Processo Acheson - Acheson process
O processo de Acheson foi inventado por Edward Goodrich Acheson para sintetizar carboneto de silício (SiC) e grafite .
Processar
O processo consiste no aquecimento de uma mistura de dióxido de silício (SiO 2 ), na forma de sílica ou areia de quartzo , e de carbono , em sua forma elementar como coque em pó , em uma tigela de ferro.
No forno, o dióxido de silício, que às vezes também contém outros aditivos, é derretido em torno de uma haste de grafite, que funciona como um núcleo. Uma corrente elétrica é passada pela grafite, que aquece a mistura a 1700–2500 ° C. O resultado da reação carbotérmica é uma camada de carboneto de silício (especialmente em suas fases alfa e beta) formando-se ao redor da haste e a emissão de monóxido de carbono (CO). Existem quatro reações químicas na produção de carboneto de silício:
- C + SiO 2 → SiO + CO
- SiO 2 + CO → SiO + CO 2
- C + CO 2 → 2CO
- SiO + 2 C → SiC + CO
Este processo geral é altamente endotérmico , com uma reação líquida
- SiO 2 + 3 C + 625,1 kJ → α-SiC + 2 CO
Descoberta
Em 1890, Acheson tentou sintetizar o diamante, mas acabou criando cristais azuis de carboneto de silício que chamou de carborundum . Ele descobriu que o silício evaporou quando superaquecido, deixando o grafite. Ele também descobriu que, ao começar com carbono em vez de carboneto de silício, a grafite era produzida apenas quando havia uma impureza, como a sílica, que resultaria na produção inicial de um carboneto. Ele patenteou o processo de fabricação de grafite em 1896. Depois de descobrir esse processo, Acheson desenvolveu um forno elétrico eficiente baseado em aquecimento resistivo , cujo design é a base da maior parte da fabricação de carboneto de silício atualmente.
Produção Comercial
A primeira usina comercial usando o processo Acheson foi construída pela Acheson em Niagara Falls, Nova York , onde usinas hidrelétricas próximas podiam produzir a baixo custo a energia necessária para o processo intensivo de energia. Em 1896, a The Carborundum Company estava produzindo 1 milhão de libras de carborundum. Muitas fábricas atuais de carboneto de silício usam o mesmo projeto básico da primeira fábrica de Acheson. Na primeira planta, serragem e sal foram adicionados à areia para controlar a pureza. A adição de sal foi eliminada na década de 1960, devido à corrosão das estruturas de aço. A adição de serragem foi interrompida em algumas fábricas para reduzir as emissões.
Para fabricar itens de grafite sintética, o pó de carbono e a sílica são misturados com um aglutinante, como o alcatrão, e cozidos após serem prensados em formas como eletrodos ou cadinhos. Eles são então circundados por carbono granulado atuando como um elemento resistivo que os aquece. No forno de grafitização longitudinal Castner mais eficiente, os itens a serem grafitados, por exemplo, hastes, são aquecidos diretamente, colocando-os longitudinalmente de ponta a ponta em contato com os eletrodos de carbono, de modo que a corrente flua através deles e o carbono granulado circundante atue como um isolante térmico, mas fora isso o forno é semelhante ao projeto de Acheson.
Para finalizar os itens, o processo é executado por aproximadamente 20 horas no 200 V com uma corrente inicial de 300 A ( 60 kW ) para um forno de aproximadamente 9 metros de comprimento por 35 cm de largura e 45 cm de profundidade, e a resistência diminui à medida que o carbono aquece devido a um coeficiente de temperatura negativo , fazendo com que a corrente aumente. O resfriamento leva semanas. A pureza do grafite alcançável usando o processo é de 99,5%.
Usos
O carboneto de silício era um material útil na fabricação de joias devido às suas propriedades abrasivas, e esta foi a primeira aplicação comercial do processo de Acheson.
Os primeiros diodos emissores de luz foram produzidos com carboneto de silício do processo Acheson. O uso potencial do carboneto de silício como semicondutor levou ao desenvolvimento do processo Lely , que foi baseado no processo de Acheson, mas permitiu o controle sobre a pureza dos cristais de carboneto de silício.
O grafite tornou-se valioso como lubrificante e para a produção de eletrodos de alta pureza.
Referências
Leitura adicional
- Cardarelli, François (2009-01-09). Manual de materiais: uma referência concisa para desktop . ISBN 978-1-84628-668-1 .
- Zetterling, Carl-Mikael; Engenheiros, Instituição de Eletricidade (01-11-2002). Tecnologia de processo para dispositivos de carboneto de silício . ISBN 978-0-85296-998-4 .
- Erwin, Douglas (17/05/2002). Projeto de processos químicos industriais . ISBN 978-0-07-137621-1 .
- Gupta, GS; Vasanth Kumar, P .; Rudolph, VR; Gupta, M. (2001). "Modelo de transferência de calor para o processo acheson". Metalúrgica e Transações Materiais A . 32 (6): 1301. doi : 10.1007 / s11661-001-0220-9 . S2CID 136826621 .