Sản phẩm dầu mỏ thương phẩm phần 10 ppsx

Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm






Nhựa Asphalten
Trích ly bằng
heptan
Dầu Naphten
Dầu parafin
Trích ly bắng
aceton ở - 32
oC
Dầu Asphalten
Trích ly bằng Butanol-I
BITUM






Như vậy, chỉ cần một quá trình trích ly đơn giản ta có thể thu được ba nhóm
chất khác nhau đó là asphalten, nhựa, và dầu. Với cùng một loại nguyên liệu thì hàm
lượng các hợp chất này cũng thay đổi nhiều chúng phụ thuộc vào loại dung môi trích
ly và điều kiện tiến hành. Ví dụ: với nguyên liệu là dầu của Mêxico, khi dung môi là
pentan thì lượng asphalten thu được là: 33.5% nhung khi dung môi là n-heptan thì hàm
lượng này chỉ có 25.7%. khi nhiệt độ trích ly tăng lên thì lượng asphalten thu được s
ẽ

giảm.
6.1.2.2. Quá trình xử lý Bitum bằng dung môi và chất hấp phụ
Khi cho các nhóm chất thu được bằng phương pháp trích ly như trên chảy qua
các cột hấp phụ như đất sét, sicagel . . . thì dầu, nhựa đôi khi cả asphalten sẻ được tách
ra, như vậy nhờ vào quá trình này ta có thể thu dược các họ Parafinc, Naphtenic,
Aromatic một hay nhiều vòng, các hợp chất phức hợp của lưu huỳnh . . .
Ngoài ra thì người ta có thể kết hợp các phương pháp nêu trên với việc chưng
cất chân không để phân chia Bitum thành các nhóm chất nhỏ hơn, tuy nhiên không bao
giờ thu được các hợp chất tinh khiết.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 136
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
6.1.3. Bản chất hoá học và cấu trúc của các nhóm chất có mặt trong Bitum
Để hiểu rỏ hơn về bản chất của các nhóm chất trong Bitum ta tiến hành xác định
trọng lượng phân tử trung bình của chúng, phần trăm của các nguyên tố, các nhóm
chức (nhóm axit, ester, ceton, eter, amin, amit . . . ), các cấu trúc cơ bản như n-
paraffin, iso-paraffin, naphten, aromatic . . . bằng các phương pháp phân tích phổ hiện
đại như khối phổ có thể xác định được trọng lượng phân tử và một số cấu trúc
đơn
giản, phổ hồng ngoại có thể xác định được độ dài và tỷ lệ các nhánh, phương pháp
cộng hưởng từ hạt nhân có thể các định được cấu trúc vòng phức tạp. Nhờ vào các
phương pháp này mà người ta hiểu rỏ hơn về bản chất hoá học của Bitum.
Như phần đầu đã giới thiệu, khi dùng các dung môi nhẹ ta có thể tách Bitum
thành hai nhóm chất là malten và asphalten, bây giờ ta nghiên cứu hai nhóm chất này.
6.1.3.1. Nhóm chất malten
Malten là các hợp ch
ất hydrocacbon và các hợp chất dị nguyên tố. Đây là một
chất lỏng nhớt có màu nâu rất đậm. Thành phần nguyên tố của nó có chứa nitơ, oxy,
và một hàm lượng lớn lưu huỳnh từ 2.5 đến 5.5% tuỳ theo loại Bitum. Khi xem xét
Bitum nhiều tác giả đã dùng khái niệm tỷ số C/H. Đối với malten thì tỷ số này khoảng
0.7 điều này chứng tỏ trong thành phần của nó phải chứa nhiều hợp chất vòng no,

