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14/05/2019 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA – Processos Pré-Extrativos
Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes
Universidade Federal do Pará
Instituto de Tecnologia
Campus de Belém
Curso de Engenharia Mecânica
Tecnologia Metalúrgica
14/05/2019 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA – Processos Pré-Extrativos
Capítulo IV
Universidade Federal do Pará
Instituto de Tecnologia
Processos Pré-Extrativos
Campus de Belém
Curso de Engenharia Mecânica
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14/05/2019 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA – Processos Pré-Extrativos
4.1 Introdução
✓Nos processos pré-extrativos, também chamados
de processos de preparação, ocorrem reações
químicas, mas estas não isolam o metal de
interesse do minério beneficiado.
✓Objetivo: aumento e otimização da concentração
do composto metálico no minério antes da
extração do metal propriamente dita.
✓ São processos preparatórios que ligam as
operações de beneficiamento dos minérios e os
processos de extração do metal.
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4.1 Introdução
✓Os principais processos pré-extrativos são:
(a) Secagem;
(b) Desidratação;
(c) Calcinação;
(d) Ustulação;
(e) Aglomeração por sinterização.
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4.2 Secagem
✓ Processo de eliminação da umidade do minério
beneficiado por meio de simples aquecimento a
temperaturas ligeiramente acima de 100 ºC.
✓Nessa temperatura o aquecimento elimina a
umidade por meio de evaporação extensiva da água
contida no minério.
✓ Fornece-se calor ao sistema - a evaporação da água
é um processo endotérmico.
𝐻2𝑂 𝑙100°𝐶
𝐻2𝑂(𝑔) Le = ∆h373 = + 9,8 kcal/mol
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4.2 Secagem
Substância Mol− ∆H298
(kcal/mol)
𝑪𝒑 = 𝑨+𝑩𝑻 − 𝑪T−2 (cal/mol.K)
∆𝑯𝑻 −∆𝑯𝟐𝟗𝟖= 𝑨𝑻+ Τ𝟏 𝟐𝑩𝑻𝟐+ 𝑪T−1
𝟐𝟗𝟖
𝑻
A B x 10³ C x 10−5
H2O (g) 18 57,8 7,16 2,56 0,08
H2O (l) 18 68,32 18,03 0 0
(∆𝐻373)𝑔 = ∆𝐻298 + 𝐴𝑇 + Τ1 2𝐵𝑇2 + 𝐶T−1298373=
= −57800 +7,16𝑇 + 0,5 ∙ 2,56 ∙ 10−3 ∙ 𝑇2 +
+0,08 ∙ 105 ∙ 𝑇−1 298
373
=
= − 57203,98 cal/mol
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4.2 Secagem
(∆𝐻373)𝑙 = ∆𝐻298 + 𝐴𝑇 + Τ1 2𝐵𝑇2 + 𝐶T−1298373=
= −68320 + 18,03𝑇 373 = − 66967,75 cal/mol
∆𝐻373= (∆𝐻298)𝑔 − (∆𝐻373)𝑙
= −57203,98− −66967,75 = 9763,77𝑐𝑎𝑙
𝑚𝑜𝑙≈
≈ + 9,8 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙
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4.2 Secagem
✓ É normalmente realizado em fornos do tipo estufa.
✓ Forno tipo estufa: uma corrente de gases quentes da
combustão circula em meio a um leito pouco
espesso de minério beneficiado, que é geralmente
movimentado por pás giratórias ou por rotação da
carcaça para que todos os fragmentos fiquem
expostos aos gases quentes, acelerando, dessa
forma, a reação de evaporação extensiva.
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4.2 Secagem
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4.3 Desidratação
✓ Objetivo: retirar água de minérios hidratados, também
por aquecimento.
✓ Água de hidratação: é a que se encontra ligada
quimicamente (ligações bipolares) às moléculas do
composto metálico do minério.
✓ Exemplos: (a) Limonita (Fe2O3.H20), (b) Bauxita
(Al2O3.H2O), (c) Manganita (Mn2O3.H2O)
✓ Reação generalizada: MX.H2O (s) → MX (s)+ H2O (g)
✓ São reações endotérmicas que somente ocorrem em
temperaturas da ordem de 700 °C a 800 °C.
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4.4 Calcinação
✓Objetivo básico: decompor carbonatos metálicos por
dissociação direta, produzindo o óxido metálico
correspondente e gás carbônico.
✓ Em geral, os carbonatos são menos estáveis que
outros compostos metálicos:
CaCO3 (s) → CaO (s)+ CO2 (g)
Variação de energia livre:
∆𝐺𝑇= 40,25 − 0,0344 ∙ 𝑇 kcal/mol
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4.4 Calcinação
Composto∆𝑮𝑻= 𝒂+ 𝒃𝑻𝒍𝒐𝒈𝑻+ 𝑪𝑻 (kcal/mol)
− a − b x 10³ c x 103
CaO + CO2 → CaCO3 40,25 34,4
MgO + CO2 → MgCO3 28,1 40,6
FeO + CO2 → FeCO3
MnO + CO2 → MnCO3
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4.4 Calcinação
✓ Para GT ≤ 0 → T ≥ 1170 K (897 °C): a reação passa a ser
espontânea a temperaturas acima de 897 °C (≈ 900 °C).
