Институт геологии и нефтегазовых технологий

Институт геологии и нефтегазовых технологий

Кафедра высоковязких нефтей и природных битумов

Лабораторная работа.

ПРОИЗВОДСТВО ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ

Методическое пособие

Казань

Содержание

ПРОИЗВОДСТВО ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ
Введение
Классификация нефтяных битумов по назначению. Ассортимент выпускаемых битумов (ГОСТы)
Классификация нефтяных битумов по способу производства
1.Теоретические основы производства окисленных нефтяных битумов
1.1.Сущность процесса и химизм реакций окисления нефтяных остатков
1.2.Сырьё для процесса производства битумов
1.3.Условия процесса получения битумов
1.3.1.Природа сырья
1.3.2.Температура процесса
1.3.3.Расход воздуха
1.3.4.Давление
1.4.Состав, физико-химические и эксплуатационные свойства битумов
1.5.Технологические схемы процесса получения окисленных битумов
1.6.Интенсификация процесса получения нефтяных битумов
1.7.Модифицирование битумов
2.Методические указания к выполнению курсового и дипломного проектов
2.1.Введение
2.2. Литературный обзор
2.3. Выбор принципиальной технологической схемы установки и параметров для ведения процесса окисления
2.4.Исходные данные для проектирования
2.5.Технологические расчеты
2.5.1.Материальный баланс установки
2.5.2.Материальный баланс колонны окисления
2.5.3.Тепловой баланс окислительной колонны
2.6. Механический расчет колонны окисления
2.6.1.Определение геометрических размеров колонны
2.6.2.Конструкция колонны и условия эксплуатации
2.6.3. Расчет на прочность и устойчивость корпуса
2.6.3.1. Расчет обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением
2.6.3.2. Расчет днищ
2.6.3.3.Расчет обечайки, нагруженной наружным давлением
2.6.3.4.Толщина днища, нагруженного наружным давлением
2.6.4.Выбор стандартных штуцеров
2.6.5. Расчет весовых характеристик аппарата
2.6.6. Выбор опоры
2.7.Выбор комплектующих элементов привода
2.8.Пример расчета окислительной колонны
2.8.1.Расчет материального баланса колонны
2.8.2.Расчет теплового баланса колонны
2.8.3.Механический расчет колонны окисления
2.8.3.1.Расчет геометрических размеров окислительной колонны
2.8.3.2.Конструкция колонны и условия эксплуатации
2.8.3.3.Расчет на прочность и устойчивость корпуса
2.8.3.4.Выбор стандартных штуцеров
2.8.3.5.Расчет весовых характеристик аппарата
2.8.3.6.Выбор опоры
2.8.3.7.Выбор комплектующих элементов привода
2.9.Расчет вспомогательного оборудования
3.Лабораторный контроль производства и нормы технологического режима
4.Техника безопасности и охрана труда на производстве
5.Заключение

ПРОИЗВОДСТВО ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших направлений в области нефтепереработки является рациональное использование нефтяных остатков путем вовлечения их в такие процессы, как висбрекинг, коксование, деасфальтизация, производство битумов и др.

Нефтяные битумы относятся к одним из самых многотоннажных видов нефтепродуктов в России и за рубежом. Они широко применяются в дорожном строительстве, при ремонте дорог, аэродромов, в промышленном и гражданском строительстве (для изготовления кровельных материалов, для изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии, для приготовления лакокрасочных материалов).

Потребление нефтяных битумов в области строительства и ремонта дорог составляет: в РФ – 35 %, в США – 73,6 %, в западноевропейских странах – 79,8 %. Такое распределение в потреблении битумов объясняется разветвленностью сети дорог в США и большой нагрузкой автотранспорта.

Доля дорожных покрытий с применением битума в России составляет 93–95 % от всех усовершенствованных покрытий.

Потребность дорожных битумов в Республики Татарстан превышает уровень битумного производства и составляет 250–300 тыс. тонн в год. Значительное количество битумов завозится в Республику из соседних регионов, где налажено их производство (Пермь, Уфа, Новокуйбышевск и др.).

