revisão de termodinâmica metalúrgica

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Termodinmica Metalrgica pertence ao campo da termodinmica qumica e busca responder duas questes bsicas: Qual o balano energtico de um dado processo; Qual a condio de equilbrio de uma dada reao ou definir se uma reao possvel ou no.

Sistema poro do universo selecionada para estudo. Sistema aberto: troca matria e energia Sistema fechado: troca somente energia Sistema isolado: no troca nem matria nem energia com o ambiente

Variveis de Estado Variveis de estado ou variveis termodinmicas descrevem o estado de um sistema termodinmico Um sistema definido por um conjuto de variveis de estado: F(T, p, V, H, U, G, , . ...) P, V e T so as mais importantes variveis de estado em metalurgia.

Nmero de moles; Equao do gs ideal; Estequiometria de reaes qumicas.

A unidade fundamental em clculos termodinmicos o tomo ou a molcula; Mesmo em sistemas pequenos este nmero muito grande tornando difcil a sua utilizao; Para contornar este inconveniente defineu-se o mol; Mol: o nmero de Avogrado o nmero de tomos de C contidos em 12 g do istopo C12 , N= 6,023 x 1023; Um mol a quantidade de material que contm o nmero de Avogrado de partculas. Os valores de massa atmica e massa molecular na literatura correspondem massa de 1 mol.

Determinar a massa molecular do SiO2.PA Si +2 x Pa O = 28,09 + 2 x 16 = 60,09 g Calcular o nmero de moles em uma tonelada de SiO2. n SiO2= (106 g)/(60,09 g/mol) = 16.641,70 moles

Calcular o nmero de moles de Fe em 1 tonelada de gusa com aseguinte composio: Fe =94,5%, C= 4,5%, Si=0,6%, Mn= 0,3% e P= 0,1% nFe= (0,945 x 106 g)/(55,85 g/mol)=16.920,32 moles

Lei do gs ideal P,V e T so interrelacionados PV=n R T P presso (atmosferas) V volume (litros) n nmero de moles do gs R constante universal dos gases = 0,082054 atm.l.K1.mol-1

Condio Normal de temperatura e presso Presso = 1 atm Temperatura = 0oC ou 273 K

Calcular o volume de gs ocupado por 1 mol nas condies normais (P = 1 atm,T= 0oC) V=(nRT/P) = (1 x 0,08254 x 273)/(1)= 22,40 l ou Nl

Calcular o nmero de moles contido em 1000 Nm3 de oxignio 1000 l = 1 m3 nO2= (1000 x 1000)/22,4 = 44.641,38 moles

Seja um gs formado por uma infinidade de componentes: nt= n1 + n2 + n3 + ........ A frao molar xi definida por ni/nt. A soma das fraes molares de todos componentes 1

Qual o nmero de moles de oxignio e nitrognio em 1 Nm3 de ar sabendo que 21% O2 e 79% N2?

xO2 =21/100=0,21 xN2 =79/100=0,79 Consequentemente PO2 = 0,21 x 1 atm e PN2 = 0,79 x 1 atm nO2= (PO2x V)/RT=(0,21 x 1000)/(0,082054 x 273)= 9,375 moles nN2= (PN2x V)/RT=(0,79 x 1000)/(0,082054 x 273)= 35,267 moles

Seja a reao de queima de carbono produzindo monxido de carbono: C(s) +1/2 O2(g) = CO(g) Deseja-se queimar 1 kg de carbono com oxignio produzindo CO. Qual o volume de ar necessrio admitindo que o oxignio seja retirado deste ar?

Seja a reao de queima de carbono produzindo monxido de carbono: C(s) +1/2 O2(g) = CO(g) Deseja-se queimar 1 kg de carbono com oxignio produzindo CO. Qual o volume de ar necessrio admitindo que o oxignio seja retirado deste ar? nC= (1 x 1000g)/(12 g/mol)= 83,33 moles O nmero de moles de cada elemento deve ser igual em cada lado da equao nCO= nC e nO2=(1/2 )nC nCO=83,33 moles e nO2=41,67 moles V=(nRT)/P VO2= 0,933 m3 Como o oxidnio corresponde a 21% do ar logo o volume de ar necessrio Var= 0,933/0,21=4,443 Nm3.

Em um forno deseja-se fazer a reduo de 1 t de slica empregando carbono. A reao : SiO2 (l) + 2C(S) =Si(l) + 2CO(g) Calcular a massa de C necessria e a massa de Si produzido.

Pela equao v-se que 1 mol de SiO2 reage com 2 moles de C produzindo 1 mol de Silcio e 2 moles de monxido de carbono n SiO2= (1 x 106 g) /(PM SiO2) = (1 x 106 g) /(60,09)= 16.641,70 moles Pela estequiometria tem-se: 2x n SiO2= n C= 33.283,40 moles massa do C : n C x PA C= n C x 12 = 399.400,40 g = 399,4 kg n SiO2= n Si= 16.641,70 moles Massa de Si = n Si x PM Si= 16.641,70 x 28,09 =467.465,46 g= 467,5 kg

Entrada de massa = sada de massa + acumulao de massa Processos metalrgicos, contnuos ou de bateladas, no existe acumulao de massa. Os dados necessrios para o desenvolvimento de um balno de massa so: peso e anlise qumicas de todos os materiais produzidos e carregados no sistema.

