Publicação: Estudo da produção de óxido de cálcio por calcinação do calcário
: caracterização dos sólidos, decomposição térmica e otimização
paramétrica
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
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Coorientador
Hori, Carla Eponina
Resumo
O presente trabalho apresenta um estudo referente ao processo produtivo da cal virgem (óxido
de cálcio) a partir da decomposição térmica do calcário calcítico (carbonato de cálcio). Neste
contexto, o estudo tem por objetivo o emprego de técnicas analíticas e instrumentais que
permitam avaliar a reação de calcinação do calcário, bem como efeitos cinéticos e
termodinâmicos, de transferência de calor e massa associados às variáveis de operação. Por
outro lado, com o intuito de se verificar a qualidade da cal produzida, além das características
microestruturais dos sólidos, foram realizados experimentos de caracterização morfológica,
estrutural e textural das amostras. A partir deles foi possível se correlacionar características
microestruturais, tais como a área superficial específica, com a qualidade final da cal.
Finalmente, com o auxílio de técnicas de otimização paramétrica e por meio de planejamento
de experimentos, foi possível se identificar as variáveis mais significativas na qualidade do
óxido, além de se determinar regiões ótimas de produção. Os ensaios termodinâmicos
revelaram que a presença de dióxido de carbono (CO2) apresenta efeito inibidor na taxa da
reação de decomposição térmica do calcário, e que a água (H2O) catalisa a reação. Pequenos
acréscimos nas concentrações de CO2 provocaram aumentos significativos no tempo de
calcinação para uma conversão mínima desejável. Por outro lado, a presença de CO2 e de H2O
favorecem a sinterização do óxido, resultando em uma cal menos reativa. Nas condições
experimentais assumidas, a reação de decomposição térmica é limitada por questões de
transferência de massa, como foi observado nos ensaios com diferentes massas e faixas
granulométricas das amostras de calcário. Neste caso, uma redução no diâmetro médio das
partículas de calcário reduz enormemente o tempo de calcinação ou na temperatura para a
decomposição. Foi observado que com o aumento da concentração de CO2 os efeitos
termodinâmicos sobrepõem aos de transferência de massa. No que se diz respeito à
caracterização do calcário, observou-se grande variabilidade em termos de composição e
cristalinidade, em contrapartida as amostras apresentaram características de sólidos duros e
compactos. Foi verificado que a decomposição térmica do calcário promove um aumento de
porosidade nos sólidos. Finalmente, pôde-se estabelecer uma correlação entre a reatividade da
cal com sua área específica, de modo que cales reativas apresentaram áreas maiores. A
otimização paramétrica revelou que a elevação de tempo e temperatura de calcinação
oferecem um aumento de qualidade da cal em termos de óxido de cálcio disponível, contudo
essa operação torna-se inviabilizada devido ao processo de sinterização, revelado pelos resultados de área BET. Deste modo, as melhores regiões de operação foram em temperaturas
em torno de 900oC e 45 minutos de operação.
Abstract
The present work shows a study concerning to the productive process of the quicklime
(calcium oxide) from the thermal decomposition of the calcite limestone (calcium carbonate).
In this context, the aim of this study is utilize analytical and instrumental techniques to
evaluate the reaction of calcinations of limestone, as well as kinetic and thermodynamic
effects, heat and mass transfer associates to the operation variables. On the other hand,
planning to check the quality of the quicklime produced, beyond the microstructural
characteristics of solids, it had been carried through experiments of morphologic, structural
and textural characterization of the samples. With them it was possible correlate
microstructural characteristics, such as the specific surface area, with the final quality of the
quicklime. Finally, using parametric optimization techniques and design of experiments, it
was possible identify variables most significant in the quality of oxide, beyond determine best
conditions of production. The thermodynamic analysis presented that the presence of carbon
dioxide (CO2) inhibit the reaction rate of the thermal decomposition of limestone, and that the
water (H2O) catalyzes the reaction. Small additions in the CO2 concentration produce
significant increases in the time of calcination for a desirable minimum conversion. On the
other hand, the presence H2O and CO2 support the sintering phenomena in the oxide structure,
resulting in a less reactive quicklime. In the experimental conditions assumed, the reaction of
thermal decomposition is limited by mass transfer, as it was observed in the tests with
different masses and grain sized distributions of the limestone samples. In this case, a
reduction in the average diameter of the limestone particles reduces enormously the time of
calcination or the temperature for the decomposition. It was observed that with the increase of
the CO2 concentration the thermodynamic effect overlap to the ones of mass transfer. In
relation of the limestone characterization, was observed a big variability in terms of
composition and crystallinity, in general the samples were hard and compact. It was verified
that the thermal decomposition of the limestone generate an increase of porosity in solids.
Finally, a correlation could be established between quicklime reactivity and specific surface
area, in way that reactives quicklimes had presented bigger areas. The parametric
optimization shows that the rise of time and temperature of calcinations produces an increase
of quality of the quicklime in calcium oxide terms, however this operation becomes
impracticable due to sintering process, observed in the BET surface area results. In this manner, the best regions of operation had been in temperatures around 900oC and 45 minutes
of operation.
Palavras-chave
Decomposição térmica, Calcário, Cal virgem, Técnicas de caracterização, Planejamento de experimentos, Otimização paramétrica, Thermal decomposition, Limestone, Quicklime, Characterization techniques, Design of experiments, Parametric optimization, Cal - Indústria
Citação
SOARES, Bruno Daniel. Estudo da produção de óxido de cálcio por calcinação do calcário
: caracterização dos sólidos, decomposição térmica e otimização
paramétrica. 2007. 422 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2007.