APLI CAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE SC HYTILL E DE GELDART À CLORAÇ ÃO RE DUTORA DA SÍLICA

E . S . :1 . Seo 1 , D. H. C.:ll:·,ei ro 2 , E . A. Brocch:i. 3

638

A fluidodi n~mica da c loraç ~o r edu tor a da si li c a o c s tt1 dada com base nos "Diagramas de Schyt :i.ll c de Gc lda.rt " para o sis tcmu c l o r o -sÍlica-grafi ta . De posse do d iagrama de Schytill é possÍv e l cstJbelcccr um " pa ­r alelograma o per acional" - dce fi. nido a partir do diâme t ro da s partÍculas e da velocidade s upe rfici al do g~ s - que ga rant a a fluid i zação do l eito . Te ndo em v i sta qu e o diagr a ma de Schytil l nao f ornec e qualquer informação a respeito do compor tame nto das partÍculas durante u flu id ização , ou seja , o tipo de fl uidiz ação , procurou- se de ter­min~ - lo atrav~s da montagem do dlugr ama proposto po r Gcldart .

AP PLICATI ON OF THE SC HYT I LL AND GEL DART DIAGRAM STO CHLORINAT ION OF SIL ICA IN A REDU CI NG ATMOS PHERE

The fl uidodynami cs o f chlorina t i on of s ilica in a reducin g atmos phere based o n t he Schytill a nd Ge ldart di agrams ha s be en studie d chlorine - sil ica- graphitc sys tem. The Sc hyti ll diagram can be u scd to cstabl i sh an '' opcrational paral l e l og ram" that defined f rom the pa rtic l e sizc and sur f acc veloc ity of the gas which gauren tcc flu idizati on of thc bcd . As the Schyti ll diagr am does not provide info.r1nati o n a bou t partic l e behav i or durin g f l u:i.dization, i . e ., type of f l uid i zation , att empts havc becn made through co •• s truction of Geldart' s diagram.

l c ' s d d En g2 Qu1m1 c o, M. c ., Pesgu1 sa ora do Dcpar tamen~o e Me ta lur-g i a do IPEN-CNEN/SP , Tr avessa R, 400 - S~o Paul o/SP , CEP . 05508

2Eng 2 Meta l Grgi co , M.Sc., Profe ssor Ass istent e do Departamento de Metal urg ia da UFOP/MG e m doutoramen to no PEMM/COPPE/U FRJ , Rua Marques de São Vicen te , 22 5 , Rio d e J a neiro/RJ , Brasil, CEP . 22452

3Eng2 MetalGrgico, M.Sc ., Ph.D , P ro fessor Ass i stente do Departa menta de Ci~ncia dos Mate riais e Metalurg i a da PUC/RJ, Rua Ma~ ques de São Vic e nte , 22 5, 2 io de J aneiro/RJ, Brasi l, CEP.22452

639

INTRODUÇÃO

O si l icio me t~l ic o e os compost o s a base de s i lic io repre ­

se ntam insumos de fu ndamental i mpor tanc ia ec o n6mic a e e str at~g!

ca em d iversos s egme nto s , p rincipa lmente , na s ind~ stri a s e le tr6

ni c a, q uimica, t el ecomunicaç6es e cer~m icas a vanç adas .

est e s , de stacam-se o t etracloreto de si licio (SiCl,),

Dentre

ca rbeto

de silicio (SiC) , ni treto de s il icio (S i, N, ), si lano (S i H,) e

tr.i cl oros i l a no (Sil!CI,).

Em particular, o te tracloreto de si licio e reconheci do como

ma t~ri a prima básica de g ran de importânci a para obte nção de p Ós

ce r~m ic os de Si, N,, s ia lons, fibr a s Ópt ic as e si lic io me táli c o

gr au eletr6nico .

O i ntere ss e crescente pe l o tetracl oret o de si licio em di ve r

sas áre as da s ind Gst ria s 6 dev ido , principa lmente , a faci lidade

de purif i caç ão de s te composto , chegando a at ingir a pureza q ui­

mic a da o rdem de ppb .

As ceram i cas à base de Si,N , oc upam uma i mpor t ante posiçao

n a cl as se de mat er ia is de al to des empe nho, utilizad as par a f a -

br icação de f errament a s de co rte, válvu la s, rol amen tos de alta

vel ocidade , r etores t urbo c ompresso r es , c omponent e s de mot ores

a com~us t ~o inter n a , tu rb inas a gas , e tc .

Já na fo rma de tet r acloret o de si l ic i o grau comerc i al , tem

sido ut il iz ado principalme nte na i ndG stri a quimic a pa ra produ­

ção de si licones , sil i cato de e ti la, s ilica coloidal e o utros

compon e ntes sil i ci cos e o rg a no-silicicos.

Na in dGstria de te l ecomun i caç6e s, as fibras opticas a bas e

de s ilicio tem s ido um s ubst it u to vanta j oso do fio de c obre.

O s il icio me tá lico gr au e let r6ni co repre sent a a bas e de t o ­

da a produção e manutenção dos sis t emas e equi pamentos e letr6n!

cos, Ótico-eletr6nicos, dest i nados aos mai s variados campos de

ap licação. Na tecnol ogi a de compo ne ntes c dispos itivos e letrÔn!

cos des tac a m-se ci rcu it os in tegrados, transistores, retificado­

res, c~ lulas solares , diodos , tir is tores, de tet o res, en t re ou­

tras ap licaçÕes.

640

O s ilÍcio const i t ui 26% d a cros ta t errestr e e es te nunc a

ocorre livre na n atu r ez a, combina - se com o oxigeni o e ou tros

element os pa ra fo rma r 6 xido de silÍc i o o u sÍ li c a ( SiO,! e s i li­

catos. Os po limorfas de sÍl ica e ncon tr ados n a na t u r eza s~o , o

quartz o , a tridimita , a cris tobali ta, a coesi ta e a escovita.

Dentre os polimorfas de sÍli ca , o quar tzo ~ o mais comum , conh~

cido desde os tempos a ntigos pelos seu s cr i sta is grandes , t rans

p are ntes e pe rfe it a mente f o rmados ( 1 }.

Den tre a s rota s pa ra obt e n ç~o de cloretos met~li c os , a t ec ­

nica de c loração e m l ei to flu idi zado é ~po n tada como a mais in­

dicada sob o p onto de vista de efic i~ncia e q ualidade do produ ­

to.

Neste contexto , os objetivos deste traba lho estão voltados

para fluido dinâm ica da cloração re dutor a da s Ílica na pre sença

de gr afita como agen t e redu tor . Fo ram constru Ídos os diag ramas

de Schy till e de Ge ldar t, objetivando o c~ t abe lec ime nt o das co~

diç~e s e m que os regimes de l e i to fluidi zado , leit o fi xo e tran~

porte pneumático são ob tidos a temperaturas de soooc e lOOo oc ,

e també m, determin ação do t ipo de fluidi zação para o s istema

cloro-sÍlica-graf ita .

DIAGRAMAS DE SCHYTILL E DE GELDART

Diagrama de Schytill

Para a comp r eensao das condiç~cs cm que os regimes de leito

fixb, l e i to f lui dizado e tran sport e pne umá t i c o são estabe l eci ­

dos, importam fund ame ntalmente as var i áveis " d iâmetro das p a rti

culas" e "velocidade s uperf icial do gás".

Estes regimes, a nÍvel industr ial, podem ser r e laciona dos

a os ad imensionais , o nÚmero de Froudc e o nÚmero de Reyno l d s (2} .

O diag rama pode se r montado a pa r tir da equação de Ergun(J} ,

reguladora do escoamen~o de fluÍdos em mei os porosos, que perm~

te estabe lecer as equaç~es que definem as fronteir as e ntre as

regi~es de regime de l e ito fi xo I leito fluidizado e de lei to

fluidi zado I transporte pneumático .

641

A cquaçao d a front e ira e ntre os domÍn i os do l eito fixo e do

l e i to f l uid izado é dad a por:

Fr c' (ps-o)

[ l]

o nde ps e o sao respec tivamente as massas especificas do s6lido

e do fluÍdo e ,

150 (l- c) + l,? 5 ,

R e [ 2 J

denominado fator de fricção de FANNING modificado, e E a poros~

dade de fluidi zação atingindo o v a lor mÍnimo de 0,45 exatamente

na fron teira .

