BR112015010499B1

BR112015010499B1 - Processo para a produção de piche de petróleo mesofásico fiável visando a produção de fibras de carbono contínuas

Info

Publication number: BR112015010499B1
Application number: BR112015010499-1A
Authority: BR
Inventors: Luiz Depine De Castro; Carlos Henrique Monteiro De Castro Dutra; Alexandre Taschetto De Castro; Fabio Franceschi Pereira; Maria Helena Gonçalves Pereira; Wladmir Ferraz De Souza
Original assignee: Centro Tecnológico Do Exército; Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2020-09-24
Also published as: AR106359A1; WO2016019443A1; BR112015010499A2

Abstract

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS. A invenção se refere a um processo e dispositivos para a produção de fibras de carbono contínuas com elevadas propriedades mecânicas a partir de derivados pesados de petróleo, como óleo decantado, resíduo aromático ou qualquer outra mistura contendo elevado teor de hidrocarbonetos aromáticos. Segundo o processo da invenção é possível obter piche mesofásico de petróleo, com teor de mesofase acima de 70%, para produzir fibras contínuas de carbono a partir de piche de petróleo com elevadas características mecânicas e a baixo custo. Tais dispositivos compreendem borbulhadores, desenvolvidos para garantir uma boa distribuição de gás no seio do material de um modo simples e eficaz.

Description

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS

CAMPO DA INVENÇÃO

[1] A invenção se refere a um processo e dispositivo especial para produzir fibras de carbono contínuas com elevadas propriedades mecânicas a partir de derivados pesados de petróleo, como óleo decantado, resíduo aromático ou qualquer outra mistura contendo elevado teor de hidrocarbonetos aromáticos. Segundo o processo da invenção é possível obter piche mesofásico de petróleo, com teor de mesofase acima de 70%, para produzir fibras de carbono contínuas a partir de piche de petróleo com características mecânicas adequadas e a baixo custo.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[2] A produção de piche de petróleo a partir da parte pesada do petróleo é feita através do aquecimento e da remoção das moléculas mais leves por meio de destilação. Forma-se inicialmente um piche com moléculas de baixo peso molecular, denominado piche isotrópico, que se caracteriza pela ausência de esferas ou regiões mesofásicas, que apresentam um comportamento semelhante a um cristal líquido. Esse piche isotrópico é facilmente fiável produzindo fibras de carbono de baixas propriedades mecânicas as quais estão disponíveis comercialmente.

[3] O aquecimento prolongado do piche isotrópico de petróleo leva à produção de um piche com moléculas mais pesadas, com largas regiões mesofásicas, e que se denomina piche mesofásico/anisotrópico. Quanto maior o teor de mesofase produzido no piche mais elevadas serão as propriedades mecânicas das fibras de carbono produzidas a partir do mesmo, e menores serão os tempos e custos para sua produção nas fases seguintes (estabilização e carbonização).

[4] A produção de um piche mesofásico (ao redor de 70% de mesofase) capaz de ser fiado continuamente tem sido um desafio tecnológico porque ao se aumentar o teor de mesofase de um piche de petróleo, através do aquecimento, o que se observa é a formação de duas fases distintas que impedem esse tipo de fiação.

[5] Na tentativa de solucionar a questão vários processos foram propostos. Entretanto, devido aos elevados custos de produção, tornaram-se economicamente inviáveis para aplicação em grande escala. A título de exemplo podem ser citados alguns documentos de patente:

