به گزارش دنیای نفت و قیر، قیر یکی از مهمترین و درعینحال پیچیدهترین محصولات صنعت پالایش نفت است. این مادهٔ سیاه و چسبنده که از هزاران سال پیش در ساختوساز استفاده میشده، امروز نقشی بنیادی در زیرساختهای حملونقل، ایزولاسیون، صنایع ساختمانی و حتی فرایندهای هیدرولیکی دارد. سطح پیچیدگی قیر بسیار فراتر از ظاهر سادهٔ آن است؛ ساختار مولکولی، رفتار حرارتی، مقاومت مکانیکی، پیری شیمیایی، و نحوهٔ تولید آن همگی وابسته به فناوریهای دقیق پالایشگاهیاند. در این گزارش جامع، فرایند کامل تولید قیر از انتخاب خوراک نفت خام تا اصلاح، آزمایش، استانداردها و آیندهٔ فناوریهای مربوطه بهطور حرفهای و علمی شرح داده میشود.
۱. انتخاب نفت خام مناسب؛ سرچشمه کیفیت قیر
اساس کیفیت قیر از لحظهای شکل میگیرد که نفت خام وارد پالایشگاه میشود. همهٔ نفتها قابلیت تولید قیر پایدار و باکیفیت را ندارند. نفت خامها ترکیبی از هزاران نوع مولکول هستند که بهطور کلی در چهار گروه بزرگ طبقهبندی میشوند: آسفالتنها، رزینها، آروماتیکها و پارافینها. قیر عمدتاً از دو گروه اول تشکیل میشود؛ بنابراین نفت خامی که آسفالتن و رزین بیشتری داشته باشد برای تولید قیر ایدهآلتر است.
نفتهای سنگین دارای ساختار مولکولی پیچیدهتر، نسبت کربن به هیدروژن بالاتر و پسماند سنگینترند؛ بنابراین پس از جداسازی برشها، مادهٔ باقیمانده (ریزدِر) توانایی تشکیل قیر پایدار را دارد. به همین دلیل، بسیاری از پالایشگاههای جهان که خوراکشان نفت سبک است مجبورند برای تولید قیر از روشهای اصلاح شیمیایی، اختلاط با نفتهای سنگینتر یا افزودن ترکیبات پایدارکننده استفاده کنند.
۲. تقطیر اتمسفریک؛ نخستین مرحلهٔ جداسازی
پس از ورود نفت خام به پالایشگاه و انجام نمکزدایی، نفت در مبدلهای حرارتی پیشگرم شده و وارد برج تقطیر اتمسفریک میشود. هدف از این مرحله جداسازی برشهای سبک مانند بنزین، نفت سفید و گازوئیل است. پس از جدا شدن این محصولات، مادهای سنگین در پایین برج باقی میماند که «پسماند اتمسفریک» نام دارد.
این ماده هنوز قیر نیست، اما پایهٔ اصلی تولید قیر محسوب میشود. کنترل دمای برج بسیار حساس است؛ زیرا گرمای بیشازحد باعث شکست مولکولها و کاهش کیفیت پسماند میشود، درحالیکه گرمای کم باعث جداسازی ناقص برشها خواهد شد.
۳. تقطیر در خلأ؛ تولید ریزدر مناسب برای قیر
پسماند اتمسفریک وارد برج تقطیر خلأ میشود. در این برج، با کاهش فشار، امکان تبخیر مولکولهای سنگین در دمای پایینتر فراهم میشود و از شکستن مولکولهای مهم جلوگیری میگردد. محصول اصلی این مرحله «ریزدِر خلأ» است. این ماده مهمترین خوراک برای تولید قیر است.
کیفیت ریزدر خلأ تعیینکنندهٔ کیفیت قیر نهایی است. اگر ریزدر ساختار مولکولی پایدار، مقدار آسفالتن مناسب و نسبت رزین به آسفالتن متعادلی داشته باشد، قیر تولیدشده در برابر گرما، فشار و پیری شیمیایی مقاومت بیشتری خواهد داشت.
۴. هوادهی (اکسیداسیون کنترلشده)؛ تبدیل ریزدر به قیر صنعتی
ریزدِر خلأ بسته به نوع نفت خام ممکن است بهتنهایی برای تولید قیر کافی نباشد. در این موارد از فرایندی به نام «هوادهی» یا «اکسیداسیون جزئی» استفاده میشود. در این روش، ریزدر در دمای حدود ۲۳۰ تا ۳۰۰ درجهٔ سانتیگراد نگهداشته شده و هوای خشک و کاملاً کنترلشده از آن عبور داده میشود.
این فرایند باعث واکنش محدود و کنترلشدهٔ اکسیژن با مولکولهای سنگین میشود؛ در نتیجه ویژگیهای قیر تغییر میکند:
نفوذپذیری کاهش مییابد و قیر سفتتر میشود
نقطهٔ نرمی افزایش پیدا میکند
ویسکوزیته بالا میرود
شبکهٔ مولکولی قیر پایدارتر میشود
رفتار آن در دماهای بالا بهتر میگردد
قیرهایی که برای ایزوگام، عایقکاری یا صنایع ساختمانی استفاده میشوند اغلب با همین روش تولید میشوند.
