CONTROLLED AUTOXIDATION OF HEAVY PETROLEUM FOR CARBON FIBER PRECURSORS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc Thesis) MS_Thesis_Lahmady Said Mohamed- for ePrint2.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 28 May 2024. Download (3MB)

Arabic Abstract

ألياف الكربون هي مادة قوية وخفيفة للغاية واعدة جدًا للطيران والسيارات والجيش والرياضة. بلغ حجم سوق الياف الكربون في عام 2019 4.7 مليار دولار أمريكي ومن المتوقع أن يرتفع إلى 13.3 مليار دولار أمريكي في عام 2029. ومع ذلك، فإن ألياف الكربون التقليدية القائمة على البولي أكريلونيتريل (PAN) باهظة الثمن بسبب ارتفاع تكاليف المواد الخام والمعالجة التي تحد من الإنتاج المكثف واستخدام التليف الكيسي. كان الهدف من البحث الحالي هو تطوير طريقة معالجة مسبقة مستدامة ورخيصة وفعالة لإنتاج سلائف ما قبل CF من البترول الثقيل بعد الأكسدة التلقائية الخاضعة للرقابة (الأكسدة بالهواء). تم استخدام المشتقات بترولية ثقيلة مختلفة، بما في ذلك زيت الغاز الخوائي (VGO) وزيت الغاز الثقيل (HVGO) وزيت الغاز الخوائي المعالج بالهيدروجين (HT-VGO) كمصادر للكربون في عملية نصف دفعية حيث تم التغذية بالدُفعات والغاز كان مستمرًا. أجريت التجارب والتحليلات لبحث تأثيرات درجة الحرارة (130-260 درجة مئوية) والوقت (4-48 ساعة) والضغط الجزئي للأكسجين (N2 / الهواء) والخلط. لوحظت زيادة في اللزوجة (من ~ 729 سنتي بواز إلى حوالي 1979 سنتي بواز) ، العطرية (انخفاض بنسبة 37 ٪ في الأليفاتية H) ، والربط المتبادل ، ونقطة التليين (من 37.2 درجة مئوية إلى أكثر من 200 درجة مئوية) ، بينما انخفض التقلب بسبب إلى إضافة الجذور الحرة (الأثقل) إلى تكوين المنتج ، يمكن استخدام إزالة المشتقات المنخفضة الغليان ، وإغلاق الحلقة ، المشتقات الهيدروكربونات المعالجة كسلائف ما قبل CF. إلى جانب ذلك ، فإن الأكسدة التلقائية في درجات حرارة ووقت مرتفعين عن طريق نفخ N2 / هواء بدون خلط كانت لها قيم خواص أعلى من تلك الموجودة في الخلط الصارم بمدة ودرجة حرارة أقل. بالإضافة إلى ذلك، فإن التسخين بوجود النيتروجين في بعض ظروف التشغيل أنتج سلائف أكثر فعالية من وجود الهواء. بشكل عام، تم اكتشاف أن هذه الدراسة ستؤدي إلى تطوير طريقة بديلة ورخيصة ومستدامة لإنتاج سلائف ما قبل CF من المشتقات البترولية الثقيلة منخفضة القيمة. الكلمات الرئيسية: ألياف الكربون، الأكسدة الذاتية، كسور البترول الثقيل، نقطة التليين، مادة سابقة.

English Abstract

Carbon fiber is an ultra-light strong material that is very promising for aviation, automobiles, military, and sports. Its market size in 2022 was USD 6.5 billion and is expected to increase to USD 21.7 billion in 2032. However, traditional polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fiber (CF) is expensive due to higher raw material and processing costs that limit the extensive production and use of CF. The objective of the current research was to develop a sustainable, cheap, and efficient pre-treatment method to produce CF precursors from heavy petroleum following controlled autoxidation (oxidation with air). Different heavy petroleum fractions, including vacuum gas oil (VGO), heavy vacuum gas oil (HVGO), and hydro-treated vacuum gas oil (HT-VGO) were used as carbon sources in a semi-batch process where feed was batch and gas was continuous. The experiments and analyses were conducted to investigate the effects of temperature (130-260 °C), time (4-48 hours), oxygen partial pressure (N2/air), and mixing. An increment was observed in viscosity (from 729 cP to 1979 cP), aromaticity (37% reduction in aliphatic H), cross-linking, and softening point (from 37.2 °C to over 200 °C), while volatility decreased due to the free radical addition (heavier) product formation, removal of lower boiling fractions, and ring closure, and treated hydrocarbon fractions can be used as a CF precursor. Besides, experiment performed at elevated temperatures and time by blowing N_2/air without mixing had showed better desired properties compared to those in rigorous mixing at lower duration and temperature. Additionally, heating in the presence of nitrogen for some operating conditions produced more effective precursors than in the presence of air. Overall, it was concluded that this controlled autoxidation study would lead to developing an alternative, cheap and sustainable way to produce CF precursor from the low-value heavy petroleum fractions. Keywords: Carbon Fiber, Autoxidation, Heavy petroleum fractions, Softening Point, Precursor.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Siddiquee, Muhammad Nurunnabi
Committee Members:	Abdur Razzak, Shaikh and Alasiri, Hassan Saeed and Al-Bogami, Saad A.
Depositing User:	LAHMADY MOHAMED (g202103590)
Date Deposited:	29 May 2023 07:10
Last Modified:	29 May 2023 07:10
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142398