فرایند تولید قیر: از نفت خام تا انواع قیر

قیر، این ماده حیاتی در ساخت و ساز جاده‌ها، عایق‌بندی و بسیاری کاربردهای دیگر، محصولی پیچیده است که از نفت خام به دست می‌آید. درک فرایند تولید قیر نه تنها برای متخصصان صنعت، بلکه برای عموم مردم که روزانه از فواید آن بهره‌مند می‌شوند، اهمیت دارد. این مقاله به بررسی مراحل مشترک در تولید انواع قیر و سپس به تفاوت‌های کلیدی در تولید قیرهای امولسیونی، محلول، دمیده (اکسیده) و قیرهای اختصاصی می‌پردازد.

فرایند تولید قیر: مراحل مشترک تولید برای همه انواع قیر

پایه و اساس تولید انواع قیر، تقطیر نفت خام است. نفت خام، ترکیبی پیچیده از هیدروکربن‌های مختلف با نقاط جوش متفاوت است. در پالایشگاه‌ها، نفت خام در برج‌های تقطیر تحت حرارت قرار می‌گیرد و بر اساس نقطه جوش، به اجزای مختلفی تفکیک می‌شود.

1. پیش‌گرمایش نفت خام: ابتدا نفت خام در کوره‌های مخصوص تا دمای معینی (حدود ۳۵۰-۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) گرم می‌شود.
2. ورود به برج تقطیر اتمسفریک: نفت خام گرم شده وارد برج تقطیر اتمسفریک می‌شود. در این برج، اجزای سبک‌تر نفت (مانند گازهای نفتی، بنزین، نفت سفید و گازوئیل) تبخیر شده و از بالای برج خارج می‌شوند.
3. تولید برش‌های سنگین و مازوت: اجزای سنگین‌تر نفت که در دمای اتمسفریک تبخیر نمی‌شوند، در پایین برج باقی می‌مانند و به عنوان مازوت یا نفت کوره سنگین (Fuel Oil) شناخته می‌شوند. این ماده حاوی ترکیبات آسفالتنی است که پایه و اساس تولید قیر را تشکیل می‌دهند.
4. ورود به برج تقطیر وکیوم (خلاء): مازوت حاصل از تقطیر اتمسفریک، برای جداسازی اجزای سنگین‌تر و افزایش خلوص قیر، وارد برج تقطیر وکیوم می‌شود. در این برج، فشار داخلی به شدت کاهش می‌یابد (خلاء ایجاد می‌شود). کاهش فشار باعث می‌شود که هیدروکربن‌های سنگین‌تر در دماهای پایین‌تری تبخیر شوند، از تجزیه حرارتی آن‌ها جلوگیری شده و قیر با کیفیت بهتری تولید شود.
5. تولید قیر ته مانده (Bitumen Residue): در نهایت، باقی‌مانده بسیار سنگین و غیرقابل تبخیر در پایین برج تقطیر وکیوم، همان قیر خالص (Bitumen Residue) است. این ماده، پایه و اساس تولید تمام انواع قیر است.

این قیر خالص، که به آن قیر پالایشگاهی نیز می‌گویند، دارای خواص مشخصی از جمله گرانروی (ویسکوزیته) و نفوذپذیری است که بسته به نوع نفت خام و شرایط فرایند تقطیر، متفاوت خواهد بود. از این قیر پایه، انواع مختلف قیر با کاربردهای ویژه تولید می‌شوند.

تفاوت در فرایندهای تولید انواع قیر

پس از تولید قیر پایه از طریق تقطیر نفت خام، برای تولید انواع خاص قیر، فرایندهای تکمیلی صورت می‌گیرد که خواص و کاربردهای آن‌ها را تغییر می‌دهد:

1. قیر دمیده (اکسیده) و قیرهای عملکردی (Performance Graded)

• فرایند تولید: برای تولید قیر دمیده (Blown Bitumen یا Oxidized Bitumen)، قیر ته مانده از برج تقطیر وکیوم، در یک راکتور مخصوص تحت دمش هوای گرم قرار می‌گیرد. در این فرایند، اکسیژن موجود در هوا با هیدروکربن‌های قیر واکنش داده و باعث پلیمریزاسیون و شبکه‌ای شدن مولکول‌های قیر می‌شود.
• تغییر خواص: این واکنش اکسیداسیون، باعث افزایش نقطه نرمی، کاهش درجه نفوذ و افزایش خاصیت الاستیکی قیر می‌شود. به همین دلیل، قیر دمیده در برابر تغییرات دما مقاوم‌تر بوده و کمتر جاری می‌شود.
• کاربرد: قیرهای دمیده (مانند 60/70، 85/25، 90/15، 115/15) بیشتر در عایق‌بندی بام، روکش لوله‌ها، ساخت آسفالت پلیمری و درزگیرها استفاده می‌شوند.

