4 - Calcinação
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4 - Calcinação

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Calcinação

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

Introdução

Calcinação é um tratamento térmico aplicado à carbonatos
visando a promover a sua decomposição térmica. A
calcinação ocorre abaixo da temperatura de fusão do
material.

MeCO3(s)� MeO(s) + CO2(g)

P.S. O termo calcinação é empregado erroneamente na
etapa de desidratação do Al(OH)3 e durante a ustulação de

alguns minérios e/ou concentrado.

Dolomita � CaMg(CO3)2

Calcário � CaCO3

Magnesita � MgCO3

• Aplicações:

• Produção de aço e ferro.
• Produção de metais não ferrosos.
• Construção civil.
• Papel e celulose.
• Industria química e de alimentos.
• Áçucar / Álcool.
• Vidro.
• Retirada de SO2 de gases.
• Agricultura.
• Tratamento de água.

• Produção:

• A produção mundial de cal e cal dolomítica é maior
que 120milhões de toneladas por ano.

• A indústria de ferro é aço é a maior consumidora e
demanda por, aproximadamente, 40 milhões de
toneladas/ano.

Qual a perda percentual de massa sofrida pelo
carbonato de magnésio durante a calcinação?

Propriedade do carbonato de cálcio:

• ≈ 90% CaCO3..
• 3-30% vazios.
• Superfície específica 1-10m2/g.
• Volume molar 36,9 cm3/mol e 16,9 cm3/mol para o CaCO3 e

CaO, respectivamente.

P.S. Carbonato de cálcio de alta pureza contém teor de 97-
99%. Dolomita de alta pureza contém teor de 40-43% e
57-60% de MgCO3 e CaCO3, respectivamente.

Como justificar a
variação na

porosidade do
material

calcinado?

Como justificar
essa variação na

área superficial?

Calcule a porosidade teórica de uma amostra de
CaCO3 (ρ = 2,83g/cm3) após a calcinação.

R: 0,44

100g (CaCO3) --- 35,33cm3
44g (CO2) --------- X = 15,55 cm3 (Volume de vazios deixados pelo CO2)

Considerando que a rede do CaCO3 não sofre encolhimento após a
calcinação a porosidade teórica será:
15,55/35,33 = 0,44

Reações de calcinação

CaCO3(s)� CaO(s) + CO2(g) ∆H = +182,1 kJ/mol

MgCO3(s)� MgO(s) + CO2(g) ∆H = +100,9 kJ/mol
(700-1000ºC)

CaMgCO3(s)� CaO.MgO(s) + 2CO2(g) ∆H = +302,8 kJ/mol

P.S. As reações de calcinação são todas endotérmicas. O
que significa que elas são favorecidas em altas temperaturas.

Termodinamicamente, para que a calcinação ocorra a pCO2
no carbonato deve ser maior que a pCO2 no meio

(Calcinador). Sendo assim, para a calcinação de um
carbonato hipotético, tem-se:

2
0 ln pCORTGG +∆=∆

No equilíbrio:

2
0

2
0

ln
0ln

pCORTG
pCORTGG

−=∆
=+∆=∆

P.S. Essas equações não levam em consideração os
fenômenos associados ao transporte de produtos através da
camada de cinza e nem a formação de novas fases durante o

processo.

Determine a temperatura mínima de calcinação para o MgCO3.
Para uma pressão de 1atm e de 0,01atm dentro do reator.

y = -168.79x + 97878
R2 = 0.9999

y = -207.08x + 97878
R2 = 0.9999

-120000
-100000

-80000
-60000
-40000
-20000

0
20000
40000
60000

0 200 400 600 800 1000 1200

472,6 579,9

Para conseguirmos calcinar o MgCO3 à 423,15K. Qual seria a pressão
máxima de CO2 dentro do reator?

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 500 1000 1500 2000 2500

pCO2 = 100atm

pCO2 = 1atm

pCO2 = 0,0001atm

R T l
n P C O

2
( P C O

2
= 1 0

- 3 )

Temperatura ºC

(PCO2=1)

( P C O 2 =
1 0

- 1 )

( P C O 2
= 1 0

- 2 )

0

+45

+30

+15

-15

+60

0 200015001000 500

(∆∆∆∆Go Kcal)

(PCO2=10)

2
0 ln pCORTGG +∆=∆

A decomposição do carbonato depende da pressão
parcial de CO2 presente no processo. Para o CaCO3,

temos:

25% de CO2� 810oC
100% de CO2� 900oC

A dolomita decompõe em dois estágios. O primeiro em,
aproximadamente, 550oC (MgO) e o segundo em,

aproximadamente, 810oC (CaO).

