Propiedades y usos del grafito de carbono

Los productos derivados del petróleo impulsan vehículos, calientan edificios y producen electricidad. En 2021, el consumo de petróleo de los Estados Unidos promedió alrededor de 19,78 millones de barriles por día, lo que incluyó alrededor de un millón de barriles de biocombustibles. Los productos de petróleo y gas son partes integrales de la infraestructura de las sociedades. El grafito de carbono tiene una combinación de propiedades, lo que permite su uso en equipos rotativos y sus componentes, como sellos de gas secos/mecánicos, cojinetes de bombas, asientos de válvulas, generadores y compresores para producir, distribuir y mover petróleo y gas.

La primera propiedad del uso de grafito de carbono es su resistencia a la temperatura. Ya sean altas temperaturas, como 350 F a 1100 F en ambientes oxidantes y hasta 6000 F en ambientes no oxidantes, o temperaturas criogénicas que van desde -30 F a -450 F, estos materiales tienen un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que significa que el tamaño y la forma del material no cambian drásticamente con un cambio de temperatura.

Una propiedad distintiva del carbono es su resistencia a la corrosión frente a cientos de productos químicos. Estos incluyen, entre otros, benceno, dióxido de azufre, petróleo, formaldehído, hidrocarburos y mercurio. El grafito de carbono es una forma alotrópica de carbono. Los átomos de carbono están unidos en un patrón hexagonal por enlaces covalentes y forman capas de grafeno. Estos enlaces son fuertes, lo que dificulta los ataques de otros productos químicos. El grafito se considera más inerte que otros elementos y formas de carbono.

El grafito de carbono también tiene características autolubricantes. Las capas de grafeno están unidas entre sí por las fuerzas de Van der Waals. Estas son fuerzas de atracción débiles entre los átomos. A diferencia de los enlaces iónicos o covalentes, estas atracciones no resultan de un enlace electrónico químico; son comparativamente débiles y, por lo tanto, más susceptibles a las perturbaciones.

Permitir que las capas de grafeno de grafito de carbono se rocen contra el material de acoplamiento llenando la rugosidad de la superficie y creando una película hidrodinámica esencialmente permite que el grafito corra contra sí mismo. Esta capacidad de autolubricación le da al material la capacidad de no agarrotarse ni irritarse en condiciones de operación en seco. Dado que es autolubricante y tiene propiedades térmicas y eléctricas, el material de grafito de carbono tampoco produce chispas. La chispa se denomina aquí chispa mecánica o de fricción.

Una propiedad final del grafito de carbono es la porosidad disponible en el material del proceso de horneado. Después de mezclar y moldear los componentes del carbón crudo que consisten en polvos de carbón y aglutinantes, el material verde se envía a través de un proceso de horneado controlado y sin oxígeno para carbonizar el aglutinante de brea, endureciéndolo y convirtiéndolo en carbono amorfo.

Durante el proceso de cocción, se produce la desgasificación, lo que significa que los hidrocarburos de la brea se eliminan debido al calor extremo, dejando una estructura de carbono amorfa. Durante la desgasificación, estos gases se abren camino fuera del material, dejando atrás una red de porosidad interconectada. Esta porosidad brinda a los fabricantes de carbón la capacidad de impregnar el material con varios tipos de metales, resinas y sales, que pueden mejorar o agregar propiedades mecánicas/químicas adicionales al grafito de carbón. La siguiente parte de este artículo detallará los grafitos de carbono impregnados que se utilizan para productos y aplicaciones en equipos rotativos.

Una válvula de bola es una válvula de cierre que controla el flujo de un líquido o gas. Lo hace usando una pelota con un agujero cilíndrico en el medio. Cuando la válvula de bola está abierta, el orificio de la válvula de bola está alineado con la tubería para permitir que fluya el medio.

En la posición cerrada, la válvula gira 90 grados. Un componente que puede estar hecho de grafito de carbono son los asientos de las válvulas. Se sientan ahuecando la pelota. El sellado ocurre cuando aumenta la presión aguas arriba, empujando la bola y el asiento aguas arriba en la dirección del flujo hacia el asiento aguas abajo.

La impregnación comúnmente utilizada para el grafito de carbono en esta aplicación es el coque. El coque es el residuo sólido que queda después de que los carbones bituminosos se calientan a una temperatura alta. El residuo es principalmente carbón, tiene pocas impurezas y tiene una estructura grafítica desarrollada.

El coque le da al material base una mejor oxidación y resistencia química. Como resultado, las propiedades físicas del material siguen siendo las mismas en condiciones de aplicación extremas. Este material ayuda a que las válvulas de seguridad contra incendios cumplan con los estándares 607 del American Petroleum Institute (API).

Hay una variedad de bombas, que van desde bombas centrífugas para lodos hasta bombas sumergibles verticales. Dado que cada uno tiene diferentes parámetros de funcionamiento, el grafito de carbono es una solución óptima para los cojinetes de las bombas. La función del rodamiento es soportar un eje en movimiento. Un ejemplo de una bomba centrífuga es una bomba de turbina vertical. Estas bombas mueven fluidos, por ejemplo, petróleo, desde un depósito subterráneo profundo hasta el nivel del suelo.

El tipo de impregnación necesaria en el grafito de carbono depende del tipo de bomba y de las condiciones físicas a las que estarán expuestos los rodamientos. Existen muchos tipos de impregnaciones. Dos, en particular, han demostrado tener un buen desempeño en una amplia gama de aplicaciones de bombas. Estos son babbitt y níquel. Babbitt es un metal blando con fuertes propiedades lubricantes. Es el mejor para aplicaciones de agua a baja temperatura donde el rodamiento funciona sumergido. El grafito de carbono impregnado de níquel es fuerte y tiene la mejor resistencia a la corrosión. Es común en bombas que experimentan altas cargas y temperaturas.

Los sellos secos de gas son tipos de sellos mecánicos que no están en contacto y funcionan en seco. Contienen caras de sello que constan de un anillo de acoplamiento y un anillo primario. El anillo de acoplamiento gira, mientras que el anillo primario permanece estacionario. Utilizan productos químicos diferentes a los de otros sellos mecánicos, por lo que no provocan contaminación. Estos sellos se encuentran en entornos de trabajo hostiles, como la exploración y extracción de petróleo, la refinación y la transmisión de gas.

El componente principal del anillo suele estar hecho de grafito de carbono impregnado con antimonio. El antimonio agrega rigidez e impermeabilidad para proporcionar un colchón de aire. También es estable en un amplio rango de temperatura, lo que le permite encontrar productos químicos como aceite caliente e hidrocarburos a temperaturas de hasta 700 F, o con oxígeno/hidrógeno líquido a temperaturas tan bajas como -450 F.

Robert Riccio es ingeniero de aplicaciones en Metallized Carbon Corporation. Obtuvo una licenciatura en ingeniería con especialización en ingeniería mecánica del Instituto Politécnico Rensselaer en 2019. Tiene más de tres años de experiencia profesional en diseño y fabricación. Puede comunicarse con él en [email protected]. Para obtener más información, visite www.metcar.com.