PRODUÇÃO DE METAIS VOLATEIS Slide

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TRABALHO DE METALURGIA DOS 
NÃO FERROSOS
Discentes: Carlos Augusto e Caio Arthur
Docente: Gilberto
Matéria: Metalurgia dos Não ferrosos
8° período
Outubro/2018
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CAPITULO 7
PRODUÇÃO DE 
METAIS VOLATEIS
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INTRODUÇAO
Todos os metais serão convertidos em vapor se forem aquecidos a uma temperatura suficientemente alta. Um certo número de metais, no entanto, são prontamente volatilizados mesmo pelo calor relativamente moderado, sendo esses metais conhecidos como metais voláteis. São eles: mercúrio, cádmio, sódio, potássio, arsênico e zinco.
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A produção de metais no estado volátil é viável devido ao baixo ponto de vaporização que possuem alguns metais, de maneira que sua obtenção industrial é possível utilizando fornos e tecnologia atualmente disponíveis. O quadro 7-1 mostra os metais importantes que são produzidos no estado volátil e as correspondentes temperaturas de volatilização (TV). 
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Dentre os quarto metais acima, o Hg e o Cd são considerados, dentro das normas ambientais internacionais, como tóxicos e suas futuras aplicações serão restritas apenas a situações em que não existam riscos potencias para o meio ambiente. Por esta razão, neste capítulo, será focalizado somente o estudo dos metais Zn e Mg, que são os que têm maiores aplicações industriais. 
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No estudo da produção de metais voláteis é importante considerar as condições nas que os metais existem no estado de vapor. Isto é realizado usando a relação termodinâmica entre a pressão de vapor do metal e a temperatura de vaporização. Este tipo de relação é dada por Kubaschevski e Evans[1] e tem a forma geral: 
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 METALURGIA EXTRATIVA DO ZINCO 
O processo metalúrgico para a produção de zinco metálico responsável por mais do que 80% da produção mundial de zinco é o processo RLE (Roasting-Leaching-Electrolysis). A matéria-prima que é fonte de zinco para o processo é o mineral esfalerita (ZnS) e a primeira etapa desse processo consiste na ustulação do concentrado de esfalerita. Essa reação pode ser representada pela seguinte equação química:
 ZnS(s) + O2(g) = ZnO(s) + SO2(g)            (1)
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Finalmente, a solução concentrada em sulfato de zinco é submetida à etapa de eletroobtenção. A principal reação química que ocorre nessa etapa pode ser representada pela seguinte equação química:
Zn2+(aq) + 2e- = Zno(s)            (3)
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Após a ustulação, o óxido de zinco é submetido à etapa de lixiviação e a principal reação química que representa essa etapa pode ser descrita pela seguinte equação química:
ZnO(s) + H2SO4(conc.) = ZnSO4(aq) + H2O(l)            (2)
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Vale destacar aqui que a esfalerita (ZnS) não entra no processo como fase pura, isto é, a esfalerita entra como um concentrado contendo normalmente alguns outros minerais sulfetados, óxidos e silicatos.
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Em torno de 50% da produção industrial mundial é realizada processando material sinterizado proveniente de processos de ustulação, utilizando redução carbotérmica, tal como se pode observar na extração pirometalúrgica do fluxograma abaixo. 
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A produção hidrometalúrgica é principalmente aplicada a minérios ou concentrados oxidados ou silicatados que contém percentagens baixas do metal. Como ilustrado na Figura 7-1., o procedimento convencional hidrometalúrgico envolve uma seqüência de processos de lixiviação, purificação e refino eletrolítico como a Redução Carbotérmica.
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Redução Carbotérmica 
A redução carbotérmica do óxido de zinco se processa através da seguinte reação: 
ZnO(s) + C(s) → Zn(v) + CO(g) ∆Go = 83300 – 68,20 T[2]
Observe, na equação 7-2, que o zinco é obtido no estado volátil. Termodinamicamente é possível também se obter este metal no estado líquido ou ainda sólido, porém em condições que não são convenientes do ponto de vista operacional ou de processamento. 
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Em concordância com o diagrama anterior, usando-se a equação 7-2 e estabelecendo-se pZn=1 atm., a temperatura de equilíbrio é obtida como: 
 
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Observando-se que a reação 7-2 é de natureza endotérmica pode-se determinar que nas condições de pressão consideradas (PT= 2 atm.) a produção de Zn(v) será viável só para temperaturas de operação acima de 948 °C.
