هیچ محصولی در سبد خرید نیست.
در فاز مطالعاتی تولید قطران از قیر طبیعی سعی در جمع آوري منابع اینترنتی و کتابخانه اي شده است که یک جمع بندي کلی از مطالب مرتبط در قالب این گزارش آماده شده است. متاسفانه اطلاعات موجود در این زمینه بسیار محدود می باشد. تنها منبع کتابخانه اي در دسترس یک گزارش در خصوص قطران حاصل از زغال سنگ مربوط به پالایشگاه قطران اصفهان است.
فاز آزمایشگاهی:
جهت انجام فاز آزمایشگاهی با توجه به اینکه طرح اهداف اقتصادي را دنبال می کند سعی شده از معادن بیتومینی که داراي ذخایر غنی بوده و در حال حاضر فعالیت استخراجی دارند از دپوي اصلی آنها نمونه برداري شده و آنالیزهاي مورد نیاز از قبیل خاکستر، رطوبت، آنالیز عنصري و…. روي آنها انجام خواهد شد. همچنین یک کوره عمودي بستر ثابت با ارتفاع 50سانتیمتر و قطر داخلی 10 سانتیمتر از جنس استنلس استیل 316 و مجهز به ژاکت سرامیکی جهت گرمایش تا 800 درجه سانتیگراد، کنترلر دمایی و کندانسور جهت جمع آوري بخارات هیدروکربنی (قطران) طراحی شده است.
سپس نمونه هاي مختلف در کوره بارگیري و تحت شرایط کنترل دمایی کربونیزه شده و بخارات حاصل پس از عبور از کندانسور جمع آوري شده و مورد آنالیز هاي مختلف از قبیل Mas-GC ،رطوبت و …. قرار خواهند گرفت.
لازم به ذکر است با توجه به اینکه ترکیب درصد موجود در قطران به ماده اولیه و شرایط تولید بستگی دارد لذا عملیات حرارتی براي همه نمونه ها یکسان خواهد بود تا بتوان تحلیل درستی از نتایج داشت که در گزارش فاز آزمایشگاهی بطور مفصل بحث خواهد شد، و در مرحله آخر گزارش فاز نهایی و گزارش امکان سنجی (PFS ) طرح ارائه خواهد شد که در آن مطالعات بازار و …. مورد بحث قرار خواهد گرفت.
جهت تولید قطران از قیرطبیعی از دو معدن که از نظر مختصات جغرافیایی با هم تفاوت زیادي داشتند نمونه برداري و مورد آنالیز قرار گرفتند. میزان کربن ثابت، خاکستر، مواد فرار و رطوبت با آنالیز تقریبی تعیین می شود.نتایج آنالیز عنصري(کربن، هیدروژن، نیتروژن، گوگرد و اکسیژن) و آنالیز تقریبی(رطوبت، مواد فرار، کربن ثابت و مقدار خاکستر) را نشان می دهد. قیر طبیعی به دلیل محتواي مواد فرار و کربن بالا پیش ماده مناسبی براي تولید محصولات کربنی و قطران می باشد.
