به گزارش دنیای نفت و قیر، قیر، به‌عنوان یکی از هیدروکربن‌های سنگین و پیچیده، چالش‌های فنی زیادی برای مهندسان حمل‌ونقل و پردازش ایجاد می‌کند. گرانروی بالا، ساختار کلوئیدی متغیر و گرایش به جداشدن فازها هنگام جریان، انتقال آن را بسیار دشوار می‌سازد. روش‌های مرسوم مانند گرم‌کردن خط لوله، پمپاژ با انرژی بالا یا رقیق‌سازی با حلال‌ها هنوز کاربرد دارند، ولی هزینه‌های بالای انرژی، مسائل زیست‌محیطی و محدودیت‌های عملیاتی انگیزه‌بخش توسعهٔ راه‌حل‌های نوآورانه شده‌اند. در پژوهش‌های اخیر (بخش عمده‌شان در سال‌های نزدیک ۲۰۲۴-۲۰۲۵ انجام شده) سه خوشهٔ فناوری برجسته شده اند: روش‌های مبتنی بر میکروحباب برای تغییر ساختار فازی، کانال‌ها و مواد لوله‌ای هیبریدی با رفتار مهندسی‌شده، و فرآیندهای ارتقای حرارتی جزئی که ساختار مولکولی قیر را پیش از حمل تصحیح می‌کنند. در ادامه هر یک از این رویکردها را با جزئیات بررسی می‌کنیم و سپس همگرایی و پیامدهای عملی و زیست‌محیطی آن‌ها را تشریح می‌کنیم.
بازآرایی فازی با کمک میکروحباب
یکی از نوآوری‌های امیدوارکننده، بهره‌گیری از حباب‌های گازی بسیار ریز (میکروحباب) است که می‌توانند به‌طور هدفمند با مولکول‌ها و خوشه‌های سنگین داخل قیر تعامل کنند. به‌دلیل نسبت بسیار بالای سطح به حجم، میکروحباب‌ها توانایی اتصال به خوشه‌های آسفالتینی چگال را دارند و وقتی تحت کنترل در نقاط مشخص تزریق شوند، باعث می‌شوند این خوشه‌ها موقتاً از ماتریس کلوئیدی جدا شوند. این جداسازی موقتی منجر به کاهش موضعی چگالی و کاهش مقاومت در برابر جریان می‌شود؛ در نتیجه، بُردار جریان به نیروهای برشی واکنش‌پذیرتر شده و انرژی مورد نیاز برای پمپاژ کاهش می‌یابد.
نکتهٔ کلیدی این است که فناوری میکروحباب به‌عنوان جایگزینی برای رقیق‌سازی کامل عمل نمی‌کند، بلکه رفتار سیال را با یک بازآرایی موقتی اصلاح می‌کند. به عبارت دیگر، به‌جای افزودن حجم بالایی از روان‌کننده یا حلال، ساختار داخلی ماده را به‌صورتی دستکاری می‌کند که برای مدت زمان لازم قابلیت جریان‌پذیری بیشتری پیدا کند. در آزمایش‌های کنترل‌شدهٔ مقیاس آزمایشگاهی، کاهش‌های قابل‌توجهی در مصرف انرژی پمپاژ گزارش شده است و مطالعات اولیه نشان می‌دهد کاهش‌های ۲۰–۳۰ درصدی در انرژی مورد نیاز قابل دستیابی است؛ این مقدار می‌تواند در مقیاس صنعتی منجر به صرفه‌جویی‌های عمده شود.
اثرات ترکیبات جامد در حامل و نقش میکروحباب
پژوهش‌هایی که رفتار قیر را در حضور ذرات جامد نظیر ذرات معدنی یا ذرات زغال بررسی کرده‌اند، اهمیت ویژه‌ای برای کاربرد میکروحباب قائل شده‌اند. ذرات جامد تمایل دارند قیر را به سمت هستهٔ جریان (مرکز لوله) هل بدهند و این مسئله توزیع عمودی را تضعیف می‌کند و جمع‌آوری قیر در سطح را دشوار می‌سازد. وقتی میکروحباب‌ها تولید شوند، آن‌ها می‌توانند با جابجایی و حامل‌سازی قطرات قیر به سمت بالا مقابله کنند و در نتیجه بازیابی در فاز سطحی به‌صورت قابل‌توجهی بهبود یابد.
این اثر خصوصاً زمانی روشن می‌شود که مقدار و اندازهٔ حباب‌ها را تغییر دهیم: افزایش دوز تولید حباب یا کاهش قطر متوسط آن‌ها به توزیع بهتر و نرخ جداسازی سریع‌تر منجر می‌شود. به‌طور خلاصه، در سیستم‌هایی که حامل دارای ذرات جامد است، حضور و کنترل مناسب میکروحباب‌ها می‌تواند کاهش‌های کارایی ناشی از وجود جامدات را جبران کند و عملیات جمع‌آوری را قابل اطمینان‌تر سازد.
