کک نفتی کلسینه شده  (CPC)

کک نفتی یک محصول فرعی حاصل از پالایش نفت خام می باشد که ماده اصلی تشکیل دهنده آن کربن می باشد و دارای مقدار زیادی گوگرد و فلزات سنگین مثل نیکل و وانادیم است. کک نفتی کلسینه شده از طریق انجام فعالیت های کلسینه کردن بر روی کک خام بدست می آید. در طی این فرایند، بخشی از مواد فرار و رطوبت موجود در کک خام از ماده خارج شده و در نتیجه درصد وزنی کربن افزایش می یابد.کک نفتی کلسینه شده در صنایع آلومینیم، آندسازی، صنایع فولاد، صنایع ریخته­گری، حفاظت کاتدی، صنایع تولید اکسید تیتانیم و … کاربرد فراوان دارد. به این محصول در اصطلاح پترولیوم کک پر سولفور نیز میگویند. این نوع کک از محصولات جانبی تقطیر نفت خام می باشد که در انتهای برج تقطیر حاصل میشود. در نهایت طی فرایند تولید، کک خام به کک کلسینه شده تبدیل می شود که دارای میزان کربن تثبیت شده بالا و خاکستر کم و گوگرد بسیار کم می یاشد.کک نفتی مقدار ارزش حرارتی بالاتری نسبت به کک متالورژی دارد و ضریب جذب کک نفتی بسیار بیشتر از کک متالورژی است. به علت شرایط حرارتی بسیار بالایی که کک نفتی در آن تولید می شود، مقدار بسیار کمی ماده فرار دارد. در نتیجه این کک به دلیل مقدار کم ماده فرار، به سختی در حالت سوختن قرار می گیرد. فرآیندهای کک­سازی متعددی مانند کک­سازی تاخیری، کک­سازی بستر سیال و کک­سازی فلکسی کک  وجود دارد و بسته به نوع خوراک در فرآیند کک­سازی و واکنش­هایی که در آن رخ می دهد، انواع کک به دست می آید: اسفنجی، لانه زنبوری و سوزنی که از نظر ظاهری و در برخی خواص مانند ضریب انبساط حرارتی و ضریب هدایت الکتریکی دارای تفاوت چشمگیری هستند. در طی فرآیند تولید کک نفتی کلسینه شده، مراحل تجزیه حرارتی، پلیمریزاسیون و کندانسیون به ترتیب رخ می­دهد. با انجام این مراحل، ته­مانده­های سنگین حاصل از پالایش نفت به انواع فازهای مایع، گاز و جامد با درصد کربن بالا تبدیل می شوند که به فاز جامد بدست آمده از این فرایند کک نفتی گفته می شود. لازم به ذکر است که صنعت آلومینیم، مصرف کننده عمده کک نفتی کلسینه است و تقریبا 80 درصد تقاضا برای این ماده کربنی در صنعت تولید و فرآوری آلومینیم می­باشد و در حال حاضر نیز اینگونه تخمین زده می‌شود که به طور میانگین برای تولید هر تن آلومینیم، به میزان 400 کیلوگرم کک کلسینه شده، مصرف می‌شود. از این کک همچنین در فرآیند ریخته گری و فولادسازی نیز استفاده می‌شود. کلسینه کردن نیز یک فرآیند گرمایش با دمای بالا می باشد که برای حذف مواد فرار باقی مانده در کک نفتی خام استفاده می‌شود. کک نفتی کلسینه، ماده‌ای جامد و کربنی می باشد که از کلسینه کردن کک نفتی خام در دمای بین 1250 الی1400 درجه سانتیگراد در کلسینرهای کوره دوار با سرعت چرخش کنترل شده به دست می‌آید. مهمترین مشخصه این کک، داشتن محتوای کربن بالا و محتوای خاکستر کم است. ساختار کک نفتی کلسینه، متشکل از آرایش بلورهای گرافیتی با اشکال، بافت­ها، درجه تبلور یا نظم ساختاری و اندازه­های مختلف است که ابعاد آنها بر اساس خلوص، شرایط فرآیند و ویژگی­های فیزیکی و شیمیایی نفت خامی که کک کلسینه مذکور از آن به دست می­آید، متفاوت است.