[6] A patente US4005183 apresenta um processo para produção de fibra de carbono a partir de um piche parcialmente transformado em um cristal líquido, denominado "estado mesofásico". Posteriormente o piche era fiado e a fibra era estabilizada em atmosfera de oxigênio tornando-se infusível, e depois carbonizada em atmosfera inerte. O piche mesofásico, obtido a partir de piches de base aromática, era aquecido até uma temperatura entre 350°C e 450°C, que era mantida durante um período de tempo, de modo a formar pequenas esferas de mesofase, que cresciam em tamanho com o tempo de tratamento térmico, coalesciam e formavam domínios anisotrópicos com tamanhos de até centenas de microns, dependendo do piche inicial utilizado. Num patamar de temperatura de 350°C seria necessário pelo menos uma semana para que o percentual de mesofase atingisse um valor de 40%. Já numa temperatura entre 400°C e 450°C a conversão seria muito mais rápida e o mesmo percentual de mesofase poderia ser atingido num tempo entre 1 e 40 horas, sendo tais temperaturas preferidas por esta razão. Após o percentual de mesofase ter sido atingido, estes piches mesofásicos podiam ser transformados em fibras através das técnicas convencionais de melt spinning, centrifugal spinning e blow spinning. Para que se obtivessem fibras uniformes o piche obtido por esta técnica devia ser agitado imediatamente antes da fiação para fazer uma mistura das fases isotrópica (não mesofásica) e da fase mesofásica, imiscíveis, que formavam o piche. O piche a ser fiado devia ter preferencialmente entre 45 e 65% de mesofase com uma viscosidade entre 30 e 60 poises (3 a 6 Pa.s) numa temperatura de fiação entre 340°C e 380°C.

[7] A partir deste marco tecnológico, outros documentos propondo melhorias quanto às propriedades da fase mesofásica foram apresentados. Pode-se considerar relevante o documento US4209500, que relata a produção de piche 100% preparado com a passagem de um gás inerte por um piche isotrópico numa vazão entre 4 e 10 scfh por libra de piche ( equivalentes a 4,16 e 10,4 litros/min por kg de piche) durante o tratamento térmico do piche em temperaturas entre 380°C e 430°C. O aquecimento deveria ser feito sob constante agitação, para produzir uma emulsão homogênea da mesofase com a fração restante não mesofásica, sendo mantida a agitação e o aquecimento até que fosse obtido um piche completamente anisotrópico. Segundo o autor, na temperatura de 430°C, onde a conversão do piche em mesofase é relativamente rápida, uma vazão muita alta de gás seria necessária, enquanto que a 380°C, onde a conversão do piche é muito mais lenta, uma vazão de gás muito menor seria necessária para se conseguir o mesmo resultado. Já os piches 100% mesofásicos produzidos apresentavam ponto de amolecimento menor que 350°C e viscosidade menor que 20 Pas e 60% insolúveis em piridina à 380°C, enquanto que os piches 100% mesofásicos convencionais produzidos sem agitação e sem a passagem do gás inerte seriam 100% insolúveis em piridina. Acreditava-se que a maior solubilidade dos piches produzidos com a alta vazão do gás inerte era devido ao seu menor peso molecular. Esta tecnologia não chegou a ser aplicada comercialmente em virtude da elevada vazão de gás inerte necessária ao processo.

[8] Mais tarde, surgiram documentos que ensinavam a produção de fibras de carbono a partir de piche de petróleo mesofásico, por separação da mesofase por pressão, uso de gás oxidante e fracionamento com solvente. Igualmente a tecnologia não foi aplicada comercialmente devido aos elevados volumes de solvente e custo de produção.

[9] O documento WO 2012/162766 ensina um processo que permite a produção de piche isotrópico com características químicas e elevados rendimentos. Este piche isotrópico quando usado como carga da produção de um piche mesofásico, permite a obtenção de um piche mesofásico com elevados teores de mesofase, ou seja, predominante anisotrópico.

[10] Até o presente, portanto, o mercado tinha como opção somente as fibras de carbono derivadas de piche produzidas a partir do piche de alcatrão ou de piche sintético. O piche de alcatrão tem tido sua oferta reduzida e utilização evitada, principalmente nos países mais desenvolvidos, por questões de saúde ocupacional e ambiental devido às suas propriedades danosas para o organismo humano e agressivas para a natureza. O piche sintético é extremamente caro, de modo que sua produção é reservada para aplicação em áreas extremamente nobres.