جدول آنالیز شیمی، فیزیکی دو نمونه قیر طبیعی:
نوع آزمون روش آزمون یک نمونه معدن قیرطبیعی گیلانغرب
یک نمونه معدن قیرطبیعی کوهدشت
3 13/1 ASTM D3174-12 خاکستر
32/1 20/4 ASTM D3172-13 ثابت کربن
50/73 54/1 INSO 11098-1390 فرار مواد
1/33 0/9 ASTM D3173-11 رطوبت
4/2 3/96 ASTM E1915-13 گوگرد
عنصري
79/4 70/21 کربن
6/9 5/52 هیدروژن
0/5 0/00 نیتتروژن
10/2 7/21 اکسیژن
-CHNS Analyzer, CHNS-932, Leco, USA :مدل دستگاه از استفاده با آنالیز
موقعیت جغرافیایی معادن مورد استفاده به شرح ذیل می باشد:
– مختصات جغرافیایی یکی از معادن قیرطبیعی واقع در گیلانغرب استان کرمانشاه:
45 44 46 45 44 46
A | B |
34 12 13 34 11 40
45 44 52 45 44 52
C | D |
34 11 40 34 11 9
45 44 7 45 44 7
E | F |
34 11 9 34 12 13
– مختصات جغرافیایی یکی از معادن کوهدشت واقع در استان لرستان:
47 55 32 33 23 14
A | B |
47 55 35 33 23 21
طیف حرارتی (TGA) قیرطبیعی در اتمسفر نیتروژن با نرخ حرارتی 10 درجه سانتیگراد بر دقیقه آورده شده است. همانطور که مشخص است اتلاف اولیه وزن قیرطبیعی از تبخیر مواد بسیار فرار، آب جذب شده و مواد فرار در نمونه شروع می شودکه در دماي 18 درجه سانتیگراد تا دماي380 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد. بیشترین اتلاف وزنی در دماي بین380 و 600 درجه سانتیگراد مشاهده می شود که به تجزیه حرارتی ترکیبات اصلی مربوط است. با توجه به جدول شماره افت وزنی نمونه در دماهی مختلف آورده شده است. با توجه به اینکه بیش از چند هزار نقطه حرارتی ثبت شده است لذا تا دماي 300 درجه سانتیگراد با توجه به اینکه افت وزنی چندانی مشاهده نمی شود با فواصل 100 درجه اعداد افت وزنی آورده شده و در دماهاي بالا با هر 50 درجه افزایش دما افت وزنی نمونه آورده شده است.
همانطور که نشان داده شده است نرخ تجزیه نمونه در دماي580 تا 800 درجه سانتیگراد تا دماي نسبتاً ثابت می باشد.
منحنی اتلاف وزنی قیرطبیعی بر حسب دما افت وزنی نمونه در درجه حرارت هاي مختلف افت وزنی (%) وزن اولیه (%) دما (C o افت وزنی (%) وزن اولیه (%) دما
18/03 100 0 500 62/25 37/75
100/14 99/4864 0/5136 550/03 49/204 50/796
200/12 99/5377 0/4623 600/14 40/883 59/117
300/04 98/6133 1/3867 650 36/364 63/636
350/03 95/0693 4/9307 700/12 33/436 66/564
400/1 89/214 10/786 750/07 31/176 68/824
450/01 78/069 21/931 799/83 28/557 71/443
:قیرطبیعی FT-IR آنالیز- 3 -3
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Archive of SID
طیف هاي IR-FT دو نمونه قیرطبیعی که براي تعیین گروه هاي سطحی در پیش ماده استفاده شده است.
طیف IR-FT معدن قیرطبیعی در گیلانغرب
طیف IR-FT قیرطبیعی معدن لرستان
طراحی و ساخت کوره همراه با تجهیزات جانبی:
براي انجام آزمایشات و تولید قطران از قیرطبیعی، یک کوره از جنس استنلس استیل به ارتفاع 50 سانتی متر و به
قطر 10 سانتی متر که مجهز به کنترلر دمایی و سیستم کندانس می باشد استفاده شده است. سیستم کندانس به
شکلی طراحی شده است که پمپ خلاء به انتهاي آن متصل می شود تا بخارات داغ وارد پمپ خلاء نشوند.
جهت تولید قطران از قیرطبیعی یک کیلوگرم از نمونه در کوره بارگیري شد. با توجه به اینکه بخارات حاصل داراي وزن مولکولی سنگینی هستند به دلیل اینکه خروجی کوره باز می باشد و بخارات پس از تشکیل شروع به خارج شدن از کوره می کنند عملاً کوره تحت فشار مثبت بالایی قرار نگرفت و تقریبا نزدیک به فشار محیط بود که پس از خروج از کوره با عبور از یک کندانسور به مایع تبدیل شدند و در یک ظرف جمع آوري گردیدند.
همچنین در آزمایش دیگري طرف دیگر کندانسور به یک پمپ خلاء که قادر است تا فشار 7/0 -را ایجاد کند متصل شد که به سرعت بخارات از کوره خارج می شدند اما در نهایت از نظرمیزان راندمان تولید بر خلاف انتظار تفاوت زیادي با آزمایش اول نداشت.
انجام آنالیزهاي شیمی – فیزیکی روي نمونه هاي قطران:
:(GC-Mas) جرمی کروماتوگرافی گاز آزمون
دستگاه MS-GC از دو قسمت GC) گاز کروماتوگرافی) وMS) طیف سنجی جرمی) تشـکیل شـده اسـت.