Para uma pressão total de 1 atm.,quando pZn=pCO=0,5 atm., a faixa de temperaturas de operação será obtida como:
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e para pZn=0,5 atm=380 mm Hg se obtém, Tv= 840 oC . Logo, pode-se observar que na faixa de temperaturas de operação ( TOP > 901 oC), a uma pressão total de 1 atm., o Zn será produzido na forma volátil. Se a pressão do sistema continua decrescendo o valor de pZn também decrescerá correspondentemente seguindo uma curva descrita pela equação 7-4 tal como pode ser visto na Figura 7-3. 
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Mecanismo da Redução Carbotérmica 
Observa-se que a reação 7-2 representa o processo global de redução, porém, o mecanismo de redução envolve a seguinte sequência de reações consecutivas, que ocorrem simultaneamente dentro do reator: 
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 Termodinâmica da Redução Carbotérmica de ZnO 
Os equilíbrios podem ser representados, num diagrama ln(PCO2/PCO) Vs T-¹ na forma de duas famílias de curvas em função das pressões de CO e Zn(v) tal como mostrado na Figura 7.4. 
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Analisando a estequiometria do sistema observa-se que o número de moles de CO e Zn(v) produzido deve ser igual. Por tanto, pode-se deduzir que para cumprir-se as condições especificadas no problema (pZn>>pCO ), o gás CO deve ser removido seletivamente do sistema, processo que é muito difícil de realizar-se na prática industrial. 
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Cálculo das Temperaturas de Redução 
A temperatura mínima de redução para os componentes no estado padrão, as=1 e pg=1 atm., é calculada usando-se o diagrama ∆G° /T ilustrado na figura 7.2. Para qualquer outra condição fora do estado padrão o cálculo pode ser feito considerando simultaneamente as equações de redução carbotérmica (7-2) e de formação de Zn(v) (7-3) tal como ilustrado no seguinte exemplo: 
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 Composição de Equilíbrio na Fase Gasosa 
Um método para a determinação da composição de equilíbrio dos gases foi proposto por Maier e é baseado na suposição de que o sistema está formado originalmente por ZnO, CO e CO2, em equilíbrio com a relação expressa pela constante de equilíbrio da reação 7-5, á mesma temperatura. 
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Inicialmente os valores de pCO e pCO2 foram calculados sem levar em conta o equilíbrio C/CO/CO2 e nestas condições o processo de redução do ZnO pelo gás CO, representado pela reação 7-6, pode ser expresso pelo seguinte sistema de equações:
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Tecnologia Industrial da Fabricação de Zinco
A produção industrial de zinco, usando processamentos pirometalúrgicos, é realizada através da aplicação de várias tecnologias. A evolução cronológica destas técnicas pode ser mostrada a partir do estudo dos seguintes processos: 
 Produção em Retortas Horizontais
 Produção em Retortas Verticais 
 Produção em Forno Elétrico – Processo Eletrotérmico 
 Produção em Alto-forno – Processo “Imperial Smelting” 
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Fabricação de Zinco em Retortas Horizontais 
Foi o processo predominante por muito tempo e é ainda usado em algumas usinas antigas, principalmente na Europa. Na atualidade este processo tem sido substituído por um processo contínuo de produção do metal em retortas verticais. É formada por um reator cilíndrico de paredes de cerâmica de aproximadamente 1,5 m de comprimento.
As retortas são carregadas com uma mistura de óxido de Zn e carbono grafítico, coque ou carvão vegetal. As retortas são logo introduzidas na câmara de um forno vertical aquecido por meio de gases de combustão.
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 O vapor de Zn juntamente com CO e pequenas quantidades de CO2 passa para os condensadores de onde é retirado como zinco liquido. Em condições de operação controladas, as eficiências de obtenção de Zn nos condensadores são usualmente elevadas. 
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Fabricação de Zinco em Retortas Verticais 
Este reator tem a forma de uma cuba retangular de 10 a 15 m de altura e de 2 x 0.3 m de base. As paredesdesta retorta são construídas de carbureto de silício e refratários e elas são aquecidas externamente estando separadas por câmaras de combustão tal como se vê no corte transversal da figura. 
