Szervetlen t echnológiai alap i smeretek - PowerPoint PPT Presentation

Szervetlen technológiai alapismeretek

techno:mesterség, szakma

• logosz:ismeret, tudás, tudomány
• Technológia:
• Tudatosság
• Újérték teremtés (pozitív gazdasági mérleg)

A gyártás “eredményessége”

• 1. Anyag és energiamérleg
• 2. Gazdasági mérleg
• 3. Környezeti hatások
• Anyagmérleg (sztöchiometria)
• A  B - - -  konszekutív (soros)
• - - - 
• parallel
• Konverzió: - összes,
• - hasznos

Kitermelés – növelés lehetőségei:

• recirkuláció:- műveletek (kristályosítás, desztilláció, aprítás)
• egyensúlyi reakcióban
• - el nem reagált kiindulási ag.
• - melléktermék recirk.
• szelektivítás:- katalizátor (aktivitás, szelektivitás)
• konszekutív reakció: konverzió csökkentése
• Energiamérleg
• exoterm
• endoterm eljárások
• autoterm

Gazdasági mérleg

• Gyártó kapacitás fogalma,
• növelésének lehetőségei
• – bruttó gyártókapacitás:
• méretnövelés
• üzemmód (szakaszos, folyamatos) összefüggése a fajlagos költséggel
• - fajlagos gyártókapacitás:
• intenzifikálás (T, felület, katal.)
• koncentráció növelése
• konverzió növelése
• szelektivítás

Termelékenység (produktivítás) fogalma

• Összefüggése
• műszaki szinvonallal
• szervezéssel (rendszer-, munka-)
• gyártókapacitással
• a fajlagos kapacitással
• szellemi ráfordítással
• a “feldolgozottság” fokával

• Léptékhatás törvény
• A paraméterek nagy számának törvénye
• Az automatizáció törvénye
• Költségparaméter törvénye

Tiszta technológia fogalma

A kémiai technológiák legkisebb egysége:

-a műveleti egység

T

I

O

Z

I

O

Soros

O

I

Soros megkerülő

bypass

O

I

Párhuzamos

„és ill. is”

„vagy”

I

O

Keresztirányú

Az anyagáramok nem keverednek!!!

I

O

Visszavezetéses:

Az anyag és

energiaáram is keveredik

I

O

Nyitott

I

O

Zárt

A kémiai technológia jelrendszere

• Gráf
• Elvi folyamatábra
• Gyártástechnológiai leirat

Gráf

Reaktor

Gáz

Allaktor

Folyadék

Szilárd

Tároló

Elvi folyamatábra

200-220 kg/h

I

O

50 bar

313 K

Zárt

Pofástörő

Hengeres törő

Golyós v. rudas malom

Rasching gyűrű

Koller járat

Keverők

Nehézszuszpenziós dúsító

Mágneses szeparátor

Szérasztal

Flotálás

Ciklon, hidrociklon

Vibroszita

Keretes szűrőprés

Dobszita

Vákuum dobszűrő

Elektrosztatikus porleválasztó

Csöves hőcserélő

Forgódob

Atmoszférikus vízszűrők

Egyszerű vastalanítók

Nyomott vízszűrő

Ioncserélő

NH3

levegő

Finomtisztítás

CO konverzió

Salétromsav

gyártás

HNO3

cseppfolyósítás

Szintézis

Kénmentes

földgáz

Nyers

szintézisgáz

CO2

Parciális

oxidáció

vízgőz

Karbamid

gyártás

Műtrágya

gyártás

Pétisó

Karbamid

A nitrogénipari kombinát blokksémája

Szintézisgáz előállítása

Nitrogén: levegő cseppfolyósítás, frakcionált desztilláció

(FpO2:- 183 oC, FpN2: -195 oC)

Hidrogén: - vízbontás

- alacsony szénatomszámú szénhidrogének

parciális oxidációja

CH4 + H2O  CO + 3 H2 Q= 206 kJ/mol

CH4 + 1/2O2 CO + 2 H2 Q= -35,6 kJ/mol katalizátor Ni

CO + H2O  CO2 + H2 Q= -41 kJ/mol

Szintézisgáz tisztítás

• CO konverzió
• CO + H2O  CO2 + H2 Q= -41 kJ/mol
• a. 400 oC körül katalizátor Fe2O3
• b. 250 oC körül katalizátor ZnO-Cr2O3
• CO2 eltávolítás
• abszorpció 28-30 %m/m kálium-karbonát oldatban
• finomtisztítás
• Rézlúgos abszorpció [Cu(NH3)4]OOCH, [Cu(NH3)4]2CO3
• Mosás cseppfolyós levegővel
• Metanizálás
• CO + 3 H2 CH4 + H2O
• CO2 + 4 H2  CH4 + 2 H2O katalizátor aktív Ni

