طرح تولید قیر امولسیون

استراتژی جهانی در حفظ و حراست از محیط زیست و ملاحظات فنی اقتصادی باعث گردیده است تا طرح جایگزینی قیر های امولسیون به جای قیر های محلول در عملیات راه سازی تهیه و کارخانجاتی برای تولید قیر امولسيون احداث گردند. از سال ۱۹۲۲، نسل جدید چسباننده های راه سازی، یعنی قیر امولسیون، به شدت مورد استفاده قرار گرفت به طوری که در انتهای سال ۱۹۲۶، در حدود ۱۵۰۰۰۰ تن قیر امولسیون در پنج کشور انگلستان،آلمان، دانمارک، اتریش و هندوستان تولید و مصرف گشت. قیر امولسیون در در سه نوع آنیونی، کاتیونی و آمفوتر (خنثی) تولید می شود. از نظر فنی، قیر امولسیون های کاتیونی از سال ۱۹۵۱ به بعد رواج پیدا کردند و با توجه به خصوصیاتشان، به سرعت جایگزین قیر امولسیون های آنیونی شدند.
آب و قیر با یکدیگر مخلوط نمی شوند، اما تکنولوژی ساخت قیر امولسیون این فرآیند را امکان پذیر ساخته است که درصد معتنابهی از قیر در فاز پیوسته آب پراکنده شود. ترکیبی به نام امولسیفایر، ذرات قیر را به صورت باردار دارای بار الکتریکی (در فاز پیوسته آب معلق و پایدار نگه می دارد.در این مخلوط، قیر صنعتی) که در ایران به علت قیمت انرژی و نوع آب و هواقیر ۵۰-۴۰، ۷۰-۶۰ یا ۱۰۰-۸۵، تولید و استفاده می شود در آب حلن می گردد بلکه به صورت گلبول هایی بسیار ریز در آب شناور می شود.در بعضی موارد ممکن است همراه با امولسیفایر، ماده پایدار کننده نیز استفاده گردد. امولسیون های قیری عمدتا از نوع امولسیون های مایع در مایع هستندکه قیر در فاز آب پراکنده می باشد. در این نوع امولسیون های قیری، مقدارقیر بستگی به کاربرد آن دارد که معمولا از حداقل ۴۰ درصد تا حداکثر ۶۹ درصد متغیر است.
در حال حاضر، مصرف قیر امولسیون در کشورهای زیر، بدین شرح است:
1- ایالات متحده آمریکا سالانه 2،300،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 5 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
2- فرانسه سالانه 1،010،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 25 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
3- مکزیک سالانه 515،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 34 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
4- برزیل سالانه 400،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 5 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
5- اسپانیا سالانه 350،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 18 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
6- ژاپن سالانه 316،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 5 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
7- تایلند سالانه 300،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 24 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
8- انگلیس سالانه 160،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 5 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
9- آلمان سالانه 130،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 3 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.
10- ایتالیا سالانه 100،000 تن قیر امولسیون مصرف می کند که این مقدار، 3 درصد قیر استفاده شده در این کشور است.

