Bitum dầu mỏ

Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 1 Đồ án môn học Bitum dầu mỏ Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 2 LỜI CẢM ƠN ! Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo.TS. Lê Văn Hiếu, Cô Giáo.PGS.TS.Nguyễn Thị Minh Hiền cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu đã hết lòng giúp đỡ, tận tình chỉ bảo cho em về kiến thức khoa học và phương pháp nghiên cứu để em hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ. Nguyễn Hàn Long, Kỹ Sư. Hoàng Hữu Hiệp, Thạc sĩ .Lê Anh Vũ, Kỹ Sư. Nguyễn Hà Hạnh và các Anh, Chị phòng thí nghiệm hữu- cơ hoá dầu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình em làm nghiên cứu tại phòng. Xin chân thành cảm ơn Bạn Khúc Quang Trung đã làm cùng đề tài với tôi, và tất cả các bạn sinh viên trong lớp hoá dầu 3, các em sinh viên cao đăng đã luôn nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôt trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè những người thân đã nuôI dưỡng, giúp đỡ tôi trưởng thành như ngày hôm nay. Một lần nữa xin cảm ơn tất cả mọi người ! Hà Nội, Ngày 30-4-2004 Sinh Viên: Đặng Văn Hà Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 3 MỤC LỤC Lời mở đầu.................................................................................................. 5 Phần 1. Tổng Quan..................................................................................... 7 Chương 1. Tổng quan về bitum dầu mỏ.................................................... 7 I. Những kiến thức chung về bitum dầu mỏ .................................................. 7 II . Các tính chất của bitum trong xây dựng và trong sản xuất ...................... 11 III. Ứng dụng của Bitum dầu mỏ .................................................................. 15 Chương 2. Nhũ tương Bitum ..................................................................... 17 I. Lý thuyết chung về nhũ tương bitum .................................................... 17 I.1. Định nghĩa ........................................................................................ 17 I.2. Phân loại nhũ tương .......................................................................... 18 I.3. Ứng dụng của nhũ tương bitum ......................................................... 19 I.4.Ưu điểm của nhũ tương bitum trong xây dựng đường ôtô .................. 21 II.Phương pháp chế tạo nhũ tương bitum ................................................. 21 II.1. Phương pháp ngưng tụ ..................................................................... 21 II.2. Phương pháp phân tán...................................................................... 22 III. Chất nhũ hoá ..................................................................................... 22 III.1. Định nghĩa ...................................................................................... 22 III.2. Phân loại ......................................................................................... 23 IV. Vấn đề ổn định nhũ tương ................................................................. 26 V. Một số chỉ tiêu quan trọng của nhũ tương bitum trong chế tạo và kiểm định ............................................................................... 33 V.1. Độ nhớt của nhũ tương .................................................................... 33 V.2. Độ ổn định khi lưu trữ ..................................................................... 35 V.3. Tốc độ phân tách và hiệu thế Zeta ................................................... 36 V.4. Tính bám dính ................................................................................. 37 V.5. Tính đồng nhất................................................................................. 38 VI. Lựa chọn chất nhũ hoá ...................................................................... 38 VII. Công nghệ chế tạo nhũ tương bitum ................................................. 