طرح توجیهی تولید قیر امولسیون بیتومین یا قیر سبز

محصول مورد مطالعه طرح توجیهی حاضر توليد قیر امولسیون بيتومين می باشد که به قير سبز موسوم است. اين نوع قير در اويل قرن گذشته اختراع و در سالهای بعد از جنگ جهانی دوم با توجه به مزيت های فنی و اقتصادی و عمدتا” به دليل سازگاری با محيط زيست به عنوان جايگزين قيرهای محلول مورد استفاده قرار گرفته است.

در سالهای اخير با توجه به کاربردهای جديد امولسیون در صنعت راهسازی و ديگر صنايع اين محصول اهميت روز افزونی در صنعت قير جهان داشته است. اما قبل از پرداختن به محصول اصلی لازم است ابتدا با تعاريف و اصطلاحاتی که در رابطه با موضوع طرح مورد بررسی است بايد آشنا شد:

تعريف قير و کاربردهای آن

بدون شک واژه قير نزد توده مردم واژه ای آشناست. اما شايد اين ماده به آن اندازه که در عرف عاميانه ماده ای شناخته شده و مشخص است, برای متخصصين فن معروف و مشخص باشد.

در برداشت عاميانه “قير ماده ای سياه، بدبو و احيانأ ناخوشايند است که دو خاصيت مشخص دارد؛ چسپندگی و آب بندی” منشأ قير از نفت می باشد. آغاز صنعت مدرن قير را می توان به سال ١٧١٢ ميلادی دانست که سنگهای قيری (قير طبيعی) در فرانسه کشف شدند.

در آن هنگام مواد قيری را بصورت ساده ای مانند کلوخه روی سطح جاده های محلی پخش می كردند و اين تكنيک کاملاً موفقيت آميز بود و در مدت کوتاهی در کار بصورت پودر کردن و گرم کردن مواد قبل از استفاده حاصل شد.

با پيشرفت علم و تكنولوژی قير (بخصوص قیر امولسیون) کاربردهای بسيار متنوع و گسترده ای در صنايع گوناگون و جهت مصارف مختلف از جمله راهسازی پوشش: کف، بام، لوله های زيرزمينی، محافظ فلزات، آب بندی: مخازن كانالها پلها، تثبيت شنهای روان، رنگ آميزی و … پيدا نموده است.

قير در راهسازی بعنوان يک نوع پوشش محافظتی و بعنوان يک عامل چسباننده در صنعت ساختمان بکار برده می شود. در بسياری از فعاليتهای رايج در اين زمينه قير در حدود 100-200 درجه سلسيوس حرارت داده می شود تا به اندازه کافی جهت اختلاط با مصالح دانه ای روان گردد.

مخلوط های گرم بايستی بصورت گرم ذخيره، حمل و استفاده گردند در غير اينصورت کارايی خود را از دست می دهند. ظرفيت ﻧﻬايی راه احداث شده همزمان با سرد شدن مخلوط پخش شده بهبود می يابد. گاهی قير را با حلالهای نفتی همانند کروزون امتزاج می دهند تا روان گردد و در اين صورت مقاومت ﻧﻬايی مصالح همزمان با تبخير حلال پديد می آيد.

ساختار قير

قيرها از نظر فيزيكی يک ماده هموژن هستند با اين حال از نظر شيميايی يک مخلوط ناهمگون از ترکيبات شيميايی مختلف می باشد. عليرغم اين مسئله همه قيرها دارای يك سری خصوصيات و خواص مشترک می باشند.ساختار اتمی قيرها دارای يک سری خصوصيات و خواص مشترک می باشند.

ساختار اتمی قيرها حاکی از آن است که حدود ٩٠ % قير را اتم های کربن و هيدروژن تشكيل می دهند. اغلب قيرها دارای نيتروژن، گوگرد، اکسيژن به نسبت های مختلف ولی کم می باشد. مقادير ناچيز از ساير اتم های فلزی مختلف نيز معمولا” يافت می شود.

