XIV. Actividades de Aprendizagem Actividade
2. Coloque números em todas ramificações
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3. Faça uma lista de todos os componentes que participam no processo Os componentes são A, B e C.
4. Descubra os componentes que estão em cada ramificação e liste-os adjacente ao bloco de diagrama.
Seja W representação da composição por peso
5. Decida de forma apropriada bases para cálculo.
Vamos usar a base de 100Kg/hr para a primeira matéria-prima
6. Descubra o número de relações independentes. Isto é equivalente ao número total de componentes das ramificações.
O número total de relações independentes = número total de componentes das ramificações.
Componentes das ramificações. WA1, WB1, WC2, WA3, WC3, WA4, WB4,WC4 = 8
7. Para calcular concentrações coloque por cima diferentes relações entre componentes das ramificações e relações independentes.
Nós precisamos pelo menos 8 relações matemáticas independentes para nos permitir resolver o problema. Elas são:
Base: Ramificação F1 é 100 Kg A proporção das 3 matérias-primas WA1 é 50%
WC2 é 100% WC3 é 25%
Balanço de material para A Balanço de material para B Balanço de material para C
Nós temos o número requerido para relações independente e podemos proceder para os cálculos.
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Começamos com o balanço geral da equação:
Acumulação = Fluxo para dentro – Fluxo para fora + Produção – Consumo
Para uma mistura de reacção, produção e consumo são zero. Por isso: Acumulação = (F1 + F2 + F3) - F4
Onde a velocidade de fluxo é em Kg por hora.
Por o sistema estar num estado estável, acumulação é zero e: F4 = F1 + F2 + F3 F4
A partir da proporção do fluxo para dentro F2 = 0.4 x (100/1) = 40Kg F3 = 1.5 x (100/1) = 150Kg Por isso F2 = 100 + 40 + 150 = 290Kg
O próximo passo é descobrir as quantidades de A, B e C em F4. Para fazer isso devemos escrever a massa do balanço da equação para cada um dos três componentes assumindo que não há acumulação. Para A:
Acumulação A = Fluxo para dentro A – Fluxo para fora A – Produção A – Consumo A
Acumulação A = 0 = (F1WA1 + F2WA2 + F3WA3) – F4WA4
0 = 100(0.5) + 40(0) + 150(0.75) - 290 WA4 0 = 162.5 - 290 WA4
WA4 = 162.5/290 = 0.56
Balanços similares serão feitos para B e C:
Acumulação B = 0 = (F1WB1 + F2WB2 + F3WB3) – F4WB4 0 = 100(0.5) + 40(0) + 150(0) - 290 WB4 0 = 50 - 290 WB4 WB4 = 50/290 = 0.16 Acumulação C = 0 = (F1WC1 + F2WC2 + F3WC3) – F4WC4 0 = 100(0.5) + 40(1) + 150(0.25) - 290 WC4 0 = 77.5 - 290 WC4 WC4 = 77.5/290 = 0.27 Page 36
É sempre bom verificar as respostas para consistência. Faremos isso somando as fracções de peso:
WA4 + WB4 + WC4 = 0.56 + 0.17 + 0.27 = 1.0 Isto prova que a resposta é correcta
8. Resultados Tabulados Stream Compon
ente
1 A B 50 50 100 50 50 100 2 C 40 100 100 100 3 A C 112.5 37.5 150 75 25 100 4 A B C 162.5 50 77.5 290 56 17 27 100 Avaliação Formativa:
1. Distinguir a química industrial da química clássica
2. Que factores são usados para classificar a indústria em pesada e ligeira?
3. Defina produtos químicos especializados
4. Explique como a litosfera é uma fonte importante de matéria-prima para a indústria química.
5. Qual é a diferença entre operações unitárias e processos unitários?
6. Que informações você esperaria encontrar num diagrama de bloco para um processo química?
7. Discuta o uso de símbolo num fluxograma de processo. 8. Que assumpções sào feitas nos estágios iniciais quando se
faz o balance material para processos químicos? 9. Escreva a equação geral de banco de uma equação.
10. Um produtor de gás possui a
seguinte composição por volume:
% Densidade,
Kg/m3
CO 28.0 1.250l CO2 3.5 1.9768 O2 0.5 1.4289
N2 68.0 1.2507 O gás queimou com o oxigénio de acordo com a seguinte equação:
2 CO + O2 --- 2 CO2
Oxigénio é proveniente do ar cujo o volume por composição é assumido ser de 80% de N2 e 20% de O2. O Oxigénio é alimentado a partir do ar e o produtor de gás está 20% em excesso da quantidade desejada para combustão completa. A combustão é completa em 98%. Faça o balanço material total para este processo baseando-se no facto de que 100 Kg do gás é queimado.
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Actividade 3
Indústrias de Química Inorgânica Parte 1: Metalurgia extractiva
Objectivos da Unidade
No final desta unidade, você deve ser capaz de:
a. Descrever as varias etapas que os minérios de minerais passam em um processo de curativo de minério.
b. Escrever equações que descrevem a calcinação e torragem c. Explicar o que acontece durante a fundição
d. Descrever a metalurgia extractiva do ferro e. Descrever a metalurgia extractiva do Cobre f. Descrever a metalurgia extractiva do Alumínio
Sumario da unidade
Nesta unidade, iremos estudar como os minerais são extraídos do minério do mineral onde existem com outros material de baixo valor.
Geralmente, minério são primeiro levados para a redução de tamanho, selecção e aglomeração para a transformação deles numa forma que pode ser levada para o processo de extracção incluindo a calcinação, torragem, fundição e refinaria. Metalurgia extractiva de ferro, alumínio e cubro respectivamente passam a ser apresentadas.
Lista de bibliografia relevante
Das R. K. (1988) química industrial: metalurgia, Kalyani Publishers, Nova Deli
Lista de fontes relevantes
Computadores com internet para acessar hiperligações e copyright livre
fontes relevantes
CD-ROM acompanhado deste módulo de leitura e demonstrações obrigatórias
Fontes multimédia como vídeos, tocadores de VCD e CD
Lista de Relevante Hiperligações Úteis
http://mine-engineer.com
http://electrochem.cwru.ed/encycl
O primeiro endereço possui informação útil em várias unidade de operações usadas na indústria química. Fotos e outras ilustrações estão presentes. O segundo endereço electrónico possui informações na produção de alumínio.
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3. 1. Minérios de Minerais
Uma minério é um depósito de mineral que pode ser explorada lucrativamente. Ele pode conter ter três grupos de minerais nomeadamente:
Componentes de metais associados que podem ser de valor secundário.
Ganga mineral de valor mínimo
Quase todos os metais derivam de minérios. Existem também minérios que contem ametais como enxofre. Geralmente, os minérios valiosos num minério podem ser encontrados na forma de metais nativos, óxidos, oxi-sais, sulfitos ou arseniatos.
Durante a mineração, enormes buracos abertos são escavados, quebrando o minério usando explosivos. Minérios, como pode ser extraído em grandes pedaços e, por conseguinte, a redução do tamanho é feita na mina. O minério é tirado a pazadas dentro dos camiões e transportados para a fabrica. Se o minério é encontrado em lençóis de agua, mineração é feita por dragagem. Por exemplo, areia é dragagem do leito dos rios.
3. 2. Curativo de Minério
Antes do minério ser sujeito aos principais passos de tratamento químico, eles são tratados por uma serie de processos relativamente baratos, maioritariamente físico invés dos de natureza química. Estes processos constituem o que é conhecido como curativo de minério. Eles tem intenção de afectar a concentração dos minerais valiosos e render o material enriquecido na melhor condição física para as operações subsequentes. Minério curativo pode incluir:
Redução de tamanho para o tamanha que possa libertar ou expor os todos os materiais valiosos.
Selecção para separar as partículas do minério mineral do ganga (não valioso) mineral ou diferentes minérios dos outros.
Aglomeração pode ser feita as vezes antes da operação de torragem.
Se o minério é rico no mineral valiosos, os processos acima pode não ter valor adicional. Tais minérios podem estar em terreno, em uma dimensão ou misturados com outros minérios de forma a prover uma ração homogénea para digamos um forno de Fundição ou cama de reacção.
3. 2. 1. Diminuição de tamanho
A diminuição de tamanho pode ser feita por partir primeiramente o minério ate no máximo 7 mm seguido de moagem para tamanhos mais pequenos. Trituradores de maxila podem ser usados profundamente na mina para preparar o minério para transporte ate a superfície por exemplo usando elevadores de balde.
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3. 2. 2. Dimensionamento
Telas são usadas para separar as partículas de acordo com o tamanho e podem não afectar a concentração do mineral minério. Partículas são separadas em acima do peso e de abaixo do peso.
3. 2. 3. Selecção
As partículas podem ser sorteadas por classificação, flotação ou métodos magnéticos.
Classificadores
Estes são dispositivos que separam as partículas de acordo com as diferentes taxas de gravidade de viagens por um fluido médio tal como agua. Partículas de densidades diferentes, tamanhos ou formas tem deferentes velocidades de queda. Classificadores incluem classificadores de ancinho e gabaritos.
3. 2. 4. Flotação
Flotação usa a diferença nas propriedades da superfície do mineral individuais. Ele é aplicado a concentrações bem finas e pode distinguir o minério mineral de ganga e também um minério do outro.
3. 2. 5. Separação magnética
Magnetite de ferro magnético ou minerais de ferro que podem ser alterados quimicamente para produzir magnetite podem ser separados usando separadores magnético como descrito na unidade 2.
3. 2. 6. Separação electrostática
Minerais tem uma grande margem de condutibilidade eléctrica e podem ser distinguidos por esta propriedade. Se é dada uma carga electrostática á muitos tipos de partículas e elas são postas em contacto com um condutor eléctrico com potencial terra, a carga vai passar de bons condutores muito mais rapidamente do que dos condutores pobres. Enquanto a carga mantêm-se, as partículas irão agarrar-se para o condutor por atracão electrostática. Os condutores de metais fracos vão no entanto manter-se anexadas ao condutor mais tempo do que os bons condutores, dando meios de separar os minerais que as suas condutividades diferem significantemente. Separadores electrostáticos operam numa fina camada de material. O princípio é ilustrado na fig. 3.1.
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3. 2. 7. Desidratação e filtração
Depois de sortear e lixiviação, é necessário separar o sólido da fase líquida.
Os sólidos mais grosseiros podem ser libertado das suas misturas drenando-os. As suspensões com partículas que podem se decantar, ser separadas do líquido a granel por decantação subsequentemente. Estes métodos de desidratação podem reduzir o conteúdo da mistura ate 50%. O conteúdo da mistura pode ser reduzido mais por filtração e secagem. Se o minério valioso está no filtrado, ele pode ser recuperado por evaporação seguida de secagem.
3. 2. 8. Aglomeração
Quando uma partícula de tamanho de um minério ou a concentração é muito pequena para uso em larga escala de tratamento por exemplo num forno de fundição, ele deve ser reformado em grumos de tamanho apropriado ou força. Isto é feito por um dos seguintes métodos: Pelotização Briqueting Sintetização Page 64 Briquenting
Este é um processo mecânico de aglomeração em que o material, depois da mistura com agua e os agentes colagens são pressionados ou extrudados em um tijolo ou forma de bloco. Estes blocos são depois secados e endurecido por aquecimento. O uso de cimento hidráulico permite que o endurecimento seja realizada a frio. Briquenting não é popular na aglomeração de mineral minério.
Sintetização
Sintetização envolve a difusão de material entre partículas. Ela é aplicada para a consolidação de pó metálico ou cerâmico compacto que são aquecidos á temperaturas aproximando os seus pontos de fusão para permitir que aconteça a difusão em todos pontos de contacto das partículas para que elas cresçam juntas para forma uma entidade rija. O processo pode ser previsto em uma rede migradora de vagas dentro de um sólido em alta curva de superfície de energia próximo dos pontos de contacto de áreas de baixa energia longe dos pontos de contacto.
Sintetização pode ser acompanhado de uma reacção química. 3. 3. Processos de extracção
Ate aqui, nós vimos lidando com operações de unidade que prepara o minério para reacções químicas usadas para extrair o metal precioso do minério. Agora nós queremos olhar para a extracção e refinaria de metais.
3. 3. 2. Calcinação
Este é o tratamento térmico de um minério para afectar a sua decomposição e eliminação de produtos voláteis, geralmente dióxido de carbono e água. As reacções de calcinação seguintes:
CaCO3 CaO + CO2 T=1000c
MgCO3 MgO + CO2 T=417C
MnCO3 MnO + CO2 T=377C
FeCO3 FeO + CO2 T=400C
Calcinação pode ser feita em fornos usando fluxo contracorrente para efectiva transferência de calor.
3. 3. 2. Torragem
Torragem envolve mudanças químicas diferentes de decomposição, geralmente com uma fornalha atmosférica. A torragem pode efectivar calcinação e secagem como se indica abaixo
2 CuS + O2 CaO + CO2 (Calcinação)
Cu2S + O2 2 Cu + CO2 (Torragem)
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3. 3. 3. Fundição
Este é essencialmente um processo de fundição onde os componentes da carga no estado fundido se separam em dois ou mais camadas que podem ser escória, matte, speiss ou metal
Matte: Material sulfito pesado Escoria: material de óxido leve
Speiss: óxido de ferro, insolúvel em matte, escória ou metal; ele pode conter elementos
Fundição de metal evolve redução, geralmente por carbono ou carvão ou coque e pode ser feito em um forno de fundição ou num forno eléctrico.
No forno de fundição, coque é queimado em CO2 que a seguir reage com carbono formando CO. Os gases ascendentes pré-aquecem o carga sólida descendo a pilha e reduz o óxido metálico em metal. Então este é um processo de secagem seguido de calcinação e torragem. O metal funde e a escória forma ganga e fluxo. Onde a temperatura de fusão ou redução é acima de 1500°c, a fundição eléctrica é apropriada.
3. 3. 4. Refinaria
Electrolise pode ser usada para a extracção e refinaria de metal. Na refinaria com o fogo, os metais extraídos são convertidos ao estado
líquido e a sua composição finalmente ajustada. Em alguns casos, isto pode ser um simples fundição para permitir hidrogénio catódicamente arrastado a escapar por difusão. Em outros casos, impurezas podem reagir para formar compostos que são insolúveis em estado fundido. Convectores são usados para oxidar impurezas fora do forno de fundição ferro em aço e para oxidação de enxofre do cobre e níquel matte. Destilação podem também ser aplicadas na purificação de metais.
3. 4. Metalurgia Extractiva de Ferro 3. 4. 1. Usos do ferro
O ferro é usado na formas indicadas abaixo como material de construção de máquinas, fábricas, edifícios, locomotiva, navios, automóveis, caminhos-de-ferro e para muitas outras coisas. Todas estas formas são obtidas de ferro gusa que é primeiro obtido de ferro de minério.
a. Ferro fundido branco obtido quando silício de baixo fundido, ferro gusa com alto teor de manganês, é rapidamente arrefecido. b. ferro gusa cinzento que contem pequenas quantidades de
carbono e outras impurezas mas 1,2-3% escória. c. Aço que contem de 0.08 á 0.8% de carbono. Page 66
d. Aço duro que contem 0.8 a 1.5% de carbono.
e. liga ou aço especial que alem de carbono contem um ou mais metais como Ni, Cr, W, V, Mo, Mn.
3. 4. 2. Matéria-prima
As principais matérias-primas para o fabrico de ferro e aço são ferro minério e calcário ou fluxo de dolomite. Carvão de cozinha é usado como combustível. O combustível tem dois propósitos: para aquecer o forno e produzir CO que actua como agente redutor. Para fazer aço
especial outros materiais tais como níquel, crómio, cobalto são adicionados.
Depósitos de ferro minério são encontrados na Índia, China, Brasil, Canada, Alemanha e Estados Unidos da América. O minério inclui hematite vermelha (Fe2O3), a menos inferior hematite castanha hidratada também conhecida por Limonita (2Fe2O3.3H2O), a magnetite magnética (Fe3O4) que é preta de cor e pirite (FeS2). A hematite é facilmente reduzida. A magnetite contem cerca de 72% de metal puro e pode ser reduzido com alguma dificuldade.
3. 4. 3. Remoção de impurezas em minério de ferro
A presença de impurezas num minério de ferro não reduz apenas o conteúdo de ferro no minério mas também, aumenta os custos de produção especialmente no que diz resto ao consumo de fluxo e combustível.
Se é usada a limonita, ela é secada primeiro antes do uso. Quando o minério contem largas quantidades de impurezas, são levadas a cabo apropriados curativo de minério. Quando o minério é obtido em pequenas quantidades, ele é sintetizadas em cubos.
As principais impurezas no ferro são a sílica e alumina. Sílica e alumina na presença de calcário faz o minério se auto fundir com menores custos de produção. A temperaturas altas do forno de fundição, o fluxo reage com alumina e sílica para formar um complexo de cálcio- magnêsio alumínio conhecido por escória.
Enxofre e fósforo são também encontrados em minério de ferro como impurezas na forma de sulfito de ferro (FeS), Sulfatos (CaSO4) e fosfatos (Ca3(PO4)2 ou Fe3(PO4)2. Ambos enxofre e fósforo, que podem ser usados também como combustível, não são desejados na produção de ferro e aço. Normalmente, aço não pode conter mais de 0.05% de enxofre ou 0,05% de fósforo. Enxofre pode ser removido no forno de fundição escória. Fósforo não pode ser removido na escória
mas passa pelo ferro gusa onde ele é combinado com o aço no conversor. Como resultado, os minérios são algumas vezes classificados como acido ou básicos de acordo com a quantidade de fósforo presente. Minério acido contem menos de 0.05% de fósforo enquanto que o básico tem mais de 0.05%.