در این دستگاه GC و Mass از هم جدا نمی باشند و وارد کـردن نمونـه بـه دسـتگاه Mass از طریـق GC می باشد، بنابراین در این دستگاه، فقط از نمونه هایی می توانیم طیف جرمی تهیه کنیم که بتوانیم به GC تزریـق نمائیم، پس به طور عمده این دستگاه براي شناسایی و تعیین مقدار فراکسیونهاي مـوادي اسـت کـه حالـت فـرار دارند(مانند اسانسهاي گیاهی که نقطه جوش پایینی دارند) و یا بواسطه ترکیب با برخی واکنشگرها و یا حلالهاي خاص، امکان فرار بودن را می یابند.
در دستگاه MS-GC اجزاي یک مخلـوط بـه ترتیـب توسـط یـک سـتون کروماتوگرافی از هم جدا میشوند و پس از حذف گاز حاصل، وارد منبع یونش طیف سنج جرمی می گردنـد و سپس، بواسطه تولید میدانهاي الکتریکی پر قدرت، اقدام به شناسایی کمی و کیفـی اجـزاي مخلـوط بـر اسـاس نسبت بار الکتریکی به جرم آنها می گردد. این دستگاه یکی از پیشرفته ترین دستگاههاي مورد استفاده در آنـالیز دستگاهی به روش کروماتوگرافی گازي می باشد و ترکیبات پس از جداسازي با استفاده از طیف سـنج جرمـی شناسایی می شوند.
دستگاه Mass-GC کاربرد گسترده اي در صـنایع داروسـازي، کشـاورزي، پتروشـیمی و غیره به منظور جداسازي و شناسایی ترکیبات ناشناخته با نقطه جوش پایین دارند.
قطران حاصل از قیر طبیعی داراي مواد قیري و مولکول هاي با نقطه جوش بالا هستند لذا پس از مطالعه و بررسی
از مراکز تحقیقاتی مختلف در کشور، این نتیجه حاصل شد که ابتدا قبل از تزریق به دستگاه، با استفاده از تقطیـر
جزء به جزء اجزاي قیري و با نقطه جوش بالاي حدود 400 درجه سانتیگراد از نمونه خام جدا شدند فرکشن هاي مختلف حاصل از تقطیر جزء به جزء نشان داده شـده اسـت. همـانطور کـه در شکل مشخص شده فرکشن شماره 1 مربوط اولین نمونه خارج شده از ستون تقطیر و نمونـه 9 آخـرین جـزء مـی باشد.
نمونه 1 مواد آروماتیک با نقطه جوش پایین می باشد بطوري که در دماي آزمایشگاه پس از مـدتی کـاملا تبخیر می شود. نمونه شمار 2 عمدتا آروماتیک و هتروسیکل می باشد. نمونه 4 تـا 6 مخلـوطی از سـه جـزء ولـی درصد آلیفاتیک بیشتر می باشد.
نمونه هاي 8 و 9 عمدتا آلیفاتیک می باشد که احتمالا جهت تولیـد روغـن مـی توانند مورد استفاده قرار گیرند. 250 میلی لیتر از قطران خام در یک بالن نیم لیتري ریخته شد و مجموعه دستگاه در حمام روغن قرار گرفت و یک دماسنج جهت اندازه گیري دما در داخل روغن داغ گذاشته شد.
پایان کار که از یک مشعل جهت خارج کردن آخرین قطرات روغن از فاز قیـري (تـه مانـده تقطیر) استفاده شده است.نمونه به آرامی حرارت داده شد بـا توجـه بـه افـزایش دمـا فرکشن ها جمع آوري گردیدند. نکته قابل توجه این است که از فرکشن نمونه 5 با توجه به حجم بالا نسـبت بـه سایر فرکشن ها آنالیز Mas-GC صورت گرفت و بـر خـلاف انتظـار حـدود 100 نـوع ترکیـب در ایـن فرکشـن شناسایی شد. با توجه به اینکه نتایج آنالیز QI و TI و دانسیته براي نمونه هاي قطران بدست آمده در فشار منفـی و فشار مثبت براي دو معدن تغییر خاصی مشاهده نشد در نتیجه آزمون Mas-GC فقط براي نمونه هـاي بـا فشـار گیري اندازه مثبت شد.
