exercicios resolvidos de metalurgia extrativa

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1) Deseja-se produzir 10 Kg de aço inoxidável com 18 % Cr, 8 % Ni e 0.08 % C em forno
de fusão e elaboração. As matérias primas disponíveis são: sucata de aço contendo
0.2 % C (considere balanço em Fe), Ferro Cromo com 84 % Cr (considere balanço em
Fe), Níquel metálico contendo 99.8 % Ni (considere desconhecidas as impurezas e
que elas não vão para o aço inox produzido) e Ferro metálico contendo 0.03 % C
(considere balanço em Fe). Considerando os rendimentos em Cr, Ni e C de 90 % e o
rendimento em Fe 100 %, monte uma tabela de controle de balanço de massa e
calcule:
a) as quantidades de matérias primas a serem empregadas;
b) a quantidade de material descartado e as porcentagens de elementos contidas no
mesmo.
Exercícios
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Cálculo para 1 kg
de aço inox
Matérias Primas Produtos
Sucata de
aço (1)
FeCr
(2)
Ni met.
(3)
Fe met.
(4)
Aço inox
(5)
Desc.
(6)
Comp.
Fe fFe1 . m10,998 . m1
fFe2 . m20,16 . m2 -
fFe4 . m40,9997 . m4
fFe5 . m50,739 . 1 -
C fC1 . m10,002 . m1 - -
fC4 . m40,0003 . m4
fC5 . m50,0008 .1 fC6 . m6
Cr - fCr2 . m20,84 . m2 - -
fCr5. m50,18 . 1 fCr6 . m6
Ni - - fNi3 . m30,998.m3 -
fMn5 . m50,08 . 1 fNi6 . m6
impure
za - -
fIm3 . m30,002.m3 - - fIm6 . m6
Total 1 . m1 1 . m2 1 . m3 1 . m4 1 1 . m6
Exercícios
fFe5 = 1 – 0.0008 – 0.18 – 0.08 = 0.739
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(0,998.m3 ).0,9=0,08 → m3 = 0,089 Kg → Ni met. = 0,89 Kg
(0,84.m2 ).0,9=0,18 → m2 = 0,238 Kg → FeCr = 2,38 Kg
(0,002.m1+ 0,0003.m4)*0,9=0,0008 (1)
0,998.m1+0,16.0,238+0,9997.m4=0,739 (2)
Resolvendo o sistema com as equações (1) e (2) temos:
m4 = 0,3027 Kg → Fe met. = 3,027 Kg
m1 = 0,399 Kg → Sucata de aço = 3,99 Kg
1) a)
Exercícios
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Exercícios
1) b)
m1 +m2 +m3 +m4=m5+m6
0,399+0,238+0,089+0,3027 = 1+m6 → m6 = 0,0287 Kg → Impurezas = 0,287 Kg
Quantidade de Impurezas no descarte:
0,002. m3 = fIm6 . m6 → 0,002.0,089 = fIm6 . 0,0287 → fIm6 = 0,0062 ~0,62%
Quantidade de Ni no descarte:
0,998.m3 = 0,08.1 + fNi6 . m6 → fNi6 = 0.3074 ~30,74%
Quantidade de Cr no descarte:
0,84 . m2 = 0,18 + fCr6 . m6 → fCr6 = 0.6940 ~69,40%
Quantidade de C no descarte:
0,002 . m1 + 0,0003 . m4 = 0,0008 + fC6 . m6 → fC6 = 0,00309 ~0,309%
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2) A ustulação do sulfeto de zinco (ZnS)
consiste na sua oxidação com o ar e
pode ser representada por:
ZnS(s) + 3/2 O2(g) = ZnO(s) + SO2(g)
As matérias primas entram no forno a
25 °C e os produtos saem a 900 °C. O
ar (que contém 79 % N2(g) e 21 % O2(g)
em bases moleculares) entre em
excesso de 50 % em relação a
quantidade que efetivamente reage.
Supondo-se que o rendimento em Zn
seja de 98 %, calcule o excesso ou a
deficiência de calor por tonelada de
ZnS processado, considerando as
perdas de calor e o calor de outras
fontes dão zero. Os dados
termodinâmicos necessários estão na
tabela ao lado.