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A retorta vertical é um reator de operação continua e a carga, que é alimentada pelo topo da retorta, consiste de briquetes preparados com sinter de oxido de zinco e coque pré-cozido. Esta carga e pré-aquecida entre 700 e 800ºC e quando ela entra na zona de reação da retorta, que está entre 900 e 950ºC, o vapor de Zn começa a ser expelido em direção aos condensadores. Os condensadores contem um banho de Zn liquido mantido a temperaturas entre 450 e 500ºC.
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Processo Eletrotérmico 
Um outro método usado para a introdução de calor no processo é o uso de energia elétrica. O forno que é usado no processo conhecido como eletrotérmico utiliza quatro eletrodos introduzidos numa cuba vertical de 15 m de altura. O coque contido na carga age como resistor. Visto que no processo eletrotérmico o calor evolui de dentro da carga não existem limitados quanto à seção transversal da cuba. Isto ocasiona um consequente aumento na capacidade de produção.
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Produção de Zn em Alto-forno
Por muito tempo a produção de Zn em alto forno foi considerada como virtualmente impossível. Nos altos fornos de Fe e Pb os gases utilizados passam através da carga sólida fria alimentada pelo topo do forno. 
Se este mecanismo for usado num alto forno para produção de Zn, o metal condensaria ao primeiro contato com a carga e o escape de Zn(v) do forno seria praticamente impossível. Foi também ponderado que, devido aos grandes volumes de gases de combustão que saem de um alto forno a condensação de Zn em condensadores convencionais usados junto com retortas, seria um processo muito difícil e antieconômico
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Para uma pressão total de 1 atm esta temperatura é aproximadamente 1000ºC. Igualmente este requerimento térmico deve ser cumprido para evitar a reoxidação de Zn(v) durante a passagem dos gases do forno para os condensadores. 
Finalmente, indicou-se a necessidade de encontrar uma forma rápida e efetiva de remover os gases para evitar a formação excessiva de pó azul nos gases que saem dos condensadores. Do anteriormente descrito pode-se ver que um projeto de alto forno que pudesse ser eficientemente usado para a produção de Zn em escala industrial, seria só o fruto de um longo período de maturação e requereria a participação de engenho e experiência de muitos pesquisadores. 
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O Processo “Imperial Smelting” (ISP) 
 Finalmente em 1957 foi anunciado que os requerimentos necessários de tal tipo de forno haviam sido atingidos e que esse ano entrariam em operação dois altos-fornos com capacidade diária de produção de 70 t de Zn. 
O processo IS é especificamente útil no tratamento de concentrados de Zn e Pb com o uso de fornos de grande capacidade. Em torno de 10% do Zn produzido no mundo é pelo processo IS. Na atualidade (2007) a produção mundial de Zn por este processo está entre 1,5 e 1,7 milhões de t por ano com capacidade máxima por forno de 350.000 t/ano
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As características mais importantes deste processo são: 
A carga para o forno é pré-aquecida a 800 ºC e é composta por coque e sinter de ZnO; 
O sistema de alimentação da carga é similar ao usado no alto forno de ferro
O forno é construído e operado de tal maneira que os gases saem do reator a uma temperatura em torno de 1000 ºC. 
Os materiais que formam a ganga juntamente com os fundentes são fundidos e coletados no cadinho o forno em forma de escórias; 
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A Figura 7-9 mostra um esquema simplificado do forno IS e o mecanismo de condensação.
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O condensador “Lead Splash” 
O sistema de condensação usado no processo IS é formado por um condensador que tem um banho de Pb a 450 ºC o qual é provido de rotores que produzem uma chuva permanente de gotículas de Pb em suspensão as quais entram em contato com os gases provenientes do forno, que contêm em torno de 5 a 6 % de Zn
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O banho de Pb entra no condensador a 450ºC e sai a 560ºC. O banho de entrada é saturado com Zn (2,15% peso) e durante a condensação, com o aumento de temperatura, dissolve uma quantidade adicional de 0,25% peso de Zn. O banho metálico a 560ºC é bombeado através de um sistema de refrigeração em direção ao banho de separação, onde, devido à menor temperatura, o zinco líquido é precipitado formando uma fase sobrenadante que é retirada na forma de uma liga rica em Zn. A fase metálica mais densa no banho de separação é formada essencialmente por Pb líquido (ou uma liga rica em Pb) a qual é reciclada para o condensador.
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