Производство битумов.
План лекции:
1 Теоретические сведения
2 Разновидности процесса
3 Основные факторы процесса
4 Производство битумов
5 Производство нефтяных пеков
1 Теоретические сведения
Битумы применяются в самых различных отраслях народного хозяйства нашей страны. Из общей выработки битумов около 75% используется в строительстве различных сооружений (дорог, мостов, зданий, трубопроводов, кабельных линий и т.д.), а также для выполнения кровельных работ. Битум применяется также для покрытий полов и других поверхностей, пропитки бумаги, изоляции, заливки аккумуляторов и др.
Потребление битумов во всех странах мира непрерывно возрастает. Ведущее место занимает США, где потребление почти в два раза больше, чем в европейских странах.
Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.). Элементный состав битумов примерно следующий: углерода 80 - 85% масс, водорода 8,0 - 11,5% масс, кислорода 0,2 - 4,0% масс, серы 0,5 - 7,0% масс, азота 0,2 - 0,5% масс.
Для определения компонентного состава битумов разработано большое число методов. По методу Маркуссона битумы разделяют на масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Часто пользуются делением битума на асфальтены и мальтены, представляющие собой сумму масел и смол.
Масла. Они снижают твердость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость. Длительный нагрев сырья в процессе вакуумной перегонки мазута ведет к уплотнению бициклических ароматических соединений и уменьшению этого компонента в гудроне. Еще более глубокие изменения протекают в процессе окисления сырья.
Смолы. Они являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Смолы относятся к высокомолекулярным органическим соединениям циклической и гетероциклической структуры высокой степени конденсации, связанным между собой алифатическими цепями. В их состав входят, кроме углерода и водорода кислород сера азот и другие элементы, включая металлы.
Асфальтены. Они являются продуктами уплотнения смол. Они образуются из сложных смесей исходных веществ, способных к разнообразным превращениям, включающим образование и высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ.
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - вещества густой смолистой консистенции. Содержатся в нефтяных битумах в небольших количествах. Плотность более 1000 кг/м3.
Состав битума зависит от природы нефти, состава исходного сырья и от технологии производства. Он различен для битумов одинаковой температуры размягчения, полученных из разных нефтей.
Битум обладает следующими свойствами:
1 пенетрация. Этот показатель характеризует глубину проникновения тела стандартной формы в полужидкие и полутвердые продукты при определенном режиме, обусловливапющем способность этого тела проникать в продукт, а продукта - оказывать сопротивление этому прониканию. Пенетрация косвенно характеризует степень твердости битумов.
2 температура размягчения - это температура, при которой битумы из относительно твердого состояния переходят в жидкое (25-150 °С).
3 температура каплепадения - температура, при которой первая капля вещества в заданных условиях испытания под влиянием собственного веса отрывается от равномерно нагретой массы каплеобразующего материала.
4 температура хрупкости - это температура, при которой материал разрушается под действием кратковременно приложенной нагрузки. Температура хрупкости дорожных битумов обычно колеблется в пределах -2 до -30°С.
5 температура отвердевания - температура, при которой вещество после охлаждения приобретает некоторую твердость.
6 индекс пенетрации. Этот показатель характеризует степень коллоидности битума или отклонение его состояния от чисто вязкостного.
7 растяжимость (дуктильность). Характеризуется расстоянием, на которое его можно вытянуть в нить до разрыва. Этот показатель косвенно характеризует также прилинаемость битума и связан с природой его компонентов.
8 адгезия (прилипание). Она объясняется образованием двойного электрического поля на поверхности раздела пленки битума и каменного материала. Адгезия зависит от полярности компонентов (асфальтенов и мальтенов).
9 тепловые свойства: удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, температура вспышки.
10 диэлектрические свойства: пробивное напряжение, удельная электропроводимость, тангенс угла диэлектрических потерь.
11 вязкость. Характеризует консистенцию битумов при различных температурах применения по сравнению с эмпирическими показателями, такими, как пенетрация и температура размягчения.
12 поверхностное натяжение рассматривается на границе раздела фаз битум - воздух, битум - вода (водные растворы), битум - твердое тело: с его понижением адгезия повышается.
13 когезия, так же как и адгезия, зависит от природы вещества и температуры. Ее рассчитывают по зависимости деформации сдвига тонкого слоя битума от продолжительности приложения нагрузки.
14 плотность битума определяют по плотности его смеси с равным объемом растворителя известной плотности ареометром или пикнометром.
15 оптические свойства.
16 отношение к растворителям, химическим реактивам и воде.
17 поведение битума при эксплуатации.
18 влияние поверхностно-активных веществ на поведение битумов при эксплуатации.
19 потеря массы битума при нагревании.
20 изменение пенетрации битума после нагревания.
21 однородность строения битумов.
Химизм
Нефтяные углеводороды окисляются одновременно в двух направлениях
Схема превращения при окислении сырья в битум следующая:
1) процесс окисления:
2) Взаимодействие образующихся радикалов с новой молекулой углеводорода приводит к получению устойчивых продуктов:
3) Вследствие сравнительно низкой концентрации углеводородных радикалов их рекомбинация мало вероятна, и взаимодействие радикалов с кислородом протекает в меньшей степени, чем с молекулами исходного вещества:
4) Продолжение цепи
Однако эту схему нельзя считать полной. Она представляет собой лишь один из вариантов и звеньев сложных превращений, протекающих в процессе окисления сырья в битум.