ولی روشن است که تأثيری بر خواص قير ندارد. قير يا مواد قيری مخلوط بسيار متنوعی از طيف وسيع هيدروکربن ها می باشند که در انواع دسته بندی های اشباع و غير اشباع. حلقوی و غير حلقوی، قطبی غير قطبی قرار می گيرند.

انواع قيرها

1. قير طبيعی (بيتومين)
در زماﻧﻬای گذشته، درختان و گياهان نابود شده و به اعماق مردابها فرو ميرفتند. به مرور زمان آﻧﻬا لايه های از يک ماده اسفنجی به نام تورب (ذغال سنگ نارس) را تشكيل داده اند.

اين تورب به مدت صدها سال با ماسه، رس و ساير مواد معدنی پوشيده گرديده که نتيجه آن بوجود آمدن نوعی سنگ به نام سنگ رسوبی بود. با گذشت زمان سنگ های بيشتری روی هم انباشته شده و در نتيجه وزن بيشتری را روي لايه های زيرين وارد کردند.

بدين طريق تورب تحت فشار زيادی قرار گرفته و فشرده تر شد تا اينكه آب از آن خارج و سرانجام بعد از ميليوﻧﻬا سال به ذغال سنگ، نفت و گاز طبيعی تبديل گرديد.

ذغال سنگ ماده ای سخت و سياه رنگ است که از کربن، هيدروژن، اکسيژن، نيتروژن و مقادير متغيري سولفور تشكيل گرديده و دارای سه نوع اصلی می باشد:

• آنتراسيت (ذغال سنگ خشک خالص)
• بيتومين (قير طبيعی)
• ليگنيت (ذغال سنگ قهوه ای رنگ)

سخترين نوع ذغال سنگ آنتراسيت است که دارای کربن بيشتری بوده و در نتيجه دارای انرژی زيادی است. ليگينت نرم و مقدار کربن آن کم بوده اما مقدار هيدروژن و اکسيژن آن زياد است. خواص قير طبيعی (بيتومين) بين آنتراست و ليگنيت قرار دارد.

2. قير محلول
اين نوع قير با پيشرفت علم و تكنوژی بصورت صنعتی از طيف وسيع هيدروکربن ها ساخته شده و در فرمول ساخت آن ٣٥ % را نفت تشكيل ميدهد. قير محلول از نفت خام بدست می آيد.

3. قیر امولسیون 

قبل از آشنایی با این قیرو دلايل کاربرد آن لازم است تعريفی از امولسيون داشته باشيم. به تعبيری ساده ميتوان گفت: “امولسيون مخلوط معلق یک مايع در يک مايع ديگر بوده که قابل حل شدن در يكديگر نمی باشد.

امولسيون حالت تعليق ذرات بسيار ريز يک نوع مايع در مايع ديگر می باشد. امولسيون را می توان با استفاده از هر دو نوع مايع غير قابل امتزاج با يکديگر توليد نمود. اصولا” سه نوع امولسيون وجود دارد:

1. امولسيون روغن در آب
2. امولسيون آب در روغن
3. امولسيون چند فازی

امولسيون های روغن در آب که دارای يک فاز پيوسته (فاز آبی) و فاز ذرات معلق (فاز روغن) که محلول در آب نيستند می باشد. امولسيون های آب در روغن آن دسته از امولسيون هايی هستند که دارای يک فاز پيوسته روغنی و فاز ذرات معلق آب می باشد. امولسيون های آب در روغن در برخی موارد امولسيون های معكوس نيز ناميده می شود.

امولسيون چند فازی نيز به امولسيون هايی اتلاق می گردد. که در آﻧﻬا ذرات معلق خودشان شامل ذرات ريزتری بوده که همان فاز سوم را تشكيل می دهد. عموما مواد تشكيل دهنده فاز سوم مشابه مواد فاز پيوسته می باشند. البته آب و روغن ممكن است در صورت اختلاط تشكيل امولسيون دهند.