[11] Desta forma a técnica ainda carece de um processo capaz de produzir fibras de carbono contínuas com elevadas propriedades mecânicas a partir de derivados pesados de petróleo, que é o objeto da invenção aqui apresentada.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[12] A presente invenção trata de um processo para produzir fibras de carbono contínuas, com elevada resistência mecânica, a partir de piche de petróleo contendo elevado teor de mesofase (acima de 70%), o qual é obtido por meio de borbulhamento controlado de um gás inerte a baixa vazão, inferior a 4,00 L/min por kg de piche, no seio de um piche isotrópico também produzido de resíduo pesado de petróleo contendo hidrocarbonetos heteroatômicos. Este piche produzido ao ser aquecido cerca de 80°C acima de seu ponto de amolecimento produz apenas uma fase líquida, permitindo sua fiação contínua e posterior estabilização e carbonização.

[13] A invenção também contempla os borbulhadores utilizados no presente processo, os quais foram especificamente desenvolvidos para proporcionar a baixa vazão necessária para a produção de piches fiáveis de alto teor de mesofase.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[14] A Figura 1 mostra um primeiro tipo de borbulhador utilizado no processo da invenção.

[15] A Figura 2 mostra um segundo tipo de borbulhador, provido com ejetores, utilizado no processo da invenção.

[16] A Figura 3 mostra detalhes dos ejetores utilizados no segundo tipo de borbulhador.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[17] O processo de produção de piche mesofásico fiável descrito a seguir se aplica a cargas constituídas por piches isotrópicos com densidade entre 1,200 e 1,300, além de anisotropia de até 10%.

[18] De um modo amplo, o processo é baseado na utilização de baixas vazões de gás inerte, inferiores a 4,16 L/min por kg de piche, com o uso de borbulhadores, quando da produção de piches mesofásicos.

[19] A utilização de vazões de gás inerte inferiores a 4,00 L/min por kg de piche, com o uso dos borbulhadores, promove a retirada de hidrocarbonetos heteroatômicos, particularmente os polares, e, especialmente, os sulfurados, do meio reacional de forma a evitar reações químicas indesejáveis durante o aquecimento do piche mesofásico. Tais reações indesejáveis assemelham-se a uma espécie de "vulcanização" no piche de petróleo, havendo a formação de duas fases, e aumentando a elasticidade do piche, o que, em última instância, impede a fiação contínua deste. Os piches fiáveis de petróleo foram produzidos com teores de S abaixo de 0,95% e teor de mesofase superior a 70%.

[20] Assim, a presente invenção trata da produção de piche mesofásico fiável, dito processo incluindo as seguintes etapas:

- introduzir uma carga constituída por um piche de petróleo isotrópico, em um reator dotado de pelo menos um borbulhador e um agitador;
- submeter a carga à uma primeira etapa de aquecimento, até uma temperatura de 250°C e iniciar a agitação, sob uma vazão de gás inerte entre 0,3 a 1,2L/min por kg de piche;
- submeter a carga à uma segunda etapa de aquecimento até uma temperatura de 350°C, sob agitação e elevar a vazão de gás inerte para a faixa entre 0,40 e 4,00L/min por kg de piche.
- submeter a carga à uma terceira etapa de aquecimento, até uma temperatura de 430°C, sob agitação e vazão de gás inerte na faixa entre 0,40 e 4,00L/min por kg de piche e manter esta temperatura durante um período de tempo, variando de 30 a 120 minutos, de forma a promover a formação de um piche mesofásico fiável;

[21] Para garantir uma boa distribuição de gás inerte no seio do material, e as baixas vazões de gás necessárias para o processo da presente invenção foram desenvolvidos dois borbulhadores.