41 VII.1. Qui trình chế tạo nhũ tương bitum ................................................ 41 Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 4 VII.2. Vấn đề chọn chất nhũ hoá cho phù hợp ......................................... 41 Phần II. Thực Nghiệm ........................................................................... 43 Chương 1. Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá ....................................... 43 I. Quá trình thuỷ phân dầu ....................................................................... 45 I.1 Thuỷ phân dầu lạc và dầu sở .............................................................. 46 I.1.1. Ảnh hưởng của lượng Las .............................................................. 46 I.1.2. Ảnh hưởng của lượng H2SO4 ......................................................... 47 I.1.3. Ảnh hưởng của lượng H2O ............................................................. 47 I.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................. 47 I.1.5. Ảnh hưởng của thời gian ................................................................ 47 I.1.6. Các yếu tố ảnh hưởng khác ............................................................ 48 I.2. Thuỷ phân dầu hướng dương............................................................. 48 I.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................. 49 I.2.2. Ảnh hưởng của thời gian ................................................................ 49 I.2.3. Ảnh hưởng của lượng KOH ........................................................... 50 I.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng khác ............................................................ 50 II. Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá ......................................................... 50 II.2.1 . Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................... 50 II.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ axit/diethanolamin ........................................ 51 II.2.3. Ảnh hưởng của thời gian ............................................................... 51 III. Các phương pháp đánh giá quá trình thuỷ phân dầu và tổng hợp chất nhũ hoá ......................................................................... 52 Chương 2. Quá trình chế tạo nhũ tương bitum ................................... 54 I. Chế tạo nhũ tương bitum……………………………………………..54 I.1. Ảnh hưởng của chất nhũ hoá ............................................................. 54 I.2. Ảnh hưởng của bitum ........................................................................ 54 I.3. Ảnh hưởng của độ PH ....................................................................... 55 I.4. Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn ................................................ 55 I.5. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn ..................................................... 56 I.6. Ảnh hưởng của lượng CaCl2 đến chất lượng nhũ .............................. 56 I.7. Ảnh hưởng của lượng dầu hoả ......................................................... 57 Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 5 II. Sơ đồ chế tạo ...................................................................................... 61 III. Các phương pháp kiểm định chất lượng nhũ tương bitum ................. 62 Chương 3. Hoá chất và thiết bị thí nghiêm .......................................... 67 Phần III. Kết quả và thảo luận ............................................................. 69 I. Quá trình thuỷ phân dầu ....................................................................... 69 I.1. Kết quả thuỷ phân dầu lạc và dầu sở ................................................. 69 I.2. Kết quả thuỷ phân dầu hướng dương ................................................. 80 II. Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá ......................................................... 