Naftos ir jos produktų analizė yra svarbi sritis, apimanti įvairių cheminių, fizikinių ir mišrių metodų taikymą, siekiant nustatyti reikiamus analizuojamo produkto rodiklius per trumpą laiką. Ši mokomoji knyga skirta studentams, siekiantiems įgyti praktinių įgūdžių naftos ir jos produktų tyrimo laboratorijoje.
Iš naftos gaunamų produktų asortimentas yra labai platus, įskaitant dujinius ir skystuosius degalus, krosnių kurą, tepimo ir specialiąsias alyvas, konsistencinius tepalus, bitumus, techninę anglį, parafiną, naftos rūgštis, kokso, pramoninius tirpiklius ir žaliavą chemijos pramonei. Kiekvieno produkto savybių nustatymui naudojami specifiniai metodai.
Naftos ir jos produktų analizės metodai
Įvairių telkinių naftos sudėtis ir savybės skiriasi, o tai tiesiogiai veikia perdirbimo technologiją, naftos produktų išeigą ir kokybę. Todėl naftos apibūdinimui naudojami standartiniai metodai, apimantys jos sudėties ir būdingų savybių tyrimus. Pagrindiniai rodikliai, apibūdinantys naftą, yra jos tankis, frakcinė ir grupinė cheminė sudėtis, sieros, dervingųjų ir asfaltinių medžiagų, naftos rūgščių, parafinų, vandens, druskų kiekiai, klampa, sočiųjų garų slėgis, stingimo ir pliūpsnio temperatūros.
Frakcinė sudėtis
Frakcionavimas - tai daugiakomponenčių mišinių išskaidymas į mažiau sudėtingus komponentų mišinius arba atskirus junginius, remiantis jų savybių skirtumais, tokiais kaip virimo temperatūra (rektifikacija), adsorbcine geba (chromatografija) ar tirpumu (ekstrakcija, kristalizacija). Naftos ir jos produktų frakcinė sudėtis nustatoma distiliuojant ir rektifikuojant.
Distiliacija yra fizikinis išskyrimo metodas, pagrįstas mišinio daliniu išgarinimu ir lakiųjų komponentų garų kondensavimu. Ji gali būti periodinė arba nuolatinė. Periodinės distiliacijos metu skystas mišinys iš dalies arba visiškai išgarinamas, surenkant vieną ar kelias distiliatų frakcijas, laipsniškai didinant pašildymo temperatūrą. Nuolatinės distiliacijos atveju distiliuojamas mišinys nuolat tiekiams į aparatą, kur jis yra pašildomas ir žemesnės virimo temperatūros dalis išgaruoja. Šis metodas leidžia sukoncentruoti ir išskirti komponentus, kurių virimo temperatūros skiriasi ne mažiau kaip 50 °C.
Rektifikacija yra tikslesnis metodas, pagrįstas daugkartiniu priešpriešiais tekančios skysčio ir garų sąveikos, kurios metu vyksta masių ir šilumos mainai. Dėl to garų fazėje kaupiasi žemos, o skystoje dalyje - aukštos virimo temperatūros komponentai. Rektifikacijos dėka galima išskirti komponentus, kurių virimo temperatūros skiriasi vos 0,5 °C.
Naftos frakcinės sudėties nustatymas atliekamas rektifikuojant naftą standartinėje aparatūroje, pavyzdžiui, ARN-2 aparatu. Šis periodinio veikimo aparatas turi įkrautą rektifikavimo koloną, kurios skiriamoji geba yra 20 teorinių rektifikavimo plokščių. Naftai išgarinti naudojami indai - kubai, šildomi elektrinėje krosnelėje. Rektifikacijos metu naftos pašildymo temperatūra tolygiai didinama, o procesas vyksta atmosferos slėgyje.
Tankis
Tankio nustatymas yra vienas iš pagrindinių naftos ir jos produktų tyrimo metodų. Jis gali būti atliekamas keliais būdais:
- Piknometru: Šis metodas naudoja specialų tūrį turintį indą (piknometrą) tiksliam skysčio tankiui nustatyti.
- Areometru (naftos densimetru): Tai paprastesnis ir greitesnis metodas, naudojantis plūdrumo principą. Areometras, turintis gradacinę skalę, panardinamas į tiriamą skystį, o jo skaitoma vertė tiesiogiai rodo skysčio tankį arba jo specifinį svorį.
