Зависимость структурно-механических характеристик парафинов от температуры

Процесс структурообразования в расплавах парафинов при понижении температуры включает образование новой твёрдой фазы, накопление её, формирование и дальнейшее развитие пространственной дисперсной структуры. При этом температурные зависимости структурно-механических характеристик, таких как прочность, контракция (сжатие) наиболее полно оценивают закономерности структурообразования. Эти данные в литературе мало освещены. В основном приводятся лишь результаты измерения твёрдости по пенетрации [1,2], хотя указанные эксплуатационные свойства парафинов при различных температурах практически важны для их потребителей.

Нами изучался процесс структурообразования нефтяных парафинов Бухарского НПЗ в температурном интервале от начала кристаллизации до 20⁰С. Физико-химические показатели, а также результаты спектрального и хроматографического анализа качества исследованных парафинов Чулкуварской нефти приведены в табл. 1,2.

Таблица 1

Таблица 2

Распределение н-алканов по числу углеродных атомов

Комплексное исследование структурно-механических характеристик парафинов проводилось на специально созданной лабораторной установке, позволяющей при программированном охлаждении образца определять температуры фазовых превращений (начала кристаллизации t₁ и модификационного перехода в твёрдом состоянии t₂), контракцию ( V) как в [3,4] и прочность образующейся структуры по величине предельного напряжения сдвига (P_m).

Образование и накопление твёрдой фазы парафинов исследовалось дилатометрическим методом, а формирование структуры оценивалось путём измерения величины её прочности. Методика экспериментов заключалась в следующем: расплавы парафинов нагревались до 80⁰С и выдерживались при этой температуре 10 мин. Охлаждение осуществлялось со скоростью v⁰ =1⁰С/мин, причём опыт проводился каждый раз с новой пробой образца. Соблюдение этих условий проведения опыта обеспечивает надёжность установленных закономерностей [3,4]. Зависимости P_m и V от температуры охлаждения (t₀) для пищевого (П-1), экспортного (В₃), а также технического (Т) и спичечного (Н_с) парафинов приведённых на рис. 1,2.

Рис. 1. Зависимость прочности Р_m(кривая 1) и концентрации ∆V (кривая 2) от температуры t₀ для нефтяного пищевого парафина

Рис. 2. Зависимость прочности Р_m структур парафинов от температуры t₀: марки парафинов: 1-Н_с-(спичечный;, 2-Т (технический); 3-В_з -(экспортный)

Дилатометрические исследования показали, что характер контракциограмм для всех изученных парафинов идентичен, поэтому графическая зависимость V = f (t₀) представлена лишь для пищевого парафина (рис. 1).

Как видно из рис. 1 и 2, у всех исследуемых парафинов понижение температуры вызывает закономерное уменьшение объема их расплавов и увеличение прочности формирующихся структур. При этом в температурном интервале от начала кристаллизации до модификационного фазового перехода происходит процесс накопления дисперсной фазы парафина и формирования пространственной структуры, сопровождающийся резким уменьшением объёма образца и медленным нарастанием прочности. Процесс модификационного превращения всех парафинов в твёрдом состоянии сопровождается значительным нарастанием прочности и характеризуется самой большой величиной температурного коэффициента прочности.

Обнаруженные закономерности в нарастании P_m парафинов при понижении температуры связаны с особенностями их кристаллографической структуры. Так, гексагональная структура парафинов, формирующаяся в интервале температур от начала кристаллизации до фазового перехода в твёрдом состоянии, обладает легкой деформируемостью и повышенной эластичностью; орторомбическая же структура, существующая при температурах ниже фазового перехода, высокохрупкая и характеризуется значительным преобладанием полученные нами при исследовании синтетических парафинов. Обобщенные результаты исследований температур фазовых превращений парафинов, прочности и контракции их структур, формирующихся при t=20⁰С, для сравнения приведены в табл. 3.

Таблица 3

Выводы

1.         Проведено комплексное исследование прочностных дилатометрических свойств нефтяных парафинов в интервале температур от начала кристаллизации до 20 ⁰С.

2.         Показано, что в температурном интервале от начала кристаллизации до модификационного фазового перехода в твёрдом состоянии происходит процесс накопления твёрдой фазы парафина и формирования пространственной структуры, сопровождающийся резким уменьшением объёма и медленным нарастанием прочности.

3.         Модификационный фазовый переход в твёрдом состоянии сопровождается значительным увеличением прочности.

4.         Обнаруженные закономерности в измерении P_m и V парафинов при понижении температуры связаны с кристаллографическими особенностями их структуры.

Литература:

1.         Керамиди А. С. Экспериментальное исследование коэффициента динамической вязкости жидких парафиновых углеводородов и нефтепродуктов: Дис. канд. техн. наук. Одесса, 2004. 218 с.

2.         Богатов Г. Ф., Расторгуев Ю. Л., Григорьев Б. А. Теплопроводность нормальных парафиновых углеводородов при высоких давлениях и температурах // Хим. и технол. топлив и масел. 1989. № 9. с.47–51.

3.         Лобачёв Ю. Ю. и др. «заводская лаборатория», 1977, № 8, с.981–983.

4.         Александрова Э. А., Гришин А. П., Лобачёв Ю. Ю. «Нефть и газ», 1977. № 6, с. 52.