مدل‌سازی توزیع قطرات و تعادل جمعیتی
برای طراحی عملی و اقتصادی سیستم‌های انتقال مبتنی بر مولتی‌فاز، لازم است رفتار دینامیک قطرات قیر و تعاملات آن‌ها با سایر اجزای جریان (آب، جامدات، گازها) را دقیقاً پیش‌بینی کنیم. مدل‌سازی‌های عددی که ترکیبی از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و مدل تعادل جمعیتی (Population Balance Model یا PBM) هستند، قادرند توزیع اندازهٔ قطرات را در طول زمان شبیه‌سازی کنند و فرآیندهایی مانند همجوشی، شکست و برخورد را لحاظ نمایند.
نتایج این مدل‌ها نشان می‌دهد که در سرعت‌های بالای جریان، تلاطم و برخوردها باعث خرد شدن قطرات می‌شوند و اندازهٔ متوسط قطرات در هستهٔ لوله کاهش می‌یابد؛ در عین حال، قطرات بزرگ‌تر به‌علت شناوری و تأثیر نیروی برشی تمایل دارند به ناحیهٔ فوقانی جریان منتقل شوند. این الگوها اهمیت قابل‌توجهی در تعیین پارامترهای عملیاتی دارند: انتخاب سرعت بهینه، قطر لوله و نقطهٔ تزریق حباب یا افزودنی مستقیماً بر راندمان جداسازی و افت فشار تأثیر می‌گذارد.
همچنین مدل‌ها نشان می‌دهند که توزیع حباب‌ها از نظر قطر برای کارایی حیاتی است. حباب‌های بسیار ریز منجر به پراکندگی عمودی یکنواخت‌تری از قیر می‌شوند و این امر امکان کنترل بهتر فرآیند جداسازی را فراهم می‌آورد. بنابراین، مهندسی اندازه و غلظت حباب‌ها یک پارامتر طراحی کلیدی است.
پمپ‌ها، مخازن و لوازم جانبی بهینه شده
علاوه بر فناوری‌های شیمیایی و جریان‌محور، پیشرفت‌هایی در تجهیزات مکانیکی نیز مشاهده شده است. مخازن ذخیره‌سازی با سیستم‌های گرمایش داخلی و عایق‌بندی پیشرفته اکنون طراحی می‌شوند تا قیر را در محدودهٔ دمایی مطلوب بدون اتلاف انرژِی زیاد نگه دارند و امکان انتقال سریع و ایمن فراهم شود. این مخازن ممکن است از سیال حرارتی، ژاکت‌های گرمایشی یا عناصر داخلی با توزیع یکنواخت دما استفاده کنند.
در بخش پمپاژ، طراحی پمپ‌های ویژه با هِدی مناسب، موتورهای دارای کنترل دور و بدنه‌های مجهز به عایق یا سیستم گرمایش یکپارچه کاهش مصرف انرژی و افزایش قابلیت عملیاتی را هدف گرفته‌اند. این ماشین‌آلات اغلب
با ابزارهای کنترلی تطبیقی همراه می‌شوند تا با تغییر شرایط ویسکوزیته، توان مصرفی و سرعت پمپاژ را بهینه‌سازی کنند.
ارتقای حرارتی جزئی و واکنش‌های کنترل‌شده
یکی از رویکردهای پردازشی نوین، مفهوم «ارتقای حرارتی جزئی» است؛ در این روش به‌جای پالایش کامل و پرهزینهٔ قیر، فقط بخش‌های بسیار سنگین و مشکل‌ساز تحت واکنش‌های کنترلی قرار می‌گیرند تا خصوصیات رئولوژیک بهبود یابد. این کار با اعمال پالس‌های حرارتی کنترل‌شده یا فرآیندهای کاتالیتیک سطحی انجام می‌شود که باعث شکستن پیوندهای سنگین و آزادسازی مقادیر کوچک ترکیبات فرّار می‌گردد.
مزیت اصلی ارتقای جزئی این است که با مصرف انرژی نسبتاً کمتر، نسبت هیدروژن به کربن در محصول نهایی تا حدودی افزایش می‌یابد و محصول نیمه‌ارتقایافته ای حاصل می‌شود که رفتار جریان‌پذیری بهتری دارد و نیاز به رقیق‌کننده‌ها را کاهش می‌دهد. نوآوری‌های اخیر در رآکتورهای میکروسکوپی و ماژول‌های کاتالیتی امکان هدف‌گیری مولکولی را به‌طرز چشمگیری بهبود بخشیده و از گرم‌کردن حجمی پرهزینه جلوگیری می‌کنند.
هم‌افزایی فناوری‌ها و سامانه‌های یکپارچه
پیشرفت واقعی در سال‌های اخیر زمانی رخ می‌دهد که این فناوری‌ها با هم ترکیب شوند. سامانه‌هایی که واحدهای تولید میکروحباب را با ماژول‌های ارتقای جزئی و لوله‌کشی‌های پلیمریِ مهندسی‌شده پیوند می‌دهند، نمونه‌هایی از اکوسیستم‌های یکپارچهٔ حمل‌ونقل قیر را نشان می‌دهند. در این رویکرد، می‌تواند همزمان از اصلاح ساختاری ذرات قیر، کنترل دما و کاهش اصطکاک سطحی سود برد.
