تولید و نگهداری قیر

اولین فرآیند تصفیه نفت خام، تقطیر جزء به جزء آن است که به صورت فیزیکی نفت خام را به اجزایی تغییر می دهد که دارای نقطه جوش متفاوت هستند. این کار در برج های فولادی بلند انجام می شود که به برج های تقسیم یا تقطیر معروف هستند. داخل برج تقطیر با سینی های افقی فولادی که سوراخ سوراخ شده اند تقسیم می شود تا بخار بتواند از برج بالا برود. بالای این سوراخ ها گنبدهای کوچکی وجود دارد که کلاهک های حبابی نامیده می شوند و بخار را به سمت پایین منحرف می کنند تا حباب از طریق آن ها تبدیل به مایع شود. این امر باعث بهبود کارایی جداسازی و همچنین مزیت کاهش ارتفاع برج می شود. نفت خام قبل از عبور به قسمت پایین برج که تحت فشار کمی بالاتر از فشار جو قرار دارد در کوره تا دمای 350 تا 380 درجه سانتیگراد گرم می شود.

مواد وارد شده به برج مخلوطی از مایع و بخار است: مایع از اجزایی بالاتر از نقطه جوش نفت خام تشکیل شده و بخار از اجزایی پایین تر از نقطه جوش آن می باشد. بخارها از طریق سوراخ های موجود در سینی ها به سمت بالای برج می آیند و با بالا رفتن گرما از دست می دهند. وقتی هر جزیی به سینی رسید که دما درست زیر نقطه جوش خودش باشد متراکم می شود و دوباره به مایع تبدیل می شود. همانطور که اجزا با کیفیت متفاوت روی سینی ها متراکم می شوند، بطور مداوم توسط لوله ها خارج می شوند. سبک ترین بخش های نفت خام به صورت بخار باقی مانده و از بالای برج تقطیر گرفته می شوند.

اجزای سنگین تر از برج به عنوان جریان های جانبی خارج می شوند. سنگین ترین اجزا به صورت مایعات باقی می مانند، بنابراین در پایین برج باقی می مانند. سبک ترین جزیی که در فرآیند تقطیر نفت خام تولید می شود شامل پروپان و بوتان است که هر دو در شرایط جوی گاز هستند.

با حرکت به پایین برج، نفتا (ماده ای کمی سنگین تر) تولید می شود. از نفتا به عنوان ماده اولیه تولید بنزین و صنایع شیمیایی استفاده می شود. در پایین برج، نفت سفید تولید می شود. نفت سفید در درجه اول برای سوخت هواپیمایی و به میزان کمتری برای سوخت خانگی استفاده می شود.

روغن و گازوئیل که به عنوان سوخت موتورهای دیزلی و گرمایش مرکزی استفاده می شود. سنگین ترین جزیی است که از فرآیند تقطیر نفت خام گرفته شده مخلوط پیچیده ای از هیدروکربن هایی با وزن مولکولی بالا است که قبل از استفاده به عنوان ماده اولیه برای تولید قیر به پردازش بیشتری نیاز دارد. توضیح اینکه تقطیر جزء به جزء که تحت فشار اتمسفر انجام می شود به عنوان تقطیر اتمسفری نیز شناخته می شود (شکل زیر).

 باقیمانده با زنجیره کربنی بلندتر با کاهش فشار در یک برج تقطیر در خلا بیشتر تقطیر می شود(شکل زیر):

این امر در خلأ 10 تا 100 میلی متر جیوه و در دمای بین 350 تا 425 درجه سانتیگراد انجام می شود تا بخشی گازوییل و اجزا تقطیر تولید شود ، به علاوه یک باقیمانده کف که به عنوان مانده با زنجیره کربنی کوتاه شناخته می شود. اگر این تقطیر دوم فقط با افزایش کمی دما انجام شود ، ترک خوردگی یا تجزیه حرارتی باقی مانده با زنجیره کربنی بلندتر ایجاد می شود ، از این رو نیاز به کاهش فشار وجود دارد. مانده کوتاه به عنوان ماده اولیه مورد استفاده در تولید بیش از 20 نوع مختلف قیر می باشد. ویسکوزیته و بازده باقیمانده کوتاه تابعی هم از منشا نفت خام و هم از دما و فشار در برج خلا در حین فرآوری است و این از یک نفت خام به نفت خام دیگری به طور قابل توجهی متفاوت است. مخلوط نفت خام فرآوری شده و همچنین شرایط موجود در برج برای تولید پس مانده با زنجیره کربنی کوتاه با نفوذ در محدوده دسی میلی متر 35-300 میلی متر تنظیم شده است. در شکل زیر رابطه فرآیند تقطیر با سایر فرآیندهای اساسی تصفیه مانند اصلاح و ترک خوردگی برای تولید محصولات قابل فروش ، به عنوان مثال سوخت هواپیما، سوخت های بنزین و گازوییل ،روغن های سنگین و مواد اولیه شیمیایی نشان داده شده است.