N2 + 3 H2 2 NH3 Q= -45,8 kJ/mol

Ammónia konverter

Ammónia oxidációja, salétromsav gyártás

• 4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O Hr = - 907 kJ
• 4 NH3 + 4 O2 = 2 N2O + 6 H2O Hr = - 1105 kJ
• 4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O Hr = - 1269 kJ
• Mellékreakciók
• 2 NH3 = N2 + 3 H2
• 2 NO = N2 + O2
• 4 NH3 + 6 NO = 5 N2 + 6 H2O

• 3 NO2 + H2O  2 HNO3 + NO
• Hr = -136,2 kJ/mol Részfolyamatok6 NO2 + 3 H2O  3 HNO3 + 3 HNO23 HNO2 HNO3 + 2 NO + H2O

• Pauling-eljárás: híg salétromsav és tömény kénsav vákuum desztillációja
• HOKO-eljárás: N2O4 + H2O + 1/2 O2 = 2 HNO3

Pétisó

előállítás: NH3 + HNO3NH4NO3

NH4NO3NH3 + HNO3 (170 – 185 oC)

bomlás: NH4NO3N2O + 2 H2O (185 - 210 oC)

2 NH4NO32 N2 + O2 + 4 H2O (210 oC fölött)

Pétisó üzem elvi folyamatábrája

2 NH3 + CO2NH4-OCO-NH2 (ammóniumkarbamát)

(ΔHr = - 160 kJ/mol)

Exoterm, reverzibilis, molekulaszám csökkenéssel végbemenő reakció

Hőmérséklet: 180 – 220 oC

Nyomás: 150-200 bar

Tartózkodási idő: 30-60 perc

50-200%-os ammóniafölösleg

bepárlás, kristályosítás dermesztés

kondenzációs termékek: haszonnövény „kiégése”

NH4-OCO-NH2→ NH2-CO-NH2 + H2O (karbamid

(ΔHr = 30 kJ/mol)

• Kénsavgyártás
• Műtrágyagyártás
• Mosóaktív anyag gyártás

Kénsavgyártás:

Nyersanyagok:

- Szulfidos ércek, elsősorban pirit

olcsó

As, Se szennyeződés

Pörk feldolgozása megoldatlan

- Elemi kén

„tiszta”

drága

- Földgáz és ipari melléktermékek kén-hidrogén tartalma

környezetbarát, az összes kénigény fele fedezhető

drága, de ez a jövő

Kénforrások előkészítése

olvasztás

szivattyúzás

szeparálás

hőntartás

deponálás

Frasch

Pirit -- pörkölés

FeS2 FeS + S kb. 600 oC endoterm

4 FeS2 + 11 O2 2 Fe2O3 + 8 SO2600-700 oC endoterm

3 FeS2 + 8 O2 Fe3O4 + 6 SO2 800-1000 oC exoterm

Reakcióidő: 700-800 oC-on 2-3 óra

1000 oC-on 1-2 perc

Etázsos kemence

Fluidágyas pörkölő

Elektrosztatikus porleválasztó

Szuperfoszfát gyártás

Alapanyag:

Termék:

Ca5(PO4)3X X.F-; OH-

Ca(H2PO4)2 CaHPO4

Vízoldható citrát oldható

Ca5(PO4)3F + 5 H2SO4 3 H3PO4 + 5 CaSO4 + HF

Ca5(PO4)3F + 21 H3PO4 + 35 CaSO4  15 Ca(H2PO4)2 + 35 CaSO4

Szódagyártás

• Elektrolízis
• Kénsavas sósav gyártás
• Nátrium-hidrogén-karbonát gyártás
• Nátrium-karbonát gyártás
• Kausztifikálás
• Szintézis
• Szerves klórozás
• Nátrium-hidroxid
• Hidrogén
• Klór
• Sósav
• Sósav
• Sósav
• Klór

Kősóoldat elektrolízise

A telített sólé készítés problémái:

-oldhatóság

-szennyezők

Szintetikus sósavgyártás

„Krebs gyertya”

Alumíniumgyártás

A földkéreg leggyakoribb fémes eleme!!