اما اين امولسيون ناپايدار بوده و به محض خاتمه عمل اختلاط ذرات معلق به سرعت بهم می پيوندند. در حقيقت امولسيون های پايدار دارای يک عامل تشكيل دهنده سوم می باشند که امولسيفاير يا مايه امولسيون ناميده می شود. نقش اين ماده جلوگيری از بهم پيوستن مجدد ذرات معلق است.

امولسيون ها بر اساس منبع تهيه به گروه مصنوعی و طبيعی تقسيم می شوند. نمونه نخستين امولسيون طبيعی شامل امولسيون شير پستانداران بوده که از 1.5% تا 8.5% ذرات چربی در آن وجود دارد. در مورد امولسيون های مصنوعی می توان محصولات دارويی، آرايشی، خوراکی، نگهدارنده ها و … را می توان نام برد.

از طرفی اکثر قيرهای که در صنعت راهسازی استفاده می شود در حرارت معمولی حالت خميری و نيمه جامد دارند. به همين جهت استفاده درعمليات آسفالت پوششی ابتدا بايستی به کمک حرارت آﻧﻬا را سيال نموده و سپس قشر نازکی از آﻧﻬا در سطح راه پخش نمود.

از آنجايی که تهيه تسهيلات و دستگاه های گرم کردن قير در نقاط دور دست مقدور نبوده و مقرون به صرفه نيست متخصصين سعی نموده اند که به طريقی کاربرد قير سرد را در صنعت عملی سازند که با پيدايش نوع امولسیون نه تنها عملا” کاربرد قير در سرما مقدور گرديد.

بلكه نقصی هم که در کاربرد قيرهای مخلوط وجود داشت و آن تبخير نفت موجود در آﻧﻬا که آثار مخرب زيست محيطی در پی داشت در قیر امولسیون وجود نداشت.زيرا در فرمول ساخت قير محلول 35% آن را نفت و مابقی را قير تشكيل می داد که در قير امولسيون سهم 35% نفت را آب تشكيل می دهد که در اين شيوه ذرات قير درون آب بصورت معلق در می آيند.

کد آیسیک محصول

امولسیون همانطوری که گفته شد ٣٥ % آن را آب و مابقی آن يعنی 65 % را قير تشكيل می دهد. حال ميتواند اين سهم شصت و پنج درصدی از نوع قير صنعتی که در پالايشگاه های نفت خام بدست می آيد باشد يا از نوع قير طبيعی (بيتومين) که از معادن ذغال سنگ استخراج می گردد.

علاوه بر اينكه جهت تهيه امولسيون های قير ميتوان از نوع قير طبيعی يا بيتومين استفاده نمود بعنوان امولسيون سازها (يا عوامل امولسيونی) که معمولأ با حالت سياليت يا خميری خود توصيف می شوند و تاثير بسزايی در نگهداری ، انبار کردن و مصرف امولسيون ها دارند، استفاده نمود.

بنابراين نام محصول ﻧﻬایی اين طرح” قیر امولسیون بيتومين” است. امولسيون های قير مطابق با طبقه بندی وزارت صنايع ومعادن دارای کد آيسيک (نسخه 3)  23201418 می باشد.

معرفی موارد مصرف و کاربرد

بدليل اينکه تبخير نفت که آثار مخرب زيست محيطی در پی دارد در این محصول امولسیون وجود ندارد. موارد مصارف فراوانی پيدا کرده است که به برخی از آﻧﻬا اشاره می شود:

استفاده در ترکيب آسفالت جاده ها

سالانه 3/1 ميليون تن قير صنعتی در پالايشگاههای کشور توليد می شود و ٢ميليون تن از آن به بخش راه تخصيص دارد. بنابراين يکی از عمده موارد کاربرد امولسیون در آسفالت جاده ها و راه ها می باشد.

