کاهش اتم‌های ساختاری روی کیفیت کک‌سوزنی چه تاثیری دارد؟

کک‌سوزنی یک ماده بسیار مهم برای تولید الکترود گرافیتی است. بیشتر از روش کک سازی تاخیری یا بستر فعال برای تولید کک‌ سوزنی استفاده می‌شود.

تولید کک‌سوزنی باکیفیت خوب ساده نیست، زیرا کنترل چندین پارامتر برای کنترل فرآیند تولید لازم است. به عبارت دیگر یک فرآیند کنترلی چندین پارامتری است و عوامل مختلفی بر خوراک مطلوب تاثیرگذار است که یکی از این عوامل اتم‌­های ساختاری است.

ریزساختار کک‌سوزنی

کک‌سوزنی ریزساختاری متشکل از حوزه­‌های جریان نازک و بلند دارد. این مورفولوژی به طور کلی ناشی از تولید گازهای هیدروکربنی در حین فرآیند شکست و آزادسازی آن در جهت عمودی است.

برحسب ترکیب شیمیایی خوراک، مورفولوژی ریزساختار کک‌سوزنی می‌تواند دارای طول­‌ها يا عرض­‌های متفاوت باشد. مورفولوژی حوزه‌های جریان با بررسی مسیر فرار گازها مشاهده می‌­شود و ممکن است به طور مستقیم یا منحنی باشد. خوراک­‌هایی که کک­‌های سوزنی باکیفیت پایین تولید می‌کنند مانند قیر اتیلن، اغلب بازده کک‌ سازی پایینی دارند و ریزساختار آن‌ها ترکیبی از مدل­‌های مختلف ریزساختاری از موزاییک‌­های متوسط تا درشت است. کک‌های سبز با بازده کک‌سازی پایین نیز معمولا با تولید مورفولوژی­‌های با تخلخل بالا شناخته می‌­شود.

تأثیر اتم‌­های ساختاری روی کیفیت کک‌سوزنی

اتم‌­های ساختاری موجود در ماده اولیه مورد استفاده می­‌تواند در فرآیند کربونیزاسیون و در نتیجه ریزساختار نهایی کک حاصله تأثیر بگذارند.

بهترین ماده آروماتیک برای استفاده به عنوان پیش ماده جهت تولید کک‌سوزنی با بیشترین درجه ناهمسانگردی، مولکول نفتالن و متیل نفتالن هستند؛ اما این دو ماده به دلیل گران بودن و منابع محدود نمی‌­توانند پاسخگوی نیاز زیاد به محصول کک سوزنی باشند. بنابراین استفاده از سایر مواد هم ضروری به‌نظر می‌رسد.

منابع اصلی برای تولید کک‌سوزنی دو دسته اصلی محصولات نفتی و محصولات حاصل از قطران زغال­‌سنگ هستند. در این دو دسته از مواد اولیه نیز وجود این اتم‌های ساختاری امری اجتناب‌ناپذیر است.

اولین گروه اتم­‌های ساختاری، اکسیژن است که در فرآیند تولید ماده اولیه تولید کک، گروه‌­های هیدروکسیل حذف می‌­شود که این امر موجب کاهش درصد این عنصر در خوراک ماده اولیه می­‌شود. در پژوهشی که روی تولید پسماندهای سنگین با عمل گاززایی در دمای کم زغال انجام شده، مشاهده شده است که به دلیل کم بودن دما، گروه‌­های آلکیل حذف نشده‌­اند و در نتیجه میزان اکسیژن از میزان متعارف آن که حدود 1 درصد است، بیشتر شده و تا 5 درصد نیز افزایش یافته است.

البته این امر خیلی متداول نیست و اکثرا به دلیل دمای تولیدی قیر قطران، گروه‌­های هیدروکسیل و آلدهید که منبع وجود اکسیژن در ساختار هستند، از بین می‌روند. البته مطالعات بنیادینی که روی اثر اکسیژن انجام شده است، نشان دهنده وجود فوران و سومارین در پیش ماده است. گروه­‌های عاملی اکسیژن­‌دار در سیستم خوراک اولیه از مواد فنولیک، هیدروکسید نفتالن، فتالیک آن‌هیدرید و کربوکسیلیک اسید با دو یا چهار حلقه آروماتیک تشکیل شده است.