Tem como objetivo determinar o volume de oxignio necessrio ao processo.Tambm podem ser calculados a massa de cal a ser adicionado e a massa de escria obtida. A tabela a seguir mostra as matrias primas disponveis para fabricao do ao e suas respectivas anlises qumicas.

Matria Prima Gusa lquido Gusa Slido Fe-Mn slido

C (%) 4,20 3,80 7,90

Mn(%) 0,62 0,80 75,30

Si(%) 0,58 1,80 2,53

P(%) 0,10 0,12 0,32

Fe(%) 94,50 93,48 13,85

A massa de cada uma dessas matrias primas carregadas no conversor L.D. : gusa Lquido 880 Kg/t de ao gusa slido 219 kg/t de ao Fe-Mn slido 4 kg/t ao A composio do ao pretendido : C=0,09% Mn=0,45% P=0,03% Fe=99,43%

Sabe-se tambm que 10 kg de Fe so projetados para fora do conversor LD.; O carbono oxidado a CO e CO2 na proporo 80%CO 20%CO2; A massa de cal a ser adicionada determinada pela seguinte relao: mCaO=1,7 x (4mSi + 2,72 mP)

Calcular: A massa de CaO a ser adicionada A massa e a composio qumica da escria Volume de oxignio necessrio ao processo

Clculo da massa de CaO mSi = 3 Mix (%Si)/100 =9,147 kg/t.ao 1 Mi massa de cada matria prima

mP = 3 Mix (%P)/100 =1,156 kg/t.ao 1 mCaO=1,7 x (4mSi + 2,72 mP)=67,545 kg/t.ao

Clculo da massa e da composio qumica da escria A escria composta de SiO2, MnO, FeO e P2O5 Como o ao obtido no tem Si, a massa de Si na carga igual a massa de Si na escria na forma de silicato (SiO2) m (SiO2)= mSi x (PM SiO2)/(PA Si)=9,147 x 60,09/28,09 =19,567 kg

Mangans Massa do mangans na carga= massa de Mn no ao + massa de Mn na escria na forma de MnO Massa de mangans na carga Massa no ao mMn =3 1 M ix

(%Mn)/100 =10,22 kg/t.ao

mMn = mao x (%Mn no ao)/100 = 4,5 kg/t (mMn)escria= (mMn)carga- (mMn)ao=5,72 kg/t.ao m (MnO)= mMn x (PM MnO)/(PA Mn)=5,72 x 70,94/54,94 =7,836 kg/t.ao

Ferro Massa de Fe na carga= massa de Fe no ao + massa de Fe na escria + massa de Fe projetado Massa de Fe na carga Massa de Fe no ao mFe =3 1 M ix

(%Fe)/100 =1036,879 kg/t.ao

Massa de Fe projetado= 10 kg/t.ao mescria= mcarga - mao m projetada=32,579 kg/t.ao massa de FeO na escria = mFex (PM FeO/ PA Fe)= 32,579 x 71,85/55,85=41,913 kg/t.ao

mFe= mao x(%Fe)ao/100=994,3 kg/t.ao

Fsforo mPao= mao x (%P)/100=0,3 kg/t.ao mescria=0,856 kg/t.ao E a massa de P2O5 : mcarga= mao + mescria= 1,156 kg/t.ao

m P2O5 = mescriax PM P2O5/2 x PAP = =0,856 x 141,94/(2 x 30,97)= 1,962kg/t.ao

mescria= mCaO + mSiO2 mMnO + mFeO+ mP2O5=138,373 kg/t.ao

Composio CaO=48,81% MnO= 5,34% P2O5=1,42% SiO2=14,14% FeO=30,29%

Reaes: C(s) + O(g) = CO(g) C(s) + O2(g) = CO2(g) Si(l) + O2(g) = SiO2(l) Mn(l) + O(g) = MnO(l) Fe(l) + O(g) = FeO(l) C(s) + O(g) = CO(g) 2P(l) + 5/2 O2(g) = P2O5(l)

Oxignio consumido pelo C Massa de C na carga= massa de C no ao + massa de C oxidadoMassa C na carga= 45,596 kg/t.ao Massa C no ao = 0,9 kg/t.ao Por diferena , mCoxidado= 44,698 kg/t.ao nc=mcoxidado x1000/12= 44,698 x1000/12=3724,83moles Sabe-se que o carbono oxidado a CO e CO2 na proporo 80%CO 20%CO2 ncCO=2979,89 moles ncCO2=744,97

Com procedimento idntico para as outras reaes tem-senO2total= nO2C + nO2Si + nO2Mn + nO2Fe + nO2P= 2938,81 moles VO2total= nO2total X 22,4 = 65,83 Nm3/t.ao