PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE PICHE DE PETRÓLEO MESOFÁSICO FIÁVEL VISANDO A PRODUÇÃO DE FIBRAS DE PROCESS FOR THE PRODUCTION OF RELIABLE MESOPHASIC OIL PICKLE FOR THE PRODUCTION OF
CARBONO CONTÍNUASCONTINUOUS CARBON
CAMPO DA INVENÇÃO FIELD OF INVENTION
[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. [1] The invention relates to a special process and device for producing continuous carbon fibers with high mechanical properties from heavy petroleum derivatives such as decanted oil, aromatic residue or any other mixture containing high aromatic hydrocarbon content. According to the process of the invention it is possible to obtain mesophasic oil tar with mesophase content above 70% to produce continuous carbon fibers from petroleum tar with suitable mechanical characteristics and at low cost.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION
[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. [2] Oil tar from heavy oil is made by heating and removing the lighter molecules by distillation. A tar with low molecular weight molecules, called isotropic tar, is initially formed, characterized by the absence of spheres or mesophasic regions, which behave similar to a liquid crystal. This isotropic tar is easily reliable producing carbon fibers of low mechanical properties which are commercially available.
[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). [3] Prolonged heating of the isotropic oil tar leads to the production of a tar with heavier molecules with large mesophasic regions, which is called an anesotropic / mesophasic tar. The higher the mesophase content produced in the tar, the higher the mechanical properties of the carbon fibers produced from the tar, and the lower the times and costs for its production in the following phases (stabilization and carbonization).
[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. [4] Producing a mesophasic tar (around 70% mesophase) that can be spun continuously has been a challenge technological because by increasing the mesophase content of an oil tar by heating, what is observed is the formation of two distinct phases that prevent this type of wiring.
[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: [5] In an attempt to resolve the issue, several cases have been proposed. However, due to the high production costs, they have become economically unviable for large scale application. By way of example, some patent documents may be cited:
[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 oxigénio 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 mícrons, 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. [6] US4005183 discloses a process for producing carbon fiber from a tar partially transformed into a liquid crystal called a "mesophasic state". Subsequently the pitch was spun and the fiber stabilized in an oxygen atmosphere becoming infusible, and then charred in an inert atmosphere. The mesophasic pitch, obtained from aromatic base pits, was heated to a temperature between 350 ° C and 450 ° C, which was maintained over a period of time to form small mesophase spheres, which grew in size with heat treatment time, coalesce and formed anisotropic domains up to hundreds of microns in size, depending on the initial pitch used. At a temperature of 350 ° C it would take at least one week for the percentage of mesophase to reach 40%. Already at a temperature between 400 ° C and 450 ° C the conversion would be much faster and the same percentage of mesophase could be reached in a time between 1 and 40 hours, such temperatures being preferred for this reason. After the mesophase percentage was reached, these mesophasic pits could be made into fibers by conventional melt spinning, centrifugal spinning and blow spinning techniques. In order to obtain uniform fibers the pitch obtained by this technique had to be stirred immediately before spinning to make a mixture of the immiscible isotropic (non-mesophasic) and mesophasic phases that formed the pitch. The pitch to be spun should preferably have between 45 and 65% mesophase with a viscosity 30 to 60 poises (3 to 6 Pa.s) at a spinning temperature between 340 ° C and 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 homogénea 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. [7] From this technological framework, other documents proposing improvements in the properties of the mesophasic phase were presented. Document US4209500 which reports 100% tar production prepared by passing an inert gas through an isotropic tar at a flow rate of between 4 and 10 scfh per pound of tar (equivalent to 4.16 and 10.4) may be considered relevant. liters / min per kg tar) during the heat treatment of the tar at temperatures between 380 ° C and 430 ° C. Heating should be done under constant stirring to produce a homogeneous emulsion of the mesophase with the remaining non-mesophasic fraction, stirring and heating maintained until a completely anisotropic pitch was obtained. According to the author, at a temperature of 430 ° C, where conversion of tar into mesophase is relatively fast, a very high gas flow rate would be required, while at 380 ° C, where conversion of tar is much slower, a flow Much lower gas pressure would be required to achieve the same result. The 100% mesophasic pits produced had softening point lower than 350 ° C and viscosity less than 20 Pas and 60% pyridine insoluble at 380 ° C, while the conventional 100% mesophasic pits produced without stirring and without gas passage inert would be 100% pyridine insoluble. The higher solubility of the pits produced with the high flow rate of the inert gas was believed to be due to their lower molecular weight. This technology was not applied commercially due to the high flow of inert gas required in the process.
