برای تولید قیر از دو فرآیند به صورت ناپیوسته و پیوسته استفاده می شود که چگونگی انجام هرکدام به شرح ذیل می باشد:
فرآیند ناپیوسته Batch Process
در این فرآیند برج هوادهی با حجم معین از خوراک پر می شود و پس از دمیدن هوا با شرایط از پیش تعیین شده ( دمای واکنش، زمان و مقدار خوراک ) و رسیدن محصول به مشخصات مورد نظر، برج تخلیه می گردد و محتوی آن در مخازن وارد می شوند.
اجزای اصلی واحد هوادهی
در فرآیند ناپیوسته اجزای اصلی هوادهی عبارتند از :
-کوره پیش گرم کن Pre Heater
-دمنده هوا یا کمپرسورBlower or Compressor
-برج هوادهی Oxidizer Tower
-سیستمی برای جمع آوری و سوزاندن بخارات
فرآیند پیوسته
در این فرآیند خوراک با میزان معین و قابل کنترل با دمای از پیش تعیین شده به صورت پیوسته وارد برج هوادهی می شود و پس از انجام عملیات هوادهی در شرایط ثابت عملیاتی از برج هوادهی خارج می گردد. این روش تهیه قیر که در پالایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد بدلیل داشتن مزایای زیر مورد توجه می باشد.
-کاهش بخارات آلاینده.
-کاهش هزینه های تجهیزات و نگهداری.
-افزایش راندمان و مقدار تولید در واحد زمان.
-کاهش بار حرارتی پیش گرم کن های خوراکی.
-آسانی عملیات کنترل و انجام فرآیند بخاطر ماهیت پیوسته آن.
-کمتر شدن هوای مصرفی و کوتاه شدن زمان هوادهی به خاطر استفاده بهینه از هوای دمیده شده.
لازم به ذکر است که هوادهی در برج های افقی و عمودی امکان پذیر است ولیکن بدلیل بالاتر بودن راندمان برج های عمودی آنها ترجیح داده می شوند.
پارامتر های موثر در هوادهی
در هوادهی چندین پارامتر دارای اهمیت می باشندکه عمده ترین آنها عبارتند از :
-ویسکوزیته خوراک
-دمای خوراک
شکل هندسی برج
طی فرآیند هوادهی با اکسیداسیون، هوا از داخل قیر عبور کرده و اکسیژن آن با مولکول های قیر وارد فعل و انفعال می گردد. بخارات حاصل از این فرآیند ( Process Fumes) شامل کمتر از 10% اکسیژن و ترکیبات متنوعی مانند بخار آب، آلدیید ها، کتن ها، Co، Co2، اکسیدهای نیتروژن، متان، ترکیبات گوگردی (SO2، H2S) و در نهایت " هیدورکربن های روغنی نفتی" می باشد. این هیدروکربن ها به واسطه جریان شدید هوای دمیده، یا به صورت بخار و یا مایع همراه با هوا (Entrainment) از برج خارج می شوند و بخشی از آنها در مراحل بعدی ذخیره (Condense) می شوند. این هیدروکربن ها به نام " روغن های فرآیند " یا (Process Oils) نامیده می شوند و بخارات این فرآیند هوادهی (Process Fumes) بطور معمول توسط مجموعه ای از دستگاه های جداسازی شده مورد تصفیه قرار می گیرند تا روغن های همراه ( و یا بعداً کندانس شده ) جداسازی شده و سپس بخارات سوزانده می شوند. میزان درصد اتلاف خوراک در فرآیند هوادهی معمولا بین (5/0 – 2)% وزنی متغیر می باشد، این میزان به عوامل متعددی از جمله ویسکوزیته خوراک، دما، زمان هوادهی و... بستگی دارد. قسمت اعظم بخارات فرآیند شامل این اتلاف می باشد. جهت روغن زدایی نسبی از گازهای خروجی برج هوادهی، یک Knok Out Drum ساده یا تله بخار ( Vapor Trap) لازم می باشد. در برخی مواقع Knok Out Drum به اسپری آب مجهز می باشد که باعث روغن زدایی بیشتر خواهد شد که اصطلاحاً به چگالنده تماسی (Contact Condenser) معروف می باشد. در برخی موارد دیگر به روش هایی 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 روغن های همراه جدا می شود و بخارات باقیمانده برای سوزاندن به یک کوره عمودی هدایت می گردد. در پایان این مطالب لازم به توضیح است که خوراک قیرسازی، ته مانده برج تقطیر در خلاء ( Vacumbottom) است که در واحد تقطیر تولید و به برج هوادهی سرازیر می گردد و هوای مورد نیاز جهت اکسیداسیون توسط دمنده (Blower) و کمپرسور تامین و کمبود آن از طریق واحد خدمات (Utility) تهیه می گردد. محصول قیر پس از هوادهی با درجه حرارت حدود C0 250 تا C0 265 از برج خارج شده و توسط سه مبدل حرارتی خنک شده و به مخازن نگهداری محصول هدایت می گردد. درجه حرارت این مخازن C0 188 حفظ می شود که با پر شدن هرکدام از مخازن نمونه گیری شده و پس از تایید کنترل کیفیت آزمایشگاه به مخازن بارگیری ارسال می گردد. برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست گازهای سبک متصاعد شده از بالای برج واکنش که در اثر دهیدروژناسیون به وجود آمده پس از ورود به Knock Out Drum و ته نشین شدن مایعات سنگین به طرف کوره Incinerator هدایت گردیده و با گاز طبیعی در درجه حرارت C0 800 سوخته می شود.
