خصوصیات قیر و فرآورده‌های آن

در حال حاضر قیر در درجات و گریدهای مختلفی تولید می‌شود. قیرها با خصوصیات مختلف جهت پاسخگویی به نیازهای صنعتی طراحی‌شده و بر پایه یک سری آزمون‌های فیزیکی است که خواص نرمی، انحلال‌پذیری، ویسکوالاستیسیته و دوام قیر را تعریف می‌کنند. این خواص فیزیکی جهت دستیابی به عملکرد مطلوب تحت شرایط دمایی بالا و پایین طراحی‌شده‌اند.

در بخش زیرسیستم مشخصات ایالات‌متحده و اروپا در جزئیات شرح داده‌شده است؛ زیرا باور بر این است که این دو سیستم، جامع و کامل بوده و اصول اساسی را در سراسر جهان نشان می‌دهند. مشخصات در خارج از ایالات‌متحده و اروپا بر پایه ارزیابی ویژگی‌های مشابه با استفاده از روش‌های آزمون مشابه برای خصوصیات دمای سرویس بالا، حد واسط و پایین و هم‌چنین دوام قیر است.

ایالات‌متحده

یک سیستم نسبتاً جدید که با عنوان سیستم عملکرد درجه‌بندی (PG) معرفی‌شده است، برای درجه‌بندی قیر در ایالات‌متحده مورداستفاده قرار می‌گیرد. سیستم PG به‌عنوان بخشی از پروژه 150 میلیون دلاری تحقیقات بزرگراه‌های استراتژیک و با صرف 5 سال زمان از سال 1987 تا 1992 میلادی انجام‌گرفته است. سیستم PG جایگزین سیستم‌های درجه‌بندی ویسکوزیته و درجه‌بندی نفوذی که درگذشته مورداستفاده قرار می‌گرفته، شده است. شرایط آب و هوایی (در درجه اول درجه حرارت) یکی از عناصر کلیدی در سیستم PG است. به‌طور مثال قیر PG 64-22 برای ارائه سختی لازم و کافی در درجه حرارت روسازی 64 درجه سانتی گراد، برای کمک به افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل و شیار شدگی در عمق 25 میلی‌متری آسفالت و همچنین داشتن سختی پایین در درجه حرارت روسازی 25- درجه سانتی گراد برای جلوگیری از شکست حرارتی در دمای پایین و داشتن مدول ویسکوز پایین در دماهای حد واسط برای به حداقل رساندن شکست خستگی تهیه و تولیدشده است. هر دو نوع قیر اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده پلیمری تحت سیستم PG تطبیق داده‌شده‌اند. مشخصات استاندارد PG در AASHTO  M320 و ASTM  D6373 وجود داشته که اغلب شامل ارزیابی دوام قیر و جنبه‌هایی ایمنی (نقطه اشتعال و افت حرارتی) است. به‌هرحال چندین ایالت این الزامات را بر پایه تجارب گذشته با استفاده از قیر PG رعایت کرده و یا عرضه قیر را با ملاحظات خاصی در منطقه خود انجام می‌دهند. بیش‌تر اصلاحات در سیستم PG در تشویق تولیدکنندگان برای ترکیب پلیمرهای الاستومری با قیرها می‌باشد. درحالی‌که قیرهای اکسیده (اغلب بانام قیر دمیده شناخته می‌شوند) بر پایه نقطه نرمی درجه‌بندی‌شده که آزمون‌های موردنیاز آن در سه درجه حرارت 0 درجه، 25 درجه و 46 درجه سانتی گراد انجام می‌پذیرد و برخی کنترل‌ها را بر حساسیت دمایی این مواد ارائه می‌کند. آزمون‌های موردنیاز برای کاربردهای تخصصی قیر اکسیده را می‌توان در کتاب راهنمای آسفالت به دست آورد.

 اروپا

مشخصات قیر در اروپا بر پایه دسته گسترده‌ای از انواع بایندرهای نشان داده‌شده در شکل شماره 15 بوده و افزون بر قیر خالص شامل مشتقات قیر نیز می‌باشد. سیستم یکپارچه‌سازی بجای خصوصیات شیمیایی عمدتاً بر پایه خصوصیات فیزیکی است. سیستم اروپایی یکپارچه‌سازی مشخصات توسط کمیته استاندارد اروپا (CEN) اجرا می‌شود. کارگروه CEN TC336 ، خصوصیات هماهنگ‌سازی و روش‌های آزمون را برای قیر ارائه می‌کند.