نکته مهم: تولید قیرهای عملکردی (Performance Graded Bitumen یا PG Bitumen) نیز شامل تغییراتی در خواص فیزیکی قیر است که معمولاً از طریق افزودن پلیمرها و مواد شیمیایی صورت می‌گیرد، نه صرفاً دمش هوا. این قیرها بر اساس عملکردشان در دماهای مختلف طبقه‌بندی می‌شوند و فرایند تولید آن‌ها پیچیده‌تر است که شامل اختلاط دقیق با مواد افزودنی (پلیمرها) در دما و فشار کنترل شده است. هدف، افزایش مقاومت قیر در برابر شیار افتادگی، خستگی و ترک خوردگی در شرایط آب و هوایی مختلف است.

2. قیر امولسیونی (Emulsified Bitumen)

• فرایند تولید: قیر امولسیونی، مخلوطی از قیر، آب و یک ماده امولسیون کننده (معمولاً یک سورفاکتانت) است. در این فرایند، قیر مذاب (گرم) و آب (حاوی امولسیون کننده) به صورت همزمان وارد یک آسیاب کلوئیدی یا هموژنایزر با سرعت بالا می‌شوند. در این دستگاه، قیر به ذرات بسیار ریز میکروسکوپی (با قطر ۰.۱ تا ۵ میکرون) شکسته شده و به صورت معلق و پایدار در آب پخش می‌شود. امولسیون کننده نیز از جداسازی فاز قیر و آب جلوگیری می‌کند.
• تغییر خواص: مهمترین ویژگی قیر امولسیونی این است که می‌توان آن را در دمای محیط (بدون نیاز به گرمایش شدید) استفاده کرد. آب موجود در امولسیون به تدریج تبخیر شده و قیر باقی می‌ماند و به سطح زیرین می‌چسبد.
• کاربرد: قیرهای امولسیونی (مانند RS-1, SS-1) در راه‌سازی برای عملیات چیپ سیل (Chip Seal)، پرایم کت (Prime Coat)، تک کت (Tack Coat)، آسفالت سرد و ترمیم رویه‌ها استفاده می‌شوند. مزیت اصلی آن‌ها کاهش مصرف انرژی، آلایندگی کمتر و سهولت اجرا است.

3. قیر محلول (Cutback Bitumen)

• فرایند تولید: قیر محلول با حل کردن قیر خالص در یک حلال نفتی فرار (مانند نفتا، گازوئیل، پارافین یا حلال‌های آروماتیک) تولید می‌شود. این فرایند معمولاً در مخازن اختلاط در دمای بالا و با همزن صورت می‌گیرد. نوع و میزان حلال، تعیین کننده سرعت خشک شدن و ویسکوزیته قیر محلول است.
• تغییر خواص: حلال نفتی، ویسکوزیته قیر را به شدت کاهش می‌دهد و آن را قابل پاشش در دمای محیط یا کمی بالاتر می‌کند. پس از پاشش، حلال به تدریج تبخیر شده و قیر خالص بر روی سطح باقی می‌ماند.
• کاربرد: قیرهای محلول (مانند MC-30, RC-250) در عملیات پرایم کت (نفوذ به لایه‌های زیرین برای افزایش چسبندگی)، تک کت (ایجاد لایه چسبنده بین لایه‌ها)، آسفالت سرد و نگهداری جاده‌ها استفاده می‌شوند. امروزه به دلیل مسائل زیست محیطی و انتشار ترکیبات آلی فرار (VOCs) و همچنین خطرات اشتعال، استفاده از قیرهای محلول رو به کاهش است و قیرهای امولسیونی جایگزین مناسب‌تری محسوب می‌شوند.

