Post on 16-Jun-2019
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.
640
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 .
641
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 .
643
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,
Te or(%) 99,0 0 , 25 <0,01 0,45 0,06 0 ,00 02 0,0005 0,002
- faixa· granulom~tri c a : -400 # - massa especific a (7) : ps = 2,650 g/cm'
Gra fit a
- Compo s ição qulmica (8):
Con s tituintes Ca rbono fixo materia vo l áti l Cinzas
Teor ( %) 94,70 5 ,1 8 0,12
- faixa granu lom~tr ic a : - 325 # - massa especifica (9): ps = 2 , 25 g/c m1
Cloro (gás fluidizante)
- Pureza= 99,999%
Prop r i eda des
Massa especifica (g/cm1) 8,06 6,79 X 10 -.
*Viscosidade (g/cm seg) 4,185 x lo-· 4,770 X 10-•
* calculadas pela expre s.são de Chapman- Enskog ( 3).
644
ANÁLISE DOS DIAGRAMAS
As figuras 01 e 02 representam os diagramas de Schytill pa
ra a c1oraç~o da si1ica em presença da graf1ta ~s temperaturas
de 800 e 1000oc.
DIAGRAMA DE SCHYTILL Sistema Cloro-Silica-Grafita
~L~og~F~r--------------------------------------~--~ 15 r
T • 800 C
10 ~
<> Transporte Pneumatico ll
5 uidizado
o
-5
-10 ll Leito Fixo
-15 '----"-----J..._ _______ ___Jc__ _______ _L _ ____ _]
-5
Silica F /FI
x v • 10 cm/s
o LogRe
5
-+-: Srlica FIIT _._ Grafita FIFI -e- Gr1frta FI/T
<> V= 100 cm/s - 8 - D = 0.02 cm -x D = 0.20 cm
F /X,F =Fixo, X=Fiuidizado, Transpor te
~IGURA 01 - Diagrama de Schyti11 da cloraç~o da si1ica em pre
sença da grafita a aoooc.
DIAGRAMA DE SCHYTILL Sistema Cloro-Silica-Grafita
Log Fr
645
15.---------------------------------------------~----~
T • 1000 C
10
I} Transporte Pneumatico 5
o
- 5
-10 X
-15L_--~ ____ L_ ______________ _L ______________ ~--------~
-5 o 5
Log R e Silica FiFI -l- Silica FI/T --*- Grafita F /FI -8- Grafita FI!T
)( V • 10 cm/s o V • 100 cm/s ô D • 0.02 cm l! - D • 0.20 cm
F /X,F ·Fixo, X •Fiuidtzado, Transpor te
FIGURA 2 - Diagrama de Schytill da Cloração da silica em prese~
ça da grafita a l000°c.
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Os diag rama s permitiram de terminar os valores cor respon den
tes as veloc idades minima e li1nitc para a f luidiz aç~o dos div eE
sos materia i s s6lidos (silic a e grafita), bem co1no os d i~metros
m~ximos e minimos (faixa granulom~trica) para as velocidades s~
perfi c i ais do g ~s fluidizant e ( c loro) de 10 e 100 cm . seg -1
as
tempe r a tu r as de 800 e l000°C, que permi t a m a flui dizaç~o do l ei
to . Ta is valo r es podem ser observadas na s Tabe la s I e II.
TABELA I - Valores de Velocidade Minima e Limite de Fluidizaç ~o
para Ma t er iais S6lidos com d = O, lOcm a 800 e l000 °C
TE~1PERl\TURA ~11\ TER I A IS VE LOC . t-1Í N. VELOC .L Hil TE ( oC) SÓLIDOS (cm. s - 1
) (cm . s - 1 I
800 sil ica 18, 57 3 8 565 ,0471
Gra fita 18,57 38 565 ,0471
10 00 silica 1 9 , 0246 578, 7637
Graf ita 19 ,0 246 578 , 7637
Os va l o re s apresen tado s nesta tabe l a mos tram que as ve l oci -
dades mini ma e de l imite da s ilica s~o as mes ma s que as do
ag e nte redu t or (grafita) , para q uaisquer va lores de numero de
Reyn o l ds devido ~s suas dens i dades serem bas tante pr6ximas. Is
to, verifica-se também pel as f iguras 01 e 02, poi s as c urvas da
silica e da grafit a se coi ncidem em duas fronte ir as.
l\ Tabela II permite verifi ca r que existe uma f l ex i b il idade
operacio nal , com relaç~o aos di~mctros das particul as (clistri -
bui ç~o granulométrica), qu e c resce com o au mento d a ve locidade
do g~s fluid izan te .