• Para maior eficiência, a temperatura da reação deve
ser da ordem de 900 °C a 1000 °C.
✓ Temperatura de dissociação: temperatura na qual a
reação de dissociação se dará espontaneamente (T para
GT ≤ 0).
Exemplos: CaCO3 T ≥ 900 °C
MgCO3 T ≥ 417 °C
FeCO3 T ≥ 400 °C
MnCO3 T ≥ 377 °C
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4.4 Calcinação
✓A calcinação, em geral, é endotérmica.
𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠1000°𝐶
𝐶𝑎𝑂 𝑠 + 𝐶𝑂2
∆h298 = +42,8 kcal/mol
∆h1273 = +52,2 kcal/mol
✓ Em geral, é efetuada em forno tubular vertical
(forno de cuba ou forno chaminé) (figura).
✓ Calor de calcinação: fornecido pela combustão do
carbono (coque).
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4.4 Calcinação
Esquema e foto de um
forno-cuba para calcinação
do carbonato de cálcio
(*calcário), produzindo
óxido de cálcio (cal).
Também pode ser utilizado
para a desidratação do
minério
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Substância Mol− ∆H298
(kcal/mol)
𝑪𝒑 = 𝑨+𝑩𝑻 − 𝑪T-2 (cal/mol.K)
∆𝑯𝑻 −∆𝑯𝟐𝟗𝟖= 𝑨𝑻+ Τ𝟏 𝟐𝑩𝑻𝟐+ 𝑪T−1
𝟐𝟗𝟖
𝑻
A B x 10³ C x 10-5
CO2 (g) 44 94,05 10,55 2,16 2,04
CaO 56,1 151,6 11,86 1,08 1,66
CaCO3 100,1 288,4 24,98 8,83 7,24
C (coque) 12 - 3,0 4,10 1,02 2,10
4.4 Calcinação
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∆𝐻298= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅= −151,6 − 94,05 − −288,4 =
= 42,8 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙
4.4 Calcinação
∆𝐻1273= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅= −140,6 − 83,1 − −275,9 =
= 52,2 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙
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4.4 Calcinação
∆𝐻1273 𝐶𝑎𝑂 =
= ∆𝐻298 + 11,86𝑇 + 0,5 ∙ 1,08 ∙ 10−3𝑇2 + 1,66 ∙ 105T−12981273=
= −151600 + 16103,27− 4139,28 = −139636,01
∆𝐻1273= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅
∆𝐻1273 𝐶𝑂2 =
= ∆𝐻298 + 10,55𝑇 + 0,5 ∙ 2,16 ∙ 10−3𝑇2 + 2,04 ∙ 105T−12981273=
= −94050 + 15340,57 − 3924,37 = −82633,80
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4.4 Calcinação
∆𝐻1273= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅=
= −139636,01 − 82633,80 − −259142,73 =
= 36872,92 cal/mol = 36,9 kcal/mol
∆𝐻1273 𝐶𝑎𝐶𝑂3 =
= ∆𝐻298 + 24,98𝑇 + 0,5 ∙ 8,83 ∙ 10−3𝑇2 + 7,24 ∙ 105T−12981273=
= −288400 + 39522,91− 10265,64 = −259142,73
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4.4 Calcinação
✓ Carga do forno: carbono (coque) + carbonato de
cálcio, alimentada pela parte superior do forno.
✓ Ar de combustão (oxigênio): injetado por baixo, em
forma de contracorrente com a carga.
✓O cal produzido é recolhido na parte inferior do
forno, ao passo que o gás carbônico é extraído por
cima.
✓O calor necessário para efetuar a reação endotérmica
de calcinação será dado pelo calor gerado na reação
exotérmica da oxidação (combustão) do carbono:
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4.4 Calcinação
𝐶 𝑠 + 𝑂2 𝑔1000°𝐶
𝐶𝑂2 (𝑔)
∆h298 = − 94,1 kcal/mol
∆h1273 = − 83,1 kcal/mol
✓Assim, deve-se fazer um balanço térmico entre a
reação de calcinação e a reação de combustão, para
que se possa determinar a quantidade necessária de
combustível (coque) para a dissociação de uma
quantidade desejada de carbonato.