[22] Assim, um primeiro borbulhador (100) desenvolvido para aplicação no processo da invenção é mostrado na Figura 1. Compreende basicamente uma tubulação (101), de pequeno diâmetro, dobrada de modo a constituir uma primeira porção em forma haste vertical (102), a qual penetra no interior do reator até a altura de seu agitador (não mostrados na figura), e uma segunda porção (103) em forma de anel circular fechado, formando um ângulo de 90° em relação à haste vertical (102) e provida com pequenos furos (104) distribuídos na superfície superior do referido anel, para liberação controlada do gás inerte a ser introduzido no reator. Na extremidade da haste vertical é instalado um bocal (105) para conexão à fonte de gás inerte.

[23] Este primeiro borbulhador foi testado em laboratório, alcançando um bom desempenho, conforme será demonstrado mais adiante nos exemplos.

[24] Visando aprimorar a relação gás/líquido no meio reacional um segundo borbulhador (200), mostrado na Figura 2, foi igualmente desenvolvido para aplicação no processo da invenção. Semelhante ao primeiro borbulhador, este compreende basicamente uma tubulação (201), de pequeno diâmetro, dobrada de modo a constituir uma primeira porção em forma haste vertical (202), a qual penetra no interior do reator até a altura de seu agitador (não mostrados na figura), e uma segunda porção (203) em forma de anel circular fechado, formando um ângulo de 90° em relação à haste vertical (202) e provida com pequenos furos (204) distribuídos na superfície superior do referido anel, para liberação controlada do gás inerte a ser introduzido no reator, sendo que em cada furo (204) é instalado um ejetor (205) do tipo "venturi". Este tipo de ejetor cria uma depressão quando o gás em alta velocidade passa através de sua garganta, a qual pode ser utilizada para aspirar para seu interior o material que está sendo processado. Deste modo, o ejetor (205) é provido com um furo lateral (206), através do qual o piche é sugado, otimizando a eficiência da mistura gás/líquido. Na extremidade da haste é instalado um bocal (207) para conexão à fonte de gás inerte (não mostrado na Figura 2). Um ejetor é mostrado em detalhe na Figura 3.
Os exemplos, a seguir, correspondem a experimentos em escala de laboratório sem limitar o escopo do processo de produção de piche mesofásico fiável, detalhadamente descrito até aqui.

EXEMPLOS

[25] Os exemplos comparativos a seguir demonstram que vazões reduzidas e bem distribuídas de gás inerte são suficientes para produzir filamentos de piche mesofásico de características uniformes.
Nas tabelas apresentadas nos exemplos abaixo, tem-se que:
Onde:
IT = insolúveis em tolueno
Inmp = insolúveis em N-metilpirrolidinona
IQ = insolúveis em quinolina
VC = valor de coqueificação
D = massa específica
PA = ponto de amolecimento
Aniso = anisotropia
C - Teor percentual de CARBONO
H - Teor percentual de HIDROGÊNIO
N - Teor percentual de NITROGÊNIO
S - Teor percentual de ENXÔFRE

EXEMPLO 1

[26] Um primeiro experimento foi conduzido em laboratório para a produção de um piche mesofásico com 87% de mesofase, conforme ensinado no documento US 4,209,500 usado como referência. Utilizando-se um reator de 1,2 litros com capacidade para 700g de piche, foi empregado como borbulhador um tubo simples mergulhado no piche, cuja vazão de gás inerte (nitrogênio) foi de 5L/min (equivalente a 6,87 scfh/pound) por um período de tempo de 60 minutos.

[27] No entanto, empregando-se um reator experimental de 3,8 litros, com capacidade para 2500g de piche, a vazão de gás inerte precisou ser aumentada para 25L/min (equivalente a 9,61 scfh/pound) conforme valores sugeridos na referência, havendo com o aumento da vazão a produção de piches mesofásicos fiáveis Extrapolando estes valores para uma escala industrial, verifica-se que são valores bastante elevados e que oneram significativamente o processo.

