Estudo termodinâmico da redução gás-sólido de óxidos de nióbio
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFRN |
Texto Completo: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/50832 |
Resumo: | O Brasil é o maior detentor mundial de reservas de nióbio, cujas excelentes propriedades físicas e mecânicas são atraentes para a indústria. Sua obtenção se dá por métodos de redução carbotérmicas e metalotérmicas. O presente trabalho objetivou estudar a termodinâmica da redução de óxidos de nióbio por redutores gasosos, como o metano e o monóxido de carbono. Para isso, as constantes de equilíbrio das reações independentes que representam cada sistema foram calculadas e escolheram-se as temperaturas em que as reações são mais favoráveis. A composição de equilíbrio foi determinada pelo método da minimização direta da energia de Gibbs em planilhas do Microsoft Excel, utilizando o suplemento Solver. Partindo-se primeiramente do NbO como reagente sólido, investigou-se a redução variando a composição da atmosfera (gás puro e 67,5%, 12,5% e 2,5% de uma mistura redutor/H2) e o número de mols inicial do óxido (0,5, 1, 1,2 e 2 mols). As condições ótimas, então, foram aplicadas ao Nb2O5 e NbO2. Os resultados mostraram que CO não é um redutor viável para os óxidos de nióbio. A reação entre NbO e CH4 tende a formar o carbeto, mas a composições mais baixas de metano e temperaturas mais altas foi possível formar o nióbio metálico. A conversão completa de NbO em Nb foi alcançada em 2150 K nas condições de 2,5% de CH4/H2 e uma quantidade inicial de 1,2 mols de NbO. Nessas mesmas condições de composição da fase gasosa/número de mols do sólido foi possível reduzir completamente NbO2 a NbO em 2100 K. Nb2O5 é reduzido a NbO2 sob quaisquer condições, mesmo a temperaturas tão baixas quanto 1100 K, mas a presença de H2 ajuda a evitar a decomposição do metano. Deste modo, pode-se concluir que, do ponto de vista termodinâmico, o metano é um promissor agente redutor para os óxidos de nióbio. |
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Para isso, as constantes de equilíbrio das reações independentes que representam cada sistema foram calculadas e escolheram-se as temperaturas em que as reações são mais favoráveis. A composição de equilíbrio foi determinada pelo método da minimização direta da energia de Gibbs em planilhas do Microsoft Excel, utilizando o suplemento Solver. Partindo-se primeiramente do NbO como reagente sólido, investigou-se a redução variando a composição da atmosfera (gás puro e 67,5%, 12,5% e 2,5% de uma mistura redutor/H2) e o número de mols inicial do óxido (0,5, 1, 1,2 e 2 mols). As condições ótimas, então, foram aplicadas ao Nb2O5 e NbO2. Os resultados mostraram que CO não é um redutor viável para os óxidos de nióbio. A reação entre NbO e CH4 tende a formar o carbeto, mas a composições mais baixas de metano e temperaturas mais altas foi possível formar o nióbio metálico. A conversão completa de NbO em Nb foi alcançada em 2150 K nas condições de 2,5% de CH4/H2 e uma quantidade inicial de 1,2 mols de NbO. Nessas mesmas condições de composição da fase gasosa/número de mols do sólido foi possível reduzir completamente NbO2 a NbO em 2100 K. Nb2O5 é reduzido a NbO2 sob quaisquer condições, mesmo a temperaturas tão baixas quanto 1100 K, mas a presença de H2 ajuda a evitar a decomposição do metano. Deste modo, pode-se concluir que, do ponto de vista termodinâmico, o metano é um promissor agente redutor para os óxidos de nióbio.Most of niobium deposits worldwide are found in Brazil. This metal’s excellent physical and mechanical properties make it attractive to the industry. Niobium is commonly obtained through carbothermic and metalothermic reduction methods. The present work aimed to study the thermodynamics behind niobium oxides reduction by gaseous reducing agents, such as methane and carbon monoxide. The equilibrium constants of the representative independent reactions of each system were calculated and the temperatures at which the reactions are more feasible were selected. Equilibrium composition was calculated by the Gibbs energy minimization method in Microsoft Excel spreadsheets using the Solver supplement. Starting with NbO as the solid reactant, the reduction was investigated in different gas phase compositions (purê gas, 67.5%, 12.5% and 2.5% of a reductant/H2 mixture) and number of moles of the solid (0.5, 1. 1.2 and 2 mols). The optimum conditions found were then applied to Nb2O5 and NbO2. Results showed that CO is not a feasible choice for niobium oxide reductions. Reaction between NbO and CH4 tends to carbide formation but at lower methane compositions and higher temperatures it’s possible to obtain metallic niobium. Complete conversion of NbO in Nb is obtained at 2150 K under 2.5% CH4/H2 and 1.2 moles of NbO. In the same conditions NbO2 was completely cnverted in NbO at 2100 K. Nb2O5 is reduced to NbO2 under any conditions even at temperatures as low as 1100 K but the presence of H2 avoids methane decomposition. Thus, this work concludes that – from a thermodynamical point of view – CH4 is a promising reducing agent for niobium oxides.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESUniversidade Federal do Rio Grande do NortePROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICAUFRNBrasilCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAEquilíbrio químicoTermodinâmicaNióbioMetanoMonóxido de carbonoEstudo termodinâmico da redução gás-sólido de óxidos de nióbioThermodynamic study of the gas-solid reduction of niobium oxidesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNORIGINALEstudotermodinamicoreducao_Rocha_2022.pdfapplication/pdf1367217https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/50832/1/Estudotermodinamicoreducao_Rocha_2022.pdff85f27a00ec546258ede42562342247dMD51123456789/508322023-01-04 14:23:44.57oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/50832Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2023-01-04T17:23:44Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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