شکل 15    ساختار خصوصیات بایندرهای قیری اروپا

 خصوصیات قیرهای آسفالت و روسازی اروپا

نام‌گذاری درجه‌بندی در اروپا بر پایه درجه نفوذ فرآورده‌ها (اندازه‌گیری ثابت در 25 درجه سانتی گراد) است. مشخصات قیرهای آسفالت شامل EN 12591 (گرید روسازی و آسفالت)، EN 13924 (قیر روسازی درجه سخت) و EN 14023 (قیر اصلاح‌شده پلیمری) است. این‌ها بر پایه روش‌های مختلف آزمون تجربی و استانداردهای ملی سابق که به‌طورمعمول برای چندین سال استفاده می‌شدند، می‌باشند.

مشخصات مخصوص رئولوژی (نفوذ، نقطه نرمی و گرانروی)، مقاومت در برابر سخت شدن/ پیرشدگی، نقطه اشتعال (به دلایل ایمنی) و انحلال‌پذیری برای نشان دادن عدم وجود آلاینده است. قیرهای گرید روسازی توسط تقطیر وکیوم و اصلاح هوایی تولید می‌شود. قیرهای اصلاح‌شده پلیمری که از ترکیب قیر با پلیمر و دیگر افزودنی‌ها تولید می‌شود در دسته قیرهای روسازی طبقه‌بندی می‌شود.

 مشخصات قیرهای صنعتی اروپا

برای قیرهای صنعتی، استانداردهای اروپایی یک چهارچوبی را برای مشخصات قیرهای صنعتی سخت و یا اکسیده که به‌طور عمده برای مصارف کف سازی، ضد آب‌کردن و چسبندگی استفاده می‌شوند، ارائه کرده است. قیرها توسط استانداردهای EN 13304 (برای گریدهای اکسیده) و EN 13305 (برای قیرهای درجه صنعتی سخت) پوشش داده می‌شوند.

در این چهارچوب چندین گرید از قیرهای اکسیده مورداستفاده قرارگرفته و بسته به شرایط آب و هوایی، نوع ساخت‌وساز و شیوه‌های سنتی، درجات و گریدهای مختلفی ممکن است برای برخی از اهداف استفاده شود. به‌هرحال، گریدهای مختلف قیر برای بهبود چشمگیر مقاومت در برابر تغییرات درجه حرارت روزانه و فصلی تولید می‌شوند.

قیرهای اکسیده توسط ترکیب مقادیر نقطه نرمی و درجه نفوذ در 25 درجه سانتی گراد دسته‌بندی‌شده و به‌صورت مضربی از 5 بیان می‌شود. چهارچوب موجود در استاندارد اروپا برای قیرهای اکسیده EN 13304، توافقی را بر اساس کیفیت بین تولیدکننده و مشتری ارائه می‌کند. انواع معمول قیرهای اکسیده شامل گریدهای: 85/25، 85/40، 95/25، 95/35، 100/40، 105/35، 110/30 و 115/15 است.

قیرهای صنعتی سخت به‌طور عمده در مصارف کف سازی، لاستیک‌های صنعتی، عایق‌کاری پشت‌بام و ساخت آسفالت ماستیک به‌کاربرده می‌شوند. در اروپا چندین نوع قیر صنعتی سخت مورداستفاده قرار می‌گیرد و بسته به شیوه‌های سنتی، ممکن است قیرها با گریدهای مختلف برای برخی از اهداف استفاده شوند؛ مانند قیرهای اکسیده یک چهارچوب استاندارد برای قیرهای صنعتی سخت نیز وجود دارد. قیرهای صنعتی سخت توسط محدوده مشخص برای مقادیر نقطه نرمی با مضربی از 5 درجه‌بندی‌شده که با حرف H در قسمت جلو این مقادیر نشان داده می‌شود. سیستم مشخصات برای قیرهای صنعتی سخت (EN 13305) تفاوت چشمگیری در نوع آزمون‌های موردنیاز ندارد. انواع معمول قیرهای صنعتی سخت شامل: H80/90، H85/95، H90/100، H100/110 و H115/105 است.

