Мазуты, углемазутные суспензии, битумы

При атмосферном давлении часть нефти не перегоняется без глубоких превращений. Остаточный продукт — мазут — состоит из тяжелых углеводородов и обогащен по сравнению с исходной нефтью смолами, асфальтенами, карбенами и карбоидами. Эти вещества отличаются от углеводородов, составляющих основу нефти и нефтепродуктов, более высокими молекулярной массой, соотношением атомов углерода и водорода в молекуле, присутствием в них атомов кислорода, а иногда также серы и азота. Они нерастворимы или ограниченно растворимы в парафиновых углеводородах и более растворимы в ароматических. Растворимость падает в ряду смолы — асфальтены — карбены — карбоиды. Карбены и особенно карбоиды практически нерастворимы и существуют в виде дисперсных углистых частиц. Растворимость смол и асфальтенов в нефтяных маслах связана со строением их молекул и возрастает с уменьшением молекулярной массы.

Мазут используется как топливо или компонент битумов. Из него путем дальнейшей перегонки при пониженном давлении получают масло. Сжигание мазута, в котором содержатся масла и другие ценные компоненты нефти, нерационально, однако оно продолжается по ряду технико-экономических соображений. Более целесообразно использование в качестве топлива углемазут-ных суспензий — взвесей порошкообразного угля в мазуте. При разгонке мазута под вакуумом получаются масла и в остатке гудрон — продукт с еще более высоким содержанием смол и асфальтенов, к тому же с более высокой молекулярной массой.

При применении мазута в качестве топлива основную роль играет его теплотворная способность. Вязкость и поверхностное натяжение относятся к числу свойств, косвенно влияющих на полноту использования основного качества мазута. Вязкость создает сопротивление при прокачивании по топливопроводам, а поверхностное натяжение влияет на размер капель мазута при распылении его форсунками топки.

Вязкость мазута высока. Она определяется двумя факторами — вязкостью раствора смол и асфальтенов в масле и ассоциацией последних.

этого процесса от отношения молекулярной массы вещества к массе кислорода, содержащегося в нем

Как следует из рис. 4, критическая концентрация ассоциации снижается и энергия взаимодействия возрастает по мере увеличения содержания кислорода в молекуле. Иначе говоря, по мере уменьшения отношения молекулярной массы (М), приходящейся на одну молекулу кислорода (О2), — отношения М/О2. С точки зрения коллоидной химии этот показатель свойств компонентов остаточных продуктов нефти имеет такое же значение, как показатель С/Н, характеризующий отношение атомов углерода к атомам водорода. Увеличение последнего показателя приводит к снижению растворимости веществ в нефти.

Чем интенсивнее распыляется мазут топочной форсункой, чем меньше его капли, тем быстрее и полнее он будет сгорать. Распыление зависит от конструкции форсунки, скорости выбрасывания струи топлива и поверхностного натяжения мазута. Поверхностное натяжение мазута невысокое и колеблется в зависимости от его состава и температуры. Капли мазута на воздухе невелики (порядка 50-100 мкм) и уменьшаются при нагревании.

В качестве топлива используют также углемазутные суспензии. Их изготавливают перемешиванием мазута с порошкообразным углем. Существенный фактор применения таких суспензий — их устойчивость. Кинетическая устойчивость обеспечивается дроблением угля. Иногда приходится прибегать к предварительному отстаиванию суспензии. Все же кинетическая устойчивость таких суспензий невысока, поскольку невыгодно вовлекать в их изготовление только высокодисперсные частицы. Некоторые топочные устройства, применяющие углемазутные суспензии, снабжены специальными смесителями. Агрегативная устойчивость обеспечивается адсорбцией смол, которые играют роль стабилизаторов. Было предложено введение более эффективных стабилизаторов, но это предложение нашло ограниченное применение, возможно, по экономическим причинам, возможно, и потому, что при низкой кинетической устойчивости агрегативная устойчивость не имеет существенного практического значения.

Битумы — большая группа нефтепродуктов, играющая важную роль в народном хозяйстве, главным образом жилищном и дорожном строительстве, в качестве органического вяжущего и гидроизолирующего материала. Битум встречается в природе, но большая его часть получается промышленным путем; окислением мазута и гудрона. Выпускается несколько марок битума — от высоковязких жидкостей до твердых хрупких тел. Соответственно увеличивается температура плавления битума.

Ценятся адгезионные, реологические и гидрофобные свойства битума. Первые необходимы для того, чтобы при изготовлении битумных материалов, главным образом асфальта, битум хорошо прилипал к наполнителю (щебню), а также для того, чтобы при использовании его в качестве гидроизоляционного материала он прилипал бы к металлам (например, трубам) и материалам кровли зданий (рубероид). Высокая адгезия битума — результат оптимального сочетания двух свойств: смачивания битумом материалов, с которыми он взаимодействует, и высокой вязкости и эластичности. Такое сочетание свойств в технике носит название липкости.

Битумы обладают высокой вязкостью, а большинство сортов — пределом текучести, т. е. они начинают деформироваться и течь только после того, как к ним приложено некоторое напряжение. Заметим, что у отдельных марок битума этот предел сильно зависит от продолжительности действия нагрузки и скорости ее приложения. Существенно, что все реологические свойства битума сильно зависят от температуры. Это позволяет подогретый битум легко наносить на предметы различной, в том числе сложной, формы.

Конкретные значения предела прочности, вязкости, эластичности и других реологических свойств битумов регулируются подбором сырья, технологией производства (глубиной окисления), а в последнее время также полимерными и поверхностно-активными добавками. Битумы относятся к числу относительно стабильных нефтепродуктов, однако во времени и они подвергаются химическим превращениям, в частности окислению, что отражается на их реологических свойствах.

Примечательные реологические свойства битума объясняются тем, что он представляет собой дисперсную систему, хотя во многих отношениях и своеобразную. Ее основу составляют частицы, по своему строению сходные с многокомпонентной мицеллой. Структура частицы в полной мере не изучена; возможно, что у битумов различных марок она не вполне одинакова. Ядро частицы состоит из относительно высокомолекулярных и потому наиболее труднорастворимых асфальтенов, а также карбенов и карбоидов. Во многих случаях оно имеет кристаллическое строение. Вокруг ядра располагаются адсорбированные низкомолекулярные асфальтены, а вокруг последних — смолы, причем на периферии находятся наиболее растворимые вещества этого типа. Молекулы смол связаны между собой за счет полярных (обычно кислородсодержащих) групп.

Таким образом, мицеллы битума, в отличие от мицелл типичных поверхностно-активных и коллоидных частиц, не имеют резко выраженной поверхности раздела с дисперсионной средой. В этом отношении они напоминают молекулы высокомолекулярных веществ; с последними их роднит и то, что при течении периферический слой частицы может деформироваться. Вязкое масло (точнее, раствор различных низкомолекулярных продуктов превращения углеводородов, а также парафина в масле) образует дисперсионную среду битума. Концентрация частиц велика, и битум относится к концентрированным дисперсным системам. Стабилизаторами дисперсной системы служат смолы. Они не препятствуют образованию структуры системы, но снижают силу связи между частицами. Деформируемость периферического слоя частиц и слабые связи между ними объясняют эластичность и его способность растягиваться.

С точки зрения коллоидной химии управление свойствами битума должно основываться на рациональном построении его структуры — составе и структуре частиц, их концентрации, величине сил, действующих между частицами, и их расположении в структуре. В этом направлении и развивается коллоидная химия битума.