با توجه به داده ها در فرکشن یک ترکیبات دکان، آن دکان، مشتق سیکلو پنتان، مشتق سیکلو اکتان، 1 -دودکان، دودکان، 1 -تري دکان، نونان، مشتق تترا اکتان، 1 -دکانول، 2-هگزیل از 2 تا 8 درصد (در مجموع6/42 درصد) حجمی آن را تشکیل داده اند که عمدتا ترکیبات آلیفاتیک می باشند.
در فرکشن دو ترکیبات تولوئن، مشتق هپتان، مشتقات بنزن، مشتقات سیکلوپروپان، نونان، دکان، 1 دکان، آن
دکان، 1 -متیل- 1H-2 و 3 =بنزودیازپین از 2 تا 9 درصد (در مجموع 7/34 درصد) حجم را تشکیل داده اند.
در فرکشن سه ترکیبات تولوئن، اکتان، ارتوزایلن، پارازایلن، مشتقات بنزن، دکان، آن دکان، دودکان، تري دکان، بنزوسیکلوهپتاترین، تترادکان، بنزوتیوفن، اتیل پنتامیل بنزن از دو تا 8 درصد (در مجموع 67 درصد) حجم را تشکیل می دهند که 41 درصد آن مواد آروماتیک و 26 درصد مابقی مواد آلیفاتیک می باشند.
همگام باپیشرفت توانایی هاي کامپیوتري پیشرفتهاي عمده اي در مدله کردن وشبیه سازي فرایندهاي جداسازي
چندمرحله اي انجام گرفته و مدلهاي ریاضی انعطاف پذیرتر و واقعی تر گشته اند. هنوز نیز معادلات تجربی وپیچیده ترمودینامیکی بیشتر مورد استغاده قرار می گیرند. ظهور الگوریتم هاي قدیمی نیز در حال تصحیح می باشند.
باید به این نکته اشاره نمود که براي یک مهندس مسئله انتخاب بهترین روش “بطور نسبی” براي کاربردهایی که وي مد نظر دارد باتوجه به وجود الگوریتمهاي مختلف اقدام ورزند.
الف) روش مبتنی بر دسته معادلات
ب ) دسته روشهاي ریلاکسیشین
ج ) روشهاي مبتنی بر حل همزمان معادلات
( مشکل اساسی دررابطه با روشهاي حل همزمان نیازمندي به تقریب اولیه خوب براي مسائل مشکل ونیز نیاز به
حافظه بالا وزمان اجراي بالا می باشد .)
– از نقطه نظر مهندسی چهار قسمت اصلی درشبیه سازي پروسه هاي جداسازي چند مرحله اي موجود است که
عبارت اند از :
1 – پیش بینی دقیق خواص ترمو دینامیکی نظیر نسبت تعادل′′K″
2 – ارائه مدل ریاضی عمومی بیان کننده سیستم
3 – ایجاد روش حل معتبر و موثر
4 – کاربرد مستقیم این روشها در مسائل طراحی
مدل ریاضی ارائه شده باید تا حد امکان عمومیت داشته باشد، به نحوي که بتوان یک مدل را براي چندین فرایند
بکار برد. تمام این مدلها با معادلات مبنايموازنهي جرم و حرارت و روابط تعادلیآغاز میگردند. این معادلات باید بتواند راندمان مراحل، واکنش شیمیایی، ریفلاکس هاي جانبی و… را نیز شامل گردد. به علاوه باید در این مدل ها محدودیت هاي سیستم و یا شرایط مشخص شده فرایند را نیز در نظر گرفت.
اگر چه ایجاد یک مدل فراگیر کار چندان دشواري نیست اما به دست آوردن روش حلی که بتواند این مدلهاي فراگیر را بطور موثر حل کند دشوار می باشد. بدین دلیل کلیه ي مدلهاي شبیه سازي معمولا همراه با یک سري فرضیات ساده سازي می باشند.
