قیر مادهای سیاه و غلیظ است که عمدتا شامل هیدروکربنهای سنگین حاصل از تقطیر نفت یا قیر طبیعی است. از قیر برای تولید آسفالت استفاده میشود که به صورت گسترده در احداث جادهها به کار میرود (بیش از ۸۰ درصد برای این کاربرد استفاده میشود). علت، خواص چسبندگی خوب، ضدآب بودن قیر و قیمت نسبتا پایین آن است. از دیگر کاربردهای قیر میتوان به پوششدهی سقف و کف (۱۰ درصد)، پوشش لولههای زیرزمینی، محافظت فلزات، آببندی مخازن، کانالها و پلها و همچنین پایدارسازی ماسههای بیابان برای جلوگیری از طوفان، اشاره کرد. لازم به ذکر است که ایران از لحاظ تولید و صادرات قیر در جهان در بین ۱۰ کشور اول بوده و توانایی تامین بیش از ۸ درصد تقاضای جهانی قیر را دارد.
تولید قیر
هرچند قیر ظاهرا یک محصول جانبی پالایش نفت است اما متخصصین قیر را یک ماده پیشرفته و پیچیده در زمینه ساخت و ساز برمیشمرند. ماده اولیه برای تولید قیر عمدتا باقیمانده پایین برج (Vacuum Bottom) در فرآیند تقطیر تحت خلاء نفت خام (VDU) در پالایشگاه نفت است.
قیر نفتی به دو روش مستقیم (Straight run) و هوادهی یا اکسیداسیون (Air blowing or oxidation) تولید میشود. در روش مستقیم باقیمانده (Residue) برج تقطیر تحت خلاء در پالایشگاه نفت، با افزودن حلالهایی نظیر پروپان و بوتان به محصول نهایی قیر تبدیل میشود. در صورتی مواد اولیه – Vacuum bottom خواص مورد انتظار را نداشته باشند، با دمیدن هوا به داخل قیر در دمای بالای ۲۰۰ درجه سانتیگراد، محصول با خواص فیزیکی اصلاح شده تولید میشود.
هوادهی به دو صورت ناپیوسته (Batch process) و پیوسته (Continuous process) انجام میشود. در فرآیند بچ پراسس، خوراک (Vacuum bottom) پس از گرمشدن تا دمای مورد نظر به داخل مخزن یا برج هوادهی ریخته میشود. سپس به وسیله دمندهها، هوا در مدت زمان معین و با مقدار مشخص به داخل برج هوادهی دمیده میشود. پس از رسیدن به خواص مورد نظر برج یا مخزن تخلیه شده، محصول خنک شده و در مخازن ذخیره سازی انبار میشود. در هریک از این مراحل گرم کردن خوراک (Vacuum bottom)، حفظ دمای مخزن و خنک کردن قیر پیش از ذخیره سازی، نقش مبدلهای حرارتی بسیار تعیین کننده است.
تفاوت فرآیند پیوسته با بچ پراسس در این است که گرمکردن، هوادهی و خنککردن به صورت پیوسته انجام میگیرد. لذا کنترل دما و نقش مبدلهای حرارتی بیش از پیش اهمیت پیدا میکند. ضمن اینکه در فرآیند پیوسته میتوان با بازیافت حرارت محصول نهایی (که باید برای ذخیرهسازی خنک شود) و پیشگرم خوراک، مصرف انرژی را به حد قابل توجهی کاهش داد.
انتخاب مبدل حرارتی مناسب در تولید قیر
مبدلهای حرارتی صفحهای و پوسته-لوله دو نوع از مبدلهای رایج برای انواع فرآیندهای گرمایش و سرمایش هستند. مبدلهای صفحهای دارای ضریب انتقال حرارت بالا هستند. با این وجود کانالهای کوچک این مبدل مناسب ویسکوزیته بالای قیر نبوده و باعث توزیع غیریکنواخت سیال داخل کانالها و در نهایت مسدود شدن کانالها میگردد.
از سوی دیگر، مبدلهای پوسته-لوله امکان استفاده برای شرایط سخت عملیاتی را دارا هستند. قطر هیدرولیکی بالای مبدل در طرف پوسته امکان بهکارگیری سیالات با ویسکوزیته بالا را فراهم میکند. با این وجود، ویسکوزیته بالای سیال سبب کاهش عدد رینولدز و درنتیجه ضریب انتقال حرارت پایین مبدل خواهد شد. این موضوع سبب بزرگشدن مبدل و تشکیل رسوبات در مبدلهای گرمایش و سرمایش قیر خواهد شد.
مبدل پوسته-پیلو (Pillow-PAC) و بلاک (AGEN-bloc) ترکیبی از هر دو تکنولوژی مبدل پوسته-لوله و صفحهای هستند. مبدل Pillow-PAC، دارای کانالهای نامتقارن برای دو سیال بوده و عمق کانالها در طرف پوسته میتواند تا میزان مورد نیاز افزایش یابد. این موضوع سبب گردیدهاست که محدودیتی در خنککاری قیر با ویسکوزیته بالا وجود نداشته باشد. از طرفی استفاده از پیلوهای دیمپلدار به عنوان کانالهای عبور سیال باعث افزایش ضریب انتقال حرارت کلی مبدل و کاهش اندازه و قیمت تمام شده مبدل خواهد شد. همچنین، تنش برشی بالای سیال به دلیل آشفتگی سبب کاهش نرخ تشکیل رسوبات و افزایش بازههای زمانی تمیزکاری مبدل میگردد. از طرف دیگر، آرایش چند گذر (Multi-pass) مبدل باعث افزایش سرعت سیال و فشردگی ابعاد خارجی مبدل خواهد گردید.
در مجموع اگرچه فرآیند گرمایش و سرمایش قیر میتواند توسط مبدلهای مختلفی انجام پذیرد ولی انتخاب نامناسب مبدل میتواند سبب توزیع نامناسب، گرفتگی کانالها و کاهش سطح حرارتی مبدل شود. در نهایت صرف هزینه هنگفت به منظور اورهال مبدل در بازههای زمانی کوتاه امری اجتنابناپذیر خواهد بود.
در این میان، مبدل پوسته-پیلو (Pillow-PAC) بهترین راهحل ممکن برای شرایط دما و فشار اغلب واحدهای فرآیندی قیر و فرآوردههای جانبی آن است. این مبدل نیاز فرآیندی موجود را با قابلیت اطمینان بالا، رسوب کم و تمیزکاری آسان فراهم میآورد و هزینه پایینتری نسبت به مبدل پوسته-لوله مشابه خواهد داشت.