Tamb~m a partir dos diag rama s de Schytill pode - se observar
que a variação de t e mperatura, de 800 para l000°C, não apresen
ta qualquer influincia sobre a fluidodir1~mica do siste ma em es
tudo, pois a grafita e a sili ca tém o mes mo compo rtamento flu i
dod in ~mico , para quaisquer va l ores de nGmero de Reynolds .
B ~
ª g ~t
1
ci -"'"~
' 1
·~
647
TABELA II - Valores de Diamctro ~lininto e ~~~ximo para Velocida-
des de Fluidização de lO e 100 cm.s-1
a 800 e l000°C
TEi'lPERATURA MATERIAIS VELOCIDADE lOcm. s- 1
(OC) SÓLIDOS Diam. min. Diam. max. 10-'cm lO-' cm
800 '"Ílica o' 19 3' 80
grafita o' 19 3' 80
sÍlica o' 15 3' 4 2 1000 grafita o' 15 3' 4 2
VELOCIDADE 100 cm.s- 1
Diam. min. Diâm. -max. lo-' cm lO-' cm
800 sÍlica l' o 3 12,97
grafita l' 03 12,97
1000 sÍlica l' 3 6 14,70
grafita l' 3 6 14,70
A figura 3 apresenta o diagrama de Geldart para o sistema
cloro-sÍlica-grafita às temperaturas de 800 e l000°C, levando
se em consideração as caracterÍsticas dos materiais em questão.
Entretanto 6 fundamental destacar que para o seu levantamento
e, consequentemente, para a sua utilização, torna-se necessario
observar os di,~metros m·áximos das part J:culas, para os quais e
válido o equacionamento proposto. Assim:
- sÍlica: ds < 438~m (800°C) e 506~m (l000°C)
grafita: d 5 < 465~m (800°Cl e 534~m (l000°C)
Pode-se observar na figura 3 que uma elevação da temperatu
ra, de 800 para l000°C, desloca ligeiramente a fronteira aerada/
borbulhante para a direita, o que impl1ca em um aumento da zona
aerada e, consequentemente, um estreitamento da zona borbulhan-
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te , uma vez que a front e ira borb u lhante/ j orro e indepe ndent e da
temperacura (5). Sabe - se que para se obt er um a maior e fic i~nc ia
na flu id ização deve-s e trabalhar pr Óxi mo à fro ntei ra ae rada/bor
bulhant e onde ocorrera uma mi stura mais efe tiva entre os sÓl i
dos reagentes e o gas fluidizante o que , con sequent e mente, im
plic ará em uma melhor transfe r ê ncia de calor e mas sa . Est e di a
g rama permite es tabe lecer as faixas granulométricas ma i s adequ~
da s para a fluidização borbulhante .
DIAGRAMA DE GELDART Sistema Cloro-Silica -Grafita
Diferenca de densidades S/ F (kg / m3) 3000 ,-------.------------------------,-------------------,
2800
Sillca
2500
A E R ADA BORBULHANTE JORRO 2400
Graflta
2200
\ 2000 ' i
10 210 410 610 810
Oiametro medio dos solidos (micra)
T = 800 C + T = 1000 C ---*- T = 800 ou 10 00 C
S!F • Solido-Fluido
FIGURA 3 - Diag rama de Geldart da c l oração d a s ilica e m prese n
ç a da graf1ta a soooc e lOoooc.
649
CONCLUS()ES
A partir da construç~o dos diagramas Scl1yt l ll c Geldart pa-
ra o sis~ema cloro-silica-grafila tem-se as seguintes cone lu-
soes:
No que se refere ao diagrama de Schytill vcriflca-se que:
i. a silica e a grafita por apresentarem densidades proximas
entre si definem, de forrna sin1ilar, us limites operacionais
pata as vazÕes do giís clonJ;
i1. a variaç~o da temperatura de soooc para l000°C nao apresen
ta influ~nc1a sobre a fluidodin~mica do sistema em estudo.
Quanto ao diagrama de Geldart tem-se que:
i1i. a elevaç~o da temperatura, de 800°C para l000°C1
provpca um
ligeiro aumento da zona acrada e consequentemente um estrei
tamento da zona borbvlhante;
iv. para fluidizaç~o borbulha~tc dos sblidos, as faixas adequa
das de granulometria sao:
silica: l60-260~m (BOODC) e l90-290~m (l000°C)
grafita: 200-JOO~m (800°C) e 220-320~m (l000°C)
650
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