Битум өндірісі

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 кг/м³, 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 кг/м³, 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 кг/м³ 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 ${\ С}_{5}$ - $С_{6}$ 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 кг/м³ 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

Кесте 2. Жоғары молекулалы қосылыстардың элементтік құрамы

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-70/30 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, 02 $\left( \frac{20 - ПИ}{10 + ПИ} \right)$ = $\frac{{lоg}{800 -}\lg П}{t_{Р} - 25}$ (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 град/мин 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:

$К_{Д}$ = $\frac{\left( С_{Ш\ } + \ С_{Ц} \right) }{\left( С_{А} + \ С_{Қ} \right) }$ (3)

мұндағы $С_{Ш\ }$ , $С_{Ц}$ , $С_{А}$ , $С_{Қ}$ - сәйкесінше, шайыр, циклдік қосылыстар, асфальтен және қаныққан қосылыстар мөлшері, % (масс. ) . Асфальтендер мен қаныққан қосылыстардың мөлшері жоғары болғанда $К_{Д}$ төмендеп, асфальтендердің дисперленуі нашарлайды. Құрылыстық сипаттама келесідей түрде жазылуы да мүмкін:

$К_{Д}$ = $\frac{С_{А}}{\left\lbrack (С/Н) _{А}\left( \frac{С}{Н} \right) _{М} \right\rbrack}$ (4)

мұндағы $С_{А}$ - асфальтен мөлшері; $\ (С/Н) _{А}$ , $\left( \frac{С}{Н} \right) _{М}$ - 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

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 кг/м³ 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

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 л/мин 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

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• 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