دمیدن هوا بر باقیمانده هایی با زنجیره کوتاه در فرآیند تولید قیر

اثر اصلی دمیدن هوا این است که برخی از "مالتین ها" با وزن مولکولی نسبتاً کم را به "آسفالتین ها" با وزن مولکولی نسبتاً بالاتر تبدیل می کند. نتیجه آن کاهش نفوذ قیر که با افزایش نسبتاً بیشتر در نقطه نرمی در ایجاد حساسیت به دمای پایین قیر دمیده در هوا موثر است.

 

پس از پیش گرم شدن، پس مانده کوتاه به برج دمنده دقیقاً زیر سطح مایع نرم وارد می شود. هوا به وسیله یک تولید کننده هوا واقع در پایین برج به سراسر قیر دمیده می شود. هوا نه تنها به عنوان یک واکنش دهنده عمل می کند بلکه در جهت هم زدن و اختلاط قیر نیز عمل می کند، در نتیجه هم سطح و هم سرعت واکنش را افزایش می دهد.

با بالا رفتن هوا در مواد، قیر اکسیژن را جذب می کند. بخار و آب در فضای بالاتر از سطح قیر پاشیده می شوند، اولی برای سرکوب کف و رقیق شدن مقدار اکسیژن گازهای زائد و دومی برای خنک کردن بخارها به منظور جلوگیری از سوختن و ایجاد کک. محصول دمیده شده از طریق مبدل های حرارتی عبور می کند تا به دمای "ریزش" مطلوب برسد (دمای پائین دمایی است که می توان قیر را از مخزن برداشت کرد) و به منظور ایجاد وسیله ای اقتصادی برای پیش گرم کردن خوراک باقی مانده با زنجیره کوتاه اولیه، قبل از پمپاژ محصول ذخیره سازی.

نفوذ نهایی و نقطه نرمی قیر دمیده شده تحت تأثیر عوامل بسیاری از جمله گرانروی ماده اولیه، درجه حرارت در برج  دمنده، زمان ماند در ستون دمنده، منشا نفت خام مورد استفاده برای تولید مواد اولیه و نسبت هوا به قیر وارد شده به فرآیند تحت تاثیر قرار می گیرد. شکل زیر نشان می دهد که "منحنی ها" برای یک ماده اولیه قیر در حال دمیدن است و اینکه چگونه می توان از این فرآیندها استفاده کرد تا قیر بتواند از نقطه نرم شدن و مشخصات نفوذ نشان داده شده توسط مربع های نشان داده شده در شکل زیر برخوردار شود.

از نفت های خام بسیاری می توان قیر تولید کرد که به منظور تولید قیرهای با درجه نفوذ مناسب برای راه سازی به مقدار ایده آل به دمیدن هوا نیاز ندارد. به این فرآیند نیمه دمیدن یا تصحیح هوا گفته می شود. با خردمندی، می توان از نیمه دمیدن برای کاهش حساسیت به درجه حرارت قیر (یعنی افزایش ضریب نفوذ آن) استفاده کرد.

