Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Retido.pdf: 19733 bytes, checksum: 6aad255badc436a06364517de2344ab6 (MD5) Previous issue date: 2013-09-24 / Universidade Federal de Sao Carlos / In the petrochemical industry gasoline and LPG are produced in the fluid catalytic cracking unit (FCCU). The cracking occurs by the contact of crude oil with fluidized fine particles of a ceramic catalyst. The process profitability is strongly related to a reduced number of the FCCU maintenance halts. In this sense, the refractory material performance is a key factor to increase the equipment working life. Nowadays, in the refractory market, castables specially designed for FCCU are not common. One aspect that induces this scenario is the difficulty to attain optimized properties in the temperature range compatible with the process conditions, not above 900ºC. One alternative to solve this problem is the addition of nanometric size particles in the castables composition. This can be carried out by replacing calcium aluminate cement (CAC) by colloidal silica. The high specific surface area provides an increase in the system reactivity, resulting in high mechanical resistance during the refractory firing step. Another possibility is the use of sintering additives which can help the densification at low temperatures. The synergism between nanoparticles reactivity and sintering effectiveness allows the development of high-performance nanobonded antierosive castables. In this context, colloidal silica bonded castables containing tabular alumina, fused silica or mullite grog and specific sintering additives were designed for FCCU riser application. Compared with the commercial reference products currently used by Brazilian petrochemical industry, the nanobonded materials presented superior performance for the main usual properties. Based on this novel technology an innovative mullite grog self-flow castable was developed. This material associates an intermediate apparent density value, between the tabular alumina and fused silica ones, with a low thermal conductivity and high thermal shock resistance. / Na indústria petroquímica, a unidade de craqueamento catalítico fluido (UFCC) é responsável pela produção de gasolina e GLP. Nestas unidades, o craqueamento ocorre pela quebra de moléculas de hidrocarbonetos quando em contato com partículas fluidizadas de um catalisador. A rentabilidade deste processo está fortemente relacionada aos esforços em se minimizar as paradas de produção. Neste sentido, o desempenho do material refratário é um fator importante para o aumento da vida útil. Atualmente, no mercado de refratários, ainda são raros os concretos especialmente projetados para uso em UFCC. Um fator que contribui para esta situação é a dificuldade em se obter propriedades otimizadas em temperaturas compatíveis com as de operação, que são inferiores a 900ºC. Uma alternativa para solucionar este problema é a incorporação de partículas nanométricas na composição dos concretos. Isto pode ser feito pela utilização de um ligante nanoestruturado em substituição ao cimento de aluminato de cálcio (CAC), tal como a sílica coloidal. A elevada área superficial proporciona um aumento da reatividade do sistema o que, consequentemente, resulta na obtenção de maiores níveis de resistência mecânica durante a etapa de queima do material. Outra possibilidade consiste no uso de aditivos sinterizantes que possam favorecer a densificação em baixa temperatura. O sinergismo entre a maior reatividade das partículas nanométricas com a capacidade de sinterização possibilita o desenvolvimento de materiais antierosivos de elevado desempenho. Diante deste contexto, foram projetados concretos ligados com sílica coloidal para os sistemas a base de alumina tabular, sílica fundida e chamote mulítico, visando a aplicação em riser de UFCC. Verificou-se que o desempenho dos materiais desenvolvidos foi muito superior ao dos produtos comerciais utilizados atualmente pela indústria petroquímica brasileira. Com base nesta nova tecnologia, uma solução inovadora foi o desenvolvimento de um concreto autoescoante a base de um agregado mulítico. Este material associa uma baixa densidade aparente, intermediária entre a alumina tabular e a sílica fundida, com baixa condutividade térmica e elevada resistência ao choque térmico.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:11:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2683.pdf: 5804915 bytes, checksum: 7fd1e27874105b5205f405e029b48011 (MD5) Previous issue date: 2009-03-03 / Universidade Federal de Sao Carlos / The recent development of refractory castables for high temperatures applications are closely related to binders technology, especially those presenting superior performance and installation properties. The calcium aluminate cement (CAC), one of the most used binder for refractories, has passed over the last years through several enhancements leading to an increase of monolithic use instead of traditional bricks. The continuous search for new binder s came to the development of several binding systems such as hidratable alumina, and others. Nowadays, with the strong presence of nanotechnology on all science fields, new binders containing nano structures are being studied. The colloidal silica is one of the most studied nano structured binder. It has three mains advantages, that places it as a promising substitute for CAC in some applications. First it contains nano pores that facilitates the drying process. Second, it does not have hydraulics components, avoiding reduction on mechanical strength at intermediate temperatures. Third, it is free of CaO and others elements that could deteriorate the performance at high temperatures. Furthermore, the colloidal silica is a highly reactive source of SiO2. This work aims to study the influence of hidratable alumina, CAC and colloidal silica for mullitization on alumina based compositions. The objective is to compare green and final properties as well as the amount and morphology of the mullite formed. The results indicated better drying conditions, superior high temperatures properties and suggested higher mullitization for castables using colloidal silica. However, the molding and curing steps should be well controlled to avoid cracks due to high reactiveness of this binder. / O desenvolvimento tecnológico de concretos refratários para aplicações a altas temperaturas está intimamente relacionado aos ligantes, principalmente aqueles mais facilmente aplicáveis e que desenvolvam superior desempenho durante o uso. O cimento de aluminato de cálcio (CAC), amplamente utilizado na indústria de refratários, passou ao longo dos anos por inúmeros aprimoramentos que alavancaram a utilização de concretos, substituindo os tradicionais tijolos. A busca por melhores ligantes levou ao desenvolvimento de algumas alternativas como a alumina hidratável, entre outros. Hoje com a forte presença da nanotecnologia em quase todos os campos de pesquisa, têm sido desenvolvidos ligantes nanoestruturados entre os quais se destaca a sílica coloidal. Esse ligante possui três principais vantagens que o coloca como promissor candidato a substituição do CAC, são elas: estrutura nanoporosa que facilita a secagem; ligação não hidráulica, que não leva a perda de resistência mecânica em temperaturas intermediárias; ausência de CaO e outros, que deterioram o desempenho a quente. Além disso a sílica coloidal se constitui de uma fonte altamente reativa de SiO2, com alto potencial para mulitização quando utilizada juntamente com Al2O3. Baseado nestes aspectos, esse trabalho estuda a influência dos três principais ligantes utilizados na indústria de refratários: alumina hidratável, CAC e sílica coloidal, verificando sua influência em composições mulitizáveis, as quais são comparadas entre si quanto à quantidade e forma da mulita, fase vítrea residual após queima, poder de ligação e propriedades finais. Os resultados mostraram maior facilidade de secagem e superior desempenho a quente para os sistemas ligados por sílica coloidal, sugerindo superior mulitização. Por outro lado, as etapas de preparação e cura dos concretos precisam ser bem controladas para evitar trincamento devido a alta reatividade do ligante.