A e quação que define a fr o n teira entre os dominios de leito

f lu idizado e tr ansport e pneumático e estabelecida a p a rtir da

expressão do nÚmero de Froude pa r a a queda, com interferência,

de particu l a s e m meios fluidos :

Fr 4 <4,65 ( ps - p ) [ 3]

3 P Cd(Re)

onde Cd(Re l e o coeficient e de arraste apresentado e m gráficos

e/ou tabelas (3) ou det e rm i nado e xperimentalmente.

Para que o diagrama de Schytill se ja cons iderado um "diagr~

ma operacional", são superpost o s a ele as variáveis operacio ­

nais " di~metro da partÍcul a e veloc i dade superf icia l do gás " ,

as qua i s permitem estabe l ecer um "paralelograma

que garanta a fluidização do l e it o .

Diagrama de Geldart

ope r acional "

Uma v ez que o "diagrama de Schytill" nao fornece qualquer

i nformaç ã o com relação ao comportamento das partfculas durante

a fluidização (tipo.de flu id iz a ção), procurou-se determiná-lo

através da montagem do d i agrama proposto por Geldart (4). Este

642

c lass ificou a s parti c u la s em quatro grupos (A , B, C c DI qu e

apres e ntam d i f e rente s comportamento s de flui di zaç~o, onde as

part iculas s~o classificadas e m cad a gr upo e m funç~o do seu ta ­

manho e massa especifica , assim como das propriedade s do gas

fluidizante.

Para est abelecer a equaçao da fr on teir a entre os grupos A

(aerada) e B ( borbulhante) parte-se da ig ualdade entre as ve l o ­

cidades mÍnima de flu idi zaç~o (Umf) e de bo rbu lhament o (Umb) (5) :

Um f

d s

0,00075( 0 s- p ) g .~sl

~

Umb 33 ds .!: p

o' l o' 9 44000 ~0~---1-1

g( os - r)

onde ds e o diâme tro mé dio da s pa rtÍ cula s .

[ 4 j

[ s I

! 6 I

t importante sali e ntar que o dia grama apresenta uma li mit a

ç~o uma vez que a veloci dade mÍni ma de fluidi za ç~o s6 pode se r

calculada, pela cxpress~o supr ac itada , se a s e gui nt e des i gua l d~

de for atendida (5):

o (os - p)g(dsl

~2

< 10 0 0;

logo f icam l i mit ados os diâme tros maximos da s parti c ulas

as quais e válido o equacionamento propos t o .

[ 7 l

p ar a

A fronteira entre os grupos A e C (coesivo) náo e bem defi­

nida, dependendo, provalvelmente, do teor de umidade do gás e

das propriedades elétricas das particu las, uma vez que no grupo

C encontram- se part iculas muito fin as que ap res entam dificulda­

des para fluidi zar em decorr~ncia dos efeitos e le trostá ticos e

interaç~es entre eles .

643

No gru po D (j or r o ) encontram- se as partlculas grosseiras

( >lmm) onde ocor re borbu1hame nto e a mistura dos s61idos ~ r e l a

t i vame nte deficiente. Para a fronteira ent r e os g rupo s B e D

f o i e s tabe lecida, por Geldart (4), a seguinte equaçao :

' (ps-p)ds -1 - 1

10 kg.m [ 8]

CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS PARA O SISTEMA EM ESTUDO

SÜic a

- Composi ção qu lm lc a (5):

Composto SiO, Al , 0 3 Fe, 0 3 C aO MgO MnO C r, 0 3 TiO,

Te or(%) 99,0 0 , 25 <0,01 0,45 0,06 0 ,00 02 0,0005 0,002

- faixa· granulom~tri c a : -400 # - massa especific a (7) : ps = 2,650 g/cm'

Gra fit a

- Compo s ição qulmica (8):

Con s tituintes Ca rbono fixo materia vo l áti l Cinzas

Teor ( %) 94,70 5 ,1 8 0,12

- faixa granu lom~tr ic a : - 325 # - massa especifica (9): ps = 2 , 25 g/c m1

Cloro (gás fluidizante)

- Pureza= 99,999%

Prop r i eda des

Massa especifica (g/cm1) 8,06 6,79 X 10 -.