طبق بررسی­‌های انجام شده، وجود گروه­‌های هیدروکسید متصل به حلقه­‌های آروماتیک باعث به وجود آمدن ریزساختار همسانگرد می‌­شود. وجود این گروه‌­های هیدروکسید باعث به وجود آمدن اتر می­‌شود که به دلیل عدم صفحه­‌ای بودن مولکول حاصله، امکان انباشته شدن مولکول­‌ها و ایجاد صفحات گرافن را سلب می‌­کند. این اتفاق موجب کاهش تحرک مولکول­‌ها و افزایش گرانروی مزوفاز و در نتیجه ساختار موزاییکی با ریزساختار همسانگرد می‌­شود.

دومین گروه از اتم­‌های ساختاری، اتم­‌های گوگرد هستند. ترکیبات اصلی حاوی گوگرد را می‌­توان به دسته‌­های زیر تقسیم‌­بندی کرد: تیوفن‌های چند حلقه‌ای، بنزوتیوفن­‌ها و دی بنزوتیوفن­‌ها.

با بررسی­‌های دقیق‌­تر نشان داده شده است که گروه­‌های اصلی غیر قطبی حاوی گوگرد آلکیل بنزوتیوفن، بنزونفتا تیوفن و فنانتروتیوفن هستند. این گروه‌­های سولفهیدرال، در فرآیند کربونیزاسیون، با کربن آروماتیک گروه خود و یا آروماتیک مجاور واکنش داده و هندسه صفحه‌ای مولکول حاصله را از بین می‌­برد و عیوب سه­ بعدی در ساختار گرافیت ایجاد می‌­کند که در نهایت به ساختار همسانگرد موزاییک ختم می­‌شود.

در مورد میزان گوگرد موجود در خوراک نیز مطالعاتی انجام شده است به این صورت که وجود تا 1 درصد گوگرد در خوراک (با مناسب بودن سایر پارامترها) به تولید کک‌سوزنی با گوگرد 8/0 درصد ختم شده است.

بر اساس این پژوهش، ترکیبات سنگین گوگرددار باید در فرآیند گوگردزدایی با هیدروژن، تصفیه شوند ولی برای مولکول­‌های سبک نیاز به این کار نیست چرا که این مولکول­‌ها در فرآیند کک‌سازی تأخیری از بین می­‌روند. درمورد خوراک حاصله از نفت خام به دلیل ماهیت ترش آن‌ها، فرآیند گوگرد زدایی با هیدروژن برای کاهش گوگرد تا حدود 8/0-27/1 درصد انجام می‌­شود.

دسته بعدی ترکیبات موجود در خوراک فرآیند کک سازی، آسفالتین است. آسفالتین گروهی از مولکول­‌های پلی آروماتیک سنگین است که بین 3 تا 4 درصد اتم ساختاری دارد که این ماده در کوئینولین حل می­‌شود.

بنابراین به عنوان یک ماده جامد نمی‌­توان آن را در نظر گرفت. این ماده در حلال­‌های آلیفاتیکی حل نمی­‌شود ولی در حلال­‌های آروماتیکی نظیر تولوئن حل می­‌شود. آسفالتین با اینکه دارای تعداد حلقه­‌های آروماتیک بالایی است، به دلیل ساختار غیر مسطح مولکول با واکنش‌­پذیری بالا باعث از بین رفتن خواص کک و همسانگردی ساختار می­‌شود.

آسفالتین اثرات مختلف در تشکیل و توسعه مزوفاز دارد این ماده به دلیل واکنش‌­پذیری بالایی که دارد، باعث تسریع فرآیند کربونیزاسیون می­‌شود. هم‌چنین این ماده باعث افزایش ساختار موزاییکی در سیستم و در نتیجه باعث افزایش CTE می‌­شود. فرآیندهای مختلفی باعث کاهش آسفالتین شده که از جمله آن‌ها می‌توان به هیدروژنه کردن توسط شکستن کاتالیستی، جداسازی با حلال و فرآیند با هیدروژن اشاره کرد.

منبع: برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی