سومری‌ها، آشوری‌ها و بسیاری از تمدن‌های پیشین از قیر بطور وسیعی استفاده می‌کردند. از این ماده بعنوان ماده ضد رطوبت و نیز محافظ برای چوب و برای موارد مختلفی نظیر مومیایی کردن، مجسمه سازی و تزیینات استفاده می‌شد.
همچنین قیر موجود در بسترهای طبیعی به همراه آجرهای پخته شده بصورت ماستیک در ساختمان معابد، پایة پل‌ها، خیابان‌ها و خانه‌ها بکار برده شده است. در حدود چهار الی پنج قرن پیش از میلاد مسیح، هخامنشیان نیز از قیر برای آب‌بندی در کاخ با عظمت تخت جمشید استفاده کرده‌اند که هنوز آثار آن در این مجموعه قابل یافت می‌باشد.
معادل انگلیسی قیر Bitumen می‌باشد که اولین کاربرد این کلمه در زبان لاتین و در حدود سال‌های ۱۴۶۰میلادی بوده است. در انگلیسی امریکایی آنرا Asphalt می‌نامند که در کشور ما معادل "مخلوط آسفالتی" بکار برده می‌شود.
آغاز صنعت مدرن قیر را می‌توان به ۱۷۱۲میلادی نسبت داد که سنگ‌های قیرطبیعی در فرانسه کشف شدند. در آن هنگام مواد قیری را بطور ساده‌ای بصورت کلوخه روی سطح جاده‌های محلی پخش می‌کردند و می‌گذاشتند که ترافیک به تدریج آنها را ساییده و متراکم نماید. این تکنیک کاملاً موفقیت‌آمیز بود و در مدت کوتاهی پیشرفت‌هایی در این زمینه حاصل شد که من جمله پودر کردن و گرم کردن مواد قبل ازاستفاده بود. سپس آسفالت‌ها را با کوبیدن و مسطح کردن توسط آهن داغ (اتو) متراکم و محکم می‌نمودند. این ماده که عموماً به نام سنگ آسفالت متراکم (Compressed Rock Asphalt ) شناخته می‌شد، با موفقیت بسیاری در خیابان‌های اروپا بکار گرفته شد که تا به امروز به همه جا رسیده است .
مواد تشکیل دهنده قیر
ترکیبات مختلف قیر تا کنون به خوبی شناخته نشده اند ولی عمده این ترکیبات که بوسیله حلالهای مختلف از قیر جدا گردیده ، عبارتند از مواد آسفالتین – رزین و روغنهای سنگین که گاهی با مقدار کمی مواد معدنی همراه بوده و در محیط کلوئیدی روغنی مجاور یکدیگر قرار گرفته اند . خاصیت قابلیت انعطاف و چسبندگی قیر به رزین مربوط می باشد از طرفی هر چه آسفالتین زیادتر باشد قیر سخت تر است ولی با ازدیاد روغن قیر نرمتر می گردد. با حرارت دادن قیر مواد روغنی تبدیل به رزین و همچنین رزینها تبدیل به آسفالتین شده و در حرارت بیش از حد قیر تبدیل به ذغال و بخار آب میگردد.
آسفالتن
آسفالتن ماده جامد شکننده ای است که در هپتان نرمال نامحلول و به رنگ سیاه تا قهوه ای می باشد. علاوه بر کربن و هیدروژن ، مقداری نیتروژن ، گوگرد و اکسیژن دارد . آسفالتن معمولا ترکیبی بسیار قطبی محسوب می شود و شامل مواد آروماتیکی پیچیده با وزن ملکولی بسیار زیاد است . نقطه ذوب مشخصی ندارد و زمانیکه حرارت داده می شود ابتدا متورم و سپس تجزیه و سرانجام مواد کربنی زیادی به جا می گذارد . آسفالتن بین ۵ تا ۲۵ درصد قیر را تشکیل می دهد . هر چه مقدار آسفالتن در قیر بیشتر باشد ، قیر سخت تر و نفوذپذیری کمتری خواهد داشت ، علاوه بر اینکه نقطه نرمی بیشتر و سرانجام گرانروی بالاتری دارد . وزن ملکولی این ماده در یک گستره عریض از ۶۰۰ تا ۳۰۰۰۰۰ است و بستگی به روش جداسازی اعمال شده دارد.