 روش ­های فرآوری و تولید کک نفتی

 عمدتاً فرآیند کک­سازي (کک نفتی) به سه روش کک­سازي تأخیري، روش فلکسی کک و  روش کک­سازي در بستر سیال انجام می­شود. دراین سالهاي اخیر با افزایش پالایش نفت خام، تولید پسماند پالایشی نفت سـنگین افـزایش یافتـه اسـت. یکـی از مهمترین فرآیندهاي تبدیل پسماند پالایشی به فرآورده­هاي مفیـد، کـک­سـازي بـه روش تـأخیري اسـت کـه محصولات آن شامل فازهای گاز، مایع و جامد است. بازده هر کدام از این محصولات به نوع خوراك و شرایط عملیـاتی حاکم بر فرآیند کک­سازي تأخیري بستگی دارد.

روش کک­سازی تاًخیری:

یکی از مهمترین روش­هاي تولید کک نفتی روش کک­سازي تأخیري می­باشد. کک­سازي تأخیري فرآیندي نیمه پیوسته است. در این فرآیند گفتهه شده، خوراك باقیمانده برج خلاء از طریق یک پمپ وارد کوره میشود. دماي خروجی کوره در محدوده 480 الی 515 درجه سانتیگراد است. محصول بدست آمده، بعد از عبور از کـوره، وارد یکـی از دو محفظه تولید کک (درام کک­سازي) شده و در آنجا واکنش­هاي کراکینگ ادامه می­یابد. محصولات کراکینـگ شده از بالا خارج میشوند و کک بر روي سطح داخلی محفظه رسوب می­کند. براي انجـام عملیـات بـه صـورت پیوسته، از دو محفظه کک­ساز استفاده می­شود. هنگامی که یکی از آنها در حال عملیات است، کک بدست آمده از محفظه دوم خارج می­شود. دماي محفظه رسوب کک­ 415 الی 450 درجه سانتیگراد در محدوده فشار 1 الی 4 بار متغیر اسـت. هر محفظه کک­ساز به مدت 24 ساعت در شرایط فرآوری قرار می­گیرد تا از کک متخلخل پر شـود. سپس کـک بـا استفاده از پاشش آب، خنک میشود و در نهایت با استفاده از تجهیزات برش هیدرولیکی و یـا فشـار بـالاي جـت آب، کـک مرطوب از محفظه کک­ساز خارج می­گردد.

روش کک ­سازی فلکسی کک:

در این روش، خوراک ورودی می‌تواند از انواع مختلف نفت سنگین باشد. خوراک ابتدا در دمای 315 الی 370 درجه سانتی‌گراد پیش­گرم شده و به درون راکتور اسپری می­‌شود تا با بستر داغ (به صورت یک بستر سیال از کک) در تماس قرار گيرد. این کک داغ از گرمکن کک (با نرخ جریانی که راکتور را به صورت سیال نگه می­دارد) در دمای بین 510 الی 540 درجه سانتیگراد به راکتور بازگردانده می­‌شود. کک بازگشتی از گرمکن کک، حرارت کافی برای تبخیر خوراک و واکنش شکست (کراکینگ) را فراهم می­‌كند. بخار شکسته شده از سیکلون عبور می­‌كند و سپس در اسکرابر بالای راکتور خنک می­‌شود. برخی از بخارات سنگین در اسکرابر، میعان یافته و به راکتور باز می­‌گردند. کک بدست آمده بعد از فرایند کراکینگ، به صورت فیلم نازک بر روی سطح کک­‌های موجود رسوب می­کند. در پایین راکتور، کک از فاز بخار جدا می­‌شود تا محصولات واکنش با کک خروجی از راکتور ترکیب نشوند. کک از راکتور به سمت گرمکن در دمای تقریبا 593 درجه سانتیگراد جریان می‌­یابد. در ادامه، جریان کک وارد سومین بستر سیال می­‌شود و در آنجا با هوا و بخار آب داغ برای تولید یک گاز شامل مونوکسیدکربن، هیدروژن، دی‌اکسیدکربن و نیتروژن، واکنش می­دهد. سیستم به نحوی طراحی شده است که محصول کک در این راکتور بین 60 تا 97 درصد گازی ­سازی می­‌شود. همچنین ارزش حرارتی گاز کک تولیدی، از گاز طبیعی کمتر است.