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4.4 Calcinação
∆𝐻298= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅= −94,1 − 3,0 + 0 =
= −97,1 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙
∆𝐻1273= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅= − 83,1 − 7,2 + 7,1 =
= −97,4 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙
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4.4 Calcinação
✓ Exemplo: a dissociação de 1 mol de carbonato de
cálcio exige a combustão de 0,54 mol de carbono –
a dissociação de uma tonelada de CaCO3 exige a
queima de 64,8 kg de coque.
𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠1000°𝐶
𝐶𝑎𝑂 𝑠 + 𝐶𝑂2 ∆h1273 = 52,2 kcal/mol
𝐶 𝑠 + 𝑂2 𝑔1000°𝐶
𝐶𝑂2 (𝑔) ∆h1273 = - 97,4 kcal/mol
1 mol de CaCO3 → (52,2/97,4) mol de C = 0,54 mol de C
1000 kg 𝐶𝑎𝐶𝑂3= (1000/100) mols = 10 mols → 5,4 mols de
C = 5,4(12) = 64,8 kg C
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4.4 Calcinação
✓Na prática, entretanto, haverá um acréscimo de
aproximadamente 50% de coque (≈ 100 kg de
coque) para garantir as perdas de calor através das
paredes do forno.
✓Na prática, portanto, a proporção de coque/carbono
de cálcio é de 1/10 em peso.
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4.5 Tostação ou Ustulação
✓ Consiste essencialmente na oxidação de sulfetos
metálicos que geralmente utiliza oxigênio do ar.
✓ Objetivo: produzir o óxido metálico correspondente
e o dióxido de enxofre.
2MS (s) + 3O2 (g) → 2MO (s)+ SO2 (g)
✓O dióxido de enxofre é matéria prima fundamental
para a produção industrial de ácido sulfúrico
(H2SO4), muito importante economicamente.
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4.5 Tostação ou Ustulação
✓ A ustulação é normalmente utilizada como processo
preparatório de diversos minérios metálicos à base de
sulfetos (minérios de zinco, chumbo e cobre, por
exemplo).
✓ Esses minérios são geralmente ustulados em
temperaturas da ordem de 700 °C e 900 °C.
(a) Ustulação da esfalerita:
𝑍𝑛𝑆 + 3/2𝑂2800°𝐶
𝑍𝑛𝑂 + 𝑆𝑂2
∆h1073 ≈ − 110 kcal/mol ZnS
∆G1073 ≈ − 90 kcal/mol ZnS
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4.5 Tostação ou Ustulação
(b) Ustulação da galena:
𝑃𝑏𝑆 + 3/2𝑂2700°𝐶
𝑃𝑏𝑂 + 𝑆𝑂2
∆h973 ≈ − 130 kcal/mol PbS
∆G973 ≈ − 80 kcal/mol PbS
(c) Ustulação da calcocita:
𝐶𝑢𝑆 + 3/2𝑂2900°𝐶
𝐶𝑢2𝑂 + 𝑆𝑂2
∆h1173 ≈ − 130 kcal/mol CuS
∆G1173 ≈ − 80 kcal/mol CuS
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4.5 Tostação ou Ustulação
✓ Portanto, reações notavelmente exotérmicas (∆HT < 0) e
altamente espontâneas (∆GT < 0).
✓ Ao contrário da calcinação, que é endotérmica e exige uma
reação paralela de combustão para prover calor, a ustulação
pode ser um processo autógeno.
✓ Fornos de leito fluidizado: Nesse tipo de forno o ar é
suprido pela parte inferior e sob pressão, ao passo que o
concentrado (sulfeto) pulverizado é alimentado por cima; o
ar sob pressão mantém as partículas do minério em
suspensão (leito fluidizado), o que facilita o contato dos
reagentes e aumenta, consequentemente, a velocidade e a
eficiência da reação de oxidação.
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4.5 Tostação ou Ustulação
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4.6 Aglomeração por Sinterização
✓ Consiste em dar ao minério, já beneficiado e preparado,
uma morfologia macroscópica adequada para permitir
um elevado rendimento no processo final de extração.
✓ Tal morfologia é obtida quando se sinteriza as pequenas
partículas do minério pulverizado com a transformação
de blocos consistentes e porosos.
✓ A consistência permitirá seu adequado manuseio sem
perdas dos finos e a porosidade é necessária para
proporcionar uma elevada área de contato do minério
com os reagentes (particularmente gasosos) durante o
processo de redução.
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4.6 Aglomeração por Sinterização
✓ É largamente utilizado para o minério de ferro, e
também utilizado em minérios à base de sulfetos, caso
em que é realizado simultaneamente com a ustulação.
✓ Sinterização: aglomeração por fusão incipiente das
extremidades do minério
✓ O processo de preparação consiste, essencialmente, na
mistura de 5% de coque e 10% de água aos finos do
minério.
✓ Essa mistura é queimada a temperatura de sinterização
gira em torno de 1200 a 1300ºC, conforme mostra a
figura.
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4.6 Aglomeração por Sinterização
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4.6 Aglomeração por Sinterização
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