[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. [8] Later documents emerged that taught the production of carbon fibers from mesophasic oil tar, pressure separation of mesophase, use of oxidizing gas, and solvent fractionation. Also the technology has not been commercially applied due to the high solvent volumes and production cost. [9] WO 2012/162766 teaches a process which allows the production of isotropic tar with high chemical characteristics and high yields. This isotropic tar when used as a production load of a mesophasic tar, allows to obtain a mesophasic tar with high levels of mesophase, that is, predominantly anisotropic.
[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. [10] To date, therefore, the market has had as its option only tar-derived carbon fibers made from tar tar or synthetic tar. Tar tar has been reduced in supply and avoided, especially in more developed countries, due to occupational and environmental health due to its harmful properties to the human organism and aggressive to nature. Synthetic tar is extremely expensive, so its production is reserved for application in extremely noble areas.
[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. [11] Thus the technique still lacks a process capable of producing continuous carbon fibers with high mechanical properties from heavy petroleum derivatives, which is the object of the invention presented herein.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO SUMMARY OF THE INVENTION
[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. [12] The present invention is a process for producing high mechanical strength continuous carbon fibers from oil tar containing high mesophase content (above 70%) which is obtained by controlled bubbling of a low flow inert gas of less than 4,00 L / min per kg tar within an isotropic tar also produced from heavy petroleum residue containing heteroatomic hydrocarbons. This tar produced when heated to about 80 ° C above its softening point produces only one liquid phase, allowing its continuous spinning and subsequent stabilization and carbonization.
[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. [13] The invention also contemplates the bubblers used in the present process which were specifically developed for provide the low flow rate required for the production of reliable high mesophase chisels.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[14] A Figura 1 mostra um primeiro tipo de borbulhador utilizado no processo da invenção. [14] Figure 1 shows a first type of bubbler used in the process of the invention.
[15] A Figura 2 mostra um segundo tipo de borbulhador, provido com ejetores, utilizado no processo da invenção. [15] Figure 2 shows a second type of nozzle-provided bubbler used in the process of the invention.
[16] A Figura 3 mostra detalhes dos ejetores utilizados no segundo tipo de borbulhador. [16] Figure 3 shows details of the nozzles used in the second type of bubbler.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[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%. [17] The reliable mesophasic tar production process described below applies to loads consisting of isotropic dies with a density between 1, 200 and 1, 300, and anisotropy of up to 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. [18] Broadly, the process is based on the use of low inert gas flow rates of less than 4.16 L / min per kg tar with the use of bubblers when producing mesophasic pits.
[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%. [19] The use of inert gas flow rates of less than 4.00 L / min per kg tar with bubblers promotes the removal of heteroatomic hydrocarbons, particularly polar, and especially sulfuric, from the reaction medium. to avoid undesirable chemical reactions during heating of the mesophasic tar. Such undesirable reactions resemble a kind of "vulcanization" in the oil tar, forming two phases, and increasing the elasticity of the tar, which ultimately prevents its continuous spinning. Reliable oil pits were produced with S contents below 0.95% and mesophase content above 70%.
[20] Assim, a presente invenção trata da produção de piche mesofásico fiável, dito processo incluindo as seguintes etapas: [20] Thus, the present invention addresses the production of reliable mesophasic pitch, said process including the following steps:
- 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; - introduce a charge consisting of an isotropic oil tar into a reactor with at least one bubbler and agitator; subjecting the filler to a first heating step to a temperature of 250 ° C and stirring under an inert gas flow rate of 0,3 to 1,2L / min per kg tar;
- 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. subjecting the charge to a second heating step to a temperature of 350 ° C under agitation and raising the inert gas flow to the range between 0,40 and 4,00L / min per kg tar.
- 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; subject the charge to a third heating step to a temperature of 430 ° C under agitation and inert gas flow in the range 0.40 to 4.00L / min per kg tar and maintain this temperature for a period of time, ranging from 30 to 120 minutes, to promote the formation of a reliable mesophasic pitch;
[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. [21] To ensure a good distribution of inert gas within the material, and the low gas flows required for the process of the present invention, two bubblers were developed.