vòng th
ơm hay hợp chất lai hợp của chúng với nhau hay với các paraffin. Điều đáng
chú ý là trong thành phần của malten không chứa olêfin, hợp chất này chỉ xuất hiện
khi có sự cracking.
Để nghiên cứu kỷ hơn về malten ta cho chúng hoà tan trong botanol-I khi đó ta
thu được hai nhóm chất khác nhau. nhóm thứ nhất là dầu tan trong dung môi chính là
nhóm dầu còn nhóm thứ hai không tan là nhựa.
Nhóm dầu
Nhóm dầu này có thể chia thành hai nhóm nhỏ: dầu parafin và dầu aromatic
Dầu paraffin: đây là các hợp chất có mạch dài chứa đồng th
ời các hợp chất n-
paraffin, iso-paraffin, cyclopetylparaffin, cyclohexylparaffin và alcolyaromatic với số
nguyên tử cacbon từ 20 đến 32 hoặc lớn hơn 70 tuỳ theo từng tác giả.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 137
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Dầu aromatic: nhóm dầu này có các tính chất sau: Trong thành phần của chúng
không có các hợp chất chỉ có các nhân thơm mà thường thì các nhân thơm này được
gắn với paraffin hay các vòng no khác. Cấu trúc thường gặp là dạng naphteno -
aromatic.
Các vòng thơm ngưng tụ với nhau và không có sự sắp xếp theo một cấu trúc
thẳng đối với các nhân.
Các hợp chất này chứa từ 1 đến 4 nhân thơm, các vòng này có thể là các hợp
chất hydrocacbon hoặc các hợp chất dị vòng.
Các hợp chất dị nguyên t
ố chiếm một tỷ lệ khác lớn, trước hết là các hợp chất
của lưu huỳnh tồn tại dưới dạng thiofen, các hợp chất của oxy tồn tại dưới dạng axit,
ester đôi khi dưới dạng của phênol.
Nhóm nhựa
Nhóm hợp chất này mang đặc tính aromtic khá rỏ rệt, không còn các thành phần
paraffin, cấu trúc chủ yếu là naphteno-aromatic với các nhánh thẳng gắn trên các vòng.

Hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố tăng lên khá nhanh đố
i với lưu huỳnh và nitơ.
Các hợp chất hydrocacbon cũng không còn mà thay vào đó là các hợp chất với mạch
hydrocacbon dài kết nối với nhau qua các nguyên tố phi hydrocacbon như lưu huỳnh,
nitơ.
Trọng lương phân tử, tỷ lệ C/H của nhựa lớn hơn của dầu, tuy nhiên sư khác
biệt này rất khó xác định được chính xác. Một số tác giả cho rằng trọng phân tử của
nhựa nhỏ hơn 1000, số tác gi
ả khác cho rằng nó nằm trong khoảng 1000 đến 2000
cũng có tác giả cho rằng giá trị nằm trong khoảng 1700 đến 3800. Các giá trị này thay
đôi trong khoảng rộng phụ thuộc vào nguồn gốc của Bitum, loại dung môi, cách tiến
hành trích ly thu nhận Bitum và cách đo khối phổ.
Như vậy, đối với Bitum khi xem xét từ dầu đến nhựa thì ta thấy một sự thay đổi
rỏ nét về cấu trúc. Cụ thể là đặc tính aromatic tăng lên kèm theo sự tăng về
các hợp
chất dị nguyên tố, tăng trọng lượng phân tử và càng về cuối thì tính chất của nhựa
mang tính chất của asphalten.

ThS. Trương Hữu Trì Trang 138
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
6.1.3.2. Nhóm chất asphalten
Asphalten là một chất rắn, bở có màu nâu tối, có điểm chảy trong khoảng 120
đến 400
o
C, tỷ trọng lớn hơn 1, trọng lượng phân tử rất khó xác định, thường lớn hơn
1000. Hàm lượng và tính chất của Bitum phụ thuộc và các yếu tố sau:
 Loại dầu thô (nguồn nguyên liệu): hàm lượng asphalten có thể thay đổi từ nhỏ
hơn 1% đến 40% trọng lượng Bitum.
 Cách tiến hành để thu nhận Bitum: bitum thu nhận trực tiếp từ dầu thô, từ cặn
chung cất khí quyển, cặn chưng cấ