انتشار آلاینده‌های قیر در هوا و مقایسه آن در دو نوع قیر

در طول فرآیند تولید که همراه با دفع و خروج مولکول‌ها با نقطه‌جوش پایین همراه است، انتشار آلاینده‌ها به جو تحت شرایط نرمال رخ نخواهد داد. انتشار آلاینده‌های قیر در دمای محیط بسیار ناچیز است. به دلیل خصوصیات فیزیکی قیر، نقل‌وانتقال و به‌کارگیری آن در دمای بالا امکان‌پذیر است. در این شرایط است که امکان انتشار آلاینده‌ها وجود دارد.

انتشار آلاینده‌ها در جو شامل مخلوط پیچیده‌ای است. که غالباً از هیدروکربن‌ها با محدوده نقطه‌جوش وسیع تشکیل‌شده است. مشتقات نفتالین تنها بخشی از ترکیبات شناسایی‌شده در این انتشار می‌باشد.

انتشار از قیر مذاب یک تعادل دینامیکی است که در شکل شماره 10 به تصویر کشیده شده است. مولکول‌های گاز و قطرات قیر سهم جزئی از مواد منتشرشده از قیر مذاب است. نسبت آئروسل/مه یا غبار به بخار در شرایط محیطی و کاربری متفاوت است. معمولاً در آئروسل نسبت بخار در محدوده 5:95-15:85 است. اما این باید تحت شرایط اصلی مانند دمای بالا شناسایی شود که نسبت واقعی ممکن است بسیار فراتر از این محدوده باشد.

شکل 10    نمودار شماتیک انتشار قیر

مقایسه انتشار در قیر اصلاح هوایی شده و قیر به‌دست‌آمده از تقطیر وکیوم

ترکیب انتشار از دو نوع قیر صنعتی با یکدیگر مقایسه شده است. این قیرها در پالایشگاه مشابه و از یک نوع نفت خام تولیدشده‌اند. تفاوت آن‌ها در روش و فرآیند تولیدشان می‌باشد. یکی از این قیرها گرید 70/100 است که توسط تقطیر جزءبه‌جزء وکیوم به‌صورت مستقیم به‌دست‌آمده است. گرید قیر دوم50/70 است که به‌وسیله دمیدن هوا به وکیوم باقیمانده و اصلاح هوایی آن به‌دست‌آمده است. مقایسه تحلیلی قیرها و انتشار آزمایشگاهی تحت شرایط یکسان انجام‌گرفته است. انتشار انجام‌گرفته از قیرها در دمای 155 درجه سانتی گراد جمع‌آوری‌شده به‌طور گسترده جهت ارزیابی شباهت‌ها و تفاوت‌ها مورد تجزیه‌وتحلیل قرارگرفته است.

انتشار در فیلتر ولوله‌های جاذب جمع‌آوری، شسته و ترکیب‌شده و برای شبیه‌سازی تقطیر، عدد کربن و مقدار کل ماده آلی مورد آنالیز قرارگرفته است. برای مشخص کردن ترکیبات بیش‌تر در انتشار قیر از روش GC/MS برای خلق اثرانگشت از ترکیبات استخراج‌شده استفاده شده است.

مقایسه انتشار از دو قیر منجر به کسب نتایج زیر شده است:

• توزیع نقطه‌جوش از هر دو نوع نمونه بخار تغلیظ شده تقریباً یکسان بود (مشاهده شکل شماره 11)

• نسبت مشابهی از اجزاء نمونه فرار به آئروسل به دست آمد.

• اثرانگشت GC/MS به‌دست‌آمده از هر دو نوع نمونه انتشار، ازنظر ترکیبات شناخته‌شده مشابه بود.