شبیه سازي هاي پیچیده فرایند هاي جداسازي چند مرحله اي در برگیرنده حل مجموعه اي از معادلات جبري غیرخطی می باشند (لازم به ذکر است که اگر شبیه سازي دینامیکی مد نظر باشد عده اي از این معادلات،دیفرانسیل غیر خطی خواهند بود) که حل چنین سیستمهایی متضمن روشهاي تکرار است. اگرچه این مسائل همگی داراي ساختار معادلاتی یکسانی می باشند اما مشخصه هاي همگرایی حل از یک نوع مسئله به نوع دیگر و نیز از یک نوع الگوریتم به نوع دیگر متفاوت است. طیف مربوط شبیه سازي تقطیر یک نمونه قطران قیر طبیعی آورده شده است که از رنج دمایی 81 تا 590 درجه سانتیگراد میزان موادي را که در درجه حرارت هاي مختلف تقطیر می شود نشان داده شده است.
دیاگرام شبیه ساز تقطیر یک نمونه قطران قیرطبیعی
منحنی شبیه ساز تقطیر یک نمونه قطران قیرطبیعی
آزمون هاي مشخصات فیزیکی:
جهت تولید محصولات مختلف از قطـران برخـی پارامترهـا بسـیار مهـم هسـتند. بعنـوان مثـال میـزان حلالیـت در
کینولین (QI (جهت تولید نفتالین از قطران بسیار مهـم اسـت و یـا میـزان حلالیـت در تولـوئن (TI ) و یـا میـزان
خاکستر و یا رطوبت باید مشخص باشند. پارامترهایی که در تجارت قطران مهم هستند و به نوعی بیانگر کیفیـت
قطران و در نهایت مشخص کننده قیمت آن می باشند در جدول (3-4 (آورده شده است.
جدول (3-4 -(مشخصات شیمی – فیزیکی دو نمونه قطران
Unit Method Test
Result
Sample 1 Sample 2
QI % STPTC PT 11
0,0 0,0
TI % STPTC PT 7
0.21 0,16
ASTM D Ash % 2415
0,003 0,001
0,0 0,0 % ASTM D95 W.C
ASTM D Flash point 33 32 oC 93
ASTM D Dencity 1298-12b
3
0,93 0,91 g/cm
بحث و نتیجه گیري تولید قطران از قیر طبیعی:
:FT-IR آزمون
طیف سنجی مادون قرمز بر اساس جذب تابش و بررسی جهش هاي ارتعاشی مولکولها و یـون هـاي چنـد اتمـی صورت میگیرد. این روش به عنوان روشی پرقدرت و توسعه یافته براي تعیین ساختار و اندازهگیـري گونـه هـاي شیمیائی به کار می رود.
همچنین این روش عمدتاً براي شناسایی ترکیبات آلی به کار مـی رود، زیـرا طیـف هـاي این ترکیبات معمولاً پیچیده هستند و تعداد زیادي پیک هاي ماکسیمم و مینیمم دارند که میتوانند براي اهداف مقایسهایی به کار گرفته شوند. براي شناسایی کیفی یک نمونه مجهول، نوع گروههاي عاملی و پیوندهاي موجود در مولکولهاي آن، طیف مادون قرمز نمونه را رسم نموده و با مراجعه به جداول مربوطـه کـه موقعیـت ارتعـاش پیوندهاي مختلف و یا طیف IR اجسام را نشان میدهند، طول موج یا عدد موج گروهها و پیونـدها را شناسـایی میکنند.
در طیف نورسنجی معمولیIR ، طیف الکترومغناطیسی در ناحیه مرئی تا مادون قرمز گسترده مـی شـو د.
سپس بخش کوچکی از آن بر حسب فرکانس یا طول موج به آشکارساز رسیده و ثبت میشـود. در ایـن حالـت طیف به دست آمده، در محدودة فرکانس یا طول موج ثبت خواهد شد. ویژگـی IR-FT ایـن اسـت کـه تمـام طول موجهاي ناحیه طیفی مورد نظر در یک زمان به نمونه تابیده میشود. در حالی که در روشهاي پاشنده تنهـا بخش کوچکی از طول موجها در یک زمان به نمونه میرسند.
