PRODUCTION OF HIGH-VALUE CARBON FIBER FROM LOW- VALUE HEAVY - PETROLEUM FRACTIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis-5-155_merged.pdf Restricted to Repository staff only until 3 January 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

يقيّم هذا الاستعراض الإمكانيات المتاحة لاستخدام المشتقات البترولية الثقيلة منخفضة القيمة، وتحديدًا زيت الغاز الفراغي الثقيل (HVGO) وبقايا التفريغ (VR) ، كمصادر اقتصادية لإنتاج ألياف الكربون. ومع تزايد الطلب على ألياف الكربون في مجالات الهندسة والسيارات والطيران نظرًا لقوتها ووزنها الخفيف، هناك دافع قوي لاستكشاف بدائل لألياف الكربون التقليدية المصنوعة من مادة البولي أكريلونيتريل (PAN) التي تعتبر مكلفة في الإنتاج. تمثل الكسور البترولية الثقيلة بديلاً واعدًا نظرًا لتوافرها وارتفاع محتواها الكربوني وإمكانية استخدامها كموارد مستدامة. ومع ذلك، تواجه عملية إنتاج ألياف الكربون من هذه الكسور تحديات يجب التغلب عليها. تتناول الدراسة عملية الأكسدة الذاتية المضبوطة لل HVGO بهدف زيادة محتوى الأسفلتين وتحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية المطلوبة لتشكيل ألياف الكربون. وشملت التجارب تعديل ظروف الأكسدة، بما في ذلك تقنيات ضخ الهواء والبثق عند درجات حرارة مختلفة، مع إضافة التترالين لزيادة الوزن الجزيئي واستقرار التركيب. أظهرت النتائج أن عملية الأكسدة الذاتية، خاصة مع إضافة التترالين، زادت بشكل كبير من نسبة الأسفلتين في HVGO ، حيث وصلت إلى 47.2 % من الوزن، مع لزوجة بلغت 117.6 باسكال ثانية، ونقطة تليين عند 210 درجة مئوية. وأنتجت عملية الغزل الذائب ل HVGO المعدل ألياف خضراء بقطر 70 ميكرومتر، والتي أنتجت بعد الكربنة أليافًا بقطر 50 ميكرومتر وذات استقرار حراري جيد كما أكد تحليل. - يتراوح بين 40 TGA بالإضافة إلى ذلك، تحدد هذه الدراسة الظروف المثلى لتحويل VR إلى أسفلتين غني بالكربون يصلح ليكون مادة أولية لألياف الكربون. حيث بلغت نسبة الأسفلتين 77 % من الوزن ونقطة تليين وصلت إلى 191 درجة مئوية عند أكسدة VR عند درجة حرارة 280 مئوية لمدة 10 أيام. وفي ظروف أكثر اعتدالًا، حقق VR مع 4% من التترالين المؤكسد عند 190 درجة مئوية لمدة 10 أيام نسبة أسفلتين بلغت 73.2 % من الوزن ونقطة تليين عند 169 درجة مئوية، مما xiv يبرز تأثير التترالين. وأظهرت الأسفلتينات المستخرجة من VR % استقرارًا حراريًا ممتازًا، حيث احتفظت بنسبة 35 من وزنها عند 800 درجة مئوية وبلغ محتواها الكربوني 84 %. كما أظهرت الألياف الخضراء المغزولة من الأسفلتينات المستخرجة من VR 25 ميكرومتر ونسبة كربون 84 % بالنسبة – سهولة في الغزل بقطر يتراوح بين 16 لل VR المؤكسد عند 280 درجة مئوية. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام HVGO وVR كمصادر اقتصادية فعالة لإنتاج ألياف الكربون، مما يوفر مسارًا مستدامًا لتلبية الطلب الصناعي المتزايد على المواد الكربونية عالية الأداء .

English Abstract

This research evaluates the potential of low-value heavy petroleum fractions, specifically heavy vacuum gas oil (HVGO) and vacuum residue (VR), as cost-effective feedstocks for producing carbon fiber precursors. With rising demand for carbon fiber in engineering, automotive, and aviation due to its strength and lightweight properties, there is a strong incentive to explore alternatives to traditional polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers, which are costly to produce. Heavy petroleum fractions offer a promising alternative due to their availability, high carbon content. However, producing carbon fiber from these fractions presents challenges that must be addressed. The study investigates the controlled autoxidation of HVGO to enhance asphaltenes content and the physicochemical characteristics needed for carbon fiber formation. Experiments involved varying oxidation conditions, including air-blowing and bubbling techniques at different temperatures, and adding tetralin to increase molecular weight and stabilize the structure. Results showed that the autoxidation process, particularly with tetralin, significantly boosted HVGO's asphaltenes yield, achieving up to 47.2 wt%, a viscosity of 117.6 Pa.s, and a softening point of 210 °C. Melt spinning of the modified HVGO produced green fibers (70 μm diameter), which after carbonization, yielded fibers of 40-50 μm with good thermal stability as confirmed by TGA analysis. xii Additionally, this study identifies the optimal conditions for transforming VR into carbonrich asphaltenes, a suitable precursor for carbon fiber. VR oxidized at 280 °C for 10 days achieved the highest asphaltenes content (77 wt%) with a softening point of 191°C. In milder conditions, VR with 4% tetralin oxidized at 190 °C for 10 days achieved 73.2 wt% asphaltenes and a softening point of 169 °C, highlighting tetralin's impact. VR-derived asphaltenes showed excellent thermal stability, retaining 35% of their weight at 800 °C with a carbon content of 84 wt%. Green fibers spun from VR-derived asphaltenes demonstrated good spinnability, with fibers ranging from 16–25 μm in diameter and 84 wt% carbon for VR oxidized at 280 °C. These findings establish HVGO and VR as viable, cost-effective sources for carbon fiber precursors, offering a pathway to meet growing industrial demand for high-performance carbon materials.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Siddiquee, Muhammad
Committee Co-Advisor:	Hossain, Mohammad
Committee Members:	Al-Harthi, Mamdouh and Abdur Razzak, Shaikh and Al-Bogami, Saad
Depositing User:	MUSTAFA AMIN (g202211500)
Date Deposited:	05 Jan 2025 10:30
Last Modified:	05 Jan 2025 10:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143225