ویژگی های قیر امولسیون

1. امکان حمل به مکان های دور دست به صورت فله (با تانکر قیرپاش، کامیون و تریلی) یا بشکه (ترجیحا بشکه روغن).
2. توانایی استفاده از آسفالت با ضخامت های کم.
3. سرعت پخش بالای آسفالت سطحی یا نازک و همینطور، افزایش عملیات آسفالت به علت خشک شدن کم تر از 2 ساعت.
4. مناسب جهت هر نوع آسفالت، اساس و روکش (خیابان- اتوبان- باند فرودگاه).
5. عدم نیاز به حرارت دهی حین نگهداری، حمل و پاشش.
6. قابل مصرف در دمای محیط (از دمای حداقل 5 درجه و حداکثر 80 درجه سلسیوس) و بر روی روسازی های مرطوب.
7. نفوذپذیری مناسب به علت سیالیت بالا.
8. پیچیده نبودن ماشین آلات مورد نیاز و سهولت استفاده.
9. سازگاری کامل با محیط زیست و آلاینده نبودن چه در فرآیند ساخت و تولید و چه در فرآیند حمل، پاشش و شکست.
10. شکست سریع قیر امولسیون در تقابل با مصالح سنگی و هوا (تنها 1 تا 2 ساعت).
11. سمی نبودن و عاری از هرگونه بود.
12. عدم قابلیت آتشگیری هنگام نگه داری، حمل و اجرا.
13. تغییر رنگ از قهوه ای به سیاه پس از فرآیند شکست قیر امولسیون و آماده شدن برای تردد یا اجرای لایه بعدی آسفالت.
14. دادن حرارت غیر مستقی مدر صورت کاهش دمای محیط به کم تر از 5 درجه سلسیوس، با سیستمی مانند لوله کشی روغن داغ جهت افزایش دما به 5 تا 15 درجه به منظور جلوگیری از یخ زدن و دوفاز شدن.
15. ماندگاری در مخزن حداقل تا 3 ماه در دمای قیده شده در بند 6. ( در صورت دوجداره بودن مخزن نگه دارنده و میکسر داشتن و هر هفته یا هر دوهفته استفاده از میکسر به مدت 1 ساعت در هر نوبت، این محصول تا حدود 4 ماه همگن و مخلوط باقی می ماند).
16. پمپ و تخلیه از تانکر تریلی به کف مخزن ذخیره و رها نکردن قیر امولسیون از ارتفاع بیش از 30 سانتی متر (جهت نگه داری در مخزن، قیر امولسیون حتما باید به پایین منبع پمپ شود و یا با شیلنگی که تا انتهای مخزن ذخیره می رود، از تانکر تریلی به مخزن ذخیره پمپ شود. در صورتی که از بالا رها شود، کف می کند و دوفاز می شود).
17. شکسته و شسته بودن مصالح سنگی و به همراه نداشتن خاک (یا مصالح 3_0 در سنگدانه ها) تا قیر امولسیون که به خاطر بالا بودن چسبندگی خود به اولین جسم در تماسش می چسبد، به جای چسبیدن به خاک روی مصالح، به خود مصالح سنگی هدف بچسبد و گلوله گلوله یا رول نشود (مصالح سنگی نشسته را کافی است با ماشین آب پاش، آب پاشی کنیم تا خاک یا مصالح 0 تا 3 میلیمتر در لابه لای مصالح سنگی هدف فرو رود و به نوعی مصالح سنگی را از خاک عاری کنیم تا بالاترین سطح چسبندگی بین قیر امولسیون و مصالح سنگی مورد نظر را به دست آوریم).

استانداردهای قیرامولسیون

استانداردهای قیرامولسیون شامل ISIRI 12505 ایران، ASTM D2397 آمریکا، BS EN13808 اروپا و IS8887 هند است.

کاربرد عمومی قیرهای امولسیونی

هر یک از انواع قیرهای امولسیونی بمنظور مصارف خاصی طراحی می شوند که بطور مشروح در ذیل بیان می شوند.