[28] A tentativa de se empregar vazões mais baixas provocou a separação de fases dentro do reator, produzindo um piche mesofásico com características elásticas impossível de ser fiado.

[29] Os parâmetros físico-químicos do piche isotrópico de partida estão apresentados na tabela 1 e os resultados da análise de CHNS do mesmo piche na tabela 2. Na tabela 3 e na tabela 4 estão apresentados, respectivamente, os resultados físico-químicos e de CHNS para o piche mesofásico produzido.

EXEMPLO 2

[30] O experimento descrito no exemplo 1 foi repetido utilizando-se borbulhadores especialmente desenvolvidos para a invenção, com o objetivo de melhor distribuir e reduzir a vazão de gás inerte para valores menores do que os sugeridos pelo documento US4209500 (na faixa de 4 a 10 scfh/Pound de piche, ou o equivalente a 4,16 a 10,4 litros/min por kg de piche). Ficou estabelecido como base para o teste, um tempo de tratamento de no máximo 90 minutos a um patamar de temperatura de 430°C.

[31] Inicialmente foi utilizado o primeiro tipo de borbulhador desenvolvido para a invenção, o qual é mostrado na Figura 1. Para aplicação no experimento, foi confeccionado um borbulhador com um tubo de 1/4 de polegada (0,63 cm) de diâmetro com quatro furos de 1mm no anel circular, voltados para cima. O borbulhador foi imerso no piche até a altura do agitador. O experimento foi realizado em um reator de 3,8 litros com capacidade para 2500g de piche, na temperatura de 430°C por um tempo de 60 minutos com vazão de 5,77 scfh/pound (valor ainda compreendido na faixa de valores do documento US 4209500 da referência). Com a utilização deste tipo de borbulhador foram produzidos piches fiáveis. Os parâmetros físico-químicos do piche isotrópico de partida estão apresentados na tabela 5 e os resultados da análise de CHNS do mesmo piche na tabela 6. Na tabela 7 e na tabela 8 estão apresentados, respectivamente, os resultados físico-químicos e de CHNS para o piche mesofásico produzido.

EXEMPLO 3

[32] Neste experimento foi utilizado o segundo tipo de borbulhador desenvolvido para a invenção, o qual é mostrado na Figura 2. Foi confeccionado um borbulhador com um tubo de 1/4 de polegada de diâmetro com três furos no anel circular, voltados para cima, nos quais foram instalados ejetores do tipo Venturi. O experimento foi realizado em temperatura na faixa de 350°C até um patamar de 430°C, permanecendo neste patamar por um tempo de 90 minutos, com vazão de 2,0 L/min por Kg de piche (equivalente a 1,9 scfh/pound), que corresponde à metade do valor sugerido no documento US 4209500. Foi obtido um piche mesofásico com 93% de mesofase com características que permitem fazer sua fiação contínua.

[33] Os parâmetros físico-químicos do piche isotrópico de partida estão apresentados na tabela 9 e os resultados da análise de CHNS do mesmo piche na tabela 10. Na tabela 11 e na tabela 12 estão apresentados, respectivamente, os resultados físico-químicos e de CHNS para o piche mesofásico produzido.

[34] Apesar deste resultado promissor foram realizados novos experimentos, empregando-se maior escala, de modo que se possa comprovar que com uma menor vazão de gás inerte é possível a produção de um piche mesofásico com características que permitem a sua fiação contínua.