ترکیب این روش‌ها موجب کاهش شدید نیاز به رقیق‌کننده‌های قابل حمل و ذخیره‌سازی آن‌ها می‌شود که خود بار لجستیکی، زیست‌محیطی و اقتصادی سنگینی ایجاد می‌کند. همچنین، جریان‌های یکنواخت‌تر احتمال انسداد و نوسانات فشار را کاهش می‌دهند و به‌واسطهٔ کاهش استرس‌های شیمیایی و حرارتی، کیفیت خوراک نهایی برای پالایشگاه‌های مقصد حفظ می‌گردد.
پیامدهای زیست‌محیطی و اقتصادی
این نسل از فناوری‌ها علاوه بر کارایی عملیاتی، مزایای زیست‌محیطی نیز به همراه دارد: کاهش نیاز به گرم‌سازی گسترده و مصرف سوخت، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای عملیاتی، و کاهش مقدار مواد افزودنی شیمیایی مصرفی؛ از سوی دیگر، افزایش طول عمر زیرساخت‌ها و کاهش نیاز به تعمیرات مکرر باعث کاهش ضایعات و اثرات زیست‌محیطی مرتبط با بازسازی تجهیزات می‌شود.
از منظر اقتصادی، کاهش مصرف انرژی پمپاژ و کاهش حمل‌ونقل رقیق‌کننده‌ها به‌شدت هزینه‌های عملیاتی را پایین می‌آورد. همچنین، ارتقای جزئی که خوراک پالایشگاه را یکنواخت‌تر می‌کند، مصرف هیدروژن و دیگر هزینه‌های جانبی در واحدهای تصفیه را کاهش می‌دهد؛ همهٔ این‌ها به‌معنای کارآیی بالاتر و هزینهٔ نهایی کمتر برای زنجیرهٔ ارزش قیر است.
چالش‌ها و موانع اجرایی
با وجود چشم‌انداز مثبت، چند مانع مهم باید پیش از استقرار گسترده رفع شوند:
۱. گسترش مقیاس :(Scale-up) نتایج آزمایشگاهی و حلقه‌های کوچک باید در پایلوت‌ها و سپس در خطوط صنعتی امتحان شوند؛ خصوصیات جریان و رفتار حباب‌ها در مقیاس بزرگ می‌تواند متفاوت باشد و نیاز به تنظیمات عملیاتی جدید داشته باشد.
۲. ایمنی و مدیریت مواد شیمیایی: برخی روش‌ها مستلزم تزریق مواد واکنشی یا عامل‌های فعال هستند؛ مدیریت ایمنی، کنترل واکنش و اصول حمل‌ونقل این مواد در شرایط صنعتی باید به‌دقت تدوین شود.
۳. خواص سازه‌ای و خوردگی: برخی فرآیندها ممکن است محیط‌های اکسیداتیو یا خورنده‌ای ایجاد کنند؛ انتخاب مواد سازه‌ای، پوشش‌ها و روش‌های حفاظت از خوردگی ضروری است.
۴. موازنهٔ انرژی و هزینه: هر فناوری جدید باید از منظر انرژی و هزینه سنجیده شود؛ حتی اگر روش‌های جدید مصرف انرژی عملیاتی را کاهش دهند، باید کل نیازهای انرژی (از جمله تولید و مدیریت افزودنی‌ها یا گرمایش موضعی) در مقیاس کل سیستم بررسی شود.
۵. نیاز به ابزارهای کنترلی هوشمند: برای عملکرد بهینه و پایدار، حسگرهای لحظه‌ای، سیستم‌های کنترل خودتنظیم و الگوریتم‌های داده‌محور برای تنظیم پارامترهایی مثل دوز حباب، دمای موضعی و سرعت جریان لازم‌اند.
چشم‌انداز آینده
روند پژوهش و توسعه به سوی هوشمندسازی و دیجیتال‌سازی حرکت می‌کند: نظارت بلادرنگ گرانروی، تنظیم خودکار دوز میکروحباب‌ها، و کنترل دما بر پایهٔ یادگیری ماشین از جمله حوزه‌های فعال هستند. افزون بر این، مواد و سازه‌های نوظهور مثل نانوکپسول‌ها یا امولسیون‌های پاسخ‌پذیر که می‌توانند تحت فشار و دما واکنش نشان دهند، به‌عنوان جایگزین یا تکمیل‌کنندهٔ میکروحباب‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرند.
با افزایش تقاضا برای روش‌های پایدار در مدیریت هیدروکربن‌های سنگین، تلفیق میکروفلوئیدیک، علم مواد پیشرفته و مهندسی حرارتی دقیق می‌تواند چشم‌انداز صنعت قیر را دگرگون کند. جهت‌گیری مشخصی که از تحقیقات ۲۰۲۵ پدیدار شده آن است که دستیابی به حرکت‌پذیری و کارآیی دیگر بر پایهٔ گرمایش پرتوان یا رقیق‌کننده‌های حجیم نیست، بلکه بر اساس دستکاری هوشمند و ساختاری خصوصیات داخلی قیر است.
