К нефтяным вяжущим материалам относятся битумы, пеки, мастики. Из всех физико-химических свойств, характеризующих данные нефтепродукты, к наиболее важным показателям относятся: температура размягчения, пенетрация (глубина проникновения иглы) и растяжимость (дуктильность), а так же температура хрупкости по Фраасу.
За температуру размягчения битума принимают температуру, при которой битум переходит в капельно-текучее состояние в стандартных условиях определения. При определении температуры размягчения используют метод кольца и шара (КиШ), сущность которого состоит в следующем: расплавленный битум заливают в медные кольца, далее на них накладывают стальные шарики и помещают в стакан с водой на специальном штативе и нагревают. Температура, при которой стальной шарик продавит слой битума в кольце и коснется контрольного диска на дне стакана, принимают за температуру размягчения.
Степень твердости битума, его структурно-прочностные свойства, характеризуются глубиной проникновения иглы (пенетрацией) в стандартных условиях. Определение пенетрации проводят на приборе – пенетрометре при 25 и 0 °C. В соответствии с методикой расплавленный битум заливают в медную чашку, термостатируют и ставят на столик прибора. Пенетрация определяется как глубина проникновения иглы в битум в течение 5 с (при температуре определения 25 °С) или 60 с (при 0 °С) под действием стандартной нагрузки (100 г при температуре определения
25 °С и 200 г при 0 °С), в десятых долях мм.
Под растяжимостью (дуктильностью) понимают способность битума вытягиваться в тонкие нити под действием приложенной к нему силы. На этом свойстве основано использование битума для цементирования измельченных каменных материалов, применяемых при строительстве дорог. Определение дуктильности проводят на стандартном приборе – дуктилометре при 25 °C и 0 °C. По методике битум заливают в стандартные формы, которые термостатируют и устанавливают на салазки прибора. Одна половина салазок начинает движение со скоростью 5 см/мин. Расстояние пройденное салазками до момента разрыва нити (в см) отмечается как растяжимость.
Температура хрупкости характеризует низкотемпературные свойства битумов, склонность их к растрескиванию и ломке при низкой температуре. Сущность метода состоит в том, что на стандартную пластинку наносят слой битума, а после его отвердения, пластину помещают в аппарат Фрааса. В аппарате пластина с образцом битума охлаждается со скоростью 1 °C/мин. За 10 °C до ожидаемой температуры хрупкости пластину изгибают. Операцию по изгибу повторяют через каждую минуту и следят за состоянием поверхности битума. За температуру хрупкости по Фраасу принимают момент появления первой трещины на пленке битума.
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение (s) – величина, характеризующая состояние поверхности жидкости на границе раздела фаз. Численно равна работе
(в Дж), которая затрачивается на преодоление сил притяжения молекул, выходящих на поверхность при образовании единицы поверхности (1 м2) (например, образование пузырей в жидкости требует затрат энергии на образование новой поверхности). Измеряется в Н/м (Дж/м2).
Поверхностное натяжение играет большое значение в процессах нефтепереработки. Оно зависит от многих факторов, а именно: от температуры, давления, химсостава жидкости и соприкасающихся с ней фаз. С повышением температуры s убывает, а при критической температуре равно нулю (т.к. энергия связи молекул жидкости равна нулю и не требуется никакой работы по ее преодолению). С увеличением давления поверхностное натяжение для системы газ-жидкость убывает.
Поверхностное натяжение в существенной степени определяется химсоставом жидкости – оно максимально для ароматических и минимально для парафиновых углеводородов, нафтены занимают промежуточное положение.
Поверхностное натяжение жидкой фазы может значительно изменяться при растворении в ней поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и изменять величину поверхностной энергии системы, не скомпенсированной взаимным притяжением молекул. С увеличением концентрации ПАВ поверхностное натяжение жидкости сначала интенсивно снижается, а затем стабилизируется, что говорит о полном насыщении поверхностного слоя молекулами ПАВ.
К естественным ПАВ, снижающим поверхностное натяжение системы (нефти или нефтепродуктов), относятся спирты, фенолы, смолы, асфальтены, нафтеновые и карбоновые кислоты и др.
Для измерения s нефти и нефтепродуктов применяется ряд методов: метод отрыва кольца, метод отрыва капли, метод наибольшего давления пузырька, капиллярный метод и др.
Поверхностное натяжение нефтепродуктов (Н×м) может быть найдено и расчетным путем:
s = 10–5 (5ρ204 – 1,5). (2.75)
Перерасчет s с одной температуры на другую можно вести по соотношению:
s Т = s0 – А (T – T 0)×10-3, (2.76)
где А – коэффициент (значения А находятся в пределах 0,07–1).
s0 – поверхностное натяжение при температуре Т 0, Н×м.
Характерные температуры
Температуры вспышки
Температура вспышки – это температура, при которой, нефтепродукт, нагреваемый в стандартных условиях, выделяет такое количество паров, которое образует с окружающим воздухом горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней открытого пламени.
Температура вспышки характеризует испаряемость нефтепродуктов и его огнеопасность. Чем фракция легче, тем ниже ее температура вспышки и наоборот. Бензиновые фракции имеют отрицательные температуры вспышки, керосиновые в пределах 35–60 °C, масляные 130–250 °C.
Присутствие влаги и продуктов распада оказывает значительное влияние на температуру вспышки, в связи с чем, этот показатель широко используется для характеристики чистоты получаемых при перегонке нефтяных фракций.
Стандартизованы два метода определения температуры вспышки: в открытом тигле и закрытом тигле. Разница в определениях этими методами для одного и того же нефтепродукта весьма значительна и зависит от величины температуры вспышки – чем она больше, тем выше эта разница. Это объясняется тем, что в закрытом тигле необходимое для вспышки количество нефтяных паров накапливается раньше (при меньшей температуре), чем в приборе открытого типа, в котором образующиеся пары могут свободно диффундировать в воздух.
По температуре вспышки нефтепродукта судят о возможности образования взрывчатых смесей его паров с воздухом. Смесь паров с воздухом становится взрывоопасной, когда концентрация паров нефтепродуктов достигает в ней определенных значений. В соответствии с этим, различают нижний предел взрываемости (концентрация паров нефтепродукта меньше, чем требуется для образования взрывчатой смеси) и верхний предел взрываемости (концентрация кислорода в смеси меньше, чем требуется для взрыва).
Нижний и верхний пределы взрываемости можно определить по формулам:
; (2.77)
, (2.78)
где N Н и N В – концентрации, соответствующие нижнему и верхнему пределам взрываемости, об. %;
m – число атомов кислорода, необходимое для сгорания одной молекулы углеводорода.
На величину нижнего и верхнего пределов взрываемости оказывают влияние молекулярная масса углеводорода, его класс, а также температура, давление и присутствие инертных примесей.
Для смеси газов пределы взрываемости (нижний или верхний) можно определить по формуле:
(2.79)
где ni – концентрация i -го компонента смеси, об. %;
Ni – нижние или верхние пределы взрываемости i -го компонента смеси.