t chân không, cặn của quá trình cracking . . .
 Bản chất của dung môi và điều kiện tiến hành trích ly.
Cũng giống như nhựa, cấu trúc của asphalten rất phức tạp, các hợp chất
hydrocacbon không còn nữa mà thay vào đó là các hợp chất dị nguyên tố với cấu trúc
là mạch hydrocacbon dài trên đó có chứa các nguyên tố như lưu huỳnh, nitơ, oxy và
một số kim loại như Ni, V với hàm lượng thấp khoảng vài trăm phần triệu. Hàm l
ượng
của cacbon trong asphalten thường lớn hơn 85% tỷ lệ C/H khoảng bằng 1 điều này
cho thấy cấu trúc của chúng gồm nhiều các hợp chất ngưng tụ cao, đặc tính aromatic
thể hiện rỏ nét hơn nhựa, hàm lượng các hợp chất dị nguyên tố cũng tăng lên rất nhiều.
Như vậy, so với malten thì trong asphalten trọng lượng phân tử, đặc tính
aromatic và mức độ ngưng tụ tăng lên, giảm cycloparaffin và m
ạch nhánh dài, mạch
dài nhất có chứa 4 nguyên tử cacbon nhưng chủ yếu là các nhóm mêtyl.
Trong một vài loại Bitum hàm lượng oxy có thể lớn hơn 8% nhưng thông
thường giá trị này không vượt quá 2%. Oxy trong asphalten tồn tại chủ yếu dưới hai
dạng cacbonyl và ester, ngoài ra còn có thể tìm được oxy tồn tại dưới dạng cầu nối để
tạo ra hợp chất eter.
Lưu huỳnh trong asphalten tồn tại dưới dạng vòng ổn định như dạng cấu trúc
c
ủa thiophen, ngoài ra còn tìm thấy dạng hợp chất chứa nhiều hơn hai nguyên tử lưu
huỳnh trong một phân tử.
Nitơ trong asphalten tồn tại dưới dạng vòng ổn định như cấu trúc của pyridin,
porpyrin.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 139
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Trong asphalten chứa nhiều kim loại khác nhau như Ni, Fe mà trước đáng chú ý
là V khoảng 400 p.p.m các kim loại này tồn tại trong porpyrin, hợp chất cơ kim hoặc
các khoáng chất.
Qua phân tích ở trên cho thấy cấu trúc của Bitum chưa thể xác định được rỏ

ràng. Tuy nhiên với các thông tin về việc phân tích cấu trúc đáng tin cậy như trên cho
ta biết được sự biến thiên cấu trúc của Bitum khi đi từ phân đoạn nhẹ sang phân đoạn
nặng đó là sự gi
ảm dần rồi biến mất của các cấu trúc hydrocacbon để thay thế dần các
cấu trúc phi hydrocacbon, trọng lượng phân tử tăng dần, tính aromatic tăng lên, theo
sự biến thiên này thì cấu trúc hydrocacbon dạng naphteno-aromatic với các nhánh
thẳng chiếm ưu thế dần và mạch thẳng giảm dần.
Như vậy, Bitum được cấu tạo từ hai phần chính, phần thứ nhất là một chất lỏng
nhớt đó là malten trong đó phân tán các chất r
ắn là asphalten và thực chất chúng tồn
tại như một hệ keo.
6.1.4. Cấu trúc hệ keo của Bitum
Qua phân tích thành phần cho thấy Bitum chứa nhiều nhóm chất có cấu trúc
khác nhau tuỳ thuộc vào nguyên liệu, dung môi, điều kiện tiến hành nhưng một cách
tổng quá ta có thể chia thành hai nhóm chính: Nhóm malten tồn tại ở trạng thái lỏng và
nhóm asphalten tồn tại ở trạng thái rắn. Hai nhóm chất này cùng tồn tại trong Bitum để
tạo ra một hệ keo trong đó malten là môi trườ
ng phân tán còn asphalten là tướng phân
tán. Thực tế thì các micelle trong hệ keo không chỉ chứa asphalten mà còn chứa các
hợp chất aromatic nhiều vòng của malten.
Tuỳ theo loại micelle có được keo hoá hay không mà Bitum có các tính chất
khác nhau. Bitum keo hoá được gọi là "gel" còn khi có sự pepti hoá xảy ra hoàn toàn
thì Bitum được gọi là "sol". Mức độ keo hoá phụ thuộc vào đồng thời bản chất của
malten, asphalten và nồng độ của các thành phần này. Sự keo hoá xãy ra hoàn toàn nếu
như malten chứa một lượng các hợp chất aromatic đủ lớn để tạo ra
được lực hấp phụ
mạnh đối với asphalten, trong trường hợp ngược lại thì sẽ xãy ra sự keo hoá và thậm
chí có sự kết tủa asphalten. Trong trường hợp này ta gọi Bitum có cấu trúc gel vì có sự
lực hút qua lại của các micelle.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 140

Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
6.1.5. Xu hướng biến đổi của Bitum trong quá trình bảo quản và sử dụng.
Trong quá trình bảo quản và sử dụng thì Bitum luôn tiếp xúc các tác nhân gây
oxy hoá, do đó nó dễ bị biến đổi các tính chất của nó. Bản chất của quá trình biến đổi
này là quá trình oxy hoá và kết quả sẽ tạo ra các hợp chất nặng hơn.
Trong thành phần của Bitum thì các hợp chất aromatic kém ổn định nhất nó dễ
bị oxy hoá để tạo ra các hợp chất nặng còn các hợ
p chất paraffin có độ ổn định oxy
hoá cao nhất nên khó bị oxy hoá nhất. Khi bị oxy hoá thì nhóm dầu sẻ biến đổi chuyển
dần thành nhóm nhựa còn nhóm nhựa thì biến đổi dần thành asphalten. Như vậy thì
trong quá trình biến đổi hàm lượng của nhóm nhựa không thay đổi mấy, nhóm dầu sẻ
giảm và ngược lại nhóm asphalten tăng lên.
6.2. Ảnh hưởng của thành phần hoá học đến tính chất sử dụng của Bitum
Tuỳ theo lĩnh vực s
ử dụng mà có những yêu cầu cụ thể về những tính chất nhất
định của Bitum. Tuy nhiên những yêu cầu này chủ yếu tập trung vào khả năng chống
lại các tác động của môi trường bên ngoài như lão hoá, độ dẻo và độ cứng của Bitum.
Ở phần trước đã nghiên cứu cho thấy rằng trong thành phần hoá học của Bitum có
chứa nhiều nhóm chất khác nhau. Trong quá trình sử dụng các nhóm chất này sẻ có
những vai trò khác nhau trong việc
đảm bảo các yêu cầu nêu trên.
Thông thường, đối với Bitum trong quá trình sử dụng người ta quan tâm đến ba
nhóm chất sau: nhóm dầu, nhóm nhựa và asphalten.
Nhóm dầu:
Trong quá trình sử dụng Bitum thường chịu tác động của các tác nhân gây oxy
hoá như nước, không khí, khí độc, nhiệt độ, xúc tác . . . do đó Bitum dễ bị biến chất.
Nhờ nhóm dầu có chứa nhiều hợp chất hydrocacbon no nó làm chậm lại quá trình biến
chất này.
Nhóm nhựa:
Nhóm nhựa trong Bitum đặc trưng cho tính dẻo củ

a nó. điều này có ý nghĩa lớn
khi Bitum được sử dụng ở những nơi chịu tải nặng và có sự thay đổi khá lớn về nhiệt
ThS. Trương Hữu Trì Trang 141
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
độ, khi đó nếu như hàm lượng nhóm chất này quá thấp Bitum trở nên dòn và dễ bị nứt
dẫn đến bị hư hỏng.
Nhóm asphalten:
Nhóm này trong Bitum đặc trưng cho độ cứng và khả gắn kết các vật liệu.
Như vậy, mỗi một nhóm chất đặc trưng cho một tính chất nhất định của bitum
trong quá trình sử dụng.
Khi Bitum dùng làm nhựa đường thì nó đòi hỏi nó phải có độ gắn kết
đá nhất
định, độ cứng cao, một độ dẻo cần thiết ở nhiệt độ thấp và độ chịu nắng mưa để hạn
chế sự biến chất.
Khi Bitum dùng làm vật liệu sản xuất tấm lợp trong xây dựng thì nó không cần
độ cứng, độ dẻo lớn nhưng nó đòi hỏi một khả năng chống lại các tác nhân gây oxy
hoá bên ngoài lớn.
6.3. Ứng dụng và phân loạ
i
6.3.1. Lĩnh vực ứng dụng của Bitum
Bitum được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực sau:
 Xây dựng các công trình giao thông
 Chống thấm trong các công trình thuỷ lợi
 Chống thấm trong các công trình dân dụng
 Dùng làm vật liệu trong xây dựng dân dụng
 Bitum được dùng như sơn nhằm chống thấm, chống ăn mòn, chất cất điện.
Trong các ứng dụng trên thì lượng bitum sử dụng cho các công trình công cộng
như đường xá, sân bay, c
ầu cảng, canh mương chiếm khoảng 85%.
6.3.2. Phân loại Bitum