[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. [22] Thus, a first bubbler (100) developed for application in the process of the invention is shown in Figure 1. It basically comprises a small diameter pipe (101), bent to form a first vertical rod-shaped portion (102). ), which penetrates into the reactor to the height of its stirrer (not shown in the figure), and a second closed circular ring-shaped portion (103), forming an angle of 90 ° to the vertical rod (102) and provided with small holes (104) distributed in the upper surface of said ring for controlled release of inert gas to be introduced into the reactor. At the end of the vertical rod a nozzle (105) is installed for connection to the inert gas source.
[23] Este primeiro borbulhador foi testado em laboratório, alcançando um bom desempenho, conforme será demonstrado mais adiante nos exemplos. [23] This first bubbler was tested in the lab, performing well, as will be shown later in the examples.
[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. [24] In order to improve the gas / liquid ratio in the reaction medium a second bubbler (200), shown in Figure 2, was also developed for application in the process of the invention. Similar to the first bubbler, it basically comprises a small diameter pipe 201 bent to form a first vertical rod-shaped portion 202 which penetrates into the reactor to the height of its stirrer (not shown). in the figure), and a second closed circular ring-shaped portion (203) at an angle of 90 ° to the vertical rod (202) and provided with small holes (204) distributed in the upper surface of said ring for release. inert gas to be introduced into the reactor, and in each hole (204) a venturi ejector (205) is installed. This type of ejector creates a depression when high-speed gas passes through your throat which can be used to suck the material being processed into it. Thus, the ejector 205 is provided with a side bore 206 through which the pitch is sucked, optimizing the efficiency of the gas / liquid mixture. At the end of the rod a nozzle (207) is installed for connection to the inert gas source (not shown in Figure 2). An ejector is shown in detail in Figure 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. The following examples correspond to laboratory scale experiments without limiting the scope of the reliable mesophasic pitch production process, described in detail hereinafter.
EXEMPLOS EXAMPLES
[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. [25] The following comparative examples demonstrate that low and well-distributed inert gas flow rates are sufficient to produce mesophasic tar filaments of uniform characteristics.
Nas tabelas apresentadas nos exemplos abaixo, tem-se que: The tables presented in the examples below have:
Onde: Where:
IT = insolúveis em tolueno IT = insoluble in toluene
Inmp = insolúveis em N-metilpirrolidinona Inmp = N-methylpyrrolidinone insoluble
IQ = insolúveis em quinolina IQ = quinoline insoluble
VC = valor de coqueificação CV = coking value
D = massa específica
PA = ponto de amolecimento D = specific mass PA = softening point
Aniso = anisotropia Aniso = anisotropy
C - Teor percentual de CARBONO C - Percentage content of CARBON
H - Teor percentual de HIDROGÉNIO H - Hydrogen percentage content
N - Teor percentual de NITROGÉNIO N - NITROGEN percentage content
S - Teor percentual de ENXÔFRE S - Sulfur percentage content
EXEMPLO 1 EXAMPLE 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 (nitrogénio) foi de 5L/min (equivalente a 6,87 scfh/pound) por um período de tempo de 60 minutos. [26] A first experiment was conducted in the laboratory to produce an 87% mesophase mesophasic pitch, as taught in US 4,209,500 as a reference. Using a 1.2 liter 700g tar reactor, a single tube dipped into the tar was used as a bubbler, whose inert gas (nitrogen) flow rate was 5L / min (equivalent to 6.87 scfh / pound). ) for a time period of 60 minutes.
[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. [27] However, using a 3.8 liter tar reactor with 2500g tar capacity, the inert gas flow needed to be increased to 25L / min (equivalent to 9.61 scfh / pound) as suggested. In the reference, with the increase of the flow the production of reliable mesophasic pits Extrapolating these values to an industrial scale, it is verified that they are quite high values and that significantly cost the process.
[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. [28] Attempting to employ lower flow rates caused phase separation within the reactor, producing a mesophasic pitch with elastic characteristics that could not be spun.
[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.