شکل 11    منحنی توزیع نقطه‌جوش برای نمونه‌های انتشار قیر 50/70 (آبی‌رنگ) و 70/100 (نارنجی‌رنگ)

اگرچه برخی از تفاوت‌های جزئی درداده ها آشکار است. ولی به‌طورکلی به نظر می‌رسد که انتشار به وجود آمده از مواد هر دو نوع قیر ازنظر ترکیب‌بندی و خصوصیات فیزیکی مشابه می‌باشد. بر مبنای این نتایج به این جمع‌بندی رسیدند که نتایج حاصل از قیر اصلاح هوایی شده مورداستفاده در مطالعات Fraunhofer می‌تواند به‌صورت متقابل برای قیرهای گرید Stright-run و وکیوم باقیمانده نیز مورداستفاده قرار گیرد (CAS#8052-42-48 & 64741-56-6).

برای مشاهده ادامه مطالب این فصل برروی لینک زیر کلیک کنید:

اثر دما بر روی انتشار قیر

فرآیند اکسیداسیون

قیر اکسیده که اغلب به‌عنوان قیر دمیده شناخته‌شده است در واحد تولیدی که به نام واحد قیر دمیده (BBU) و یا واحد دمیدن هوا (ABU) و یا اکسیدکننده شناخته‌شده است تولید می‌شود. بسته به غلظت خوراک و شرایط فرآوری، واحد BBU دو نوع محصول با غلظت‌ها و ویژگی‌های متفاوت را تولید می‌کند که شامل: قیر تصحیح‌شده با هوا که اغلب به‌عنوان نیمه دمیده شناخته‌شده و قیر اکسیدشده که معروف به قیر دمیده است می‌باشد. هردو محصول توسط شماره CAS# 64742-93-4 پوشش داده می‌شوند.

فرآیند شامل عبور هوا به مقدار 140-85 مترمکعب در دقیقه به‌طور مرتب از سراسر خوراک قیر در دمای بالا برای تغییر خصوصیات فیزیکی محصولات است. هدف اصلی، سخت‌تر کردن قیر، افزایش نقطه نرمی و تغییر در ویژگی‌ها و خصوصیات ویسکوزیته حرارتی قیر است. فرآیندهای دسترسی به این اهداف از طریق درجات مختلف واکنش‌های شیمیایی است که درنتیجه آن با افزایش در میانگین وزن مولکول‌های قیر منجر به افزایش بیشینه ویسکوزیته قیر می‌شود.

درجه متوسط دمیدن هوا که بانام اصلاح هوایی شناخته‌شده است معمولاً برای تنظیم کردن خصوصیات فیزیکی خوراک تزریق‌شده برای تولید موادی که در ساخت محصولات عایق‌کاری پشت‌بام و دیگر فعالیت‌های صنعتی مصرف می‌شوند، کاربرد دارد. ممکن است از روغن‌های سیال برای نرم‌تر کردن خوراک در واحد BBU استفاده شود. همچنین امکان دارد که از کاتالیست ها برای افزایش سرعت واکنش و بهبود حساسیت دمایی استفاده شود. کاتالیست ها شامل موادی از قبیل فریک کلرید، هیدروکلریک اسید، فسفرپنتا اکسید و یا فسفریک اسید است.

واحد BBU در درجه اول شامل یک رآکتور، دمنده هوا، تجهیزات خارج کننده و یا سوزاندن گاز و تجهیزات کنترل‌کننده درجه حرارت است. رآکتور معمولاً یک منبع خالی است ولی ممکن است دارای تیغه‌ها و یا سیستم تحریک‌کننده مکانیکی برای اطمینان از اختلاط کامل قیر با هوا باشد. واکنش اکسیداسیون معمولاً حرارت زا بوده درنتیجه ممکن است رآکتور به Water Jacket و یا تجهیزات اسپری آب در بالای آن برای کنترل دمای قیر مجهز شود. از تزریق بخار و یا آب به داخل فضای بالایی رآکتور برای کاهش مقدار اکسیژن جهت مدیریت و کنترل خطر آتش‌سوزی و یا انفجار استفاده می‌شود. نمودار شماتیک واحد قیر دمیده در شکل شماره 5 ارائه‌شده است.

باوجود مکانیسم واکنشی پیچیده و سینتیک در واحد دمیده، مسیر واکنش کلی به‌عنوان دگرگونی و تبدیل ساختارهای حلقوی به رزین‌ها (آروماتیک‌های قطبی) که به‌نوبه خود برای تشکیل آسفالتن تغلیظ شده است خلاصه می‌شود. در قیر دمیده، فرآیند اکسایش اولیه تشکیل پیوند کربن-کربن از طریق اکسایش تراکمی و به مقدار کم‌تر تشکیل گروه‌های استر است.