Như chúng ta thấy bitum có thể thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau và được sử
dụng cho nhiều mục đích nên thành phần của nó thay đôi trong khoảng rộng. Vì vậy có
rất nhiều các phân loại bitum khác nhau.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 142
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Nếu dựa vào nguồn gốc hoặc công nghệ chế biến hoặc trạng thái vật lý để chia Bitum
thành các loại khác nhau.
Khi dựa vào nguồn gốc của vật liệu ban đầu nthì Bitum được chia thành 3 loại
sau:
 Bitum dầu mỏ
 Bitum than đá
 Bitum thiên nhiên
Khi dựa vào công nghệ chế biến thì người ta chia Bitum thành 2 loại sau:
 Bitum bã
 Bitum oxy hoá
Khi căn cứ vào trạng thái vật lý ở điều kiện thường thì Bitum được chia thành 3
loại sau:
 Bitum rắn
 Bitum đặc
 Bitum lỏng.
Ngoài những cách phân loại trên thì trên thực tế bitum thường phân chia dựa vào
tính chất sử dụng của nó mà cụ thể là dựa vào độ xuyên kim hợac độ xuyên ki8m và
nhiệt độ chảy mềm để phân chia thành các loại khác nhau.
Ở Viêt Nam, bitum được chia theo độ xuyên kim thành 6 loại như sau: 20/30,
40/60, 60/70, 70/100, 100/150,150/250.
Ở Pháp thì bitum được phân chia dựa vào độ xuyên kim và nhiệt độ chảy mềm:
1. 75-30
2. 85-25
3. 90-40
4. 100-40

5. 125-30
ThS. Trương Hữu Trì Trang 143
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
6. 135-6
7. 103-13
8. 150-0
9. 170-2
Ý nghĩa của các số: số đầu là nhiệt độ chảy mềm, số sau là độ xuyên kim trong
khoảng xác định
Ví dụ:
Ở loại thứ 2 thì nhiệt độ chảy mềm trong khoảng từ 80-90
o
C và độ xuyên kim
của nó mằn trong khoảng
Trong các loại trên thì 5 loại đầu ở trạng thái mền, 6,7 cũng ở trạng thái đó
nhưng đặc hơn còn 2 loại cuối ở trạng thái rắn.
6.4. Chỉ tiêu kỹ thuật và sử dụng của Bitum
Cũng giống như các sản phẩm khác của dầu mỏ thì Bitum muốn trở thành một
sản phẩm thương phẩm, nó phải đạt được các chỉ tiêu k
ỹ thuật và sử dụng nhất định.
6.4.1. Độ xuyên kim
Để đặc trưng cho độ cứng, độ dính quánh của Bitum người ta đưa ra khái niệm
độ xuyên kim.
Độ xuyên kim được đo bằng độ ngập sâu của một bộ kim chuẩn trong mẫu thử
ở điều kiện thí nghiệm (bộ kim chuẩn có trọng lượng bằng 100g, rơi tự do trong thời
gian 5 giấy ở nhiệt độ 25
o
C) độ xuyên kim được tính bằng 1/10 mm.
Độ xuyên kim của Bitum phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó, khi hàm
lượng asphalten lớn thì giá trị này nhỏ, còn khi hàm lượng nhóm dầu tăng thì độ xuyên

kim tăng.
6.4.2. Độ dẻo
Khi làm việc thì nhiệt độ của Bitum sẻ thay đổi do đó độ dẻo của Bitum cũng sẻ
thay đổi theo.
ThS. Trương Hữu Trì Trang 144
Sản Phẩm Dầu Mỏ Thương Phẩm
Ở nhiệt độ xuống thấp độ dẻo của Bitum giảm đi, đồng thời độ dòn tăng lên,
trong trường hợp này Bitum dễ bị vỡ khi chịu lực tác động từ môi trường bên ngoài.
để đặc trưng cho tính dẻo người ta dùng khái niệm độ kéo dài.
Độ kéo dài của Bitum phụ thuộc vào bản chất hoá học của nó, khi hàm lượng
nhựa nhiều thì độ kéo dài càng lớn, còn khi asphalten lớn thì giá trị này giảm xuống.
6.4.3. Nhiệ
t độ chảy mềm
Nhiệt độ chảy mềm là nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế khi viên bi chuẩn chứa
trong mẫu thử rơi xuống chạm đến đáy của một bộ dụng cụ thí nghiệm.




ThS. Trương Hữu Trì Trang 145