APLI CAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE SC HYTILL E DE GEL DART À CLO RAÇ ÃO RE DUTORA DA SÍLICA E . S . :1 . Seo 1 , D. H. C.:ll:·,ei ro 2 , E. A. Bro cch:i. 3 638 A da r edu tor a da si li ca o c s tt1 dada co m base nos "Diagram as de Schy t :i.ll c de Gc lda.rt " para o sis tcmu cloro -sÍli ca -grafi ta . De posse do d ia gram a de Schytill é possÍv el cstJbelcccr um " pa - r alel ogram a o per acion al" - dce fi. nid o a p artir do diâ me t ro da s partÍc ul as e da velocidad e s upe rfici al do - que ga rant a a fluid i zação do l eito . Te nd o em v i sta qu e o diagr a ma de Schytil l nao f ornec e qualquer informação a res peito do co mpor tame nto das partÍculas durante u flu id iza ção , ou seja , o tipo de fl uidiz ação , pr ocuro u- se de ter- da montagem do dlugr ama pro posto po r G cldart . AP P LICATI ON OF THE SC HYT I LL AND GEL DART DIAG RAM STO CHL ORINAT ION OF SI LICA IN A REDU CI NG A TMOS PHER E The fl uid ody nami cs of chlorina ti on of s ilica in a red ucin g atmos pher e ba sed on t he Schy till a nd Ge ld art di agra ms ha s be en studie d chlorine - sil ica- grap hit c sys tem. The Sc h yti ll diagram ca n be u scd to cstabl i sh an '' opcrational paral lel og ram" that defined f rom the pa rtic le sizc and sur f acc v eloc ity of the gas which ga uren tcc flu idiza ti on of th c bcd . As the Sc hyti ll diagr am does n ot provid e inf o.r 1nati on a bou t partic le behav i or du rin g fl u:i.dizatio n, i .e ., type of fl uid i zation , att empts hav c becn ma de through co •• s tru ction of Gelda rt' s dia gra m. l c ' s d d En g2 Qu1m1 c o, M. c ., P esgu1 sa ora do e Me ta lur- gia do IPEN-CNEN /SP , Tr avessa R, 400 - Paul o/SP , CEP . 05508 2 Eng 2 Meta lGrgi co , M.Sc., Profe sso r Ass iste nt e do D epartamento de Metal urg ia da UFOP/MG e m do utora men to no PEMM/COPP E/U FRJ , Rua Marqu es de São Vicen te , 22 5 , Rio d e J a neir o/RJ , Bra sil, CEP . 22452 3 Eng2 MetalGrgico, M.S c ., Ph.D , P ro fessor Ass i stente do D ep arta menta de dos M ate riais e Metalurg ia da PU C/ RJ, Rua ques de São Vic e nt e, 22 5, 2 io de J aneir o/ RJ, Br asi l, CEP.22452
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APLI CAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE SC HYTILL E DE GELDART À CLORAÇ ÃO RE DUTORA DA SÍLICA
E . S . :1 . Seo 1 , D. H. C.:ll:·,ei ro 2 , E . A. Brocch:i. 3
638
A fluidodi n~mica da c loraç ~o r edu tor a da si li c a o c s tt1 dada com base nos "Diagramas de Schyt :i.ll c de Gc lda.rt " para o sis tcmu c l o r o -sÍlica-grafi ta . De posse do d iagrama de Schytill é possÍv e l cstJbelcccr um " pa r alelograma o per acional" - dce fi. nido a partir do diâme t ro da s partÍculas e da velocidade s upe rfici al do g~ s - que ga rant a a fluid i zação do l eito . Te ndo em v i sta qu e o diagr a ma de Schytil l nao f ornec e qualquer informação a respeito do compor tame nto das partÍculas durante u flu id ização , ou seja , o tipo de fl uidiz ação , procurou- se de termin~ - lo atrav~s da montagem do dlugr ama proposto po r Gcldart .
AP PLICATI ON OF THE SC HYT I LL AND GEL DART DIAGRAM STO CHLORINAT ION OF SIL ICA IN A REDU CI NG ATMOS PHERE
The fl uidodynami cs o f chlorina t i on of s ilica in a reducin g atmos phere based o n t he Schytill a nd Ge ldart di agrams ha s be en studie d chlorine - sil ica- graphitc sys tem. The Sc hyti ll diagram can be u scd to cstabl i sh an '' opcrational paral l e l og ram" that defined f rom the pa rtic l e sizc and sur f acc veloc ity of the gas which gauren tcc flu idizati on of thc bcd . As the Schyti ll diagr am does not provide info.r1nati o n a bou t partic l e behav i or durin g f l u:i.dization, i . e ., type of f l uid i zation , att empts havc becn made through co •• s truction of Geldart' s diagram.
