امروزه کک، به عنوان ماده اولیه اصلی در تولید گرافیت، کاربرد گسترده‌ای دارد. چون درجه خلوص گرافیت در موارد حساس، مانند کاربردهای فضایی و هسته‌ای از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، استفاده از کک با درصد ناخالصیهای بالا، سبب انتقال اکثر ناخالصی‌ها به گرافیت خواهد شد. بیشتر ناخالصیهای گرافیت تمایل زیادی به جذب نوترون‌های آزاد شده از شکافت هسته اتم اورانیوم ۲۳۵ دارند. بنابراین، در کاربردهای هسته‌ای، خلوص گرافیت و به تبع آن خالص بودن کک بسیار اهمیت دارد. در صنعت برای حذف ناخالصیهای گرافیت، از مواد اولیه با درجه خلوص بالا و یا از فرآیند تلخیص با گاز استفاده می‌شود. عملیات تلخیص را علاوه بر روی محصول می‌توان بر روی کک، ماده اولیه تولید گرافیت، نیز انجام داد.
هدف این تحقیق، تلاش برای دستیابی به روش شناسی ساده‌ای به منظور کاستن تراز ناخالصی‌ها در کک و بهبود کیفیت آن برای ساخت گرافیت هسته‌ای است.آزمایش‌هایی با استفاده از روش‌های اسیدشویی (حرارتی و ستونی) بر روی یک نوع کک نفتی کلسینه انجام گرفته‌اند. اساس این آزمایش‌ها بر این فرضیه متکی است که کک نیز مانند زغال سنگ و جامدات دیگر کربن دار دارای خلل و فرج‌هایی است که در فرآیند شستشو از قوانین انتقال جرم در یک محیط متخلخل پیروی می‌کند.
در این بررسی تاثیر چند پارامتر اساسی و مهم، از جمله نسبت مایع به جامد، مدت شستشو و اندازه ذرات بر بازده جداسازی ناخالصیهای کک و تاثیر فرآیند شستشو و ضریب سیمانی شدن کک با قیر و عامل مسمومیت جذب نوترونی عناصر، مطالعه شده است.
بررسی تاثیرمدت شستشو، تاثیر اندازه ذرات و تاثیر نسبت مایع به جامد بر بازده جداسازی عناصر
- بررسی اثر مدت شستشو بر بازده جداسازی عناصر
مدت مجاورت کک با اسید و طولانی شدن آن عامل موثری بر بازده جداسازی عناصر است. در روش فروشویی ستونی مدت لازم، از عواملی مانند غلظت اسید، دانه‌بندی و طرز توزیع عناصر در کک تاثیر پذیر است. از لحاظ نظری، مدت بهینه فروشویی در حالت ایده‌آل نامحدود است. نتایج تجربی نشان می‌دهند که با افزایش مدت فروشویی، همواره از غلظت عناصر کاسته می‌شود و به تدریج بازده جداسازی افزایش می‌یابد.
- بررسی تاثیر اندازه ذرات بر بازده جداسازی عناصر
بررسی نتایج نشان می‌دهد که خرد کردن کک در بازده جداسازی برخی از عناصر بسیار موثر است، زیرا با ریز شدن ذرات کک در واقع بخشی از حفره‌های بسته هم باز می‌شوند و حجم تخلخل‌ها افزایش یافته و سطح آزاد بیشتری از ذرات کک در تماس با اسید قرار می‌گیرد، در نتیجه بازده جداسازی برخی عناصر، بطور چشم‌گیری افزایش می‌یابد. بیشترین درصد بازده جداسازی عناصر (از روی غلظت آنها در محلول) در دانه‌بندی‌های زیر صد میکرون بدست آمده است.
در مقابل، در این دانه‌بندی سرعت عمل صاف کردن کم و در نتیجه خروج محلول از ستون برخلاف دانه‌بندی‌های درشت تر بسیار طولانی می‌شود، به طوری که فرآیند فروشویی ستونی تنها با ۳ چرخه کاری که معادل ۱۹ چرخه کاری برای سایر دانه‌بندی‌های است، پیشرفت داشته است. برای رفع این مشکل، اختلاط دانه‌بندی‌های درشت‌تر با دانه‌بندی‌های زیر صد میکرون صورت گرفته و فرآیند را برای یک کیلوگرم مخلوط کک، با سرعت مطلوب تا ۱۴ چرخه پیش برده است.