*Viscosidade (g/cm seg) 4,185 x lo-· 4,770 X 10-•

* calculadas pela expre s.são de Chapman- Enskog ( 3).

644

ANÁLISE DOS DIAGRAMAS

As figuras 01 e 02 representam os diagramas de Schytill pa­

ra a c1oraç~o da si1ica em presença da graf1ta ~s temperaturas

de 800 e 1000oc.

DIAGRAMA DE SCHYTILL Sistema Cloro-Silica-Grafita

~L~og~F~r--------------------------------------~--~ 15 r

T • 800 C

10 ~

<> Transporte Pneumatico ll

5 uidizado

o

-5

-10 ll Leito Fixo

-15 '----"-----J..._ _______ ___Jc__ _______ _L _ ____ _]

-5

Silica F /FI

x v • 10 cm/s

o LogRe

5

-+-: Srlica FIIT _._ Grafita FIFI -e- Gr1frta FI/T

<> V= 100 cm/s - 8 - D = 0.02 cm -x D = 0.20 cm

F /X,F =Fixo, X=Fiuidizado, Transpor te

~IGURA 01 - Diagrama de Schyti11 da cloraç~o da si1ica em pre­

sença da grafita a aoooc.

DIAGRAMA DE SCHYTILL Sistema Cloro-Silica-Grafita

Log Fr

645

15.---------------------------------------------~----~

T • 1000 C

10

I} Transporte Pneumatico 5

o

- 5

-10 X

-15L_--~ ____ L_ ______________ _L ______________ ~--------~

-5 o 5

Log R e Silica FiFI -l- Silica FI/T --*- Grafita F /FI -8- Grafita FI!T

)( V • 10 cm/s o V • 100 cm/s ô D • 0.02 cm l! - D • 0.20 cm

F /X,F ·Fixo, X •Fiuidtzado, Transpor te

FIGURA 2 - Diagrama de Schytill da Cloração da silica em prese~

ça da grafita a l000°c.

646

Os diag rama s permitiram de terminar os valores cor respon den ­

tes as veloc idades minima e li1nitc para a f luidiz aç~o dos div eE

sos materia i s s6lidos (silic a e grafita), bem co1no os d i~metros

m~ximos e minimos (faixa granulom~trica) para as velocidades s~

perfi c i ais do g ~s fluidizant e ( c loro) de 10 e 100 cm . seg -1

as

tempe r a tu r as de 800 e l000°C, que permi t a m a flui dizaç~o do l ei

to . Ta is valo r es podem ser observadas na s Tabe la s I e II.

TABELA I - Valores de Velocidade Minima e Limite de Fluidizaç ~o

para Ma t er iais S6lidos com d = O, lOcm a 800 e l000 °C

TE~1PERl\TURA ~11\ TER I A IS VE LOC . t-1Í N. VELOC .L Hil TE ( oC) SÓLIDOS (cm. s - 1

) (cm . s - 1 I

800 sil ica 18, 57 3 8 565 ,0471

Gra fita 18,57 38 565 ,0471

10 00 silica 1 9 , 0246 578, 7637

Graf ita 19 ,0 246 578 , 7637

Os va l o re s apresen tado s nesta tabe l a mos tram que as ve l oci -

dades mini ma e de l imite da s ilica s~o as mes ma s que as do

ag e nte redu t or (grafita) , para q uaisquer va lores de numero de

Reyn o l ds devido ~s suas dens i dades serem bas tante pr6ximas. Is ­

to, verifica-se também pel as f iguras 01 e 02, poi s as c urvas da

silica e da grafit a se coi ncidem em duas fronte ir as.

l\ Tabela II permite verifi ca r que existe uma f l ex i b il idade

operacio nal , com relaç~o aos di~mctros das particul as (clistri -

bui ç~o granulométrica), qu e c resce com o au mento d a ve locidade

do g~s fluid izan te .

Tamb~m a partir dos diag rama s de Schytill pode - se observar

que a variação de t e mperatura, de 800 para l000°C, não apresen­

ta qualquer influincia sobre a fluidodir1~mica do siste ma em es ­

tudo, pois a grafita e a sili ca tém o mes mo compo rtamento flu i ­

dod in ~mico , para quaisquer va l ores de nGmero de Reynolds .