استفاده در تعمير و نگهداری جاده ها 

لكه گيری با استفاده از قیر امولسیون دارای مزايای زير می باشد:

• نيازی به گرم کردن قیر وجود ندارد.
• به راحتی در دمای محيط قابل مصرف می باشد.
• برروی رو سازهای مرطوب قابل کاربرد می باشد.
• با استفاده از مصالح مرطوب امكان اجرای عمليات درکارگاه از فصل بهار تا انتهای فصل پاييز فراهم است.
• شكست سريع امولسيون در تقابل با مصالح سنگی و هوا چسپندگی مناسبی را برای لايه پخش شده بوجود می آورد.
• امولسيون سمی نيست.
• امولسيون در نزديكی کارگاه قابل دسترسی است.

جهت پوشش کف، بام، لوله های زيرزمينی محافظ فلزات بعنوان عايق زد رطوبت، بعنوان عايق آب بندی در مخازن، کانالها، پلها، سدها و … در صنعت رنگ آميزی مورد استفاده می باشد.

بررسی کالاهای جايگزين

قیر امولسیون بدليل با صرفه بودن از نظر اقتصادی، عدم وجود آثار مخرب زيست محيطی و … خود محصولی جايگزين برای قير صنعتی است. بنابراين کالای جايگزينی توصيه نمی شود.

اهميت استراتژيکی

استراتژی جهانی در حفظ و حراست از محيط زيست و ملاحظات فنی و اقتصادی باعث گرديده تا طرح جايگزينی نوع امولسیون به جای قيرهای محلول صنعتی در دستور کار قرار گيرد. این قیر که به قير سبز موسوم است در سالهای اخير به دليل سازگاری با محيط زيست بعنوان جايگزين قير صنعتی قرار گرفته است.

از آنجا که اين محلول ارزشمند علاوه بر مزايای متعدد زيست محيطی از نظر فنی موجب دوام بيشتر و سهولت کاربرد آن از جنبه های اقتصادی موجب عدم ضايع شدن منابع گرانبهای ملی می شود نوع امولسیون می تواند از کالاهای مهم و استراتژيک باشد.

کشورهای عمده توليد کننده و مصرف کننده

کشور فرانسه بعنوان مهد اين تكنولوژی معروف است. توليد در اين کشور از ١٠٠٠٠ تن در سال ١٩٢٣ به ١٢٠٠٠٠٠ تن رسيده است. از جمله ديگر کشورهای توليد کننده می توان ايتاليا، چين، دانمارک و اکثر کشورهای صنعتی جهان نام برد. امروزه در تمام نقاط دنيا در ساخت اکثريت جاده ها از اين محصول استفاده می کنند.

امروزه دو روش تجاری جهت تهيه قیر امولسیون مورد نياز صنعت متداول است که عبارتند از :

1. روش آسياب کلوییدی
2. روش مخلوط کردن سريع

اختلاف اساسی بين اين دو روش در اين است که در روش آسياب کلوئيدی بطور مداوم تهيه می شود. در صورتيكه در روش مخلوط کردن سريع امولسيون در تعدادی ظروف مجزا تهيه می شود، آسياب کلوئيدی از يک ميله که درون يک استوانه قرار دارد تشكيل شده است. فاصله بين ميله و جداره داخلی استوانه ٥/. تا 0/3 ميلی متر است.

ميله داخل استوانه به کمک برق و با سرعت ١٠٠٠٠ فوت در دقيقه گردش می کند. جهت تهيه امولسيون محلول داغ امولسيون ساز، آب و قير گرم طبيعی را با نسبتهای مشخص و بطور جداگانه در آسياب کلوئيدی که در حال چرخش است وارد می کنند و از طرف ديگر آسياب، که حالت کاملأ يكنواخت دارد خارج می گردد.

لازم به ذکر است همانطوريکه گفته شد ٣٥ درصد قیر را آب و مابقی را قير طبيعی (بيتومين) تشکيل می دهد. آن را می توان در کارخانه های Batch و همينطور در کارخانه هايی با سيستم خطی نيز توليد نمود. در سيستمهای Batch توليد امولسیون به دو مرحله فاز آبی (حلال) و مرحله توليد ﻧﻬايی تقسيم بندی می گردند.