Durante a calcinação do carbonato de cálcio, o núcleo da
partícula deve alcançar 900oC. Sabendo que a
temperatura de calcinação desse material é 810oC.
Justifique a necessidade dos 900oC. Porque o calcinador,
normalmente, opera a temperatura de 1100oC?

A pressão de decomposição no equilíbrio (Peq) para carbonatos
é melhor descrita pela seguinte equação:

atm
T

Peq 







−×=

20474
exp10137,4 7

FONTE: G.D. Silcox, J.C. Kramlich, D.W. Pershing, A mathematical model for
the flash calcination of dispersed CaCO3 and Ca(OH)2 particles, Ind. Eng.
Chem. Res. 28 (1989) 155–160.

A equação não mostra um bom ajuste em
temperaturas baixas e quando o tamanho da

partícula é grande.

Como a temperatura pode
interferir no produto final da

calcinação?

CaCO3

• Sinterização

Grandes tempos de retenção e elevadas temperaturas
podem promover a sinterização da carga. Como
consequência teremos:

• Redução da área superfícial.
• Redução da porosidade.
• Redução da reatividade.

A presença de CO2 e H2O acelera a sinterização do óxido.

Como isso pode
interferir no produto

final?

• Cinética de sinterização

tk
S

SS
s=








−

γ

0

0

Área superficial Constante de velocidade

Coeficiente exponencial

skS
SS

t lnlnln
0

0
−








−

= γ

Em atmosfera inerte, γ ≈ 2,7 o que indica um mecanismo de difusão na rede.

Em linhas gerais, a velocidade de sinterização da cal obedece
à seguinte ordem:

Ca(OH)2 > Calcário > CaCO3

10X10X

Como justificar essa ordem?

R: A maior velocidade do calcário é atribuída à presença de
catalisadores na rocha. O produto da desidratação possui os poros

mais próximos, perde H2O, e por isso a cinética de sinterização é
maior.

As pressões devem ser fornecidas em Pas.

Quando os dois gases estão presentes, temos:

Influência do CO2 e da H2O na cinética de sinterização

Efeito da temperatura e do tempo de calcinação na
porosidade e área superficial do óxido de cálcio

Influência direta da
área superficial na

aplicação final do
produto.

Como você explicaria o resultado abaixo?

A temperatura da calcinação é de extrema importância
quando se quer obter um determinado tipo de material. No

caso da magnesita temos:

»Dead burned magnesium oxide

»Hard burned magnesium oxide

» Light burned magnesium oxide

Dead burned magnesium oxide

10.000X
área superficial

<0,1m2/g

- Temperatura de calcinação
1500oC-2000oC.

- Óxido altamente refratário.

- Utilizado na construção de
refratários para fornos.

Hard burned magnesium oxide

5.000X
área superficial

0,1- 1,0 m2/g

- Temperatura de calcinação 1000-
1500oC.

- Óxido de reatividade moderada.

- Utilizado em aplicações onde
necessita-se de uma degradação
lenta ou reatividade moderada (Ex.
Alimentação animal e fertilizantes).

Light burned magnesium oxide

5.000X
área superficial

1,0 - 250 m2/g

- Temperatura de calcinação 700-
1000oC.

- Óxido de alta reatividade.

- Utilizado na industria de papel e
processamento de polpas, ade-
sivos, neutralizante químico, etc.

• A Cinética da calcinação

Os seguintes fatores complicam o estudo cinético da
calcinação:

• Concentração de CO2
(inibição da reação)

• Tamanho de partícula.
(transferência de calor e massa)

• Presença de catalisadores/ inibidores.
(impurezas)

Temperatura e Catalisadores

Presença de CO2 e H2O

Tamanho da Partícula

Considerações Cinéticas

Moffat W. e Walmsley R. W. apresentaram, em 2006, um
estudo cinético para a calcinação de um carbonato de
cálcio feito em um forno rotativo na faixa de temperatura

de (850-1200oC). Utilizando cinco diferentes tamanhos de
partícula (4,75-25mm).

Usaremos os resultados desse *trabalho para estudarmos
a cinética de calcinação.

*http://www.tappsa.co.za/archive2/Journal_papers/Understanding_lime_calcinati
on/understanding_lime_calcination.html

A cinética de calcinação segue o modelo do núcleo não reagi-
do e quatro importantes passos podem controlar a velocidade
de decomposição do carbonato, são eles:

1- A condução de calor
através da camada de
cinza.

2- A reação química no
núcleo não reagido.

3- A difusão do CO2 através
da camada de cinza.

4- A difusão do CO2 na
camada fluída.

P.S. Existe um consenso na literatura de que os efeitos da etapa
4 são insignificantes durante a decomposição do carbonato de
cálcio.

Controle