قیرهای امولسیونی تندشکن
(Cationic Rapid Setting-CRS)
این نوع قیرهای امولسیونی با مصالح سنگی به سرعت واکنش نشان داده و از حالت امولسیون به قیر تبدیل می شوند. قیرهای امولسیونی تندشکن عمدتاٌ در عملیات قیرپاشی، مانند اندودسطحی (Tack Coat) اندود آب بندی با مصالح سنگی(Seal Coat)، آب بندی با ماسه، آسفالت های سطحی و ماکادام نفوذی مصرف می شوند. برای عملیات اجرایی مذکور می توان از قیرهای امولسیونی CRS-2 وCRS-1 استفاده کرد.
قیر امولسیونی تندشکن CRS-2 بعلت کندروانی زیاد در سطح راه جاری نمی شود و برای آسفالت های سطحی و اندود آب بند با مصالح سنگی کاربرد فراوانی دارد.
قیرهای امولسیونی کندشکن
(Cationic Medium Setting-CMS)
این نوع قیرهای امولسیونی برای مخلوط کردن با مصالح سنگی درشت دانه طراحی می شوند، زیرا بلافاصله پس از تماس با سنگدانه ها شکسته نمی شوند، لذا مخلوط آسفالتی تهیه شده با آنها برای چندین دقیقه کارایی لازم را خواهد داشت. این نوع قیرهای امولسیونی بطور گسترده ای در کارخانه های آسفالت سیار استفاده می شوند و عمدتاً برای تهیه مخلوط های آسفالتی سرد کارخانه ای طراحی می گردند.
امولسیون های قیری CMS-2h با کندروانی زیاد در سطح راه روان نمی شوند.
قیرهای امولسیونی دیرشکن
(Cationic Slow Setting-CSS)
قیرهای امولسیونی دیرشکن برای تهیه مخلوط آسفالتی پایدار طراحی می شوند، یعنی پس از تماس قیر امولسیونی با مصالح سنگی، پایداری زیادی خواهند داشت.این گروه امولسیون ها با مصالح سنگی با دانه بندی پیوسته و درصد ریزدانه زیاد به کار میروند. این نوع قیر امولسیونی کارایی طولانی مدت دارند بگونه ای که از مخلوط شدن کامل آنها با مصالح سنگی با دانه بندی پیوسته و درصد ریزدانه زیاد به کار میروند. این نوع قیر امولسیونی کارایی طولانی مدت دارند بگونه ای که از مخلوط شدن کامل آنها با مصالح سنگی با دانه بندی پیوسته اطمینان حاصل می شود.
همه قیرهای امولسیونی دیرشکن کندروانی پایینی دارند و میتوان آنها را باآب رقیق کرد. قیرهای امولسیونی دیرشکن رقیق شده را میتوان در عملیات اجرایی اندودهای سطحی و نفوذی، آب بندی و پوشش سطح روسازی و غبار نشانی راه های خاکی و شنی بکار برد. انعقاد ذرات قیر این امولسیون ها کاملاً به تبخیر آب آن بستگی دارد. لذا اگر در مخلوط هایی مانند دوغاب آب بندی بکار میروند و لازم است که سرعت شکست تندتر باشد، میتوان سیمان پرتلند یا آهک هیدراته به آن اضافه نمود این قیرهای امولسیونی در مخلوط های مصالح سنگی با دانه بندی پیوسته اساس قیری تثبیت خاک مخلوط های آسفالتی و دوغاب آب بندی مصرف میشوند.

فرآیند تولید قیر امولسیون

امروزه دو روش تجارتي جهت تهيه امولسيون قير مورد نياز راهسازي متداول است كه عبارتند از :
الف: روش مخلوط كردن سريع
ب: روش آسياب كلوئيدي

اختلاف اساسي اين دو روش در اين است كه در روش آسياب كلوئيدي امولسيون به طور مداوم تهيه مي شود . در صورتيكه در روش مخلوط كن سريع امولسيون در تعدادي ظروف مجزا تهيه مي شود .

– قيرهاي امولسيون عموما با استفاده از آسيابهاي كلوئيدي توليد مي گردد . هرچند كه ساير لوازم ايجاد كننده سيستمهاي فازي معلق نيز ممكن است بكار گرفته شوند . در آسيابهاي كلوئيدي انرژي لازم براي جدا سازي ذرات در زمان عبور مخلوط قير داغ و فاز آبي از ميان يك صفحه دوار مخروطي و يك پوسته ثابت به سيستم وارد مي گردد (شكل 3) . روتور و همچنين پوسته ثابت ممكن است بمنظور ايجاد جريان آشفته دندانه‌دار گردند.