قیرهای کاملاً دمیده یا اکسیده اغلب با دمیدن گسترده تر به ترکیبی از یک مانده با زنجیره کربنی کوتاه با جریان ویسکوزیته نسبتاً کم تولید می شوند. موقعیت منحنی دمیدن در شکل قبل در درجه اول به ویسکوزیته و ماهیت شیمیایی خوراک بستگی دارد. هرچه خوراک نرمتر یا گرانروی کمتری داشته باشد، منحنی آن نیز بالاتر است. مقدار دمیدن  لازم به دما در برج و نسبت هوا به خوراک بستگی دارد. بنابراین با انتخاب ماده اولیه قیر مناسب، کنترل ویسکوزیته خوراک و شرایط موجود در برج، می توان طیف وسیعی از درجه های قیر دمیده را تولید کرد.

 

فرآیند دمیدن در قیر را می توان به عنوان یک فرآیند تبدیل توصیف کرد که در آن اکسیداسیون، دهیدروژناسیون و پلیمریزاسیون اتفاق می افتد که  به طور معمول با اکسیژن موجود در هوا انجام می شود و این نوع فرآیند است که در اینجا مورد توجه قرار می گیرد.

با قرار دادن مواد ورودی و خروجی در مخزن واکنش به ترکیبی از روش های تحلیلی، می توان تعادل اکسیژن را ترسیم کرد. مشخص شده است که تمام اکسیژن جذب شده توسط قیر را می توان با تشکیل گروه های هیدروکسیل، کربونیل، اسید و استر حساب کرد. اکسیژن اتر تشخیص داده نشده است. محصولات جانبی اصلی شامل دی اکسید کربن، آب و برخی هیدروکربن های سبک هستند. علاوه بر پیوندهای کربن - اکسیژن، پیوندهای کربن-کربن نیز تشکیل می شوند.

از گروه های عملکردی ذکر شده، استرها از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند زیرا به عنوان پیوند دهنده دو مولکول مختلف عمل می کنند و بنابراین به تشکیل ماده با وزن مولکولی بالاتر کمک می کنند. این مکانیزم (همراه با تشکیل مستقیم پیوندهای کربن-کربن) منجر به افزایش محتوای آسفالتین میگردد. به عبارت دیگر تشکیل استرها و تشکیل مستقیم پیوندهای کربن-کربن واکنش های مورد نظر است. دیگر واکنش ها کمتر مطلوب یا حتی نامطلوب هستند.

به عنوان یک روند معمول، مقدار اکسیژن مورد استفاده برای واکنش های تراکم از 60 به 20 درصد کاهش می یابد، در حالی که مقدار اکسیژن مورد استفاده برای واکنش های جانبی با افزایش دما از 150 به 350C از 40 به 80 درصد افزایش می یابد. به عبارت دیگر، افزایش دما باعث کاهش سهم واکنش های مطلوب در ازای واکنش های شیمیایی نامطلوب می شود.

از آنجا که تشکیل آسفالتین (هدف اصلی فرآیند دمیدن) تابعی از تعداد پیوندهای به دست آمده است، تعداد پیوندها در هر مول اکسیژن واکنش از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. مقدار اکسیژن مورد نیاز برای یک پیوند استر بسیار بیشتر از مقدار مورد نیاز برای پیوند کربن-کربن است و مقدار پیوندهای استر تشکیل شده با دما به شدت کاهش می یابد، در حالی که مقدار پیوندهای کربن-کربن با افزایش دما افزایش می یابد. در نتیجه در یک درجه حرارت خاص ممکن است تعداد بهینه در تشکیل پیوند انتظار حاصل گردد. مشخص شده است که این عدد بهینه در دمای دمیدن 250C حاصل می شود.

با این حال در این درجه حرارت ترجیحی، انتقال اکسیژن از گاز به فاز مایع اغلب بسیار رضایت بخش نیست زیرا بدلیل ویسکوزیته نسبتاً زیاد قیر مایع، توزیع حباب های هوا ممکن است ضعیف باشد. افزایش دمای دمیدن منجر به کاهش ویسکوزیته و افزایش اتصال گاز مایع می شود، بنابراین باعث جذب اکسیژن (کارایی) توسط قیر می شود. با این حال این تغییر به سمتی است که تعداد کل پیوندها در هر مول اکسیژن واکنش یافته کمتر باشد. در حالت تعادل، تعداد کل پیوندهای تشکیل شده در هر مول اکسیژن دریافتی در دماهای بالاتر مطلوب تر است. یک تغییر در حالت بهینه اتفاق می افتد که روند دمای بالاتر دمیدن (275–285C ) را که اغلب در عمل مشاهده می شود توضیح می دهد.