На состояние и развитие битумного производства в России оказывает влияние ряд существенных специфических факторов:

- сезонность выработки битумов дорожных марок;

- резко возросшая в последние 10-15 лет степень «парафинистости» нефтей (повышенное содержание парафиновых углеводородов нормального строения).

- неадекватная система ценообразования, при которой отпускная цена битума составляет лишь 60-70 % от стоимости исходной нефти;

- сложность проведения технологических операций (высокая вязкость гудрона и битума);

- морально и физически устаревшее оборудование битумных установок;

- неконтролируемый разброс показателей качества сырья.

С ростом цен на нефть и энергию, с одной стороны, и возрастанием интенсивности воздействия на дорожные покрытия, с другой, экономически целесообразный срок службы дорожных асфальтобетонных покрытий стал превышать их фактическую долговечность.

В нашей стране исторически сложилось, что нефтеперерабатывающая промышленность в основном заинтересована в углублении процесса переработки и максимального отбора светлых фракций, однако полностью отсутствует база нефтепереработки, которая целенаправленно занималась бы производством качественных дорожных битумов.

Дорожные битумы, выпускаемые отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями, принципиально отличаются по своему качеству от битумов, производимых за рубежом, где в качестве исходного сырья для производства дорожных битумов используются только нефти определенного группового химического состава и где практически отсутствует твердый парафин. Для производства битумов дорожного назначения созданы специальные нефтебитумные заводы, поставку сырья для которых обеспечивают водным путем из Венесуэлы и Ливии.

Республика Татарстан располагает крупнейшим в России ресурсным потенциалом природных битумов на 450 месторождениях, которые по групповому химическому составу идентичны венесуэльским нефтям.

Качество нефтяных битумов служит определяющим фактором в обеспечении долговечности дорожных покрытий. На сегодняшний день до 70 % выпускаемых в России и странах СНГ битумов не соответствуют по ассортименту и качеству требованиям современного рынка, и в первую очередь это касается битумов дорожного, строительного и специального назначений. Низкое качество дорожных битумов ведет к тому, что срок службы дорог в России составляет в среднем 6–7 лет, в то время как в развитых зарубежных странах этот показатель достигает 10–15 лет.

Уменьшение природных запасов нефти и сложность получения качественного битума из перерабатываемого сырья на большинстве битумных установок вызывает необходимость поиска новых материалов для получения вяжущих заданного качества.

Химическая технология получения битума из нефтяных продуктов в том виде, в котором она сейчас реализуется, по-видимому, исчерпала себя.

Остается путь физико-химической модификации битума путем совмещения его с эластомерами и полимерами, обладающими способностью к высокоэластичным деформациям как при весьма низких температурах (– 40 ^оС ÷ –60 ^оС), так и при высоких (более 100^оС).

Поэтому все большее распространение в последнее время получают полимер–битумные вяжущие (ПБВ) и битумы, модифицированные добавками, позволяющие расширить температурный интервал работоспособности за счет повышения теплостойкости и морозостойкости, обеспечить надежность и долговечность сооружений. Целесообразность применения в составе дорожного асфальтобетона битума, модифицированного тем или иным видом модификатора, в каждом конкретном случае обосновывается с технической и экономической точки зрения. По расчетам специалистов ФГУП «Союздорнии», организация государственного заказа на ПБВ только в системе «Росавтодора» позволила бы увеличить поступления в госбюджет на 2,24 млрд. руб. за счет увеличения срока службы дорожных покрытий более чем в 2 раза.

Способу производства

Для производства нефтяных битумов используют следующие процессы:

- концентрирование тяжелых нефтяных остатков (ТНО) под вакуумом (остаточные битумы);

- деасфальтизациятяжелых нефтяных остатков избирательными растворителями (осажденные битумы);

- окисление нефтяных остатков кислородом воздуха при высокой температуре (получение окисленных битумов);

- компаундирование остаточных битумов с окисленными битумами или с асфальтами процесса пропан–бутановойдеасфальтизации (компаундированные битумы).

Обычным сырьем вакуумной перегонки является остаток атмосферной перегонки нефти – мазут.

Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырье с большим содержанием асфальто–смоли-стых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых высокосмолистых сернистых нефтях. Главным в процессе вакуумной перегонки является извлечение дистиллятных фракций для выработки моторных топлив (начальный этап). Побочный продукт этого процесса – гудрон соответствует требованиям на сырье в производстве битумов.

Вакуумная перегонка мазута обеспечивает снижение содержания твердых парафинов и парафино-нафтеновых углеводородов.

Количество нефтей, подходящих для производства остаточных битумов, в России ограничено, чем и объясняется тот факт, что в России до настоящего времени почти весь объем потребляемого битума вырабатывается в основном с использованием процесса окисления нефтяных остатков. За рубежом же, наоборот, основную массу вырабатываемого битума составляют остаточные битумы. Так, во Франции 85 % производимого битума составляют остаточные битумы, в США – свыше 35 %.
В России ресурсами таких нефтей располагают Татарстан (например, Мордово-Кармальское месторождение), Башкортостан, Республика Коми, Пермский край и др.

Впервые в России технология получения остаточных дорожных битумов внедрена на ОАО «Уфанефтехим».

Существенным недостатком процесса производства остаточных битумов является трудность получения тугоплавких битумов, связанная с необходимостью создания глубокого вакуума.

При производстве остаточных битумов в ряде случаев на АВТ имеются специально предназначенные для этого дополнительные вакуумные колонны, где поддерживается остаточное давление от 3 до 10 мм рт. ст.

Основное назначение процесса деасфальтизации гудрона парафинами – получение деасфальтизата, являющегося сырьем для производства масел и установок каталитического крекинга и гидрокрекинга. Применение процесса деасфальтизации, не имеющего ограничений по термической стабильности разделяемых компонентов, позволяет существенно расширить сырьевую базу каталитических термодеструктивных процессов за счет отбора остаточной части масляных компонентов. Остаток деасфальтизации в некоторых случаях соответствует требованиям стандарта на битум, хотя его чаще используют как компонент сырья битумного производства.

Несмотря на наличие ресурсов тяжелых высокосмолистых нефтей, в Татарстане весь объем потребляемого битума производится на окислительных установках. Окисление кислородом воздухом позволяет существенно увеличить содержание асфальто–смолистых веществ.

В схему современного битумного производства должен быть включен специальный блок подготовки сырья для оптимизации фракционного и группового состава гудона. Утяжеление гудрона – это одновременно и способ снижения его парафинистости, а повышение агоароматизированности (например, компаундированием) позволяет одноавременно регулировать и фракционный состав подготовленного гудрона.

Процесс производства окисленных битумов на большинстве российских НПЗ достаточно хорошо технологически отработан и не вызывает каких – либо серьезных проблем. К наиболее современным в этом плане относятся битумные производства в ОАО «Новокуйбышевский НПЗ», в ОАО «Ярославнефтеоргсинтез», «Пермнефтеоргсинтез», «Нижегороднефтеоргсинтез».

Наличие блока подготовки сырья и современного автоматизированного блока окисления - достаточная гарантия стабильного производства дорожных битумов, соответствующих ГОСТ 22245-90.

Широко распространено смешение различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов (компаундированные битумы). Одним из важных компаундов компаундированных битумов являются экстракты селективной очистки дистиллятных масел и деасфальтизаты, т.к., являясь концентратом полициклической ароматики, они придают битуму эластичность и хорошую растяжимость.

Так, на ОАО «Уфанефтехим» производство остаточных битумов включает две стадии:

а) глубоковакуумную перегонку мазута с получением гудрона с температурой размягчения 42–43 ^оС;

б) компаундирование данного гудрона с асфальтом процесса пропан-бутановойдеасфальтизации.

Компаундирование же остаточных и окисленных битумов позволяет улучшить качество битума, поскольку в этом случае имеет место сочетание их преимуществ.