B ~

ª g ~t

1

ci -"'"~

' 1

·~

647

TABELA II - Valores de Diamctro ~lininto e ~~~ximo para Velocida-

des de Fluidização de lO e 100 cm.s-1

a 800 e l000°C

TEi'lPERATURA MATERIAIS VELOCIDADE lOcm. s- 1

(OC) SÓLIDOS Diam. min. Diam. max. 10-'cm lO-' cm

800 '"Ílica o' 19 3' 80

grafita o' 19 3' 80

sÍlica o' 15 3' 4 2 1000 grafita o' 15 3' 4 2

VELOCIDADE 100 cm.s- 1

Diam. min. Diâm. -max. lo-' cm lO-' cm

800 sÍlica l' o 3 12,97

grafita l' 03 12,97

1000 sÍlica l' 3 6 14,70

grafita l' 3 6 14,70

A figura 3 apresenta o diagrama de Geldart para o sistema

cloro-sÍlica-grafita às temperaturas de 800 e l000°C, levando­

se em consideração as caracterÍsticas dos materiais em questão.

Entretanto 6 fundamental destacar que para o seu levantamento

e, consequentemente, para a sua utilização, torna-se necessario

observar os di,~metros m·áximos das part J:culas, para os quais e

válido o equacionamento proposto. Assim:

- sÍlica: ds < 438~m (800°C) e 506~m (l000°C)

grafita: d 5 < 465~m (800°Cl e 534~m (l000°C)

Pode-se observar na figura 3 que uma elevação da temperatu­

ra, de 800 para l000°C, desloca ligeiramente a fronteira aerada/

borbulhante para a direita, o que impl1ca em um aumento da zona

aerada e, consequentemente, um estreitamento da zona borbulhan-

648

te , uma vez que a front e ira borb u lhante/ j orro e indepe ndent e da

temperacura (5). Sabe - se que para se obt er um a maior e fic i~nc ia

na flu id ização deve-s e trabalhar pr Óxi mo à fro ntei ra ae rada/bor

bulhant e onde ocorrera uma mi stura mais efe tiva entre os sÓl i­

dos reagentes e o gas fluidizante o que , con sequent e mente, im­

plic ará em uma melhor transfe r ê ncia de calor e mas sa . Est e di a­

g rama permite es tabe lecer as faixas granulométricas ma i s adequ~

da s para a fluidização borbulhante .

DIAGRAMA DE GELDART Sistema Cloro-Silica -Grafita

Diferenca de densidades S/ F (kg / m3) 3000 ,-------.------------------------,-------------------,

2800

Sillca

2500

A E R ADA BORBULHANTE JORRO 2400

Graflta

2200

\ 2000 ' i

10 210 410 610 810

Oiametro medio dos solidos (micra)

T = 800 C + T = 1000 C ---*- T = 800 ou 10 00 C

S!F • Solido-Fluido

FIGURA 3 - Diag rama de Geldart da c l oração d a s ilica e m prese n­

ç a da graf1ta a soooc e lOoooc.

649

CONCLUS()ES

A partir da construç~o dos diagramas Scl1yt l ll c Geldart pa-

ra o sis~ema cloro-silica-grafila tem-se as seguintes cone lu-

soes:

No que se refere ao diagrama de Schytill vcriflca-se que:

i. a silica e a grafita por apresentarem densidades proximas

entre si definem, de forrna sin1ilar, us limites operacionais

pata as vazÕes do giís clonJ;

i1. a variaç~o da temperatura de soooc para l000°C nao apresen­

ta influ~nc1a sobre a fluidodin~mica do sistema em estudo.

Quanto ao diagrama de Geldart tem-se que:

i1i. a elevaç~o da temperatura, de 800°C para l000°C1

provpca um

ligeiro aumento da zona acrada e consequentemente um estrei

tamento da zona borbvlhante;

iv. para fluidizaç~o borbulha~tc dos sblidos, as faixas adequa­

das de granulometria sao:

silica: l60-260~m (BOODC) e l90-290~m (l000°C)

grafita: 200-JOO~m (800°C) e 220-320~m (l000°C)

650

REFERfN CIAS BI BL IOGRÁF IC AS

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In te rnationa1

H a nel

Elook