شکل 5    نمودار شماتیک فرآیند تولید قیر دمیده

تغییرات شیمیایی که در طول اکسیداسیون رخ می‌دهد تغییراتی را در ویژگی‌های فیزیکی خوراک واحد BBU بسته به‌شدت فرآیند اکسیداسیون اعمال می‌کند. درنتیجه واکنش حلقوی‌ها و رزین‌ها فاز مالتن روغنی تشکیل‌شده که آسفالتن ها را پوشش داده و باعث سخت‌تر شدن قیر، کاهش نفوذپذیری و افزایش نقطه نرمی می‌شود. افزایش غلظت آسفالتن ها فراتر از نقطه خاص خواص جریان در درجه حرارت محیطی قیر را از رفتار ویسکوالاستیک به رفتار عملاً الاستیک خالص تبدیل می‌کند. شدت اکسیداسیون تعیین‌کننده حساسیت دمایی محصولات است. محصولات اصلاح هوایی شده (اکسیداسیون متوسط) خصوصیات شبیه به قیر Stright-run تقطیرشده در خلأ دارند. به این دلیل قیرهای اصلاح هوایی شده و باقیمانده از تقطیر در خلأ به‌طور مستقیم و یا به‌صورت ترکیبی برای تولید محصولات نهایی استفاده می‌شوند. قیرهای اکسیده تفاوت‌های چشمگیری در مقادیر حساسیت دمایی به‌عنوان نتیجه‌ای از مقدار بیشینه آسفالتن داشته و دارای نقطه نرمی بالا و قابل‌ملاحظه است. ترکیب این خصوصیات نمی‌تواند از طریق تقطیر ساده و یا اصلاح هوایی به دست آید.

نرخ و سرعت واکنش اکسیداسیونی که رخ می‌دهد تحت تأثیر خصوصیات خوراک و شرایط موجود در واحد دمیده مانند ویسکوزیته و یا نفوذپذیری خوراک، واکنش‌پذیری خوراک، درجه حرارت، سرعت جریان هوا، درجه تحریک، فشار، نسبت تغذیه هوا و به کار گرفتن و یا نگرفتن کاتالیست بستگی دارد.

محصولات به‌دست‌آمده از فرآیند اصلاح هوایی و اکسیداسیون می‌تواند با استفاده از مشخصه‌های زیر متفاوت باشد:

ورود خوراک به واحد قیر دمیده

-نفوذپذیری

تغییر در خصوصیات: ورودی خوراک در مقابل خروجی قیر دمیده از واحد

-تغییر در نقطه نرمی

-نرخ نفوذپذیری

خروجی قیر دمیده

-شاخص نفوذ

-نقطه نرمی

برای مشاهده ادامه مطالب این فصل برروی لینک زیر کلیک کنید:

دیگر فرآیندهای تولید قیر

تولید قیر

قیر ترکیب بسیار پیچیده از اجزاء ارگانیک حاوی درصد بالایی از هیدروکربن با عدد کربن بالاست. این خانواده از مولکول‌ها در بسیاری از منابع نفت خام وجود دارند. قیر در درجه اول از تقطیر در خلاء نفت خامی که به‌دقت انتخاب‌شده است به دست می‌آید. ماده تقطیر ناپذیر باقیمانده در ته برج تقطیر را به‌اصطلاح وکیوم می‌نامند که از آن برای تولید قیر استفاده می‌شود. در ساده‌ترین روش تولید قیر، اجزاء سبک‌تر با نقطه‌جوش پایین را از نفت خام جدا کرده و درنتیجه محصول با نقطه‌جوش بالا و وزن مولکولی زیاد با نوسانات کم به دست می‌آید. ویژگی‌ها و کیفیت قیر به‌طور عمده به نفت خام مورداستفاده در تولید آن بستگی دارد. درجات مختلف با خصوصیات متفاوت هم از طریق پالایش مستقیم قیر و هم از طریق ترکیب چند قیر با یکدیگر به دست می‌آید. قیر را می‌توان برای تغییر در خصوصیات فیزیکی با توجه با ویژگی‌های مدنظر فرآوری کرد. برای انواع دیگر قیر و به‌طور مثال قیرهای اکسیده، تنها راه برای به دست آوردن خصوصیات دلخواه، تولید مولکول جدید از طریق انجام واکنش‌های شیمیایی است.