EXEMPLO 4

[35] Foi utilizado como matéria-prima um piche isotrópico com as características físico-químicas mostradas na tabela 13 e os valores obtidos para CHNS na tabela 14, abaixo:

[36] Em um reator de 75 litros foram colocados 64kg do piche isotrópico mencionado acima, e o aquecimento foi iniciado com a temperatura das resistências do reator reguladas para 250°C para permitir o lento amolecimento do piche. Em seguida, a temperatura das resistências do reator foi então elevada para 700°C e a tampa foi posicionada para fazer o fechamento do reator. A agitação foi acionada com a temperatura interna em 250°C e foi iniciado o borbulhamento de nitrogênio com uma vazão de 20 litros/min para prevenir o entupimento do borbulhador. Com a temperatura interna em 350°C, a vazão do borbulhamento de nitrogênio passou para 40 litros/min usando o primeiro tipo de borbulhador especial (100) desenvolvido para a invenção, com sete furos.

[37] Cabe lembrar que de acordo com a patente US4209500 usada para fins de comparação, para esta massa de material a vazão mínima prevista seria de 262 litros/min.

[38] A chegada ao patamar de temperatura de 430°C ocorreu após mais 65 minutos de aquecimento. O material ficou no patamar de temperatura de 430°C por uma hora e trinta minutos, quando então o piche foi descarregado. Ao final foram recolhidos 39 kg de um piche mesofásico (60,9%), sem precipitação de fase, cujo resultado da análise físico-química pode ser visto na tabela 15 e da análise de CHNS na tabela 16.

[39] Este piche fiou continuamente por uma matriz de 12 furos.

EXEMPLO 5

[40] Foi utilizado como matéria-prima um piche isotrópico com as características físico-químicas mostradas na tabela 17 e com os resultados de CHNS mostrados na tabela 18, abaixo. A fim de que se possa melhor comparar os resultados obtidos com os experimentos empregando os borbulhadores desenvolvidos, sendo que o piche com estas mesmas características foi utilizado como matéria-prima nos demais exemplos que se seguem.

[41] Em um reator de 3,8 litros foram colocados 2,5kg do piche isotrópico, que foi alimentado no reator na forma sólida e em seguida foi fundido para permitir o fechamento do reator. A vazão de nitrogênio de 3 litros/min foi mantida desde o início do aquecimento desde o início do aquecimento para prevenir o entupimento do borbulhador. Com 52 minutos de aquecimento e temperatura de 250°C, a agitação foi ligada. O borbulhamento com nitrogênio, usando o primeiro tipo de borbulhador especial (100) desenvolvido para a invenção, com quatro furos, com uma vazão de 5 litros/min, começou com 73 minutos de aquecimento na temperatura de 350°C. De acordo com a patente US4209500 usada para fins de comparação, para esta massa de material a vazão mínima prevista seria de 10,25 litros/min.

[42] A chegada ao patamar ocorreu com 104 minutos de aquecimento. O piche ficou 95 minutos no patamar de 430°C e foi descarregado. Foram obtidos 1308,2g (52,3%) de piche fiável e sem precipitação de fase. O resultado da análise físico-química está mostrado na tabela 19 , enquanto o resultado da análise de CHNS está mostrado na tabela 20, a seguir:

[43] A fibra de carbono produzida, após estabilização e carbonização a 1500°C apresentou uma resistência à tração de 2,9GPa e módulo de Young de 400GPa.

EXEMPLO 6

[44] Em um reator de 3,8 litros foram colocados 2,5kg do mesmo piche isotrópico do exemplo anterior, que foi alimentado no reator na forma sólida e em seguida foi fundido para permitir o fechamento do reator. A vazão de nitrogênio de 3 litros/min foi mantida desde o início do aquecimento para prevenir o entupimento do borbulhador. Com 51 minutos de aquecimento e temperatura de 250°C, a agitação foi ligada. O borbulhamento com nitrogênio foi realizado usando o segundo tipo de borbulhador especial (200) desenvolvido para a invenção, provido com ejetores, com vazão de 5 litros/min, ao invés dos 10,25 litros/min mínimos previstos no documento usado como referência para comparação, e começou com 71 minutos de aquecimento na temperatura de 350°C. A chegada ao patamar ocorreu com 104 minutos de aquecimento. O piche ficou 85 minutos no patamar de 430°C e foi descarregado. Foram obtidos 1274,0g (51,0%) de piche fiável e sem precipitação de fase. O resultado da análise físico-química é mostrado na tabela21 e o da análise de CHNS na tabela 22:

[45] A fibra de carbono produzida, após estabilização e carbonização a 1500°C apresentou uma resistência à tração de 3GPa e um módulo de Young de 420GPa.