متغییر های فرآیند:
دو متغییر تاثیر گذار بر روی قیر دمیده، ترکیب خوراک و طول زمان هوادهی می باشد. سایر متغییر ها شامل درجه حرارت، شدت هوادهی و ارتفاع قیر است. کاهش مدت زمان اقامت قیر در برج، در دما و زمان هوادهی ثابت عموماً به صرفه می باشد. معمولاً فرایند در فشار اتمسفر انجام می گیرد. طراحی برج و روش عملیات نیز بدلیل آنکه در میزان روغن از دست رفته موثر می باشد باعث تاثیر در خواص محصول می شود.
الف) خوراک:
مشخصات خوراک و محصول مورد نظر از طریق آزمایش های خوراک، تعیین نیاز بازار و مشخصات قیر لازم برای مخلوط کردن با قیر نرم در واحد های ایزولاسیون یا آسفالت و… تعیین می گردد. خوراک بیشتر واحدهای هوادهی در ایران قیر ۶۰/۷۰ پالایشگاه می باشد. آنالیز قیر ۶۰/۷۰ را می توانید در صفحه آنالیز قیر عرضه شده توسط شرکت فیدار اصفهان ببینید.
ب) دما:
پس از تعیین مشخصات خوراک و محصول، دمای هوادهی مشخص می شود. دما در موارد زیر تاثیر بسزایی دارد:
۱) نوع و سرعت واکنش شیمیایی که باعث تغییر در کیفیت محصول می شود.
۲) کندروانی قیر که عامل تعیین کننده ای در میزان مصرف اکسیژن است.
کیفیت قیر دمیده با کاهش دما بهبود می یابد. قیر های دمیده شده در دماهای بالا دارای مقدار شاخص نفوذ کمتری است. در هنگام تعیین دمای فرآیند، باید ملاحظات مربوط به حداکثر مقدار مجاز اکسیژن موجود در گازهای خروجی و رابطه بین هزینه های تولید با کیفیت محصول را در نظر گرفت.
ج) ابعاد ظروف هوادهی:
شدت دمای هوادهی و ارتفاع مایع را با توجه به ابعاد و ظرفیت ظروف هوادهی تعیین می کنند. برج های پیشرفته عموماٌ دارای ارتفاع ۶ متر می باشند. البته برج هایی با ارتفاع ۷/۵ تا ۱۱ متر هم ساخته شده که نتایج خوبی در برداشته است.
د) ارتفاع مایع :
ارتفاع کم قیر همراه با غلظت بالای اکسیژن باعث انفجار می گردد ارتفاع بالا نیز ممکن است منجر به سرریز قیر به درون سیستم خروج گاز و یا خروج از طریق ابزار آزادساز فشار گردد. خواندن دما با انواع وسایل و در ارتفاع های مختلف می تواند ایجاد اشکال در ارتفاع قیر ویا وجود بیش از حد کف را نمایان سازد. تفاوت دمای معمول بین سطح بالایی قیر و بخار های قسمت خروجی بین ۲۵ الی ۳۵ درجه سانتی گراد است.
