استخدام فحم الكوك البترولي المكلس في إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم بطريقة الكلوريد

أولاً: نظرة عامة

تُعد طريقة الكلوريد حالياً التقنية الرئيسية في إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) على المستوى العالمي. فمنذ عام 2004، يتم إنتاج جميع كميات TiO₂ في الولايات المتحدة باستخدام طريقة الكلوريد. وفي هذه الطريقة، يلعب فحم الكوك البترولي المكلس (CPC) دوراً لا غنى عنه باعتباره عامل الاختزال الأساسي ومصدر الطاقة في تفاعل الكلورة.

يتكون مصنع إنتاج TiO₂ بطريقة الكلوريد عادة من أربعة أقسام رئيسية: الكلورة، والتنقية، والأكسدة، والمعالجة اللاحقة. ويمتد استخدام فحم الكوك البترولي المكلس عبر هذه العملية الإنتاجية بأكملها.

ثانياً: قسم الكلورة – التطبيق الأساسي

يمثل قسم الكلورة المرحلة التي يؤدي فيها فحم الكوك البترولي المكلس دوره الأهم. يقوم مبدأ التفاعل على استخدام الروتيل (TiO₂ ≥ 90%) أو الخبث عالي التيتانيوم كمادة خام، وفحم الكوك البترولي المكلس كعامل اختزال، وذلك كلورة المواد المحتوية على التيتانيوم بغاز الكلور في درجات حرارة عالية لإنتاج رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl₄).

وفيما يلي معادلات التفاعل الكيميائي الأساسية:

TiO₂ + C + 2Cl₂ → TiCl₄ + CO₂

TiO₂ + 2C + 2Cl₂ → TiCl₄ + 2CO

في الإنتاج الفعلي، يتم خلط الروتيل أو الخبث عالي التيتانيوم مع فحم الكوك البترولي المكلس بنسبة محددة، ثم يُغذى الخليط إلى مفاعل الكلورة ذي الطبقة المميعة (المفاعل ذو السرير المائع)، حيث يُسخن إلى حوالي 950–1000 درجة مئوية. يُدخل غاز الكلور من أسفل المفاعل ليتفاعل مع المواد في درجات الحرارة العالية. يقوم الكربون الموجود في فحم الكوك البترولي المكلس بدور عامل الاختزال، حيث يزيل الأكسجين من خام التيتانيوم، مما يسمح لـ TiO₂ بالتفاعل مع الكلور لتكوين TiCl₄.

وفي الوقت نفسه، تخضع الشوائب الموجودة في المواد الخام—بما في ذلك الحديد والمنغنيز والألومنيوم والكالسيوم والمغنيسيوم والسيليكون—لتفاعلات الكلورة لتكوين كلوريدات مقابلة (مثل FeCl₃ و MnCl₂ و AlCl₃ و CaCl₂ و MgCl₂ و SiCl₄ وغيرها). تُزال هذه الكلوريدات الشائبة لاحقاً في قسم التنقية.

إن تفاعل كلورة TiO₂ هو تفاعل ماص للحرارة وقابل للعكس، ولا يمكن أن يحدث بدون وجود عامل اختزال—فحتى في درجات حرارة تصل إلى 1800 درجة مئوية، لن تحدث الكلورة في غياب عامل الاختزال. ويمثل فحم الكوك البترولي المكلس هذا العامل الذي لا يمكن الاستغناء عنه.

ثالثاً: متطلبات الجودة لفحم الكوك البترولي المكلس

يضع إنتاج TiO₂ بطريقة الكلوريد متطلبات جودة محددة لفحم الكوك البترولي المكلس:

١. انخفاض محتوى الرماد والمواد المتطايرة: نظراً لانخفاض محتوى الرماد والمواد المتطايرة في فحم الكوك البترولي المكلس، فإنه يولد كميات ضئيلة فقط من HCl أثناء التفاعل، مما يساعد في حماية المعدات وتحسين نقاء المنتج.

٢. تفضيل بنية الكوك الكروي (Shot Coke): في تطبيقات TiO₂، يُفضل الكوك الكروي على الكوك الإسفنجي (Sponge Coke). يتميز الكوك الكروي بصلابة أكبر ونسبة أقل من المساحيق الدقيقة (-100 شبكة أو -150 ميكرومتر)، في حين أن المساحيق الدقيقة تمر مباشرة عبر مفاعل الكلورة وتسبب فقداناً للكربون. كما يتميز الكوك الكروي بتوزيع حجم جزيئي أكثر انتظاماً، ومقاومة أفضل للتآكل، ويولد مساحيق دقيقة أقل أثناء المناولة.

٣. تحمل أعلى للشوائب: مقارنة بفحم الكوك البترولي المكلس المستخدم في إنتاج الأنودات، فإن إنتاج TiO₂ يتمتع بتحمل أعلى للشوائب مثل الفاناديوم والنيكل.

رابعاً: قسمي التنقية والأكسدة

يخضع TiCl₄ الخام الناتج من قسم الكلورة لفصل بالدوامات والتكثيف والتقطير لإنتاج TiCl₄ المكرر. وفي قسم الأكسدة، يتفاعل TiCl₄ المكرر مع الأكسجين في درجات حرارة عالية لإنتاج المنتج النهائي TiO₂ وغاز الكلور. يُسترد غاز الكلور الناتج في عملية الأكسدة ويعاد تدويره إلى قسم الكلورة.

ورغم أن فحم الكوك البترولي المكلس لا يشارك مباشرة في تفاعلات الأكسدة، فإن دوره في مرحلة الكلورة له تأثير حاسم على كفاءة وجودة عملية الأكسدة بأكملها.

خامساً: الخاتمة

يلعب فحم الكوك البترولي المكلس دوراً أساسياً لا غنى عنه في إنتاج TiO₂ بطريقة الكلوريد—بدءاً من تفاعل الاختزال في قسم الكلورة وصولاً إلى توفير مادة TiCl₄ عالية النقاء للمراحل اللاحقة من التنقية والأكسدة. إن محتواه الكربوني الممتاز، وانخفاض نسبة الرماد، وبنيته الفيزيائية المناسبة تجعله مادة خام رئيسية لا يمكن الاستغناء عنها في إنتاج TiO₂ بطريقة الكلوريد.

يعد اختيار فحم الكوك البترولي المكلس عالي الجودة ضماناً حاسماً لتشغيل خطوط إنتاج TiO₂ بطريقة الكلوريد بكفاءة واستقرار.