84 III. Chế tạo nhũ tương bitum ................................................................... 86 III.1. Kết quả ảnh hưởng của chất nhũ hoá .............................................. 86 III.2. Kết quả ảnh hưởng của lượng bitum ............................................ .. 91 III.3. Kết qủa ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn .................................... ...93 III.4. Kết quả ảnh hưởng của độ PH ..................................................... ...94 III.5. Kết quả ảnh hưởng của CaCl2……………………………………...95 III.6. Kết quả ảnh hưởng của kích thước hạt ......................................... ...96 III.7. Kết quả đo độ nhớt ...................................................................... ..96 III.8. Kết quả xác định chỉ số phân tách ................................................ ..97 III.9. Kết quả chụp SEM ...................................................................... ..98 IV Kết qủa nghiên cứu đối với chất nhũ hoá của Mỹ (DF-41 ............... . 99 IV.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chất nhũ hoá DF-41 ... 99 IV.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng Bitum ......................... 100 IV.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của PH ........................................ 101 IV.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng CaCl2 ......................... 102 V. So sánh hai chất nhũ hoá ................................................................. 102  Kết luận  Phương hướng Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 6 LỜI MỞ ĐẦU gày nay trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, toàn đảng, toàn dân, toàn quân ta trong mọi ngành nghề đang cố gắng nỗ lực hết sức thi đua nhau sản xuất đưa nước ta từ một nước nông nghiệp lạc hậu từng bước phấn đấu đến năm 2020 cơ bản trở thành một nước công nghiệp phát triển, muốn vậy chúng ta phải tập trung xây dựng cơ sở hạ tầng, vật chất kỹ thuật ngày càng khang trang hiện đại đòi hỏi sự đầu tư tiền của, công sức của mọi ngành, mọi cấp. Hoà cùng khí thế phát triển mạnh mẽ của nước ta trong thế kỷ mới thì Bộ giao thông vận tải. Bộ khoa học công nghệ và môi trường đã trực tiếp chỉ đạo phải xây dựng được một mạng lưới giao thông hoàn chỉnh, thông suốt có chất lượng cao góp phần quan trọng thúc đẩy sự phát triển của các ngành khác như thương mại, du lịch, vận tải hành khách,… nhằm thu hút nguồn đầu tư từ nước ngoài. Đối với một đất nước đã phải trải qua chiến tranh, cơ sở hạ tầng còn yếu kém như nước ta, mạng lưới giao thông vẫn chưa đáp ứng nhu cầu cho vận tải lưu thông hàng hoá thì việc xây dựng và nâng cấp là rất cần thiết để phù hợp với xu thế phát triển kinh tế và xã hội. Để đạt được những chỉ tiêu trên thì khi xây dựng và phát triển chúng ta phải đảm bảo được những yêu cầu cần thiết như : Mặt đường phải nhẵn bóng, bền đẹp, có tính ổn định cao để đáp ứng nhu cầu giao thông đi lại, chống chịu được áp lực của các luồng xe chạy liên tục ngày đêm, đảm bảo được lưu thông an toàn, kinh tế hiệu quả và các điều kiện khí hậu khắc nghiệt như ở nước ta: mưa, gió, nắng, bão… Chính vì vậy mà vấn đề thiết kế và đảm bảo vật liệu thi công trong điều kiện cho phép hiện nay đóng một vai trò quan trọng. Tuỳ thuộc từng loại đường mà kết cấu, vật liệu và khả năng thi công có thể khác nhau. N Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 7 Tuy mới được áp dụng vào ngành giao thông từ Thế Kỷ 19 nhưng Bitum dầu mỏ đã trở thành một ngành nguyên liệu quan trọng hàng đầu trong công nghệ làm đường vì nó đáp ứng được mọi yêu cầu về kỹ thuật, cũng như kinh tế. Trong các công trình giao thông thì Bitum được sử dụng theo hai dạng sau + Công nghệ nhựa nóng: Trước đây công nghệ này là chủ đạo, khi thi công cần đun nóng nhựa lên nhiệt độ thích hợp để làm chúng chảy lỏng rồi mới thi công được. + Công nghệ nhựa nguội: Sử dụng nhựa đường dạng nhũ tương là nhựa đường ở trạng thái phân tán