TABELA 1 [29] The physicochemical parameters of the starting isotropic tar are shown in table 1 and the results of CHNS analysis of the same tar in table 2. Table 3 and table 4 show respectively the physicochemical and CHNS for the mesophasic tar produced. TABLE 1
TABELA 2 TABLE 2
TABELA 3 TABLE 3
TABELA 4 TABLE 4
EXEMPLO 2 EXAMPLE 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. [30] The experiment described in example 1 was repeated using bubblers specially developed for the invention in order to better distribute and reduce inert gas flow to values lower than those suggested by US4209500 (in the range 4 to 4). 10 scfh / Pound of tar, or the equivalent of 4.16 to 10.4 liters / min per kg of tar). A treatment time of up to 90 minutes at a temperature range of 430 ° C was established as the basis for the test.
[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. [31] The first type of bubbler developed was initially used. For the invention, which is shown in Figure 1. For application in the experiment, a bubbler with a 1/4 inch (0.63 cm) diameter tube with four 1mm holes in the circular ring, facing upwards, was made. . The bubbler was immersed in the tar to the height of the stirrer. The experiment was carried out in a 3.8 liter tar reactor with a capacity of 2500g tar at a temperature of 430 ° C for a time of 60 minutes with a flow rate of 5.77 scfh / pound (value still within the document value range). US 4209500 from reference). With the use of this type of bubbler reliable pits have been produced. The physicochemical parameters of the starting isotropic tar are presented in table 5 and the results of CHNS analysis of the same tar in table 6. Table 7 and table 8 show, respectively, the physicochemical and CHNS results for the mesophasic tar produced.
TABELA 5 TABLE 5
TABELA 6 TABLE 6
TABELA 7 TABLE 7
Piche IT(%) INMP IQ (%) VC (%) PA D Aniso mesofásico (%) (°C) (g/cm3) (%) Tar IT (%) INMP IQ (%) CV (%) PA D Mesophasic anise (%) (° C) (g / cm 3 ) (%)
66,7 53,1 50,9 90 321 1,296 89
TABELA 8 66.7 53.1 50.9 90 321 1.296 89 TABLE 8
EXEMPLO 3 EXAMPLE 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. [32] In this experiment the second type of bubbler developed for the invention was used, which is shown in Figure 2. A bubbler with a 1/4 inch diameter tube with three holes in the circular ring facing upwards was made. , in which Venturi type ejectors were installed. The experiment was carried out at a temperature in the range of 350 ° C to a level of 430 ° C, remaining at this level for a time of 90 minutes, with a flow rate of 2.0 L / min per kg of tar (equivalent to 1.9 scfh / pound), which is half the value suggested in US 4209500. A mesophasic pitch with 93% mesophase has been obtained with characteristics that allow it to be continuously wired.
[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. [33] The physicochemical parameters of the starting isotropic tar are shown in table 9 and the results of CHNS analysis of the same tar in table 10. Table 11 and table 12 show respectively the physicochemical and CHNS for the mesophasic tar produced.
TABELA 9 TABLE 9
Piche IT (%) INMP IQ (%) VC (%) PA (°C) D Aniso isotrópico (%) (g/cm3) (%) Tar IT (%) INMP IQ (%) CV (%) PA (° C) D Isotropic Aniso (%) (g / cm 3 ) (%)
20,7 7,7 3,5 45 86,2 1,218 5
TABELA 10 20.7 7.7 3.5 45 86.2 1.218 5 TABLE 10
TABELA 12 TABLE 12
[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. [34] Despite this promising result, further experiments were carried out using a larger scale, so that it can be proved that with a lower flow of inert gas it is possible to produce a mesophasic pitch with characteristics that allow its continuous wiring.
EXEMPLO 4 EXAMPLE 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: [35] An isotropic tar with the physicochemical characteristics shown in table 13 and the values for CHNS in table 14 below was used as raw material:
TABELA 13 TABLE 13
IT Inmp IQ VC n PA Aniso u IT Inmp IQ VC n PA Aniso u
Piche (%) (%) (%) (%) (°C) (%) isotrópico 26,7 12,28 6,7 52 1 ,277 105 48
TABELA 14 Tar (%) (%) (%) (%) (° C) (%) Isotropic 26.7 12.28 6.7 52 1, 277 105 48 TABLE 14
[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 nitrogénio 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 nitrogénio passou para 40 litros/min usando o primeiro tipo de borbulhador especial (100) desenvolvido para a invenção, com sete furos. [36] In a 75 liter reactor, 64kg of the isotropic tar mentioned above was placed, and heating was started with the temperature of the reactor resistances set to 250 ° C to allow the tar to soften slowly. Then the temperature of the reactor resistances was then raised to 700 ° C and the lid was positioned to close the reactor. Stirring was started with the internal temperature at 250 ° C and nitrogen bubbling with a flow rate of 20 liters / min was started to prevent clogging of the bubbler. With the internal temperature at 350 ° C, the nitrogen bubbling flow rate increased to 40 liters / min using the first special type of bubbler (100) developed for the invention with seven holes.