آسياب كلوئيدي از يك ميله كه درون يك استوانه قرار دارد تشكيل شده است فاصله بين ميله و جدار داخلي استوانه حدود 5/0-3/0 ميليمتر است. ميله داخل استوانه به كمك برق و با سرعت 10000 فوت در دقيقه گردش مي‌كند. جهت تهيه امولسيون محلول داغ امولسيون‌ساز در آب و نيز قير گرم را با نسبت‌‌هاي مشخص و به طور جداگانه در آسياب كلوئيدي كه در حال چرخش مي‌باشد وارد مي‌كند و از طرف ديگر آسياب امولسيون قير كه حالت كاملاً يكنواخت دارد خارج مي‌گردد.

قير امولسيون را مي توان در كارخانه هاي بچ و همينطور كارخانه هايي با سيستم خطي نيز توليد نمود. در سيستم‌هاي بچ توليد قير امولسيون به دو مرحله فاز آبي (حلال) و مرحله توليد نهايي امولسيون تقسيم‌بندي مي گردند. تهيه فاز آبي در مخازني صورت مي‌گيرد كه آب در اين مخازن حرارت ديده و امولسيفاير به همراه ساير مواد شيميايي افزودني امولسيون به ميزان مورد نظر اضافه شده و حلال حاصل كاملا مخلوط مي گردد . در مرحله نهايي تهيه امولسيون قير و فاز آبي اخير به ميزان مشخص به آسيابهاي كلوئيدي وارد مي گردند . چنانچه لازم باشد تا حلال را به قير نيز اضافه نماييم آنگاه يك مخزن بچ نيز براي قير مورد نياز مي باشد . در غير اين صورت حلال بايستي به صورت موازي به مصرف برسد . در كارخانه هاي بچ توليد امولسيون به تنهايي از اختلاط تعداد بسيار محدودي از مواد صورت مي گيرد كه توليد يا كنترل دستي (غير اتوماتيك) را فراهم مي سازد . هر چند كه اندازه گيري و اجراي دقيق طرح اختلاط فاكتور بسيار مهمي در كيفيت امولسيون بوده و با استفاده از سيستمهاي اتوماتيك و يا نيمه اتوماتيك مي توان با به حداقل رسانيدن خطاهاي انساني بر ميزان كيفيت توليد افزود . علاوه بر اين بدليل خطر كار با برخي از مواد مورد استفاده (براي مثال خورنده بودن اين مواد) كار كردن با سيستمهاي بسته مي تواند بسيار ايمن تر و سالم تر از كار با مخازن روباز و يا پمپهاي متحرك باشد.

در سيستم خطي عمليات حرارت دادن آب و پيمانه بندي مصالح به ميزان مشخص بصورت پيوسته و با استفاده از پمپ هاي مجزا جهت هر يك از مصالح مصرفي صورت مي پذيرد و استفاده از مخازن بچ نيز لزومي ندارد. در مقابل فاز آبي بايستي بيش از روش قبل مورد توجه قرار گيرد تا زمان كافي براي واكنش مواد شيميايي وقوع عمليات خنثي سازي و توليد حلال قبل از تماس فاز آبي با قير بميزان مناسب فراهم آيد. اين عمليات بصورت اتوماتيك و با استفاده از جريان سنجهايي كه براي اندازه گيري و پيمانه بندي كليه تركيبات (به جز اسيد كه با اندازه گيري ميزان PH در فاز آبي كنترل مي گردد) مورد استفاده قرار مي گيرند صورت مي پذيرد .

در تهيه امولسيون ممكن است انواع مختلفي از افزودنيها از قبيل لاتكس، اس بي اس، و يا بيتومن دپ نيزي مورد استفاده قرار گيرند كه در اينصورت تركيبات خاص ديگري نيز به سيستم افزوده شده و براي توليد اين نوع از امولسيون ها تكنيك هاي خاصي وجود دارد . براي مثال لاتكس در مقابل نيروهاي برشي وارده واكنش نشان داده و ممكن است در مسير سيستم و يا در پمپ لخته گردد. همچنين براي توليد قير امولسيون از قير اصلاح شده با اس بي اس نيز عمليات توليد بايستي در دمايي بالاتر از نقطه جوش آب صورت پذيرد . لذا توليد در محيط خلاء و خنك نمودن محصول قبل از رها سازي آن در فشار اتمسفر داخل مخازن الزاميست . در سيستمهاي خطي مي توان جهت عمليات خنك سازي از لوله هاي انتقال آب به داخل سيستم بهره برد . در اين روش مي توان انرژي لازم براي گرم نمودن آب را از محصول توليد شده دريافت نموده و ضمن خنك نمودن محصول درجه حرارت آب را نيز افزايش داد. حال آنكه در كارخانه هاي بچ آب حرارت ديده بايستي در مخزن براي توليد بچ آتي ذخيره گردد.