Exercícios
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Exercícios
2)
Energia que entra no sistema (Kcal/mol) Energia que sai do sistema (Kcal/mol)
1. Calor contido no reagente
1 mol de ZnS a 25 °C ................0
Calor contido no reagente
1,5+0,75 mol de O2 a 25 °C ................0
Calor contido no reagente
(1,5+0,75)*79/21 mol de N2 a 25 °C ................0
4. Calor contido no produto
0,98 mol de ZnO a 900 °C ..............10,6.0,98
Calor contido no produto
0,98 mol de SO2 a 900 °C ..............10,6.0,98
Calor contido no excesso
0,02 mol de ZnS a 900°C ..............11,2.0,02
Calor contido no excesso
(0,03+0,75) mol de O2 a 900°C ..............7.(0,03+0,75)
Calor contido no excesso
(1,5+0,75)*79/21 mol de N2 a 900°C .......6,6. (1,5+0,75)*79/21
2. Calor das reações exotérmicas
ZnS(s) + 3/2 O2(g) = ZnO(s) + SO2(g) ΔH°= -105,9
5. Calor das reações endotérmicas
Não há
3. Calor de outras fontes (elétrica, etc.)......................0 6. Calor de perdas................0
Σ Energias que entram = -105,9 Σ Energias que saem = 82.3
Calor de reação: ΔH°produtos - ΔH°reagentes
(-70,9-83,2)-(-48.2)=-105,9
ZnS(s) + 3/2 O2(g) = ZnO(s) + SO2(g)
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Exercícios
2)
Energia que entra – Energia que sai = -105,9 + 82.3 = -23.6 Kcal/mol (energia em
excesso)
1 ton de ZnS = 1000 Kg de ZnS = 1000000/97.4 mols de ZnS = 10267 mols de ZnS
Energia total em excesso por ton de ZnS = -23.6 Kcal/mol * 10267 = -242299.8 Kcal
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3) Uma usina produz cal (CaO) pela calcinação do calcário (CaCO3) em forno tubular vertical, usando ocoque como combustível. Supondo nulas as perdas de calor do forno, considerando puros o calcário e o
coque e que todas as matérias primas entram a temperatura ambiente; considerando ainda
rendimentos de 100 % em C e Ca; e o emprego de um excesso de 25 % de O2 na reação de combustão,lembrando que o ar contém 21 % de O2 e 79 % de N2 , calcular:
a) o consumo de coque por tonelada de CaO;
b) a temperatura de saída dos gases (fumos) do forno;
c) a temperatura de saída do CaO.
Dados: variações de entalpias contidas descritas na figura abaixo; para as variações das entalpias de
formação e massas moleculares descritas na tabela abaixo.
Exercícios
-97
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• Fluxo de materiais e perfil de temperatura no forno:
Exercícios
DEMa
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• Solução:
1) Identificar as reações que ocorrem:
CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) (Calcinação do calcário, endotérmica)C(s,coque) + O2(g) = CO2(g) (combustão do coque, exotérmica)
• Essas reações ocorrem na região do forno a altas temperaturas. A calcinação do
calcário só ocorre a temperaturas acima de 900 °C e como é endotérmica, a
manutenção desta alta temperatura depende do suprimento de energia, que no caso
é a reação de combustão do coque, acima de 600-800 °C.
• A queima de coque é a única fonte de energia para o processo, incluindo o
aquecimento da carga e o balanceamento de perdas do forno.
Exercícios
DEMa
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2) Fazer balanço de massa para cada uma das zonas do forno:
• Para a zona de reação, temos (para 1 mol de CaO):
Exercícios
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3) Fazer balanço de energia:
• Para a zona de reação, temos:
20,8 + 120,1 . X = 64,6 + X . 41,8
X = 0,56 mols de coque / mol de CaO = 0,56 . 12/ (1. 56,1) = 0,12 ton coque/ ton CaO
Exercícios
Endo
CO2(g)
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• Para a zona de preaquecimento:
15,8 + 1,0 + 16,8 = 20,8 + 1,8 + 1,56 . Y1 + 0,14 . Y2 + 2,63 . Y311,0 = 1,56 . Y1 + 0,14 . Y2 + 2,63 . Y3Por interação, baseado na figura, T ≈ 340 °C.
Exercícios
DEMa
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• Para a zona de esfriamento:
Y4 = 0.8TCaO ≈ 100 °C
Exercícios