مالتن ها
مالتن ها جزء محلول در حلالهای سبک مانند هپتان نرمال می باشند . مالتن ها در قیر مخلوطی از دو بخش رزین ها و روغن ها هستند و وزن ملکولی اجزاء مالتن در بین ۲۵۰ تا ۱۲۵۰ گرم بر مول قرار دارد.
رزین ها
رزین ها در هپتان نرمال محلول هستند . قسمت اعظم این ترکیبات مانند آسفالتن از کربن و هیدروژن تشکیل شده و نیز حاوی مقدار کمی اکسیژن ، گوگرد و نیتروژن می باشند . این ماده به رنگ قهوه ای تیره جامد و نیمه جامد بوده و بسیار قطبی می باشد . خاصیت ویزه رزین ها در این است که بسیار چسبنده اند . رزین ها مواد ضد انعقاد برای آسفالتن محسوب می شوند و نسبت رزین به آسفالتن ممکن است تا حدی که به قیر حالت سل ( Sol ) یا ژل ( Gel ) بدهد
آروماتیک ها
آروماتیک ها ترکیبات حلقوی با کمترین وزن ملکولی هستند و شامل زنجیرهای جانبی آروماتیکی و یا نفتنیکی هستند و محیط ضد انعقاد بسیار مناسبی برای آسفالتن به شمار می روند . این جزء بین ۴۰ تا ۶۰ درصد کل قیر را تشکیل داده و مایعی ویسکوز ( گرانرو ) به رنگ قهوه ای تیره که میانگین وزن ملکولی آنها بین ۳۰۰ تا ۲۰۰۰ در نوسان است . آروماتیک ها حاوی زنجیره های کربنی غیر قطبی بوده که در آنها حلقه های اشباع ارجحیت داشته و توانایی انحلال پذیری زیادی را برای سایر هیدورکربنهای سنگین دارد.
ترکیبات اشباع
ترکیبات اشباع از هیدروکربن های آلیفاتیک زنجیری مستقیم و شاخه دار همراه با الکیل نفتن ها و مقداری آلکیل آروماتیک ها تشکیل شده است . این ترکیبات اغلب به شکل روغنهای گرانرو ، غیر قطبی بوده و بی رنگ هستند . میانگین وزن ملکولی آنها عینا شبیه آروماتیکی بوده و اجزاء تشکیل دهنده آنها شامل مواد مومی و غیر مومی اشباع می باشد. این جزء ۵ تا ۲۰ درصد قیر را تشکیل می دهد.
بطور کلی آسفالتن ها اسکلت ساختمانی قیرها را تشکیل میدهند و رزینها در میزان چسبندگی و قابلیت شکل پذیری قیرها موثرند و روغنها بر مسئله روانی قیر اثر می گذارند . اصولا خواص فیزیکی قیر تابعی از ساختمان شیمیایی ، کمیت و کیفیت هیدروکربنهای متشکله است .
کاربردهای قیر
قیر معمولاً در دوحوزه راهسازی و عایق‌کاری به کار می‌رود. حدودا ۹۰ درصد از قیر تولیدی، در حوزه راهسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد و مصارف عایق‌کاری، تنها ۱۰درصد از مصرف قیر را به خود اختصاص می‌دهد که عبارتست از : پوشش کف ، بام ، لوله های زیرزمینی ، محافظ فلزات و همچنین آب بندی مخازن ، کانالها، پل ها و تثبیت شن های روان ، رنگ آمیزی و ...