cao trong nước được ổn định bởi chất nhũ hoá làm cho nhựa đường vẫn ở trạng thái lỏng ngay ở điều kiện bình thường. Vì vậy khi thi công nhựa đường ở dạng nhũ tương thì không cần phải đun nóng. Nhưng với những đặc tính ưu việt của mình mà ngày nay công nghệ nhựa nguội ngày càng được sử dụng rộng rãi. Và nó được gọi dưới một cái tên. Đó là “nhũ tương bitum”. Ban đầu vào năm 1906, Schade van Westrum đã phát minh và nhận được bằng sáng chế về nhũ tương. Nó trở nên phổ biến cho đến ngày nay bởi khả năng bám dính với nhiều loại bề mặt rắn khác nhau của chúng. Nhũ tương Bitum được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như duy tu bảo dưỡng, sửa chữa, rải lớp láng mặt, lớp bám dính và lớp bảo dưỡng chống thấm nhập. Cũng như tưới thấm nhựa, gia cố và cấp phối ở dạng trộn nguội, và rải nguội. Bởi vì khi sử dụng nhũ tương bitum thì việc thi công các công trình giao thông sẽ rất dễ dàng, thuận tiện. Không cần đun nóng, không gây ô nhiễm môi trường, an toàn cho công nhân và người đi đường. Có thể cho phép tiến hành thi công trên mặt đường ẩm ướt vào mùa mưa.Tiết kiệm được từ 15-30% so với công nghệ nhựa nóng.Trong nhũ tương bitum có chứa nước nên khả năng lèn chặt mặt đường được dễ dàng hơn.Thế cho nên việc nghiên cứu và chế tạo nhũ tương bitum tại việt nam là rất cần thiết để đáp ứng đòi hỏi, yêu cầu hiện nay. Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 8 Trong điều kiện của nước ta hiện nay và trong khuôn khổ bản đồ án tốt nghiệp này, em xin trình bày phần tổng quan lý thuyết về nhũ tương bitum và các phương pháp nghiên cứu chế tạo ổn định nhũ tương bitum cation phù hợp với hoàn cảnh nước ta. PHẦN I : TỔNG QUAN CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BITUM DẦU MỎ I. Những kiến thức chung về bitum dầu mỏ Bitum là một vật liệu xây dựng công trình được sử dụng rất rộng rãi, song ngay đối với những người thường xuyên tham gia vào các công việc có sử dụng Bitum, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng và bảo trì đường giao thông, các đặc tính của nó vẫn còn là những điều bí ẩn. Tình trạng này nảy sinh do các cơ sở giáo dục nhìn chung là không cung cấp đầy đủ các chương trình học phù hợp trong chương trình đào tạo cả về đại cương cũng như chuyên ngành. Hậu quả là trong thực tiễn, việc sử dụng bitum về bản chất vẫn còn mang tính thủ công nhiều hơn là tính công nghệ. Trong bối cảnh đó chúng ta cần có những nghiên cứu sâu hơn về bitum, để có những kiến thức sâu sắc về chúng, để sử dụng một cách hiệu quả hơn, kinh tế hơn. Để tìm hiểu về bitum trước hết ta đi tìm hiểu nguồn gốc, thành phần và phương pháp sản xuất bitum. I.1. Nguồn gốc, xuất xứ của bitum. Bitum là sản phẩm khá quan trọng trong các ngành công nghiệp hoá chất nói chung và hoá dầu nói riêng. Bitum có nhiều nguồn gốc khác nhau, có thể từ than nhưng chủ yếu vẫn là sản phẩm của công nghệ chế biến dầu thô và hoá dầu. Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 9 Bitum dầu mỏ tại nhiệt độ thường ở dạng rắn, khi tăng nhiệt độ lên khoảng trên 70oC thì bắt đầu chảy mềm chuyển sang dạng nửa lỏng tuỳ theo từng loại dầu nhiệt độ chảy mềm có thể khác nhau. Bitum dầu mỏ không tan trong nước, thành phần bao gồm nhiều loại cacbuahydro và các dẫn xuất lưu huỳnh, oxy, nitơ,… Bitum dầu mỏ chủ yếu được sản xuất từ phần cặn của quá trình chưng cất trực tiếp các loại dầu mỏ có nhiều nhựa, quá trình chưng cất chân không, cũng có thể lấy từ các quá trình hydrocracking, cracking nhiệt, cracking xúc tác, cốc hoá,… các quá trình khử atfan, chiết, lọc, rửa và tinh chế dầu nhờn. I.2.Vấn đề sản xuất bitum dầu mỏ hiện nay Có 3 phương pháp sản xuất bitum từ dầu mỏ là + Cô đặc các thành phần cặn từ dầu mỏ + Tách asphan trong quá trình khử atphan từ các thành phần dầu mỏ cô đặc. + Dùng không khí để oxyhoá ở nhiệt độ cao các phần cặn của quá trình chế biến dầu mỏ như cặn gudron, các cặn chiết, asphan… Theo phương pháp sản xuất, Bitum được chia làm 2 loại: Bitum được chế biến theo