Melhorias na eficiência energética motivam o desenvolvimento de isolamentos térmicos cada vez mais eficazes e duráveis. Cerâmicas porosas à base de mulita (Al6Si2O13 ou 3Al2O3.2SiO2) são ideais para essa aplicação devido à alta resistência à corrosão e à densificação. Apesar de rara sua forma mineral, esta é uma das fases mais importantes em cerâmicas tradicionais e avançadas, visto que pode ser obtida a partir de fontes de alumina e sílica, por meio de diversas rotas de processamentos. Sua formação in situ por sinterização reativa tem se destacado dentre os métodos de produção pelos bons resultados mecânicos e eficácia na formação e manutenção de porosidade, entretanto, ainda existem pontos a serem investigados como a influência do tamanho de partícula e porosidade inicial de suas matérias-primas nas propriedades finais das estruturas. Neste trabalho, foram produzidas peças porosas de alumina-mulita in situ a partir de suspensões de sílica coloidal com diferentes concentrações (30, 40 e 50 %) e hidróxidos de alumínio de diferentes granulometrias (fino, HAF e grosso, HAG) pré-calcinados em várias temperaturas (500-1500 °C), pelo processo de moldagem direta para aplicação como isolante térmico em temperaturas acima de 1000 °C. As amostras (verdes e tratadas termicamente - 1500 °C) foram submetidas à ensaios mecânicos (módulo elástico e resistência à ruptura por compressão e flexão), análise microestrutural (MEV e DRX) e de propriedades físicas (porosidade total, densidades e variação térmica dimensional). As aluminas de transição provenientes da calcinação agiram como agentes porogênicos no sistema e juntamente com a sílica coloidal (com funções simultâneas de fluido de mistura, agente ligante, aditivo de secagem e fonte de SiO2 amorfa) formaram estruturas com grande variação de propriedades. Estruturas com HAF apresentaram porosidade próxima a 40% e elevadas propriedades mecânicas, e com HAG foram obtidos níveis de porosidade acima de 50 % e baixas resistências. As composições mistas, contendo tanto HAF como HAG, obtiveram bons resultados mecânicos e porosidades acima de 50 %, mostrando-se bons candidatos para uso como isolamento térmico. Todos os sistemas contiveram a fase de mulita em maior quantidade coexistindo com alfa alumina (Coríndon). / Improvements in energy efficiency motivate the development of more effective and durable thermal insulation. Porous ceramics based on mullite (Al6Si2O13 or 3Al2O3.2SiO2) have great potential for this application due its high resistance to corrosion and densification. Although rare in its mineral form, this is one of the most important phases in traditional and advanced ceramics because it can be obtained from alumina and silica sources, through various processing routes. Among them, the solid-state in situ reactions by reactive sintering stands out for its good mechanical properties and efficiency in the formation and maintenance of pores. However, how particle size and initial porosity of its raw materials influences the final properties still requires investigation. In this work, porous ceramics of alumina-mullite were produced in situ from aqueous suspensions of colloidal silica with different concentrations (30, 40 and 50 %) and aluminum hydroxides of different grain sizes (fine, HAF and coarse, HAG) pre-calcined in several temperatures (500-1500 °C) by direct casting process for application as a thermal insulation at temperatures above 1000 °C. The samples (green and thermally treated - 1500 °C) were submitted to mechanical tests (elastic modulus and resistance to rupture by compression and flexural), microstructural analysis (SEM and XRD) and physical properties characterization (total porosity, densities and dimensional thermal variation). The transition aluminas acted as porogenic agents in the system and with the colloidal silica (with simultaneous functions of mixing fluid, binding agent, drying additive and source of amorphous SiO2), formed structures with great properties\' variation. Samples with HAF had porosity close to 40% and high mechanical properties, and with HAG, porosity levels above 50 % and low resistances were obtained. The mixed compositions, containing both HAF and HAG, obtained good mechanical results and porosities above 50 %, showing great potential to thermal insulation. All systems contained most of mullite coexisting with alpha alumina phase (Corundum).