روش کک ­سازی در بستر سیال:

کک ­سازی به روش بستر سیال روشی ساده از نسخه فلکسی کک­سازی است. در این روش، کک گازی­سازی نمی­‌شود؛ بنابراین تنها دو بستر سیال وجود دارد. کک­سازی سیال روش جدیدتری است ولی عیب آن تولید کک پودری شکل است که کاربرد آن توأم با مشکلات متعدد است. خوراک ورودی در ابتدا در دمای 300 درجه سانتیگراد گرم شده و وارد راکتور می‌­شود. در راکتور، کک در دمای حدودا 450 درجه سانتیگراد به صورت بستر سیال داغ وجود دارد. شکست خوراک بلافاصله پس از ورود به راکتور انجام شده و مقدار زیادی کک تشکیل می‌­شود که بر روی ذرات کروی کک موجود در راکتور رسوب می­‌كند. این ذرات به طور مداوم از پایین راکتور خارج می شوند و به یک گرمکن فرستاده می‌­شود. در آنجا قسمتی از کک (حدود 5 درصد) به کمک جریان هوا سوزانده شده و به این ترتیب دما تا 620 درجه سانتیگراد افزایش می­یابد. قسمت اعظم کک دوباره به راکتور بازگردانده می‌­شود و بقیه آن که کک خالص است، از پایین گرمکن خارج شده و پس از سرد شدن با آب به انبار فرستاده می‌شود. فرآورده­‌های سبک خروجی از بالای راکتور، وارد یک ستون تفکیک کوچک می­شوند و در آنجا گاز و بنزین و گازوئیل از یکدیگر جدا می­‌شوند.

مقایسه روش­‌های کک ­سازی:

مزیت اصلی کک سازی فلکسی، تولید گاز با سولفور پایین است. بازدهی روش کک در روش بستر سیال، 70 تا 80 درصد دستگاه کک سازی تأخیری است. بازدهی روش فلکسی کک نیز 20 تا 40 درصد بازدهی دستگاه کک سازی تأخیری است. به صورت تقریبی سرمایه­گذاری جهت کک­سازی به روش بستر سیال و کک­سازی تأخیری برای یک خوراک مشخص یکسان است؛ اما کک سازی به روش فلکسی تقریبا 30 درصد سرمایه­گذاری بیشتری می­‌طلبد. الزاامات فنی برای کک­سازی به روش بستر سیال بسیار بیشتر از کک­سازی تأخیری است (به دلیل چرخش جامدات در بین بسترهای سیال).

برخی از ویژگی‌های مهم کک نفتی کلسینه شده  (CPC)

خلوص بالا: فرآیند کلسینه شدن باعث زیاد شدن درصد کربن خالص در CPC می‌شود که این امر موجب بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن می‌گردد.

 پایداری حرارتی بالا:CPC  دارای مقاومت حرارتی بسیار بالاست و در دماهای بالا پایدار باقی می‌ماند. این ویژگی باعث این می ‌شود که این ماده در فرآیندهای حرارتی شدید مورد استفاده قرار گیرد.

 پایداری شیمیایی بالا: کک نفتی کلسینه شده دارای ثبات شیمیایی بالایی است و در برابر واکنش‌های شیمیایی مقاوم است. این ویژگی به خصوص در صنایع متالورژی بسیار حائز اهمیت است.

 هدایت الکتریکی بالا: CPC دارای هدایت الکتریکی مناسبی است، به همین دلیل در تولید الکترودهای گرافیتی و سایر قطعات الکتریکی کاربرد وسیعی دارد.

کاربردهای کک نفتی کلسینه شده  (CPC)

صنایع آلومینیم: یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان CPC، صنعت آلومینیم است، که به عنوان ماده اولیه در تولید آندهای گرافیتی برای الکترولیز آلومینا به کار می‌رود. خلوص بالا و خواص فیزیکی مطلوب CPC باعث بهبود کیفیت آلومینیم تولیدی می‌شود.
صنایع فولاد: در فرآیند تولید فولاد، CPC به عنوان منبع کربن برای افزایش محتوای کربن در فرایند تولید فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده به دلیل خلوص بالا و پایداری در دماهای بالا، انتخابی مناسب برای این صنعت است.
تولید الکترودهای گرافیتی: یکی دیگر از کاربردهای مهم CPC در تولید الکترودهای گرافیتی است که در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی و فلزی به کار می‌روند. هدایت الکتریکی و مقاومت حرارتی این ماده، آن را برای این منظور ایده‌آل می‌سازد.
صنایع شیمیایی: در برخی از فرآیندهای شیمیایی، CPC به عنوان کاتالیزور یا ماده‌ای با ویژگی‌های شیمیایی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.