 

از آنجا که اکثر گریدهای قیر در دمای محیط جامد هستند برای اینکه بتوانند آن را به صورت مایع جابجا کرد، بسته به گرید آنها باید تا دمای 140 و تا 200 درجه سانتیگراد گرم کنند. دمای بالاتر تا 230 درجه سانتیگراد در خلا برای گریدهای بسیار اکسیده اعمال می شود. با حمل صحیح، قیر می تواند برای مدت زمان قابل توجهی دوباره گرم شود و یا در دمای بالا، بدون اینکه بر خصوصیات آن تأثیر منفی بگذارد نگهداری شود. با این حال در اثر گرم شدن بیش از حد و یا قرار دادن قیر در معرض شرایطی که باعث اکسیداسیون می شود می تواند بر خصوصیات قیر اثر منفی بگذارد و ممکن است عملکرد طولانی مدت مخلوط های حاوی قیر را تحت تأثیر قرار دهد. درجه سخت شدن (یا تحت شرایط خاص، نرم شدن) که در نتیجه عملکرد نادرست تولید می شود، تابعی از پارامترهایی مانند دما، وجود هوا، نسبت سطح به حجم قیر، روش گرمایش و مدت زمان قرار گرفتن در معرض این شرایط می باشد.

 

بیش از 50٪ تصادفات و حوادث مربوط به قیر که منجر به از دست رفتن روزهای کاری می شود در هنگام جابجایی قیر رخ میدهد. در اروپا، Eurobitume یک دستورالعمل عملی دقیق (Eurobitume و موسسه آسفالت ، 2011) تهیه کرده است که برای کمک به کاهش فراوانی حوادث با افزایش آگاهی از علل آنها طراحی شده است. به كاركنان حمل و دريافت کنندگان قير توصيه مي شود كه به اين سند مراجعه كنند.

 

تمام قیرها باید در مخازن مخصوصی که برای این منظور طراحی شده اند ذخیره شوند (Eurobitume و موسسه آسفالت ، 2011). برای به حداقل رساندن سخت شدن احتمالی قیر در هنگام ذخیره سازی باید جنبه های خاصی از طراحی مخزن را در نظر گرفت. به منظور به حداقل رساندن خطر گرم شدن بیش از حد قیر باید در مخزن سنسورها و گیج های دقیق دما نصب شود. اینها باید در محدوده هیترها قرار بگیرند و ترجیحاً قابل جابجایی باشند تا نظافت و نگهداری منظم را تسهیل کنند. اکسیداسیون و از بین رفتن اجزای فرار قیر هر دو مربوط به نسبت سطح به حجم مخزن ذخیره سازی است که برای یک ظرف استوانه ای برابر با ارتفاع متقابل قسمت پر شده مخزن است.

h ارتفاع قیر و r شعاع مخزن است.

 بنابراین ابعاد مخزن ذخیره فله باید به گونه ای باشد که نسبت سطح به حجم به حداقل برسد. بر این اساس، مخازن ذخیره عمودی با نسبت ارتفاع به شعاع بیشتر نسبت به مخازن افقی ارجح هستند.

اختلاط  قیر در مخازن ذخیره سازی معمول است و باید در اطراف آن  یک ماپیچ چرخانده شود تا لوله های انتقال قیر تا نقطه فرآوری گرم شود. خطوط برگشتی در یک سیستم چرخش مجدد باید به مخزن ذخیره سازی زیر سطح قیر وارد شوند تا از انباشت قیر داغ در هوا جلوگیری کند. غالباً قیر از طریق لوله ای که در قسمت بالایی مخزن تعبیه شده است به مخزن ذخیره سازی برمی گردد و با کناره یا سقف شسته می شود یا دقیقاً در فضای هوای بالای مخزن بیرون زده است. اگر قیر وارد مخزن بالای قیر شود ، همه عواملی که باعث اکسیداسیون می شوند وجود دارند.

