгрия, Италияда - 2,5 % (масс.), Францияда - 4,5 % (масс.) - дан аспауы қажет.
Тотыққан битумдардың түсі қара, қатты түрлері - сынғыш, жылтырлығы - ашық түстен күңгіртке дейін, сұр-қоңыр түстен қара түске дейінгі сызықтармен сипатталады. Тотыққан битум көрсеткіштері 6-кестеде көрсетілген.
Кесте 6. Битум көрсеткіштері
Көрсеткіштері
Мәндері
25 ºС - дегі тығыздығы, кгм³
900-1070
25 ºС - дегі пенетрациясы, 0,1 мм
3-300
25 ºС - дегі созылуы, см
0-200
Температура, ºС
Жұмсару: Сақина және Шар әдісі бойынша
Кремер-Сарнов әдісі бойынша
38-218
27-204
Ашық ыдыстағы лап етуі
177-290
Жалындануы
204-343
Кокстенуі (Конрадсон бойынша), %
5-20
Мөлшері, % (масс.)
Ұшқыш заттар (260 ºС, 5 сағатта)
1-12
Күкіртсутекте ерігіштері
95-100
Лигроиде ерігіштері (31,1 ºС-де)
50-90
Ерімейтін (минералды емес) заттар
= 5
Минералды заттар
= 5
Карбендер
0-10
Күкірттер
= 7,5
Оттегі
= 5
Қаныққан қосылыстар
30-75
соның ішіндегі қатты парафиндер
= 10
сабындалатындары
= 2
Шикізатты оттекпен үрлеу битумның шығысын ғана емес, қалдықты битуммен салыстырғанда оның қасиеттерін арттырып, өнеркәсіп пен техникадағы қолдану аясын одан әрі кеңейте түседі. Әрі біршама қасиеттері бойынша тотыққан битумдар қалдықты битумдардан біршама артығырақ. Битумның негізгі қасиеттерінің бірі - ауа райы өзгерістеріне төзімділігі. Шикізаттың қажетті қасиеттеріне байланысты таңдалуымен қатар, оның жылу- және суықсақтағыштығының артып, арнайы қасиеттерді беру үшін тотықтыру үдерісіндегі температураны, реакция аумағындағы қысымды, ауа берілу жылдамдығы мен тотығу ұзақтығын, рециркуляциялардың қолданылуын сәйкесінше дұрыс таңдау қажет.
1.4 БАЗ қатысында битум эмульсиясын алу
Шикізаттағы битумның эмульсиялануына себепші болатын заттарды беттік активті заттар (БАЗ) деп атайды. Битум алу деңгейі дибутилфтоматқа, сульфидті - ашытқылы бардаларға, және де алкилфенолдарды оксиэтилдеу өнімдеріне байланысты. 10 - %-дық натрийдің метасиликат ерітіндісі қатысында, зерттеулер көрсеткендей, битумның алыну деңгейі 99 %-ға дейін жеткен [19].
Битумдар қазіргі кезде өнеркәсіпте, ауыл шаруашылығында, құрылыста, реактивті техникада, радиоактивті сәулелердің бөлінуінен сақтану жұмыстары, көпір - құбырларда гидроизоляциялау үшін қолданылады.
Битумдар полярлы емес заттар бола тұрып, полярлы сұйықтықтарда ерімейді, сондықтан да олар сумен коллоидты дисперсті жүйені - эмульсия түзеді. Битум эмульсиясының физка-химиялық қасиеттерін зерттеу деңгейі өрлеу үстінде, осыдан эмульсияның жол құрылысында қолданылуының шектігі толық анықталып болмады. Битумның түзілуі мен тұрақтылығы олардың құрамына енгізілетін арнайы эмульгаторлар - беттік активті заттарға байланысты. Битум беттігінде адсорбциялана алатын БАЗ:көмірсутек радикалдарынан және полярлық топтардан құралады. Көмірсутекті радикал гидрофобты және көбіне битумға, полярлығы төмен фазағабағытталып, ал полярлық топтар гидрофильді болғандықтан, суға жатқызылады. Осылайша БАЗ реттелуімен битум және су арасында беттік тартылысты азайтатын қабықша түзіледі. Композициялы түрде БАЗ-ды битум өндірісінде қолдану ыңғайлы, әрі жаңа әдістердің бірі болып табылады [20, 21].
Үшінші Халықаралық конгрестегі БАЗ келесідей топталынады:
1. Анионды БАЗ су ерітінділерінде молекуланың органикалық қалдықтарының кері зарядталынған ионын түзе диссоцияланады.
2. Катионды БАЗ су ерітінділерінде молекуланың органикалық қалдықтарының оң зарядталынған ионын түзе диссоцияланады.
3. Амфолитті БАЗ орта жағдайына байланысты су ерітінділерінде анион немесе катион молекуларының органикалық қалдықтарын түзе диссоцияланады. Қышқылдық ортада катиондық қасиетін көрсетсе, ал негіздік ортада аниондық қасиетін көрсетеді.
4. Ионогенді БАЗ су ерітінділерінде иондарды түзбейді. Олардың ерігіштігі полярлық функционалдық топтардың болуымен түсіндіріледі [22].
Үлкен қайталанатын бөлшектерден құралатын жоғары молекулалы (полимер) БАЗ жеке топтарға жіктеледі. Әрбір класс бірнеше бөлімдерден құралады:
1. Анионды БАЗ су ерітінділерінде беттік белсенділікке жауап беретін, май қышқылдарының тұздары мен сульфаттарынан, органофосфаттардан, таллол майынан құралатын ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz