Processos Pré-Extrativos

Transcrição

1 Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Tecnologia Metalúrgica Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Capítulo IV Processos Pré-Extrativos Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 1

2 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4.1 Introdução Os principais processos pré-extrativos são: (a) Secagem; (b) Desidratação; (c) Calcinação; (d) Ustulação; (e) Aglomeração por sinterização. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 2

3 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. H 2 O l 100 C H 2 O(g) L e = h 373 = + 9,8 kcal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4.2 Secagem Substância Mol H 298 (kcal/mol) C p = A + BT CT 2 (cal/mol.k) H T H 298 = AT + 1Τ2 BT 2 + CT A B x 10³ C x 10 5 H 2 O (g) 18 57,8 7,16 2,56 0,08 H 2 O (l) 18 68,32 18, T ( H 373 )g = H AT + 1Τ2 BT 2 + CT = = ,16T + 0,5 2, T , T 1 = 298 = 57203,98 cal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 373 3

4 4.2 Secagem ( H 373 )l = H AT + 1Τ2 BT 2 + CT = = ,03T 373 = 66967,75 cal/mol H 373 = ( H 298 )g ( H 373 )l = 57203, ,75 = 9763,77 cal mol + 9,8 kcal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4.2 Secagem É normalmente realizado emfornos 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4

5 4.2 Secagem 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 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 (Fe 2 O 3.H 2 0), (b) Bauxita (Al 2 O 3.H 2 O), (c) Manganita (Mn 2 O 3.H 2 O) Reação generalizada: MX.H 2 O (s) MX (s)+ H 2 O (g) São reações endotérmicas que somente ocorrem em temperaturas da ordem de 700 C a 800 C. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 5

6 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: CaCO 3 (s) CaO (s)+ CO 2 (g) Variação de energia livre: G T = 40,25 0,0344 T kcal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos Composto G T = a + btlogt + CT (kcal/mol) a b x 10³ c x 10 3 CaO + CO 2 CaCO 3 40,25 34,4 MgO + CO 2 MgCO 3 28,1 40,6 FeO + CO 2 FeCO 3 MnO + CO 2 MnCO 3 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 6

7 Para G T 0 T 1170 K (897 C): a reação passa a ser espontânea a temperaturas acima de897 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 G T 0). Exemplos: CaCO 3 T 900 C MgCO 3 T 417 C FeCO 3 T 400 C MnCO 3 T 377 C 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos A calcinação, em geral, é endotérmica. CaCO 3 s 1000 C CaO s + CO 2 h 298 = +42,8 kcal/mol h 1273 = +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). 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 7

8 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 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos Substância Mol H 298 (kcal/mol) C p = A + BT CT -2 (cal/mol.k) H T H 298 = AT + 1Τ2 BT 2 + CT A B x 10³ C x 10-5 CO 2 (g) 44 94,05 10,55 2,16 2,04 CaO 56,1 151,6 11,86 1,08 1,66 CaCO 3 100,1 288,4 24,98 8,83 7,24 C (coque) 12-3,0 4,10 1,02 2,10 T 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 8

9 H 298 = H P H R = 151,6 94,05 288,4 = = 42,8 kcal/mol H 1273 = H P H R = 140,6 83,1 275,9 = = 52,2 kcal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos H 1273 = H P H R H 1273 CaO = = H ,86T + 0,5 1, T 2 + 1, T = = , ,28 = ,01 H 1273 CO 2 = = H ,55T + 0,5 2, T 2 + 2, T = = , ,37 = 82633,80 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 9

10 H 1273 CaCO 3 = = H ,98T + 0,5 8, T 2 + 7, T = = , ,64 = ,73 H 1273 = H P H R = = , , ,73 = = 36872,92 cal/mol = 36,9 kcal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 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: 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 10

11 C s + O 2 g 1000 C CO 2 (g) h 298 = 94,1 kcal/mol h 1273 = 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos H 298 = H P H R = 94,1 3,0 + 0 = = 97,1 kcal/mol H 1273 = H P H R = 83,1 7,2 + 7,1 = = 97,4 kcal/mol 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 11

12 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 CaCO 3 exige a queima de 64,8 kg de coque. CaCO 3 s 1000 C CaO s + CO 2 h 1273 = 52,2 kcal/mol C s + O 2 g 1000 C CO 2 (g) h 1273 = - 97,4 kcal/mol 1 mol de CaCO 3 (52,2/97,4) mol de C = 0,54 mol de C 1000 kg CaCO 3 = (1000/100) mols = 10 mols 5,4 mols de C = 5,4(12) = 64,8 kg C 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 12

13 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) + 3O 2 (g) 2MO (s)+ SO 2 (g) O dióxido de enxofre é matéria prima fundamental para a produção industrial de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), muito importante economicamente. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 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 + 3/2O C ZnO + SO2 h kcal/mol ZnS G kcal/mol ZnS 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 13

14 4.5 Tostação ou Ustulação (b) Ustulação da galena: 700 C PbS + 3/2O 2 PbO + SO2 h kcal/mol PbS G kcal/mol PbS (c) Ustulação da calcocita: 900 C CuS + 3/2O 2 Cu2 O + SO 2 h kcal/mol CuS G kcal/mol CuS 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4.5 Tostação ou Ustulação Portanto, reações notavelmente exotérmicas ( H T < 0) e altamente espontâneas ( G T < 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 14

15 4.5 Tostação ou Ustulação 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 15

16 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. 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4.6 Aglomeração por Sinterização 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 16

17 4.6 Aglomeração por Sinterização 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 4.6 Aglomeração por Sinterização 12:03 TECNOLOGIA METALÚRGICA Processos Pré-Extrativos 17