EXEMPLO 7

[46] Em um reator de 3,8 litros foram colocados 2,5kg do mesmo piche isotrópico do exemplo anterior, que foi alimentado no reator na forma sólida e em seguida foi fundido para permitir o fechamento do reator. A vazão de nitrogênio de 3 litros/min foi mantida desde o início do aquecimento para prevenir o entupimento do borbulhador. Com 50 minutos de aquecimento e temperatura de 250°C, a agitação foi ligada. O borbulhamento com nitrogênio, usando os ejetores, com vazão de 4 litros/min (ao invés dos 10,25 litros/min mínimos previstos na referência), começou com 71 minutos de aquecimento na temperatura de 350°C. A chegada ao patamar ocorreu com 100 minutos de aquecimento. O piche ficou 95 minutos no patamar de 430°C e foi descarregado. Foram obtidos 1342,9g (53,7%) de piche fiável e sem precipitação de fase cuja análise físico-química apresentou o resultado mostrado na tabela 23 e o resultado da análise de CHNS mostrado na tabela 24 :

[47] A fibra de carbono produzida, após estabilização e carbonização a 1500°C apresentou resistência à tração de 2,7GPa e módulo de Young de 380GPa.

EXEMPLO 8

[48] E m um reator de 3,8 litros foram colocados 2,5kg do mesmo piche isotrópico do exemplo anterior, que foi alimentado no reator na forma sólida e em seguida foi fundido para permitir o fechamento do reator. A vazão de nitrogênio de 3 litros/min foi mantida desde o início do aquecimento para prevenir o entupimento do borbulhador. Com 50 minutos de aquecimento e temperatura de 250°C, a agitação foi ligada. O borbulhamento com nitrogênio, usando os ejetores, com vazão de 4 litros/min, (ao invés dos 10,25 litros/min mínimos previstos na referência), começou com 71 minutos de aquecimento na temperatura de 350°C. A chegada ao patamar ocorreu com 104 minutos de aquecimento. O piche ficou 95 minutos no patamar de 430°C e foi descarregado. Foram obtidos 1336,0g (53,4%) de piche fiável e sem precipitação de fase, cuja análise físico-química apresentou o resultado mostrado na tabela 25 enquanto o resultado da análise de CHNS está mostrado na tabela 26:

EXEMPLO 9

[49] Em um reator de 3,8 litros foram colocados 2,5kg do mesmo piche isotrópico do exemplo anterior, que foi alimentado no reator na forma sólida forma sólida e em seguida foi fundido para permitir o fechamento do reator. A vazão de nitrogênio de 3 litros/min foi mantida desde o início do aquecimento para prevenir o entupimento do borbulhador. Com 53 minutos de aquecimento e temperatura de 250°C, a agitação foi ligada. O borbulhamento com nitrogênio, usando a haste com quatro furos, com vazão de 4 litros/min começou com 73 minutos de aquecimento na temperatura de 350°C. A chegada ao patamar ocorreu com 105 minutos de aquecimento. O piche ficou 95 minutos no patamar de 430°C e foi descarregado. Foram obtidos 1395,3g (55,8%) de piche cuja análise físico-química apresentou o resultado mostrado na tabela 27 enquanto a análise de CHNS apresentou o resultado mostrado na tabela 28:

[50] Os Exemplos 8 e 9, nos quais o tempo de patamar de 95 minutos e a vazão de nitrogênio reduzida para 4 litros/min foram mantidos, podem ser comparados para observar a diferença entre o uso dos tipos de borbulhadores: de haste com quatro furos e de haste com os ejetores.