- بررسی تاثیر نسبت مایع به جامد (L/S) بر بازده جداسازی عناصر
عواملی که نسبت مایع به جامد را در فرآیند فروشویی ستونی تغییر می‌دهند، به طور کلی عبارتند از تمایل نمونه به جذب محلول، تبخیر فیزیکی محلول، مواد مصرف کننده اسید در نمونه در طی فرآیند و حجم نمونه های انتخاب شده برای آنالیز. بررسی‌ها نشان می‌دهند که با ریزتر شدن دانه‌بندی‌های کک، درصد جذب فیزیکی محلول افزایش می‌یابد و با ثابت نگه داشتن حجم محلول اولیه (به دلیل کافی بودن اسیدیته) و انتخاب نمونه برای آنالیز، نسبت مایع به جامد در فرآیند فروشویی ستونی برای دانه‌بندی‌های مختلف کک با دامنه‌ای از ۰/۵ تا ۱ میلی متر انجام شده است. نسبت L/S کمتر از ۱ در این بررسی به علت این که غلظت عناصر کم مقدار را در محلول مورد آنالیز، در محدوده دقت روش اندازه‌گیری قرار می‌دهد، توجیه پذیر است. به هر حال نتایج حاصل، فاقد ساز و کار توجیه کننده نقش موثر ارتباط L/S بر بازده جداسازی عناصر حاصل از فروشویی است.
ارزیابی فرآیندهای شستشو بر تغییرات ضریب سیمانی شدن کک
آزمایش‌هایی بر روی نمونه کک با دانه‌بندی کوچکتر از ۰/۲۵ mm، بر طبق استاندار GOST انجام گرفت. نتایج حاصل نشان می‌دهد در شستشوی حرارتی، به علت اینکه احتمالا دیواره میان خلل و فرج کک، تخریب شده، ضریب سیمانی شدن کک به شدت کاهش می‌یابد. اما در شستشوی ستونی، پدیده تورم در نمونه ها مشاهده نشده و ضریب سیمانی شدن به میزان ۲% نیز بهبود یافته است.
ارزیابی فرآیند شستشوی ستونی بر تغییرات فاکتور سمی شدن جذب نوترونی عناصر موجو در کک
تاثیر ناخالصی ها بر جذب نوترونی گرافیت را می‌توان با تعریف فاکتور سمّی شدن برای سهم هر ناخالصی و غلظت آن، مورد ارزیابی قرار داد. عوامل موثر در کاهش یا افزایش این فاکتور را می‌توان در میزان سطح مقطع موثر جذب نوترون، غلظت عناصر و درصد فراوانی آنها در نمونه جستجو کرد. در این بررسی، اثر فرآیند شستشوی ستونی بر کاهش غلظت تعدادی از عناصر مشترک مانند Sc، Ca، Zn، Ba، K، Fe، Cr، La، Co، Na، Sb در نمونه‌های کک اولیه و کک‌های شسته شده و دو نوع گرافیت هسته‌ای، که با روش NAA آنالیز شده‌اند، مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته است. بر اساس بخشی از نتایج مندرج در این مقاله، تاثیر فرآیند شستشوی ستونی بر کاهش میزان ناخالصیهای کک و در نتیجه کاهش عامل مسمومیت جذب نوترونی تعدادی از عناصر قابل مشاهده است.
نتیجه‌گیری
در این بررسی مشخص شدکه با مطالعه رفتار هیدرومتالوژی کک نفتی کلسینه شده به روش شستشوی اسیدی، می‌توان قسمتی از ناخالصیهای کک را به روش فروشویی ستونی حذف کرد و کیفیت کک را بالا برد. در عملیات شستشوی حرارتی، هرچند بازده جداسازی عناصر بیشتر است، اما ساختار کک تخریب شده و در نتیجه ضریب سیمانی شدن آن کاهش می‌یابد، بنابراین، برای ساخت گرافیت هسته‌ای مناسب نخواهد بود. در مقابل، این ضریب به وسیله فروشویی ستونی بهبود می‌یابد. فروشویی ستونی به لحاظ عدم نیاز به انرژی حرارتی، قابلیت اجرا در سطح بزرگتر و سهولت کاربری در بررسی رفتار هیدرومتالوژی کک، بهترین روش جداسازی عناصر ناخالص از کک تشخیص داده شده است. چون به وسیله فروشویی ستونی، درصد قابل توجهی از عناصر جاذب نوترون از کک حذف می‌شوند، این روش را می‌توان احتمالا جایگزین فرآیند حرارتی تخلیص گرافیت کرد.
منبع از مقاله