[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. [37] It should be noted that according to US4209500 patent used for comparison purposes, for this mass of material the minimum expected flow rate would be 262 liters / 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. [38] The temperature reached 430 ° C after 65 minutes of warming up. The material was at 430 ° C for one hour and thirty minutes, when the tar was discharged. At the end, 39 kg of a mesophasic tar (60.9%) were collected, without phase precipitation, whose result of the physicochemical analysis can be seen in table 15 and CHNS analysis in table 16.
TABELA 15 TABLE 15
IT Inmp IQ VC PA Aniso IT Inmp IQ VC PA Aniso
D D
Piche (%) (%) (%) (%) (°C) (%) mesofásico 69,9 65,0 63,4 86 1 ,340 273 86
TABELA 16
Tar (%) (%) (%) (%) (° C) (%) Mesophasic 69.9 65.0 63.4 86 1, 340 273 86 TABLE 16
[39] Este piche fiou continuamente por uma matriz de 12 furos. [39] This tar spun continuously through a 12 hole array.
EXEMPLO 5 EXAMPLE 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. [40] An isotropic tar with the physicochemical characteristics shown in table 17 and the CHNS results shown in table 18 below was used as raw material. In order to better compare the results obtained with the experiments using the bubblers developed, and the tar with these same characteristics was used as raw material in the following examples.
TABELA 17 TABLE 17
TABELA 18 TABLE 18
[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 nitrogénio 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 nitrogénio, 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. [41] In a 3.8 liter reactor was placed 2.5kg of isotropic tar, which was fed into the reactor in solid form and then fused to allow the reactor to close. Nitrogen flow of 3 liters / min was maintained from the start of heating to the start of heating to prevent bubbler clogging. With 52 minutes of heating and a temperature of 250 ° C, stirring was switched on. THE Nitrogen bubbling, using the first type of special bubbler (100) developed for the invention, with four holes with a flow rate of 5 liters / min, began with 73 minutes of heating at 350 ° C. According to US4209500 used for comparison purposes, for this mass of material the expected minimum flow rate would be 10.25 liters / 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: [42] The landing reached 104 minutes of warm-up. The tar was 95 minutes at the 430 ° C level and was discharged. 1308.2g (52.3%) of reliable pitch and no phase precipitation were obtained. The result of physicochemical analysis is shown in table 19, while the result of CHNS analysis is shown in table 20 below:
TABELA 19 TABLE 19
[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. [43] The carbon fiber produced after stabilization and carbonization at 1500 ° C had a tensile strength of 2.9GPa and Young's modulus of 400GPa.
EXEMPLO 6 EXAMPLE 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 nitrogénio 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 nitrogénio 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, Og (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: [44] In a 3.8 liter reactor were placed 2.5kg of the same isotropic tar from the previous example, which was fed into the reactor in solid form and then fused to allow the reactor to close. Nitrogen flow of 3 liters / min was maintained from the start of heating to prevent bubbler clogging. With 51 minutes heating and temperature of 250 ° C, stirring was switched on. Nitrogen bubbling was performed using the second special type of bubbler (200) developed for the invention, provided with ejectors, with a flow rate of 5 liters / min, rather than the minimum 10.25 liters / min provided in the reference document. comparison, and started with 71 minutes of heating at 350 ° C. Arrival at the landing occurred with 104 minutes of warm-up. The tar was 85 minutes at the 430 ° C level and was discharged. 1274.00 g (51.0%) of reliable pitch and no phase precipitation were obtained. The result of the physicochemical analysis is shown in table21 and the CHNS analysis result in table 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. [45] The carbon fiber produced after stabilization and carbonization at 1500 ° C had a tensile strength of 3GPa and a Young modulus of 420GPa.