 

ОКИСЛЕННЫХ НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ

Выбор битума, используемого в качестве прочной водонепроницаемой связующей среды в асфальтобетоне, зависит от следующих факторов: от способа строительства дороги, интенсивности движения автотранспорта, климатических условий, наличия местных строительных материалов, дорожных механизмов и от экономических факторов. Необходимость обеспечения повышенных требований к эксплуатационным свойствам битумов требует более глубокого и всестороннего изучения состава и свойств битумов, влияния на эти показатели составов остаточного сырья и технологических параметров процессов производства. Кроме этого, необходимо изучение кинетики процесса окисления и природы сырья, применение новых схем и средств автоматизации для интенсификации процессов производства битумов, анализа технико-экономических показателей работы битумных установок.

Природа сырья

Природа сырья оказывает существенное влияние на свойства окисленных битумов. Соответствующим подбором сырья можно получать окисленные битумы с различными свойствами. С понижением содержания масел в исходном гудроне повы-шаются значения растяжимости, температур хрупкости и вспышки битумов, понижаются значения их теплостойкости и интервала пластичности, уменьшаются расход воздуха и продолжительность окисления.

Битумы из асфальта деасфальтизации содержат меньше парафино-нафтеновых соединений и больше смол и асфальтенов, что обусловливает их меньшие значения пенетрации, интервала пластичности и улучшенные низкотемпературные, пластические и когезионные свойства по сравнению с битумами с аналогичной температурой размягчения, но полученными окислением гудрона из той же нефти.

Действие парафиновых соединений зависит от дисперсной структуры битума; содержание их в сырье допустимо до 3 % мас. Парафины хрупки, ломки, как кристаллические вещества, не обладают пластическими и клеящими свойствами. Повышение содержания парафиновых соединений в сырье понижает растяжимость битумов, адгезию к минеральным материалам, а также увеличивает расход воздуха и продолжительность окисления, но при этом увеличивает значение пенетрации.

Парафино-нафтеновые соединения в сырье являются разжижителями и пластификаторами, улучшающими свойства битумов; желательно их присутствие в сырье до 10 ÷ 12 %.

Присутствие серы и сернистых соединений в сырье способствует улучшению свойств окисленных битумов.

Моноциклические ароматические соединения ведут себя аналогично парафино-нафтеновым углеводородам: улучшают пластичность и снижают температуру хрупкости окисленных битумов.

Одинаковое поведение парафино-нафтеновых и моноциклических ароматических соединений, выражающееся в торможении процесса окисления, объясняется сходством структуры их молекул. Лучшим сырьем для получения окисленных битумов являются остатки высокосмолистых нефтей ароматического основания.

Температура процесса

Чем выше температура окисления, тем быстрее протекает процесс. Однако при слишком высокой температуре ускоряются реакции образования карбенов и карбоидов, что недопустимо.

При окислении сырья до битумов протекает очень много реакций, константы скоростей которых различны. С повышением температуры процесса возрастает скорость реакций дегидри-рования молекул сырья, увеличивается содержание диоксида углерода в отходящих газах окисления и доля кислорода, расходуемого на образование воды. При этом также уменьшается количество карбоксильных групп в результате их разложения, увеличивается доля сложноэфирных групп, слабых кислот, фенолов в окисленном битуме, а также коэффициент рефракции полицик-лических ароматических соединений в битуме. Остатки высокосмолистых нефтей окисляют при 250 ÷ 280°С, парафинистых – при 270 ÷ 290 °С. С повышением температуры выше 250 °С увеличиваются значения температур размягчения и хрупкости битума, а значения пенетрации, растяжимости, теплостойкости и интервала пластичности понижаются.

По мере повышения температуры процесса ее влияние на скорость окисления сырья несколько уменьшается. С повышением температуры продолжительность окисления и суммарный расход воздуха снижаются, причем при температуре выше 270 °С степень использования кислорода воздуха понижается.

В зависимости от природы сырья и требуемых свойств битума следует подбирать соответствующую температуру окисления. Для большинства видов сырья с учетом экономической целесообразности она близка к 250 °С [2].