[51] Comparando-se apenas estes dois últimos experimentos observa-se que o piche produzido com o uso dos ejetores apresentou valor mais elevado para o ponto de amolecimento (PA) e para a anisotropia, mantidas as mesmas condições de processamento. Isso indica que o uso dos ejetores acelera a saída dos compostos indesejáveis responsáveis pela “vulcanização” e precipitação das fases, permitindo ou a redução do tempo do tratamento térmico ou a produção de um piche com propriedades mais elevadas, no mesmo tempo de tratamento térmico.

[52] Fica demonstrado, portanto, que a produção de um piche mesofásico (no entorno de 80% de mesofase) capaz de ser fiado continuamente torna-se viável com o uso dos borbulhadores da invenção, que promovem uma eficiente distribuição de gás no seio do material.

[53] A invenção foi descrita de acordo com uma forma de realização preferida. Porém deve ficar claro que adequações podem ser feitas pelos especialistas na matéria, sem fugir de seu conceito inventivo, o qual é limitado apenas pelo seu quadro reivindicatório.

Claims

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS caracterizado por compreender a seguintes etapas:
- - introduzir uma carga constituída por um piche de petróleo isotrópico, em um reator dotado de pelo menos um borbulhador e um agitador;
- - submeter a carga a uma primeira etapa de aquecimento, até uma temperatura de 250°C e iniciar a agitação, sob uma vazão de gás inerte entre 0,3 a 1,2L/min por kg de piche;
- - submeter a carga a uma segunda etapa de aquecimento até uma temperatura de 350°C, sob agitação e elevar a vazão de gás inerte para a faixa entre 0,40 e 4,00L/min por kg de piche;
- - submeter a carga a uma terceira etapa de aquecimento, até uma temperatura de 430°C, sob agitação e vazão de gás inerte entre 0,40 e 4,00L/min por kg de piche e manter esta temperatura durante um período de tempo, variando de 30 a 120 minutos, de forma a promover a formação de um piche mesofásico fiável.
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o piche isotrópico ter densidade entre 1,200 e 1,300, além de anisotropia de até 10%.
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o borbulhador compreender uma tubulação (101), de pequeno diâmetro, dobrada de modo a constituir uma primeira porção em forma haste vertical (102), a qual penetra no interior do reator até a altura de seu agitador, e uma segunda porção em forma de anel circular fechado (103), formando um ângulo de 90° em relação à haste vertical (102) e provida com pequenos furos (104) distribuídos na superfície superior do referido anel, para liberação controlada do gás inerte a ser introduzido no reator; na extremidade da haste vertical é instalado um bocal (105) para conexão à fonte de gás inerte.
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o borbulhador compreender uma tubulação (201), de pequeno diâmetro, dobrada de modo a constituir uma primeira porção em forma haste vertical (202), a qual penetra no interior do reator até a altura de seu agitador, e uma segunda porção em forma de anel circular fechado (203), formando um angulo de 90° em relação à haste vertical (202) e provida com pequenos furos (204) distribuídos na superfície superior do referido anel, para liberação controlada do gás inerte a ser introduzido no reator, sendo que em cada furo (204) é instalado um ejetor (205) do tipo "venturi"; o ejetor (205) é provido com um furo lateral (206), através do qual o piche é sugado; na extremidade da haste vertical é instalado um bocal (207) para conexão à fonte de gás inerte.
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o piche mesofásico de petróleo produzido ter teor de mesofase acima de 70%, adequado para fiação contínua.
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por produzir filamentos de carbono com resistência a tração da ordem de 3 GPa e alto modulo de Young acima de 400 GPa.
PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE CARBONO CONTÍNUAS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o piche mesofásico de petróleo produzido ter teor de S abaixo de 0,95%, adequado para fiação contínua.