• درجه حرارت بالا

• دسترسی به اکسیژن

• نسبت سطح به حجم زیاد 

خوشبختانه زمان انتظار قیر در مخزن معمولاً به اندازه کافی کم است تا سخت شدن آن ناچیز باشد. با این حال اگر مواد برای مدت طولانی ذخیره شود از گردش مجدد فقط باید به صورت متناوب استفاده شود و قیر باید قبل از استفاده آزمایش شود تا از کیفیت آن برای کاربرد پیشنهادی اطمینان حاصل شود. طرح پیشنهادی مخزن ذخیره قیر در شکل زیر نشان داده شده است.

مخازن ذخیره قیر باید دارای نشانگرهای اتوماتیک لول همراه با آلارم های سطح پایین و بالا باشند تا از خواندن چشمی جلوگیری شود. چنین رویکردی از قرار دادن لوله های بخار گرم در معرض اتمسفر قابل احتراق یا انفجاری در صورت قیر جلوگیری می کند. حتی قیر زیر لوله های بخار قرار می گیرد. کنترل خودکار سطح نیز اطمینان حاصل می کند که مخزن بیش از حد پر نمی شود. صرف نظر از اینکه آلارم سطح بالایی نصب شده باشد باید با در نظر گرفتن اثرات انبساط حرارتی قیر در مخزن، حداکثر سطح پر شده برای مخزن از قبل پیش بینی شود.

هر مخزن باید به وضوح با گرید قیر موجود در آن برچسب گذاری شود. هنگامی که درجه قیر در مخزن تغییر می کند اطمینان از خالی بودن و علامت گذاری مجدد مخزن قبل از تحویل گرید جدید مهم است.

 

قیر باید همیشه در کمترین دمای ممکن نگهداری شود. به عنوان یک راهنما، دمای کار برای عملیات خاص در دستوالعمل ایمنی قیر انستیتوی انرژی آورده شده است (انستیتوی انرژی ، 2005). این دما بر اساس اندازه گیری ویسکوزیته محاسبه شده است و توسط تجربه عملیاتی پشتیبانی می شود. برای کارهای عادی (به عنوان مثال ترکیب و انتقال قیر مایع)، دمای 50-10 درجه سانتیگراد بالاتر از حداقل دمای پمپاژ توصیه می شود، اما هرگز نباید از حداکثر دمای ایمن کنترل 230 درجه سانتیگراد فراتر رفت. برای جلوگیری از سخت شدن قیر، باید دوره ای که قیر در دمای بالا در مخزن ذخیره سازی ساکن است و دوباره گردش می یابد باید به حداقل برسد. اگر قیر باید برای مدت طولانی نگهداری شود مثلاً برای مدت بیش از یک هفته بدون افزودن ماده تازه، دما باید تقریباً به 25-20 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه نرم شدن قیر کاهش یابد و در صورت امکان سیرکولاسیون مجدد متوقف شود. 

هنگام گرم شدن مجدد قیر در انبار فله باید مراقبت شود که قیر به طور متناوب در یک دوره طولانی گرم شود تا از گرم شدن بیش از حد موضعی محصول در اطراف لوله های گرم کننده یا کویل1 جلوگیری شود. این مورد به ویژه در مواردی که از حرارت مستقیم لوله شعله استفاده می شود بسیار مهم است زیرا ممکن است به دمای سطح بیش از 300 درجه سانتیگراد برسد. در چنین تاسیساتی، مقدار گرمای اعمال شده باید محدود شود، فقط برای بالا بردن دمای محصول دقیقاً بالاتر از نقطه نرم شدن آن. این اجازه می دهد تا مواد نرم شوند، پس از آن می توان گرمای بیشتری را برای افزایش دمای محصول به مقدار کار مورد نیاز اعمال کرد. این تکنیک مفید است زیرا وقتی قیر مایع است البته یک مایع چسبناک است، جریان های همرفت گرما را در سرتاسر مواد پخش می کنند و در نتیجه گرمای بیش از حد موضعی دیگر مشکلی ایجاد نمی کند. گردش محتویات مخزن باید به محض سیال شدن کافی محصول آغاز شود، در نتیجه احتمال گرم شدن موضع بیشتر کاهش می یابد. با استفاده از روغن گرم، بخار یا بخاری برقی که به درستی طراحی شده است گرم شدن مجدد از سرما نباید این مشکلات را ایجاد کند.