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14/05/2019

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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


Capítulo IV

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Processos Pré-Extrativos

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

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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 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


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


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


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


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


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


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


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

✓ 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.


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


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.



✓ 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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(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



✓ 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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4.6 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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✓ 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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