4. قیرهای اختصاصی و اصلاح شده (Specialty and Modified Bitumen)

• فرایند تولید: این دسته از قیرها شامل طیف وسیعی از محصولات با خواص ویژه هستند که برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند. فرایند تولید آن‌ها معمولاً شامل افزودن پلیمرها، مواد شیمیایی، الیاف یا پرکننده‌ها به قیر پایه است. اختلاط این مواد افزودنی به قیر در دما و فشارهای کنترل شده و با استفاده از همزن‌های قدرتمند انجام می‌شود تا ترکیب همگنی به دست آید.
• تغییر خواص: افزودنی‌ها می‌توانند خواصی مانند الاستیسیته، مقاومت در برابر دماهای بسیار بالا یا پایین، چسبندگی، مقاومت در برابر پیری و خستگی، و مقاومت در برابر آب را بهبود بخشند.
• کاربرد:
  • قیرهای پلیمری (PMB – Polymer Modified Bitumen): برای افزایش مقاومت آسفالت در برابر شیار افتادگی، ترک خوردگی و خستگی در جاده‌های پرتردد و مناطق با نوسانات دمایی زیاد.
  • قیرهای رابرایز (Rubberized Bitumen): با افزودن پودر لاستیک بازیافتی، برای بهبود خواص الاستیکی و کاهش صدای تایر در جاده‌ها.
  • قیرهای اکسیده اصلاح شده: با افزودنی‌های خاص برای بهبود خواص عایق‌بندی و پایداری حرارتی.
  • قیرهای چسبنده و درزگیر: با افزودنی‌های مخصوص برای کاربردهای آب‌بندی و چسباندن.

نتیجه‌گیری

فرایند تولید قیر، از تقطیر نفت خام آغاز شده و با فرایندهای تکمیلی برای تولید انواع خاص قیر ادامه می‌یابد. درک این فرایندها و تفاوت‌های کلیدی بین قیرهای دمیده، امولسیونی، محلول و قیرهای اختصاصی، به انتخاب صحیح محصول برای هر کاربرد کمک شایانی می‌کند. با پیشرفت تکنولوژی، تولید قیرهای با عملکرد بالاتر و دوست‌دار محیط زیست، همچنان در حال تکامل است تا نیازهای روزافزون صنایع مختلف را برطرف سازد.

سوالات متداول (FAQ) درباره فرایند تولید قیر

۱. ماده اولیه اصلی برای تولید قیر چیست؟ ماده اولیه اصلی برای تولید قیر، نفت خام سنگین است که از طریق فرایند تقطیر در پالایشگاه‌ها جداسازی می‌شود.

۲. چرا در تولید قیر از برج تقطیر وکیوم (خلاء) استفاده می‌شود؟ استفاده از برج تقطیر وکیوم به این دلیل است که با کاهش فشار، نقطه جوش هیدروکربن‌های سنگین‌تر کاهش می‌یابد. این کار از تجزیه حرارتی قیر در دماهای بالا جلوگیری می‌کند و به تولید قیر با کیفیت بهتر کمک می‌کند.

۳. تفاوت اصلی بین قیر امولسیونی و قیر محلول چیست؟ قیر امولسیونی از طریق مخلوط کردن قیر با آب و یک عامل امولسیون کننده تولید می‌شود و می‌توان آن را در دمای محیط استفاده کرد. در حالی که قیر محلول از حل کردن قیر در یک حلال نفتی فرار به دست می‌آید و حلال آن پس از اجرا تبخیر می‌شود. قیرهای امولسیونی به دلیل مسائل زیست‌محیطی ارجحیت دارند.

۴. چرا قیر دمیده (اکسیده) خواص متفاوتی نسبت به قیر خالص دارد؟ قیر دمیده با دمش هوای گرم به قیر خالص تولید می‌شود. این فرایند باعث اکسیداسیون و پلیمریزاسیون مولکول‌های قیر شده، که نتیجه آن افزایش نقطه نرمی، کاهش نفوذپذیری و افزایش خاصیت الاستیکی قیر است.

۵. کاربرد اصلی قیرهای پلیمری چیست؟ قیرهای پلیمری (PMB) با افزودن پلیمرها به قیر پایه تولید می‌شوند. کاربرد اصلی آن‌ها افزایش مقاومت آسفالت در برابر پدیده‌هایی مانند شیار افتادگی، ترک خوردگی و خستگی در جاده‌ها، به خصوص در مناطق با ترافیک سنگین یا نوسانات دمایی زیاد است.

۶. آیا تولید قیر می‌تواند به محیط زیست آسیب برساند؟ بله، فرایند تولید قیر و کاربرد برخی از انواع آن (مانند قیرهای محلول به دلیل انتشار حلال‌های فرار) می‌تواند تأثیرات زیست‌محیطی داشته باشد. به همین دلیل، تحقیقات و توسعه در جهت تولید قیرهای با عملکرد بالا و دوست‌دار محیط زیست (مانند قیرهای امولسیونی و اصلاح‌شده) ادامه دارد.