Nyersanyag: bauxit Al2O3 * x H2O üledékes kőzet

Alkotói: hidrargilit Al2O3 * 3 H2O böhmit Al2O3 * H2O

korund Al2O3 * H2O

Szennyezők: Fe2O3, SiO2, TiO2, V, Ga

Feldolgozásra alkalmas  jelenleg:

Al2O3 tartalom

SiO2 tartalom

 10

a./ feltárás

Al(OH)3 + NaOH + 2 H2O  Na[Al(OH)4(H2O)2]

AlO(OH) + NaOH + 3 H2O  Na[Al(OH)4(H2O)2]

2 SiO2 Al2O3 + NaOH + H2O Na2O*Al2O3*2SiO2*2H2O

TiO2 + 4 NaOH  Na4TiO4 + 2 H2O Modulus!

p: 20-40 bar, T: 200 oC, t: 2-3 óra szakaszos ill. folyamatos autoklávok

b./ ülepítés

Dorr ülepítők

c./ kikeverés, hidrolízis:

Mechanikus v. légkikeverők

Na[Al(OH)4(H2O)2] + H2O  Al(OH)3(H2O)3

d./ kalcinálás

Folyamatos csőkemence

Vízleadás több lépésben:

100 oC felületi nedvesség

250 oC 2 mol szerkezeti víz

500 oC γ-korund

900-1200 oC -korund

A tímföld-kriolit elegy olvadáspontja

Vas és acélgyártás

Történeti vonatkozások:

- 5000 éve használatban

- A Delhi vasoszlop

- Magyar vonatkozások

Technikai vasfajták:

„Tiszta vas”

Op. 1533 oC

Op.: 1150-1300 oC

Puha jól alakítható fém

Rideg, kemény nehezenmegmunkálható ötvözet

Nyersvas Cc 1,7%

fehér

Szürke

Cc 1-2 %

Cc 2%

grafit

C tartalom Fe3C

Nem forgácsolhatónem kovácsolható

nem kovácsolható

acélgyártás

Öntöttvas termékek

Acél Cc 1,7 %

szénacélok

Speciális-, nemesacélok

Kemény acélok Cc 0,5-1,7 %

Lágyacél + fémes ötvözők

Közép kemény acélok Cc 0,2-0.5 %

Lágy acélok Cc0.2 %

Nyersvasgyártás

Alapanyagok:

-vasércek, vastartalmú ipari melléktermékek

Mágnesvasérc Fe3O4

Vörösvasérc Fe2O3

Barnavasérc Fe2O3 * 3H2O

Vaspát, sziderit FeCO3

-koksz hömérséklet beállítás direkt és indirekt redukció

-levegő, részleges koksz oxidáció

-salakképzőanyagok, reaktáns az érc szennyezőinek olvadt állapotban tartásához

A nagyolvasztó föbb folyamatai:

200-300 oC a szabad és kötött vizek eltávoznak

400-600 oC karbonátok bomlanak, indirekt redukció

3Fe2O3 + CO  2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2

FeO + CO  Fe + CO2

500-900 oC 2 CO  C + CO2

750 oC direkt redukció

3Fe2O3 + C  2 Fe3O4 + CO

Fe3O4 + C 3 FeO + CO

FeO + C  Fe + CO

900 oC egyéb vegyületek redukciója

FeSiO3 + 3 C  Fe + Si + 3 CO

SiO2 + 2 C  sI + 2 CO

MnO + C  Mn + CO

P2O5 + 5 C  2 P + 5 CO

Hőhasznosítás a nagyolvasztóban

Acélgyártás

• A C tartalom csökkentése, eltávolítása CO formájában,a Si, Mn és P tartalom reagál a salakképzővel
• Típusai:
• - Siemens-Martin az oxidációt ócskavas végzi, salakképzőklcium-oxid, hőntartás gázlánggal
• Konverteres ccélgyártás:
• Bessemer: oxidáló ágens az átbuborékoltatott oxigén, bélés savanyú, csak alacsony foszfortartalmú nyersvas dolgozható fel.T
• homas: a bélés bázikus (dolomit), magas foszfortartalmú nyersvas is feldolgozható
• LD konverter: Oxigén ráfúvatás
• A konverterekben a Si, P, C, Mn oxidációjának reakcióhője emeli ahőmérsékletet és tatja olvadt állapotbanaz acélt

Elektroacél gyártás ív és indukciós kemencék

• Az oxidációhoz szükséges energiát elektromos ív ill.az elektromos indukció biztosítja.
• A feldolgozott anyag elsősorban acél, melyet tovább finomítanak,ötvöznek nemesacél

Szilkát „vegyipar”

Az ipar folyamatai elsősorban fizikai jellegűek, kémiai változások az olvadékképzés ill. az égetés során játszódnak le.