Uma pequena quantidade de magnésio é geralmente presente no minério. Magnésio é vantajoso na produção de aço porque reduz o efeito do enxofre por formar o sulfito de magnésio (MnS). Algumas vezes, se o magnésio está ausente no minério, ele é acrescentado. Page 67
3. 4. 4. Combustível
Coque é um combustível usado para fundir o minério e reduzir o minério de ferro em ião metálico. Coque é produzido num fundo do forno de fundição por carbonização do carvão, ex: queimadura de carvão na ausência de oxigénio para remover matéria volátil. Coque de boa qualidade tem cerca de 80% de carbono e 20% de cinzas. É difícil prevenir a formação de CO e a sua alta porosidade dá maior superfície de contacto a reacções químicas. Ele é consumido no nível de uma tonelada por tonelada de ferro gusa.
3. 4. 5. Produção de Ferro gusa
Ferro gusa é produto directo de fundição de minério de ferro com fluxos e combustível em alto forno de fundição. O oxigénio é introduzido no topo do forno, por sopro ou soprado através de bronze ou bocal de cobre sobre o material do forno em um número de tubos simetricamente colocados, chamados ventaneiras. O jacto de ar é pré- aquecido para a temperatura de 700C e pressão de 2.5kg/cm2 usando gases de exaustão quente deixando o formo pelo topo. Pré- aquecimento grandemente aumenta a economia da produção de aço.
O ferro fundido e escória é recolhido no fundo da forno enquanto ao gases escapam pelo topo. A camada de escória flutua sobre o ferro mais pesado e é periodicamente colhido como escoria e armazenado como resíduo que pode ser usado na produção de cimento ou fazendo ladrilhos.
O ferro gusa é aproveitado e/ou usado na produção de ferro fundido, armazenado em suínos de sacos de área ou é levado para a produção de aço. Para fazer ferro fundido, o metal fundido é colocado em moldes de tamanho e forma desejado. O metal é arrefecido e solidificada na forma desejada.
Fig 3. 2. Diagrama esquemático de um forno de fundição mostrando as temperaturas á alturas relativas.
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3. 4. 6. Reacções do forno de fundição
A temperatura no forno de fundição cresce progressivamente do topo a base. As seguintes reacções acontecem em diferentes zonas:
Redução de minério ferro
Fe2O3 + CO CO2 + 2 Fe2O4 Fe2O4 + CO 3 FeO + CO2 3 FeO + 3 CO 3 Fe + 3 CO3 Reacções do combustível
CO2 + C 2CO
Reacções de formação de escória CaCO3 CaO + CO2
CaO + SiO2 CaSiO3 2 Fe + SiO2 2 FeO + Si 2 Mn + SiO2 MnO + Si MnO2 + 2C Mn + 2 CO
FeS + CaO + C CaS + Fe + CO FeS + Mn Fe + MnS
Ca3(PO4)2 + 2 SiO2 + 5C 3 CaSiO3 + 2P + CO.
Grande parte do enxofre passa para escória como CaS e MnS e apenas uma pequena porção contínua no metal como FeS e MnS.
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3. 5. Metalurgia Extractiva do Alumínio
Alumínio é o metal mais abundante na terra e é comercialmente extraída da bauxita minério onde ocorre como óxido de alumínio hidratado.
A extracção de alumínio da bauxita ocorrem em três etapas:
Curativo de minério: limpeza do minério por separação do metal contendo o mineral do lixo (ganga)
Tratamento químico de bauxita por conversão de óxido de alumínio hidratado em óxido de alumínio puro.
Redução do alumínio do óxido do alumínio por processos electrolíticos.
O Curativo de minério pode envolver lavagem do minério, classificação do tamanho e lixiviação.
Nesta etapa, a bauxita está quebrada e aterrada até ao tamanho correcto de partículas para extracção efectiva da alumina por digestão com solução de hidróxido de sódio quente que dissolve o hidróxido de alumínio, formando a solução de aluminato de sódio
2NaOH + Al2O3 Na2Al2O3 + H2O
A impureza residual (oxido de silício, ferro, titânio e alumínio ex: SiO2, Fe2O3, TiO2, Al2O3). Estas impurezas insolúveis são chamada “lama vermelha” que junto com impurezas sólidas finas, são separadas da solução de aluminato de sódio por lavagem e espessamento. A solução é então semeado com hidróxido de alumínio do lote anterior em tanques precipitadores, onde o hidróxido de alumínio precipita da solução.
Na2Al2O3 + 4H2O 2Al(OH)3 + 2NaOH
O hidróxido de alumínio depois de separado do hidróxido de sódio é