بنابراین سرعت، قدرت تفکیک و نسبت سیگنال به نویز در روش تبدیل فوریه برتري قابـل ملاحظـه اي نسـبت بـه روش معمـولی IR دارد. برخـی اطلاعـاتی کـه می توان از طیفسنجی تبدیل فوریه مـادون قرمـز (IR-FT ) بدسـت آورد شـامل مـوارد ذیـل اسـت : شناسـائی کیفی و کمی ترکیبات آلی، تعیین نوع گروه عاملی و پیونـدهاي موجـود در مولکولهـاي آن هـا. جهـت شناسـایی گروه هاي عاملی و .. از دو معدن گیلانغرب و لرستان و همچنین قطران حاصل از آنها طیف مادون قرمـز گرفتـه شده است که در شکل زیر طیف ها آورده شده است.
طیفهاي مربوط به قیرطبیعی و قطران گیلانغرب و طیف هاي مربوط به قیرطبیعی و قطران لرستان
به طور کلی با طیف حاصل از قیرطبیعی گیلانغرب با معدن حاصل از لرستان، یک تفاوت آشکار مشاهده می شود
و این معید این مطلب است که منطقه جغرافیایی، آب و هوا و طول عمـر چقـدر روي کیفیـت ایـن معـادن تـاثیر
گذاشته است و این تغییرات بالطبع در قطران حاصل از آنها نیز مشاهده می گردد.
(GC-Mas) جرمی سنج طیف آزمون:
با استفاده از تقطیر جزء به جزء روغن هاي قطرانی تحت برش هاي مختلف از نمونه هاي قطران خـام جداسـازي
گردید. هر دو نمونه داراي اجزاء بسیار زیادي هستند که براي نمونه لرستان عمدتاً ترکیبات آروماتیـک از قبیـل مشتقات زایلن، تولوئن و بنزن، ترکیبات سیکلو آلکان و مشتقات پارافینی از قبیل دکان، آن دکان، نونان و اکتان وجود دارد. براي نمونه معدن گیلانغرب بـه ترتیـب دکـان و مشـتقات آن، مشـتقات ترکیبـات سـیکلو آلکانهـا، اگزالیک اسید و مشتقات بنزن مشاهده می شود.
(Simulation Distilation) تقطیر سازي شبیه آزمون :
میزان درصد تقطیر در درجـه حـرارت هـاي مختلـف مشـاهده مـی شـود کـه میـزان تقطیـر در محدوده دمایی 81 تا 590 درجه سانتیگراد می باشد.
میزان درصد تقطیر در درجه حرارت هاي مختلف براي یک نمونه قطران خام درصد بازیابی (IBP ) درجه حرارت C o درصد بازیابی(IBP ) درجه حرارت (C
o
(
81 0/5 398 60
163 5 415 65
201 10 431 70
222 15 448 75
246 20 465 80
270 25 484 85
291 30 507 90
313 35 537 95
331 40 590 99/5
348 45
363 50
380 55
آزمون مشخصات شیمی –فیزیکی بیتومین:
با انجام آنالیز هایی از قبیل میزان حلالیت در کینولین (QI (و میزان حلالیت در تولـوئن ( TI (مشـخص گردیـد
که در این مورد هر دو نمونه تفاوت چندانی با هم ندارند ولی اختلاف زیادي با قطـران حاصـل از زغـال وجـود دارد. طبق گزارش کارشناس پالایشگاه قطران اصفهان، قطران حاصل از قیر طبیعی بـا توجـه نتـایج آزمـون هـاي دانسیته، QI و TI و مقایسه آن با نمونه حاصل از قطران زغال سنگ، قطران قیرطبیعی بیشتر شبیه به یـک روغـن قطرانی می باشد.
QI و دانسیته به ترتیب براي قطران زغال سنگ از حـدود 7 و 06/1 و بـه ترتیـب بـراي قطـران قیرطبیعی صفر و 9/0 می باشد. همچنین نقطه اشتعال براي تولید قطران قیر طبیعی حدود 32 و براي قطران زغال سـنگ معمولاً بالاي 60 درجه سانتیگراد می باشد و این نشان می دهد که در قطران قیرطبیعی مواد فـرار بیشـتري وجـود دارد و با توجه به طبیعت قیر طبیعی که داراي منشاء نفتی است نسبت به زغال سنگ این مساله طبیعی می باشد.