l c ' s d d En g2 Qu1m1 c o, M. c ., Pesgu1 sa ora do Dcpar tamen~o e Me ta lur-g i a do IPEN-CNEN/SP , Tr avessa R, 400 - S~o Paul o/SP , CEP . 05508
2Eng 2 Meta l Grgi co , M.Sc., Profe ssor Ass istent e do Departamento de Metal urg ia da UFOP/MG e m doutoramen to no PEMM/COPPE/U FRJ , Rua Marques de São Vicen te , 22 5 , Rio d e J a neiro/RJ , Brasil, CEP . 22452
3Eng2 MetalGrgico, M.Sc ., Ph.D , P ro fessor Ass i stente do Departa menta de Ci~ncia dos Mate riais e Metalurg i a da PUC/RJ, Rua Ma~ ques de São Vic e nte , 22 5, 2 io de J aneiro/RJ, Brasi l, CEP.22452
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INTRODUÇÃO
O si l icio me t~l ic o e os compost o s a base de s i lic io repre
se ntam insumos de fu ndamental i mpor tanc ia ec o n6mic a e e str at~g!
ca em d iversos s egme nto s , p rincipa lmente , na s ind~ stri a s e le tr6
ni c a, q uimica, t el ecomunicaç6es e cer~m icas a vanç adas .
est e s , de stacam-se o t etracloreto de si licio (SiCl,),
Dentre
ca rbeto
de silicio (SiC) , ni treto de s il icio (S i, N, ), si lano (S i H,) e
tr.i cl oros i l a no (Sil!CI,).
Em particular, o te tracloreto de si licio e reconheci do como
ma t~ri a prima básica de g ran de importânci a para obte nção de p Ós
ce r~m ic os de Si, N,, s ia lons, fibr a s Ópt ic as e si lic io me táli c o
gr au eletr6nico .
O i ntere ss e crescente pe l o tetracl oret o de si licio em di ve r
sas áre as da s ind Gst ria s 6 dev ido , principa lmente , a faci lidade
de purif i caç ão de s te composto , chegando a at ingir a pureza q ui
mic a da o rdem de ppb .
As ceram i cas à base de Si,N , oc upam uma i mpor t ante posiçao
n a cl as se de mat er ia is de al to des empe nho, utilizad as par a f a -
br icação de f errament a s de co rte, válvu la s, rol amen tos de alta
vel ocidade , r etores t urbo c ompresso r es , c omponent e s de mot ores
a com~us t ~o inter n a , tu rb inas a gas , e tc .
Já na fo rma de tet r acloret o de si l ic i o grau comerc i al , tem
sido ut il iz ado principalme nte na i ndG stri a quimic a pa ra produ
ção de si licones , sil i cato de e ti la, s ilica coloidal e o utros
compon e ntes sil i ci cos e o rg a no-silicicos.
Na in dGstria de te l ecomun i caç6e s, as fibras opticas a bas e
de s ilicio tem s ido um s ubst it u to vanta j oso do fio de c obre.
O s il icio me tá lico gr au e let r6ni co repre sent a a bas e de t o
da a produção e manutenção dos sis t emas e equi pamentos e letr6n!
cos, Ótico-eletr6nicos, dest i nados aos mai s variados campos de
ap licação. Na tecnol ogi a de compo ne ntes c dispos itivos e letrÔn!
cos des tac a m-se ci rcu it os in tegrados, transistores, retificado
res, c~ lulas solares , diodos , tir is tores, de tet o res, en t re ou
tras ap licaçÕes.
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O s ilÍcio const i t ui 26% d a cros ta t errestr e e es te nunc a
ocorre livre na n atu r ez a, combina - se com o oxigeni o e ou tros
element os pa ra fo rma r 6 xido de silÍc i o o u sÍ li c a ( SiO,! e s i li
catos. Os po limorfas de sÍl ica e ncon tr ados n a na t u r eza s~o , o
quartz o , a tridimita , a cris tobali ta, a coesi ta e a escovita.
Dentre os polimorfas de sÍli ca , o quar tzo ~ o mais comum , conh~
cido desde os tempos a ntigos pelos seu s cr i sta is grandes , t rans
p are ntes e pe rfe it a mente f o rmados ( 1 }.
Den tre a s rota s pa ra obt e n ç~o de cloretos met~li c os , a t ec
nica de c loração e m l ei to flu idi zado é ~po n tada como a mais in
dicada sob o p onto de vista de efic i~ncia e q ualidade do produ
to.
Neste contexto , os objetivos deste traba lho estão voltados
para fluido dinâm ica da cloração re dutor a da s Ílica na pre sença
de gr afita como agen t e redu tor . Fo ram constru Ídos os diag ramas
de Schy till e de Ge ldar t, objetivando o c~ t abe lec ime nt o das co~
diç~e s e m que os regimes de l e i to fluidi zado , leit o fi xo e tran~
porte pneumático são ob tidos a temperaturas de soooc e lOOo oc ,
e també m, determin ação do t ipo de fluidi zação para o s istema
cloro-sÍlica-graf ita .