در كارخانه هاي معمول مي توان دبي جريان تركيبات را با اندازه گيري درجه حرارت تخمين زده در حاليكه با استفاده از جريان سنج ها مي توان شدت جريان را با دقت بسيار بالاتري اندازه گيري نمود .

پروسه توليد امولسيون شامل جداسازي قير به ذرات كوچك مي باشد كه در مقابل آن نيروهاي چسبندگي داخلي، ويسكوزيته قير و كشش سطحي داخلي براي جلوگيري از ايجاد سطوح جديد مقاومت مي نمايند . از طرف ديگر ذرات هميشه تمايل به انعقاد مجدد دارند. لذا براي توليد امولسيون علاوه بر اعمال نيروي مكانيكي به سيستم در جهت توليد ذرات ريز قير بايستي تدبيري براي جلوگيري از بهم پيوستن مجدد ذرات تشكيل شده نيز انديشيد . اندازه ذرات تشكيل دهنده امولسيون توليد شده از سرعت روتور آسياب، فاصله ميان روتور و قسمت ثابت (پوسته)، مدت زمان عبور از آسياب، ميزان و نوع امولسيفاير و همينطور دماي توليد تاثير مي پذيرند.

بطور معمول براي به حداقل رسانيدن تاثير مقاومت ويسكوزيته قير براي توليد امولسيون سعي مي گردد تا از حداكثر درجه حرارت عملي ممكن استفاده نمود . قير را 160 -110 درجه سلسيوس حرارت مي دهند تا ويسكوزيته آن به 500cSt4 يا كمتر براي تزريق به درون آسياب برسد . همچنين فاز آبي را نيز 70-30 درجه سلسيوس حرارت داده تا علاوه بر حل نمودن امولسيفاير در خود پس از اختلاط با قير مخلوط حاصل حداقل دماي لازم را براي ايجاد امولسيون را دارا باشد . در آسياب هاي كلوئيديي كه اعمال فشار امكانپذير نمي باشد اين دما به حداكثر 100 درجه سانتيگراد محدود مي گردد. ليكن در مدلهاي پيشرفته كه امكان اعمال فشار نيز وجود دارد مي توان اين دما را تا بيش از 120 درجه سانتيگراد بالا برد . از طرفي براي توليد امولسيون با كيفيت مناسب ويسكوزيته قير در دماي توليد امولسيون نبايستي كمتر از 10000cSt باشد . لذا يكي از كاربردهاي سيستمهاي تحت فشار اوليه امولسيون از قيرهاي پليمري با درصد بالا مي باشد.

وضعیت واحدهای فعال تولید کننده قیر امولسیون

در نمودار زیر تعداد واحدهای فعال تولیدکننده قیر امولسیون در ایران به تفکیک استان آمده است:

خلاصه بررسی اقتصادی طرح تولید قیر امولسیون

ظرفیت تولید سالیانه : 30000 تن
نرخ برابری دلار : 14000 تومان
مساحت زمین موردنیاز : 6000 مترمربع
زیربنای ساختمان ها : 400 مترمربع
تعداد نیروی انسانی مورد نیاز : 7 نفر
میزان سرمایه گذاری ثابت : 1.5 میلیارد تومان
ارزش ماشین آلات و تجهیزات : 600 میلیون تومان
نرخ بازده داخلی : 34 درصد