قیرهای نفتی (Petroleum Asphalts)
آن دسته از قیرهایی هستند که منشاء آنها نفت خام می باشد. این قیرها، قیرهای جامد و نیمه جامدی هستند که به طور مستقیم از تقطیر نفت خام و یا با عملیات اضافی دیگری نظیر دمیدن هوا به دست می آیند و نسبت به انواع دیگر قیر، کاربردهای بیشتر و مصرف بالاتری را دارا هستند.
قیرهای دمیده
قیرهای نفتی به دو روش استحصال مستقیم (Straight Run) و هوادهی (Air Blowing) تهیه می گردند. روش هوادهی هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که ماده اولیه قیر (خوراک) ویژگیهای مورد انتظار را نداشته باشد .در اینصورت با دمیدن هوا به ماده اولیه (خوراک) در دمای بین°C200-190 محصولی با خواص اصلاح شده تولید می شود.
این فرآیند گاهی بنام اکسیداسیون قیر (Asphalt Oxidation) و محصول آن بنام قیر اکسیده(Oxidized Asphalt) نامیده می شود ولی عبارات هوادهی(Air Blowing) و قیر دمیده(Air Blowing Asphalt) مناسبتر می باشد زیرا در این فرآیند، پلیمریزاسیون (polymerization) و دهیدرژناسیون(Dehydrogenation) انجام می پذیرد و اکسیژن بجز در مقادیر بسیار جزیی ، در محصول هوادهی وارد نخواهد شد. در صنعت ، به دو روش پیوسته(Continues Process) و ناپیوسته(Batch Process ) صورت می پذیرد.
قیرهای تولیدی با توجه به میزان هوادهی آن بر اساس آزمایشات مطابق با استانداردهای های جهانی دسته بندی و نام گذاری می شوند .
معتبرترین استانداردهای جهانی Viscosity Grade Penetration Grade , Performance Grade , می باشند.
ته مانده برج تقطیر در خلاء ( Vacuum Bottom ) ( VB )است که برای تولید انواع قیرهای ۶۰/۷۰ , ۸۵/۱۰۰ و سایر گرید های قیر استفاده می شود.
۱- فرآیند ناپیوسته (Batch Process)
در فرآیند ناپیوسته ، برج هوادهی با حجم معین از خوراک پر شده و پس از دمیدن هوا با شرایط از پیش تعیین شده( دمای واکنش، زمان، مقدار خوراک) و رسیدن محصول به مشخصات مورد نظر، برج تخلیه گردیده و محصول در مخازن مورد نظر وارد می گردد.
اجزای اصلی واحد هوادهی ناپیوسته عبارتند از:
:: کوره پیش گرم کن(Pre Heater)
:: دمنده هوا یا کمپرسور(Blower or Compressor)
:: برج هوادهی(Oxidizer Tower)
:: سیستمی برای جمع آوری و سوزاندن بخارات
۲- فرآیند پیوسته (Continues Process)
در فرآیند پیوسته ، خوراک با دبی معین و قابل کنترل و دمای از پیش تعیین شده به صورت پیوسته وارد برج هوادهی شده و پس از انجام عملیات هوادهی در شرایط ثابت عملیاتی، به صورت پیوسته از برج هوادهی خارج می شود. این روش تهیه قیر که در پالایشگاهها مورد استفاده قرار می گیرد به خاطر مزایای زیر مورد توجه می باشد:
:: کاهش بخارات آلاینده ایجاد شده
:: کاهش هزینه تجهیزات و نگهداری
:: افزایش راندمان و مقدار تولید در واحد زمان
:: کاهش بار حرارتی پیش گرم کن های خوراک
:: آسانی عملیات کنترل و انجام فرآیند بخاطر ماهیت پیوسته فرآیند
:: کمتر شدن هوای مصرفی و کوتاه شدن زمان هوادهی به خاطر استفاده بهینه از هوای دمیده شده
انجام هوادهی در برجهای افقی و عمودی امکان پذیر است که برجهای عمودی بدلیل بالاتر بودن راند مان ترجیح داده می شوند. پارامترهای موثر در هوادهی عمدتا شامل ویسکوزیته خوراک ، دمای خوراک ، شکل هندسی برج می باشند. در توضیح این پارامتر ها می توان گفت چنانچه ویسکوزیته خوراک میزان هوا یا دمای فرآیند و یا نسبت ارتفاع به قطر برج( تا حد معینی) بیشتر باشد، سرعت واکنش بیشتر خواهد بود. واکنش اکسیداسیون واکنشی گرمازا است ، لذا برای کنترل دما و خارج کردن گرمای اضافه بایستی از مبدل یا مبدل های حرارتی با ظرفیت متناسب با دمای مطلوب استفاده نمود.