چندین روش تولید برای به دست آوردن قیر بسته به منبع نفت خام و قابلیت فرآوری در پالایشگاه وجود دارد. اغلب ترکیبی از فرآیندها انتخاب می‌شود. نمودار شماتیک شکل 2 مجموعه‌ای از فرآیندهای پالایش مربوط به تولید قیر را ارائه می‌کند.

شکل 2    نمودار شماتیک تولید قیر

آنالیز و انتخاب نفت خام

مواد نفتی باقیمانده از تقطیر نفت خام، ماده اولیه برای تولید قیر می‌باشد؛ بنابراین خصوصیات قیر به ویژگی‌های نفت خامی که قیر از آن تولید می‌شود بستگی دارد. در میان بسیاری از منابع نفت خام موجود، فقط تعداد محدودی از آن‌ها برای تولید قیر باکیفیت مطلوب و در مقیاس تجاری مناسب می‌باشند. به‌طورکلی نفت خام سنگین (با وزن مخصوص بالاتر از 0/9) برای تولید قیر باکیفیت لازم استفاده می‌شود. این نوع از نفت خام مقدار بیش‌تری از گوگرد را در ترکیب خوددارند و به‌اصطلاح نفت‌ترش نامیده می‌شوند.

اخیراً پالایش یکپارچه، روش معمول برای ترکیب چند نوع نفت خام جهت تولید قیر باکیفیت پایدار طبق خصوصیات مهندسی است. ازاین‌رو آنالیز ترکیبی قیر تولیدشده توسط یک پالایشگاه خیلی متفاوت نمی‌باشد. علاوه بر آن، ماهیت فرآیند پالایش مواد نفتی به‌گونه‌ای است که انتظار می‌رود قیرهای تولیدی از منابع مختلف عرضه‌شده، ازلحاظ کیفیت شبیه یکدیگر باشند.

ماسه نفتی ، شیل نفتی و نفت شیلی

ذخایر عظیمی از ماسه نفتی و شیل نفتی وجود دارد که ازلحاظ اقتصادی برای استخراج هیدروکربن از آن‌ها مناسب می‌باشند و استفاده از آن‌ها به‌سرعت در حال رشد است.

ماسه‌های نفتی مخلوطی از ماسه، آب، رس و انباشت‌های هیدروکربن‌های سنگین است. ماسه نفتی هم از طریق روش معدنی روباز و هم از طریق روش معدنی گرمایش درجا به دست می‌آید. پس آز آن برای خارج کردن ناخالصی‌های هیدروکربنی فرآوری شده که این امر به‌منظور سهولت در حمل‌ونقل آن به سمت پالایشگاه برای تقطیر و فرآوری است.

شیل نفتی یک سنگ خوب دانه‌بندی شده است که حاوی ترکیبات شناخته‌شده کروژن است. این ماده پیش‌زمینه تشکیل نفت خام بوده که به‌اندازه کافی در عمق مدفون نشده و برای تبدیل‌شدن به نفت خام و گاز گرم نشده است. روش استخراج آن مشابه راه‌های استخراج ماسه‌های نفتی بوده اما به گرمایش در دمای بالا و در غیاب اکسیژن برای تبدیل‌شدن به هیدروکربن نیاز دارد. سپس می‌توان آن را به پالایشگاه برای انجام فرآیندهای مرسوم انتقال داد.

شیل نفتی اغلب با عنوان نفت سخت شناخته‌شده است که متمایز از نفت شیلی بوده که در آن نفت در سنگ‌ها با تخلخل کم به دام افتاده و توسط شکستم هیدرولیکی قابل‌استخراج است. نفت سخت معمولاً سبک و شیرین بوده و مناسب تولید قیر نمی‌باشد زیرا فاقد ترکیبات با وزن مولکولی بالاست که برای تولید قیر ضروری است.

برای مشاهده ادامه مطالب این فصل برروی لینک زیر کلیک کنید:

فرآیند تقطیر در تولید قیر