Расход воздуха

Расход воздуха, степень его диспергирования по сечению окислительной колонны существенно влияют на интенсивность процесса и свойства битумов. Традиционно тонкое диспергирование кислорода в гудроне достигается применением маточных устройств специальной конструкции.

Увеличение расхода воздуха до определенного предела при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению скорости окисления (то есть кислород является инициатором процесса). При слишком большой подаче воздуха температура в реакционной зоне может подняться выше допустимой. Так как реакция окисления экзотермическая, то изменением расхода воздуха можно регулировать температуру процесса.

Как уже указывалось, для процесса окисления характерны реакции дегидрирования, приводящие к образованию водяных паров. На это расходуется значительная часть кислорода, вводимого с воздухом.

При небольшой скорости подачи воздуха и при более продолжительном времени окисления окисленный битум обладает низкой пенетрацией, поэтому для получения битума с повышенными значениями пенетрации и теплостойкости целесообразно увеличить скорость подачи сжатого воздуха.

С увеличением расхода воздуха до определенного значения (1,4 м³/мин на 1т сырья) эффективность процесса повышается, а при дальнейшем увеличении снижается, ухудшается степень использования кислорода воздуха, что недопустимо с точки зрения техники безопасности (концентрация кислорода в отработанных газах окисления составляет 8 ÷ 10%, что соответствует минимальному взрывоопасному содержанию кислорода). Теплостойкость окисленных битумов при этом повышается.

Общий расход воздуха зависит от химического состава сырья и от качества получаемого битума.

На некоторых НПЗ проведена модернизация и переобвязка действующих окислительных колонн с целью повышения степени использования кислорода воздуха. К ним, прежде всего, следует отнести создание колонн с внутренним или наружным разделением зон реакции и сепарации (ОАО «Рязанская НПК») и колонн с квенчинг-секцией. Такие решения позволяют повысить эффективность работы окислительной колонны за счет снижения нагрузок по воздуху и повышения температуры окисления в зоне реакции. Для этой же цели достаточно эффективно механическое перемешивание фаз в колоннах (ОАО «Ярославнефтеоргсинтез», «ТАИФ –НК»), применение газожидкостных кавитационно-вихревых или ультразвуковых диспергаторов (ОАО «Пермнефтеоргсинтез», «Новокуйбышевский НПЗ»)

Давление

Повышение давления в зоне реакции способствует интенсификации процесса окисления и улучшению качества окисленных битумов.

С повышением давления в зоне реакции улучшается диффузия кислорода в жидкую фазу, сокращается продолжительность окисления; в результате конденсации части масляных паров из газовой фазы улучшаются тепло- и морозостойкость и увеличивается интервал пластичности получаемых битумов.

Соответствующим подбором давления в системе можно регулировать состав и свойства получаемых битумов.

Интенсивность окисления сырья до битумов на непрерывной установке колонного типа повышается с увеличением температуры, расхода воздуха и давления в реакторе. Наилучшей теплостойкостью обладают битумы, полученные непрерывным окислением сырья при низкой температуре, умеренном расходе воздуха и повышенном давлении.

Применение подогретого до 313 ÷ 482 °С сжатого воздуха повышает скорость окисления, особенно при получении высокоплавких битумов, не оказывая существенного влияния на их качество. Увеличение высоты столба жидкости в реакторе значительно повышает температуру размягчения битума, не меняя соотношения между температурой размягчения и пенетрацией, что подтверждает преимущество вертикальных окислительных колонн. Увеличение уровня жидкой фазы повышает эффективность процесса, так как при этом увеличивается длина пути газовых пузырьков. Однако для аппаратов такого типа существует некоторый предел заполнения жидкой фазой, выше которого эффективность процесса уже не меняется.

Давление обычно колеблется от 0,3 до 0,8 МПа. Несмотря на увеличение интенсивности процесса с повышением давления, окисление под давлением не нашло широкого применения в связи с усложнением оборудования, и обычное давление не превышает 0,25 ÷ 0,30 МПа.