همانگونه که قبلا بیان گردید ، طی فرآیند هوادهی یا اکسیداسیون ، هوا از داخل قیر عبور کرده و اکسیژن آن با مولکولهای قیر وارد فعل و انفعال می گردد. بخارات حاصل از این فرآیند (Process Fumes) شامل کمتر از ۱۰% اکسیژن و ترکیبات متنوعی مانند بخار آب، آلدییدها، کتن ها،CO ،CO2 ،اکسیدهای نیتروژن، متان ، نیتروژن، ترکیبات گوگردی(H2S,SO2) و در نهایت "هیدروکربنهای روغنی نفتی" می باشد. این هیدروکربنها به واسطه جریان شدید هوای دمیده ، یا بصورت بخار و یا مایع همراه با هوا(Entrainment) از برج خارج می شوند و بخشی از آنها در مراحل بعدی کندانس(Condense) می شوند. این هیدروکربنها به نام "روغنهای فرآیند " یا (Process Oils) نامیده می شوند بخارات این فرآیند هوادهی (Process Fumes) بطور معمول توسط مجموعه ای از دستگاههای جداسازی شده مورد تصفیه قرار می گیرند تا روغنهای همراه (و یا بعدا کندانس شده) جداسازی شده و سپس بخارات سوزانده می شوند . میزان درصد اتلاف خوراک در فرآیند هوادهی معمولا بین (۲- ۵/۰) % وزنی متغیر می باشد، این میزان به عوامل متعددی از جمله ویسکوزیته خوراک ، دما، زمان هوادهی و ... بستگی دارد. قسمت اعظم بخارات فرایند شامل این اتلاف می باشد. رهایی از معضلات مربوط به بخارات فرآیند مشکلی است که معمولا راه حل صد در صد رضایت بخشی ندارد. این بخارات بوی نامطبوعی نیز دارند که ناشی از ترکیبات ایجاد شده در فرآیند اکسیداسیون می باشند. بخش روغنهای همراه(Entrained Oils) شامل هیدروکربنهای فرار تر موجود در خوراک می باشند. جهت روغن زدایی نسبی از گازهای خروجی برج هوادهی ، یک Knok Out Drumساده و یا تله بخار(Vapor Trap) لازم می باشد. در برخی مواقعKnok Out Drum به اسپری آب مجهز می باشد که باعث روغن زدایی بیشتر خواهد شد که اصطلاحا به چگالنده تماسی (Contact Condenser) معروف می باشد. در برخی موارد دیگر به روشهایی از قبیل برگشت بخارات به دمنده(Blower) استفاده می شود . روش دیگر ، در مواقعی که فضای کافی وجود داشته باشد ، بکارگیری سیستم ساده زیر است:
بخارات از کندانسور(مبدل حرارتی) هوایی افقی و طویلی عبور کرده و در این مسیر قسمت اعظم روغنهای همراه جدا می شود و بخارات باقیمانده برای سوزاندن به یک کوره عمودی هدایت می گردد.
این قیرها پایه تولید قیرهای دیگر مانند ، قیرهای امولسیونی ، قیرهای محلول و قیرهای پلیمری هستند. لذا کاربرد های وسیعی در صنایع مختلف دارند.
شرکت نیل پالا آمادگی خود جهت تهیه طرح توجیهی تولید قیر را اعلام می دارد