مشکلات عملیات
۱) به وجود آمدن کک:
دمای زیاد لوله های آتش خوار و همچنین سرد شدن بخارات خروجی در بالای برج منجر به تولید کک می شود که این تکه ها می تواند وارد پمپ شده و به آن آسیب برساند. برای جلوگیری از این امر بهتر است از تورهای کک گیری در سر راه خروج قیر از برج استفاده شود.
۲) سرد شدن خط لوله و مسدود شدن آن:
در عملیات منقطع که بین دو بارگیری فاصله زمانی وجود دارد این موضوع باعث مسدود شدن خط لوله می گردد. برای رفع این مشکل نصب یک خط لوله کوچک حاوی روغن داغ یا بخار در مجاورت لوله ها پیشنهاد می گردد زیرا استفاده از آتش با چوب و گازوییل ویا مشعل برای گرم کدن لوله ها علاوه بر تخریب لوله و شیرآلات باعث آلودگی محیط زیست می گردد.
۳) بازگشت نهایی:
اگر محصول به مقدار زیاد دمیده شده باشد و پس از عملیات هوادهی بلافاصله سرد نشود فرآیند دپلیمریزاسیون و یا کراکینگ حرارتی رخ می دهد که بازگشت نهایی می گویند. بر اثر این اتفاق قیر نرم شده و نفوذپذیری آن افزایش می یابد. بازگشت نهایی یک مشکل معمول در واحدهای منقطع می باشد که با سرد کردن ناگهانی محصول (درحدود ۲۰ درجه سانتی گراد) کنترل می شود.
۴) انفجار گازها و بخارات:
برای جلوگیری از این مشکل باید شدت هوادهی و ارتفاع قیر درون برج کنترل شود. در برج های بزرگ برای جلوگیری از ایجاد خسارت در اثر انفجار و افزایش ناگهانی فشار، یک دیسک راپچر در بالای برج تعبیه می گردد. روش دیگر بازگرداندن بخارات به درون دمنده می باشد. سیستم دیگر شامل عبور دادن بخارات خروجی به درون یک کندانسور افقی و طویل هوا و سپس ارسال به دودکش است. این کار باعث گیر افتادن روغن های همراه و رقیق شدن بهتر مواد تبخیری می شود.
عوامل موثر در تولید قیر:
۱) با افزایش مقدار هوای تزریقی و درجه حرارت سر عت واکنش افزایش می یابد
۲) افزایش مدت زمان توقف قیر در داخل برج باعث افزاشی Soft یا نرمی قیر می شود.
۳) شروع واکنش در ۴۲۰ درجه فارنهایت بوده و در ۵۵۰ درجه فارنهایت به سرعت ازدیاد می یابد. انجام واکنش در ۴۰۰ درجه فارنهایت و پایین تر به کندی صورت می گیرد.
۴) با ثابت بودن نسبت تغییرات درجه حرارت، افزایش نسبت هوادهی باعث افزایش درجه حرارت می شود و برعکس.
۵) واکنش حرارتی بوسیله Cold Recycle قابل کنترل است.
۶) اگر ارتفاع سطح مایع کم باشد کم کردن مدت زمان توقف توصیه نمی شود زیرا در اثر تماس مایع داغ و هوای اضافی خارج شده از لابلای مولکول های مایع منجر به آتش سوزی می شود.
۷) هر چه اختلاف درجه حرارت(Point 1) با درجه حرارت (Base) بیش تر باشد واکنش اکسیداسیون و احیا بهتر انجام می شود.
۸) برای جلوگیری از آتش سوزی در بالای برج Snuffing Steam به برج تزریق می شود.
۹) لوله آب متصل به برج که برای شستشوی آن در زمان تعمیرات اساسی به کار می رود در زمان فعال بودن برج بایستی Blank گردد.
۱۰) در قسمت بالای برج علاوه بر Vapor Line لوله ۱۶ اینچی دیگری هم وجود دارد که در زیر آن Rupture Disc یا شیر ایمنی برج قرار دارد.عملکرد این شیر به گونه ای است که اگر فشار به ۱۵ پوند برسد این Disc با صدای زیاد پاره شده و موجب تخلیه محتویات برج به داخل حوضچه می شود. در صورت بروز این اتفاق باید دستگاه را بست و Disc را مجدداً تعویض نمود.