phương pháp cô đặc và phương pháp tách được gọi là bitum gốc. Bitum được chế biến theo phương pháp thứ 3 được gọi là Bitum oxy hoá Bitum gốc được sản xuất trong thiết bị chân không thông thường, ngoài ra để tận thu các phân đoạn dầu nhờn từ trong phần cặn của dầu mỏ, người ta còn trang bị thêm tháp cất chân không, thiết bị bốc hơi… Bitum được sản xuất theo phương pháp này là loại sản phẩm mềm dễ nóng chảy, có độ lún kim khá lớn. Từ những loại Bitum nói trên, có thể chế biến thành các loại Bitum rắn hơn bằng phương pháp oxy hoá. Quá trình oxy hoá gudron hoặc Bitum gốc được thực hiện bằng cách thổi khí ở nhiệt độ cao khi đi qua chúng. Do kết quả các phản ứng oxy hoá và trùng hợp xảy ra dưới tác dụng của oxy một phần cacbuahydro dâù nhờn chuyển thành nhựa rồi sau đó trở thành asphaten. Quá Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 10 trình oxy hoá và trùng hợp càng sâu thì lượng nhựa và atphan thu được càng nhiều. Trong quá trình oxy hoá xảy ra phản ứng dẫn đến việc gia tăng hàm lượng các atphan, để nâng cao nhiệt độ chảy mềm của Bitum và nhựa giúp cải thiện được tính chất kết dính và tính dẻo của bitum thương phẩm. Hàm lượng các thành phần dầu trong các quá trình đó cũng được giảm đi. Loại Bitum được chế biến bằng phương pháp oxy hoá có tính đàn hồi và ổn định nhiệt tốt hơn loại Bitum gốc. Trong cùng một nhiệt độ như nhau, loại Bitum oxy hoá có độ mềm lớn hơn Bitum gốc (độ lún kim cao hơn), nhưng đối với cùng một độ lún kim như nhau thì nhiệt độ chảy mềm của Bitum oxy hoá lại tương đối cao hơn. Nếu nhiệt độ chảy mềm và hàm lượng các chất bay hơi trong nguyên liệu gốc bằng nhau thì loại Bitum được chế biến bằng phương pháp oxy hoá có khả năng chịu đựng thời tiết tốt hơn và có trị số xà phòng hoá nhỏ hơn loại Bitum gốc. Bitum được chế biến từ phần cặn cracking thường có phẩm chất xấu hơn Bitum chế biến từ phần cặn chưng cất dầu mỏ trực tiếp một ít. Các chất không hoà tan như cacben và cacboit trong phần cặn cracking làm giảm sút tính kết dính của Bitum và phá hoại tính đồng nhất của chúng. Những bitum này có độ giãn dài thấp, có hàm lượng chất không hoà tan cao và khối lượng hao hụt lớn, nếu gia nhiệt. Ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ thường sản xuất ra các loại Bitum thương phẩm sau đây: - Bitum nhựa đường. - Bitum xây dựng. - Bitum chuyên dùng (dùng cho các sản phẩm sơn nhuộm. Matit ắc qui, và công nghiệp điện tử). - Bitum có độ nóng chảy cao (dùng cho chế tạo cao su rabrac). Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặng Văn Hà- Lớp Hoá Dầu 3- K44 11 Bitum dầu mỏ được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là đối với các nước có nền công nghiệp phát triển vì nó có các đặc tính kỹ thuật thoả mãn được các yêu cầu trong xây dựng, giao thông, làm đường xá, cầu cống, vật liệu cho các công trình thuỷ lợi, chống thấm cho các đường hầm, đường ống, trong ngành sản xuất vật liệu tấm lợp, trong công nghiệp điện và nhiều ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên do Bitum được dùng nhiều cho việc làm nhựa dải đường cho nên ngày nay khi nói đến nhựa đường và thuật ngữ Bitum- Nhựa đường đã trở thành tên gọi quen thuộc khi gọi tên Bitum. I.3. Những thành phần hoá học của bitum dầu mỏ. Bitum là hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon có phần tử lớn (Alkan, naphtalen, các loại mạch vòng ), các chất nhựa atphaten, một lượng nhỏ các chất có cấu trúc tương tự hợp chất dị vòng, và các nhóm chức năng có lưu huỳnh, nitơ và nguyên tử oxy. Bitum cũng chứa một lượng nhỏ các dẫn xuất kim loại như vanadi, niken, sắt, magie,và canxi… dưới dạng muối hữu cơ, oxyt, hoặc các cấu trúc porphyrin. Nó có màu đen, hoà tan trong benzene, clorofooc, và mội số dung môi khác. Các phân tích thành phần nguyên tố các loại Bitum được sản xuất từ các nguồn dầu thô khác nhau cho thấy hầu hết các loại Bitum chứa: Cácbon : 82%-88% . Hydro : 8%-11% Lưu huỳnh : 0%-6% Oxy : 0%-1% Nitơ : 0-1% Thành phần của bitum gồm 3 nhóm ch