Свойства битумов

Современный подход к изучению состава и структуры нефтяных остатков и битумов базируется на результатах исследований таких ученых, как Л.Г. Гуревич, П.А. Ребиндер, И.Л. Гуревич, Н.И. Черножуков, А.С. Колбановская, Р.Б. Гунн, С.Р. Сергиенко, Д.А. Розенталь, Н.В. Михайлов, Р. Тракслер, Г. Макк, Дж. Прейффер, Х. Нойман и др.

В состав нефтяных остатков и битумов входят гетеропроизводные соединения, содержащие кислород, серу, азот, металлы (ванадий, никель, железо, натрий и др.) В зависимости от месторождения нефти, ее природы и физико-химических свойств, а также от способа получения остатка элементный и углеводородный состав его различен и меняется в широком интервале. В силу сложного гибридного строения нефтяных остатков и битумов детальное извлечение индивидуальных углеводородов в чистом виде затруднено, что накладывает отпечаток на их изучение.

Уникальные свойства битума обусловлены высокой концентрацией в них высокомолекулярных компонентов, склонных к межмолекулярным взаимодействиям.

Нефтяные битумы – это дисперсные системы, в которой дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой – асфальтены. В зависимости от степени агрегирования и пептизации нефтяные битумы образуют различные мицеллярные системы: золи; золи – гели; гели.

Компонентный состав битума предопределяет его коллоидную структуру и реологическое поведение и тем самым – технические свойства.

Из-за большого многообразия соединений, входящих в состав битума, не представляется возможным выделить какие либо индивидуальные вещества из этой сложной смеси. Кроме того, основная масса соединений, входящих в его состав, представляет собой вещества гибридного характера. Единственный класс соединений, которые можно выделить из битумов в более или менее чистом виде – это парафины.

Сложность состава битумов подтверждается и тем, что их молекулярно-весовое распределение охватывает границы от 300 до 40000 и более. Все это является причиной того, что анализ битумов затруднителен, неточен и преследует своей целью выделить лишь характерные группы, отличающиеся большим или меньшим однообразием их состава.

Для оценки состава битума и его влияния на его эксплутационные свойства, битум разделяют на следующие группы веществ, различающихся по растворимости: масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, карбены и карбоиды.

Масла являются наиболее легкой частью битумов. Именно состав масляного компонента гудрона меняется наиболее значительно при изменении глубины отбора дистиллятных фракций в процессе перегонки нефти.

Элементный состав масел: углерода – 85 ÷ 88 %, водорода –

–10 ÷ 14 %, серы – до 4,5 %, незначительные количества кислорода и азота. Молекулярная масса масел 240 ÷ 800, отношение С: Н (атомное), характеризующее степень ароматичности, – 0,55 ÷ 0,66. Плотность масел < 1 г/см³ (< 1000 кг/м³).

Характеристика масляных соединений, входящих в состав битумов: парафиновые соединения нормального и изостроения с числом углеродных атомов 26 имеют плотность 0,79 ÷ 0,82 г/см³, молекулярную массу 240 ÷ 600, температуру кипения 350 ÷ 520 °С, температуру плавления 50 ÷ 90 °С. Нафтеновые структуры содержат от 20 до 35 углеродных атомов; их плотность 0,82 ÷ 0,87 г/см³, молекулярная масса моноциклических 450 ÷ 620, бициклических – 430 ÷ 600, полициклических – 420 ÷ 670. Алифатические цепи укорачиваются при переходе от моно- к бициклическим.

С повышением содержания масел в битумах, а точнее соотношения «масла:асфальтены», повышаются значения пенетрации, текучести, испаряемости и понижаются значения температур размягчения, хрупкости и вязкости битумов.

Смолы являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Углеродный скелет молекул смол – полициклическая система, состоящая преимущественно из конденсированных ароматических колец с алифатическими боковыми цепями. Элементный состав смол: углерода – 79 ÷ 87 %; водорода – 8,5 ÷ 9,5 %; кислорода – 1 ÷ 10 %; серы – 1 ÷ 10 %; азота – до 2 %, а также другие элементы, включая металлы. Молекулярная масса смол – 300 ÷ 2500. Переход от смол к асфальтенам сопровождается повышением доли атомов углерода в ароматических структурах с увеличением степени их конденсированности. Число углеродных атомов в соединениях, составляющих смолы, 80 ÷ 100. По сравнению с асфальтенами смолы имеют большее число и длину боковых алифатических цепей. Отношение С: Н = 0,6 ÷ 0,8. Температура размягчения составляет 35 ÷ 80 °С.