EXEMPLO 7 EXAMPLE 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 nitrogénio 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 nitrogénio, 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 : [46] In a 3.8 liter reactor were placed 2.5kg of the same isotropic tar from the previous example, which was fed into the reactor in solid form and then fused to allow the reactor to close. Nitrogen flow of 3 liters / min was maintained from the start of heating to prevent bubbler clogging. With 50 minutes of heating and temperature of 250 ° C, stirring was switched on. THE Nitrogen bubbling using the ejectors at a flow rate of 4 liters / min (instead of the minimum 10.25 liters / min provided for in the reference) began with 71 minutes of heating at 350 ° C. Arrival at the landing occurred with 100 minutes of warm-up. The tar was 95 minutes at the 430 ° C level and was discharged. 1342.9g (53.7%) of reliable tar without phase precipitation were obtained whose physicochemical analysis presented the result shown in table 23 and the result of CHNS analysis shown in table 24:
TABELA 23 TABLE 23
[47] A fibra de carbono produzida, após estabilização e carbonização a 500°C apresentou resistência à tração de 2,7GPa e módulo de Young de 380GPa. [47] Carbon fiber produced after stabilization and carbonization at 500 ° C showed tensile strength of 2.7GPa and Young modulus of 380GPa.
EXEMPLO 8 EXAMPLE 8
[48] 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 nitrogénio 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 nitrogénio, 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: [48] In a 3.8 liter reactor were placed 2.5kg of the same isotropic tar from the previous example, which was fed into the reactor in solid form and then fused to allow the reactor to close. Nitrogen flow of 3 liters / min was maintained from the start of heating to prevent bubbler clogging. With 50 minutes of heating and temperature of 250 ° C, stirring was switched on. Nitrogen bubbling using the nozzles at a flow rate of 4 liters / min (instead of the minimum 10.25 liters / min provided in the reference), began with 71 minutes of heating at 350 ° C. Arrival at the landing occurred with 104 minutes of warm-up. The tar was 95 minutes at the 430 ° C level and was discharged. 1336.0g (53.4%) of reliable tar without phase precipitation were obtained, whose physicochemical analysis presented the result shown in table 25 while the result of CHNS analysis is shown in table 26:
EXEMPLO 9 EXAMPLE 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 nitrogénio 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 nitrogénio, 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:
TABELA 27 [49] In a 3.8 liter reactor were placed 2.5kg of the same isotropic tar from the previous example, which was fed into the reactor in solid form solid and then fused to allow the reactor to close. Nitrogen flow of 3 liters / min was maintained from the start of heating to prevent bubbler clogging. With 53 minutes of heating and a temperature of 250 ° C, stirring was switched on. Nitrogen bubbling using the four-hole stem with a flow rate of 4 liters / min began with 73 minutes of heating at 350 ° C. Arrival at the landing took place with 105 minutes of warm-up. The tar was 95 minutes at the 430 ° C level and was discharged. 1395.3g (55.8%) of tar were obtained whose physicochemical analysis presented the result shown in table 27 while the CHNS analysis presented the result shown in table 28: TABLE 27
[50] Os Exemplos 8 e 9, nos quais o tempo de patamar de 95 minutos e a vazão de nitrogénio 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. [50] Examples 8 and 9, in which the 95-minute threshold time and the reduced nitrogen flow to 4 liters / min were maintained, can be compared to note the difference between the use of the bubbler stem types: four holes and rod with the ejectors.
[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. [51] Comparing only these last two experiments, it is observed that the pitch produced using the ejectors presented the highest value for softening point (PA) and anisotropy, maintaining the same processing conditions. This indicates that the use of ejectors accelerates the release of undesirable compounds responsible for phase "vulcanization" and precipitation, allowing either the reduction of heat treatment time or the production of a tar with higher properties at the same time as heat treatment.
[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. [52] It is therefore demonstrated that the production of a mesophasic tar (around 80% mesophase) capable of being continuously spun becomes feasible with the use of the inventive bubblers, which promote efficient gas distribution within of 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.
[53] The invention has been described according to a preferred embodiment. However, it should be made clear that adjustments can be made by those skilled in the art without departing from their inventive concept, which is limited only by their claim framework.