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26/06/2017 08:49 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades

Tecnologia Metalúrgica

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

26/06/2017 08:49 ESTATÍSTICA APLICADA I - Teoria das Probabilidades

Capítulo IV

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Processos Pré-Extrativos

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

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26/06/2017 08:49 TECNOLOGIA METALÚRGICA

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.


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 100ºC.

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


4.2 Secagem

Substância Mol - ∆H298

(kcal/mol)

𝑪𝒑 = 𝑨 +𝑩𝑻 − 𝑪T-2 (cal/mol.K)

∆𝑯𝑻 − ∆𝑯𝟐𝟗𝟖= 𝑨𝑻+ 𝟏 𝟐 𝑩𝑻𝟐 + 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 + 1 2 𝐵𝑇2 + 𝐶T−1298373=

= −57800 +7,16𝑇 + 0,5 ∙ 2,56 ∙ 10−3 ∙ 𝑇2 +

+0,08 ∙ 105 ∙ 𝑇−1

373

=

= - 57203,98 cal/mol

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4.2 Secagem

(∆𝐻373)𝑙 = ∆𝐻298 + 𝐴𝑇 + 1 2 𝐵𝑇2 + 𝐶T−1298373=

= −68320 + 18,03𝑇 373 = - 66967,75 cal/mol

∆𝐻373= (∆𝐻298)𝑔 − (∆𝐻373)𝑙= −57203,98 − (−66967,75) = 9763,77 𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙 ≈≈ 9,8 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙


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 para que todos os fragmentos fiquem

expostos aos gases quentes, acelerando, assim, a reação de

evaporação extensiva.

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4.2 Secagem


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, 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


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 = 54,3 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).


Substância Mol - ∆H298

(kcal/mol)

𝑪𝒑 = 𝑨 +𝑩𝑻 − 𝑪T-2 (cal/mol.K)

∆𝑯𝑻 − ∆𝑯𝟐𝟗𝟖= 𝑨𝑻+ 𝟏 𝟐 𝑩𝑻𝟐 + 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 − 94,1 − −288,4 =

= 42,7 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙

4.4 Calcinação

∆𝐻1273= ∆𝐻𝑃 − ∆𝐻𝑅= −140,6 − 83,1 − −275,9 =

= 52,2 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙


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


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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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:


4.4 Calcinação

𝐶 𝑠 + 𝑂2 𝑔1000°𝐶

𝐶𝑂2 (𝑔)

∆h298 = - 97,1 kcal/mol

∆h1273 = - 97,4 kcal/mol (-78,3)

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 (- 78,3)


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.


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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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 + 3/2𝑂2 800°𝐶

𝑍𝑛𝑂 + 𝑆𝑂2

∆h1073 ≈ - 110 kcal/mol ZnS

∆G1073 ≈ - 90 kcal/mol ZnS



(b) Ustulação da galena:

𝑃𝑏𝑆 + 3/2𝑂2 700°𝐶

𝑃𝑏𝑂 + 𝑆𝑂2

∆h973 ≈ - 130 kcal/mol PbS

∆G973 ≈ - 80 kcal/mol PbS

(c) Ustulação da calcocita:

𝐶𝑢𝑆 + 3/2𝑂2 900°𝐶

𝐶𝑢2𝑂 + 𝑆𝑂2

∆h1173 ≈ - 130 kcal/mol CuS

∆G1173 ≈ - 80 kcal/mol CuS

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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 sobre 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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4.6 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.



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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