Kitos svarbios savybės
Be frakcinės sudėties ir tankio, naftos ir jos produktų analizei svarbūs ir kiti rodikliai:
- Lūžio rodiklis: Nustatomas naudojant refraktometrą, jis yra susijęs su medžiagos cheminę sudėtį ir gali būti naudojamas kaip kokybės rodiklis.
- Stingimo temperatūra: Parodo žemiausią temperatūrą, kurioje skystis pradeda kristalizuotis ir neteka.
- Rūgštinis skaičius: Nurodo laisvųjų rūgščių kiekį naftos produktuose, kuris gali turėti įtakos korozijai.
- Mineralinės priemaišos: Tai vandens, pelenų ir mechaninių priemaišų kiekio nustatymas, kuris yra svarbus naftos produktų kokybei ir perdirbimo procesams.
- Koksuojamumas: Parodo, kiek anglies likučių susidaro terminio naftos produktų ardymo metu, svarbu degalų kokybei ir variklių eksploatacijai.
Naftos bitumo analizė
Naftos bitumas yra svarbus statybinių medžiagų, ypač kelių dangų, komponentas. Jo savybės tiesiogiai lemia asfalto mišinio ilgaamžiškumą ir atsparumą aplinkos poveikiui.
Bitumas sensta veikiamas ultravioletinės (UV) spinduliuotės, temperatūrų svyravimų ir deguonies, todėl tampa kietesnis ir praranda elastingumą. Siekiant pagerinti asfalto mišinio savybes, naudojamas polimerais modifikuotas bitumas (PMB).
Duktilometrija - bitumo tąsumo nustatymas
Vienas iš svarbių bitumo tyrimų metodų yra duktilometrija, kurios metu nustatomas bitumo tąsumas. Bandinys, atvėsintas tam tikroje temperatūroje, yra tempiamas specialiu prietaisu (duktilometru) pastoviu greičiu, kol nutrūksta. Bitumo siūlo ilgis trūkio momentu laikomas jo tąsumu.
Šis metodas leidžia įvertinti bitumo gebėjimą formuoti vientisą, nepertraukiamą siūlą, o tai yra svarbu jo naudojimui kelių tiesyboje. Jei gauti rezultatai rodo nepakankamą tąsumą, tai gali reikšti, kad tirta bitumo markė nėra tinkama tam tikriems statybiniams tikslams.
Polimerais modifikuoto bitumo (PMB) tyrimai
Polimerais modifikuoto bitumo (PMB) naudojimas padidina asfalto dangų atsparumą provėžoms, liekamosioms deformacijoms, temperatūriniams ir nuovargio plyšių formavimuisi. Tyrimai rodo, kad asfalto dangų su PMB bitumu eksploatacinis laikotarpis gali būti 5-10 metų ilgesnis nei dangų, kuriose naudojamas nemodifikuotas bitumas.
Tačiau, net naudojant tą patį polimero kiekį, PMB bitumo savybės gali skirtis net du kartus ir daugiau. Tai lemia modifikavimui naudoto bitumo komponentinė sudėtis ir paties polimero savybės (pvz., molekulinė masė, stireno ir butadieno santykis, struktūra). Todėl, siekiant sukurti patikimas bitumo modifikavimo gaires, būtina atsižvelgti į šiuos veiksnius.
Nauji tyrimai, atlikti VILNIUS TECH Kelių tyrimo institute, leidžia giliau suprasti bitumo ir polimerų sąveiką. Šie tyrimai padeda tiksliau parinkti medžiagas, užtikrinančias ilgaamžiškesnį asfalto dangų tarnavimą, taip prisidedant prie tvarumo ir mažesnių ŠESD emisijų.
Sukurtos bitumo modifikavimo gairės ir modelis leidžia ne tik giliau suprasti bitumo ir polimerų sąveiką, bet ir padeda tiksliau parinkti medžiagas, užtikrinančias ilgaamžiškesnį asfalto dangų tarnavimą. Tai prisideda prie ilgesnio dangų eksploatacinio laikotarpio ir retesnio intervencijos į infrastruktūrą poreikio, tiesiogiai mažinant ŠESD emisijas.