Большое влияние на структуру и свойства битумов оказывают асфальтены – твердые аморфные вещества от темно-бурого до черного цвета.

Асфальтены рассматриваются как продукт уплотнения смол. По сравнению с другими компонентами битумов они нерастворимы в насыщенных углеводородах нормального строения, смешанных полярных растворителях, растворимы в бензоле, его гомологах, сероуглероде и четыреххлористом углероде. Плотность асфальтенов> 1г/см³. Элементный состав, % мас.: углерода – 80 ÷ 84, водорода – 7,5 ÷ 8,5, серы – 4,6 ÷ 8,3, кислорода – до 6, азота – 0,1. Определение молекулярной массы асфальтенов сталкивается со значительными трудностями, поскольку молекулы их склонны к ассоциации. Поэтому в зависимости от применяемого метода получаемые значения молекулярной массы сильно отличаются (от 900 до 140000). Степень цикличности асфальтенов и соотношение в них ароматических, нафтеновых и гетероциклических колец, степень конденсированности колец колеблются в широких пределах, химический состав асфальтенов вследствие их сложности изучен недостаточно. Отношение С: Н для асфальтенов 0,94 ÷ 1,3.

Асфальтены выделяются из битумов на основании их нерастворимости в низкомолекулярных парафиновых углеводородах (С₅÷ С₇). И причиной их нерастворимости может быть не только наличие конденсированных ароматических структур, но и наличие полярных групп. Асфальтены обуславливают твердость и высокую температуру размягчения битума.

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды стабилизируют коллоидную структуру битума и растворяются в хлороформе. Плотность асфальтогеновых кислот > 1 г/см³.

Карбены и карбоиды являются высокоуглеродистыми продуктами высокотемпературной переработки нефти и ее остатков. Карбены не растворяются в четыреххлористом углероде, карбоиды – в сероуглероде. Содержание и химический состав каждого компонента битума влияет на его физико-химические свойства.

Результаты исследований показывают, что при понижении отношения масел к асфальтенам увеличивается вязкость. Ароматические соединения и смолы практически одинаково влияют на свойства битумов. Пенетрация почти не зависит от суммы ароматических соединений и смол, а определяется соотношением насыщенных соединений и асфальтенов; с возрастанием этого соотношения температура размягчения повышается. При содержании в битуме менее 20 % асфальтенов температура размягчения изменяется в обратной зависимости от пенетрации; при повышении отношения насыщенных соединений к асфальтенам температура размягчения понижается.

Температура хрупкости, подобно пенетрации, не зависит от суммы ароматических соединений и смол, а определяется в основном отношением насыщенных соединений к асфальтенам. В области низких значений (–18 °С) температура хрупкости практически зависит от содержания насыщенных соединений. Интервал пластичности определяется в основном отношением «(ароматические соединения + смолы): асфальтены». С увеличением величины этого отношения, а также содержания насыщенных соединений интервал пластичности уменьшается. Растяжимость битумов при 25 °С обычно выше 100 см при отношении насыщенных соединений к асфальтенам, равном 2,3. Понижение этого отношения вызывает резкое уменьшение растяжимости до нуля, а повышение – постепенное уменьшение, особенно при 15 °С.

На свойства битумов влияют характеристики их компонентов. Строение и структура асфальтенов играют решающую роль и зависят главным образом от технологии получения битумов, а незначительно – от природы сырья. Степень конденсации ароматических соединений и смол влияет на свойства битумов. Так как в битуме содержится до 40 % смол, их свойства оказывают решающее влияние на его растяжимость, адгезию и когезию.