۵. قیر اصلاحشده (Modified Bitumen)؛ نسل جدید قیر برای جادههای مدرن
قیر ساده برای بسیاری از شرایط اقلیمی و ترافیکی کفایت نمیکند، بهخصوص در مناطقی که اختلاف دما زیاد یا بار ترافیکی سنگین است. برای رفع این مشکل، قیر با افزودنیها و پلیمرهای مختلف اصلاح میشود.
مهمترین اصلاحکنندههای قیر:
پلیمر SBS (استایرن-بوتادین-استایرن)
قیر مقاوم به شیارشدگی میکند.
پلیمر EVA
مقاومت مکانیکی و استحکام کششی را افزایش میدهد.
پودر لاستیک (Crumb Rubber)
بازیافت لاستیک و افزایش عمر قیر.
اسید پلیفسفریک (PPA)
ساختار مولکولی را تقویت و رفتار حرارتی را بهبود میدهد.
فرایند تولید قیر اصلاحشده نیازمند اختلاط شدید، دمای کنترلشده و جلوگیری از جداشدگی فازی است. قیرهای اصلاحشده در بزرگراهها، فرودگاهها، شهرهای با اختلاف دمایی زیاد و مسیرهای پرحجم بار استفاده میشوند.
۶. ساختار فیزیکی و شیمیایی قیر؛ سیستم پیچیدهٔ کلوئیدی
قیر یک مادهٔ همگن نیست؛ بلکه سیستم کلوئیدی پیچیدهای است که از دو بخش اصلی تشکیل شده:
۱. آسفالتنها (بخش جامدِ معلق)
۲. مالتنها (بخش مایع که شامل رزینها، آروماتیکها و پارافینهاست)
آسفالتنها هستهٔ ساختاری قیر را تشکیل میدهند و به آن سفتی و استحکام میدهند. مالتنها نقش «حلال پایدارکننده» را دارند؛ یعنی مانع از تجمع بیش از حد آسفالتنها میشوند.
تعادل این دو بخش رفتار قیر را در دماهای مختلف تعیین میکند:
اگر آسفالتن زیاد باشد، قیر شکننده میشود.
اگر مالتن زیاد باشد، قیر نرم و ناپایدار میگردد.
این ساختار در طول زمان و تحت تأثیر گرما، اکسیژن و نور خورشید تغییر میکند. همین تغییرات باعث «پیری قیر» میشود که یکی از بزرگترین چالشهای عمر آسفالت است.
۷. استانداردهای جهانی قیر؛ از نفوذپذیری تا عملکرد واقعی
سالهاست که قیر بر اساس «درجهٔ نفوذپذیری» طبقهبندی میشود. اما امروزه بسیاری از کشورها استانداردهای پیشرفتهتری را اجرا میکنند. مهمترین استاندارد نوین، سیستم Superpave Performance Grading (PG) است.
در این سیستم کیفیت قیر بر اساس عملکرد آن در سه شرایط حرارتی ارزیابی میشود:
دمای بالا (مقاومت در برابر شیارشدگی)
دمای متوسط (مقاومت در برابر خستگی)
دمای پایین (مقاومت در برابر ترکخوردگی)
بهجای اینکه فقط بگوییم «قیر ۶۰/۷۰»، میگوییم:
PG 64-22 یعنی قیر برای +۶۴ درجه تا -۲۲ درجهٔ سانتیگراد مناسب است.
این روش نگاه علمیتری به رفتار واقعی قیر در جاده دارد.
۸. قیر پایدار و مسائل محیطزیستی
صنعت قیر نیز مانند بسیاری از صنایع سنگین در مسیر تحول زیستمحیطی قرار گرفته است. اقدامات مهم در این بخش شامل:
تولید قیر زیستی از مواد آلی و پسماندهای کشاورزی
استفاده از آسفالت بازیافتی (RAP)
توسعهٔ آسفالت گرمشده در دمای کمتر
کاهش انتشار آلایندهها در واحد هوادهی
استفاده از افزودنیهایی برای کاهش دمای اختلاط و پخش
قیر زیستی هنوز نمیتواند کاملاً جای قیر نفتی را بگیرد، اما ترکیب آنها نتایج قابلتوجهی بهدنبال داشته است.
۹. آزمایشها و کنترل کیفیت قیر
قیر پس از تولید باید مجموعهای از آزمایشهای دقیق را پشت سر بگذارد:
آزمایشهای رئولوژیکی مانند BBR و DSR
آزمایشهای پیری کوتاهمدت (RTFO)
پیری بلندمدت (PAV)
آزمون ویسکوزیته
طیفسنجی FTIR برای تحلیل تغییرات شیمیایی
این آزمایشها رفتار قیر را در برابر فشار، دما، خستگی، پیری، و بار ترافیکی شبیهسازی میکنند. نتیجهٔ آنها به پالایشگاه کمک میکند فرمولاسیون قیر را دقیقتر تنظیم کند.
۱۰. آیندهٔ فناوری قیر؛ حرکت بهسوی هوشمندسازی و پایداری
آیندهٔ صنعت قیر به فناوریهای نوین وابسته است:
قیرهای خودترمیمشونده با میکروکپسولهای فعالکننده
قیر تقویتشده با نانومواد مانند نانورس و نانوگرافن
استفاده از هوش مصنوعی در پیشبینی رفتار قیر
قیرهای هیبریدی نفتی–زیستی
کاهش انتشار کربن در پالایش
بهبود دوام و افزایش عمر آسفالتهای شهری
این پیشرفتها زیرساختهای آینده را بسیار بادوامتر، سبزتر و کمهزینهتر خواهند کرد.