تهيه فاز آبی در مخازنی صورت می گيرد که آب در اين مخازن حرارت ديده و امولسيفاير به همراه ساير مواد شيميايی افزودنی امولسيون به ميزان مورد نظر اضافه شده و حلال حاصل کاملا مخلوط می گردد. در مرحله ﻧﻬايی تهيه قیر امولسیون و فاز آبی اخير به ميزان مشخص به آسياب های کلوئيدی وارد می گردند،

چنانچه لازم باشد تا حلال را به قير نيز اضافه نماييم آنگاه يک مخزن Batch نيز برای قير موردنياز می باشد. در غير اين صورت حلال بايستی به صورت موازی به مصرف برسد. در کارخانه های Batch توليد امولسيون به تنهايی از اختلاط تعداد بسيار محدودی از مواد صورت می گيرد که توليد يا کنترل دستی (غير اتوماتيک) را فراهم می سازد.

هر چند که اندازه گيری و اجرای دقيق طرح اختلاط فاکتور بسيار مهمی در کيفيت قیر بوده و با استفاده از سيستم های اتوماتيک و يا نيمه اتوماتيک می توان با به حداقل رسانيدن خطاهای انسانی بر ميزان کيفيت توليد افزود.

علاوه بر اين بدليل خطر کار با برخی از مواد مورد استفاده (برای مثال خورنده بودن اين مواد) کار کردن با سيستم های بسته می تواند بسيار ايمن تر و سالم تر از کار با مخازن روباز و يا پمپ های متحرک باشد.

در سيستم خطی عمليات حرارت دادن آب و پيمانه بندی مصالح به ميزان مشخص بصورت پيوسته و با استفاده از پمپ های مجزا جهت هر يک از مصالح مصرفی صورت می پذيرد و استفاده از مخازن Batch نیز لزومی ندارد.

در مقابل فاز آبی بايستی بيش از روش قبل مورد توجه قرار گيرد تا زمان کافی برای واکنش مواد شيميايی وقوع عمليات خنثی سازی و توليد حلال قبل از تماس فاز آبی با امولسیون به ميزان مناسب فراهم آيد.

اين عمليات بصورت اتوماتيک و با استفاده از جريان سنج هايی که برای اندازه گيری و پيمانه بندی کليه ترکيبات (به جز اسيد که با اندازه گيری ميزان ph در فاز آبی کنترل می گردد) مورد استفاده قرار می گیرند صورت می پذیرد.

در تهيه امولسيون ممكن است انواع مختلفی از افزودنيها از قبيل لاتكس، sbs و يا بيتومين دپ نيزی مورد استفاده قرار گيرند که در اينصورت ترکيبات خاص ديگری نيز به سيستم افزوده شده و برای توليد اين نوع از امولسيون ها تكنيک های خاصی وجود دارد.

برای مثال لاتكس در مقابل نيروهای برشی وارده واکنش نشان داده و ممكن است در مسير سيستم و يا در پمپ لخته گردد. همچنين برای تهیه قیر امولسیون از نوع اصلاح شده با sbs نيز عمليات توليد بايستی در دمايی بالاتر از نقطه جوش آب صورت پذيرد.

لذا توليد در محيط خلاء و خنک نمودن محصول قبل از رها سازی آن در فشار اتمسفر داخل مخازن الزاميست. در سيستم هایی خطی می توان جهت عمليات خنک سازی از لوله های انتقال آب به داخل سيستم بهره برد.

در اين روش می توان انرژی لازم برای گرم نمودن آب را از محصول توليد شده دريافت نموده و ضمن خنک نمودن محصول درجه حرارت آب را نيز افزايش داد. حال آنكه در کارخانه های Batch آب حرارت ديده بايستی در مخزن برای توليد Batch آتی ذخيره گردد.

در کارخانه های معمول می توان دبی جريان ترکيبات را با اندازه گيری درجه حرارت تخمين زده در حاليكه با استفاده از جريان سنج ها می توان شدت جريان را با دقت بسيار بالاتری اندازه گيری نمود.