На качество битума существенно влияет характеристика масляного компонента. С возрастанием вязкости масел повы-шаются значения температур размягчения и хрупкости битума, уменьшается пенетрация, проходит через максимум растяжимость. Большую роль играет ароматичность масел, то есть отношение числа атомов углерода, находящихся в ароматических кольцах, к общему числу углеродных атомов а молекуле. За меру ароматичности принимают коэффициент растворяющей способности. Парафиновые соединения, содержащиеся в мальтеновой фракции, не обладают растворяющей способностью по отношению к асфальтенам; растворяющая способность нафтеновых соединений в трираза меньше, чем ароматических. Увеличение ароматичности масляного компонента битума, уменьшение отношения асфальтенов к смолам ослабляют прочность структуры битумной системы. Это происходит в результате большего диспергирования асфальтеновых мицелл в масляных фракциях, обладающих большей растворяющей способностью. В результате битум переходит в состояние золя и теряет вязкостно-эластичные свойства, что приводит к понижению температуры размягчения и пенетрации при 0 °С, повышению температуры хрупкости иувеличению индекса пенетрации, то есть к увеличению крутизны вязкостно-температурной кривой.

Парафиновые соединения, содержащиеся в битумах, отличаются от парафиновых углеводородов, вводимых в битум извне, чем и вызвано их иное влияние на свойства битумов. Твердые парафины как кристаллические вещества не обладают пластическими и клеящими свойствами; покрывая тонкой пленкой битум, они ухудшают его способность к растяжимости и снижают температурный интервал пластичности, прочность и адгезию к поверхности минеральных материалов. Последние исследования влияния твердых парафинов на свойства окисленных дорожных битумов показали, что свойства битумов зависят не только от содержания этих компонентов, но и от структуры их молекул.

При исследованиях под микроскопом в маслах и смолах не обнаруживаются кристаллы парафина, что объясняется их хорошей растворимостью в этих компонентах. Это ставит под сомнение устаревшие взгляды на отрицательные свойства парафиновых битумов. В результате охлаждения битума парафины в течение длительного времени остаются в растворенном виде.

К основным эксплуатационным свойствам битумов относятся:

 

– пенетраци я – этот показатель характеризует глубину проникания в битумы стандартной иглы при определенном режиме, обусловливающем способность этого тела проникать в продукт, а продукта – оказывать сопротивление этому проникновению (при 25^оС, нагрузке 1000 Н, прилагаемой в течение 5 с.). Пенетрация косвенно характеризует твердость битума и измеряется в десятых долях миллиметра (ГОСТ 11501-78);

– температура размягчения – это температура, при которой битумы из относительно твердого состояния переходят в жидкое. Испытание проводят по ГОСТ 11506-73 методом «Кольцо и Шар» (КиШ);

– температура хрупкости – это температура, при которой материал разрушается под действием кратковременно приложенной нагрузки. Температура хрупкости характеризует поведение битума при низких температурах (чем она ниже, тем выше качество битума); определяется по ГОСТ 11507-78. Сущность метода заключается в охлаждении и периодическом изгибе образца битума и определении температуры, при которой появляются трещины или образец битума ломается;

– растяжимость (дуктильность) битума характеризуется расстоянием, на которое его можно вытянуть при определенных условиях в нить до разрыва. Этот показатель косвенно характеризует силы межмолекулярного взаимодействия компонентов битума и его прилипаемость к различным материалам. Растяжимость битумов определяется по ГОСТ 11505 – 75. Дорожные нефтяные битумы имеют высокую растяжимость – более 40 см;

– индекс пенетрации – характеризует степень коллоидности битума или отклонение его состояния от вязкостного и определяется по эмпирической формуле, на основе которой составлена номограмма;

– адгезия (прилипание) объясняется образованием двойного электрического поля на поверхности раздела пленки битума и минерального материала. Адгезию оценивают по степени покрытия битумом поверхности частиц щебня или гравия после обработки образца в кипящей воде. Адгезионная способность битума зависит от его химического состава: в присутствии парафина она снижается, поэтому его содержание ограничивается (не более 5 %); с повышением молекулярной массы асфальтенов, входящих в состав битума, его адгезионные свойства улучшаются. Адгезия битумов зависит также от полярности компонент