DIAGRAMAS DE SCHYTILL E DE GELDART
Diagrama de Schytill
Para a comp r eensao das condiç~cs cm que os regimes de leito
fixb, l e i to f lui dizado e tran sport e pne umá t i c o são estabe l eci
dos, importam fund ame ntalmente as var i áveis " d iâmetro das p a rti
culas" e "velocidade s uperf icial do gás".
Estes regimes, a nÍvel industr ial, podem ser r e laciona dos
a os ad imensionais , o nÚmero de Froudc e o nÚmero de Reyno l d s (2} .
O diag rama pode se r montado a pa r tir da equação de Ergun(J} ,
reguladora do escoamen~o de fluÍdos em mei os porosos, que perm~
te estabe lecer as equaç~es que definem as fronteir as e ntre as
regi~es de regime de l e ito fi xo I leito fluidizado e de lei to
fluidi zado I transporte pneumático .
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A cquaçao d a front e ira e ntre os domÍn i os do l eito fixo e do
l e i to f l uid izado é dad a por:
Fr c' (ps-o)
[ l]
o nde ps e o sao respec tivamente as massas especificas do s6lido
e do fluÍdo e ,
150 (l- c) + l,? 5 ,
R e [ 2 J
denominado fator de fricção de FANNING modificado, e E a poros~
dade de fluidi zação atingindo o v a lor mÍnimo de 0,45 exatamente
na fron teira .
A e quação que define a fr o n teira entre os dominios de leito
f lu idizado e tr ansport e pneumático e estabelecida a p a rtir da
expressão do nÚmero de Froude pa r a a queda, com interferência,
de particu l a s e m meios fluidos :
Fr 4 <4,65 ( ps - p ) [ 3]
3 P Cd(Re)
onde Cd(Re l e o coeficient e de arraste apresentado e m gráficos
e/ou tabelas (3) ou det e rm i nado e xperimentalmente.
Para que o diagrama de Schytill se ja cons iderado um "diagr~
ma operacional", são superpost o s a ele as variáveis operacio
nais " di~metro da partÍcul a e veloc i dade superf icia l do gás " ,
as qua i s permitem estabe l ecer um "paralelograma
que garanta a fluidização do l e it o .
Diagrama de Geldart
ope r acional "
Uma v ez que o "diagrama de Schytill" nao fornece qualquer
i nformaç ã o com relação ao comportamento das partfculas durante
a fluidização (tipo.de flu id iz a ção), procurou-se determiná-lo
através da montagem do d i agrama proposto por Geldart (4). Este
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c lass ificou a s parti c u la s em quatro grupos (A , B, C c DI qu e
apres e ntam d i f e rente s comportamento s de flui di zaç~o, onde as
part iculas s~o classificadas e m cad a gr upo e m funç~o do seu ta
manho e massa especifica , assim como das propriedade s do gas
fluidizante.
Para est abelecer a equaçao da fr on teir a entre os grupos A
(aerada) e B ( borbulhante) parte-se da ig ualdade entre as ve l o
cidades mÍnima de flu idi zaç~o (Umf) e de bo rbu lhament o (Umb) (5) :
Um f
d s
0,00075( 0 s- p ) g .~sl
~
Umb 33 ds .!: p
o' l o' 9 44000 ~0~---1-1
g( os - r)
onde ds e o diâme tro mé dio da s pa rtÍ cula s .
[ 4 j
[ s I
! 6 I
t importante sali e ntar que o dia grama apresenta uma li mit a
ç~o uma vez que a veloci dade mÍni ma de fluidi za ç~o s6 pode se r
calculada, pela cxpress~o supr ac itada , se a s e gui nt e des i gua l d~
de for atendida (5):
o (os - p)g(dsl
~2
< 10 0 0;
logo f icam l i mit ados os diâme tros maximos da s parti c ulas
as quais e válido o equacionamento propos t o .
[ 7 l
p ar a
A fronteira entre os grupos A e C (coesivo) náo e bem defi
nida, dependendo, provalvelmente, do teor de umidade do gás e
das propriedades elétricas das particu las, uma vez que no grupo
C encontram- se part iculas muito fin as que ap res entam dificulda
des para fluidi zar em decorr~ncia dos efeitos e le trostá ticos e
interaç~es entre eles .
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No gru po D (j or r o ) encontram- se as partlculas grosseiras
( >lmm) onde ocor re borbu1hame nto e a mistura dos s61idos ~ r e l a
t i vame nte deficiente. Para a fronteira ent r e os g rupo s B e D
f o i e s tabe lecida, por Geldart (4), a seguinte equaçao :
' (ps-p)ds -1 - 1
10 kg.m [ 8]
CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS PARA O SISTEMA EM ESTUDO
SÜic a
- Composi ção qu lm lc a (5):
Composto SiO, Al , 0 3 Fe, 0 3 C aO MgO MnO C r, 0 3 TiO,