Az iparág felosztása:

- az üvegipar és termékei

- a kerámia ipar és termékei

- az építőanyagipar (kötőanyag) és termékei

Üvegipar

Tulajdonság

Tulajdonság

D

D

C

C

B

B

A

A

Hőmérséklet

Hőmérséklet

Izotrop

Anizotrop

Az üveg főbb tulajdonságai:

• átlátszóság
• rideg, törékeny
• fajhője kicsi a hőt rosszul vezeti
• érzékeny a gyors hőmérsékletváltozásokra
• nyomószilárdsága többszöröse a hajlítószilárdságánál
• törésmuatója nagy
• áteresztése hullámhossz függő
• kémiailag stabil (ioncsere)

Az üveg változatossága

• 100 % SiO2 tartalom  kvarcüveg
• igen magas op.: (~ 1800 oC)
• kiváló optikai tulajdonságok

• Összetétel:
• ~ Na4SiO4 vízüveg
• vízoldható

Az üveg átlagos összetétele:

~ R2OR’O6SiO2

pl. a nátronüveg

Na2OCaO6SiO2

Az üveg alkotóinak csoportosítása

• hálózat képző (rácsképző) oxidok SiO2, B2O3, P2O5
• átmeneti oxidok Al2O3, BeO, TiO2
• módosító oxidok olvasztó Na2O, K2O stabilizáló CaO, PbO, ZnO

Az alkotók összeolvasztása eredményeként, fő vázként SiO44-tetraéderek kapcsolódnak és ezek vázába épül be a többi alkotó

A gyártás nyersanyagai

• üvegképző
• segédanyagok

Üvegképző anyagok

SiO2  min. 99%-os tisztaság, szemcseméret 0,01-0,9 mm lényeges vastartalma

B2O3  Op. csökkentés, fénytörés növelése, höállóság fokozása adagolás bórax formában is

Na2CO3,K2CO3  az üveg R2O tartalmát biztosítja, jelentős befolyással bír a hőállóságra, lágyulásra

CaCO3  RO tartalom, adagolás kréta, márvány, mészkő formában

Pb3O4  ólomkristály, optikai üvegek.Vastartalma és szbad ólom tartalma lényeges

Al2O3  Adagolás tímföldhidrát formában

ZnO, BaCO3, MgCO3  Különleges üvegek esetén

Segédanyagok

• olvasztást elősegítő anyagok 1%-nál kisebb mennyiségű F, B, As vegyületek
• tisztulást elősegítő anyagok gázbuborékok eltávolítása As2O3, NaNO3
• színtelenítő anyagok pl. a vas szennyeződés zöld szín  eltüntethető a komplementer adagolásával  ibolya Se és Mn vegyületek
• szinező anyagok Fe  zöld Cr  zöld Ni  barna,ibolya,fekete Cu2O kolloid vörös Agkolloid  sárga Se,Mn ibolya Cu  kék Co  kék Au kolloid bibor

Az üveggyártás fázisai

• olvadék készítés fazekas- ill kádkemence
• formázás fúvás, húzás, öntés, sajtolás
• hűtés
• utólagos megmunkálások

Az olvasztás fázisai

• szilikát képződés: szilárd fázisban megindul
• üvegesedés: a kialakult szilkát megolvad, és reagál a még nem olvadt kvarccal
• tisztulás
• homogenizálódás

Az üvegtermékek csoportosítása gyártási ágazatok szerint

• öblösüvegek
• síküvegek ablak katedrál drót tükör biztonsági  edzett és ragasztott
• műszaki üvegek optikai üveghabok laboratóriumi zománcok szigetelő üvegszálak, szövetek izzólámpa kvarc

Kerámia ipar

• - története
• - nyersanyagai alumino-szilikátok Al2O3-SiO2 természetes, mesterséges oxidok (TiO2,ZrO2, Cr2O3, MgO, BaO….)
• tulajdonságok széles spektruma
• termék fogalom
• ágazatai durvakerámia építőanyagok finomkerámia porcelán, kőedény, csiszolóanyagok oxidkerámia hiradástechnikai kerámiák fémkerámia

Nyersanyagok:

• - képlékeny alapanyagok agyagok
• nem képlékeny alapanyagok talkum, cirkon, wollastonit, kvarc egyéb vegyipari termékek
• adalékok soványító, ömlesztő, plaszticizáló szennyező anyagok

• Típusai:
• kaolinok fehérre ég
• tűzálló agyagok sárgára ég
• közönséges agyagok színesre ég

• Agyagok:
• egyedi szemcseméret  2 µm
• málási közetfajta
• alumino-szilikát
• átlagos összetétel Al2O3*(0,3-8)SiO2*(0,5-19)H2O

Tűzállóság csökken

Nem képlékeny alapanyagok:

- Ridegek, kemények nem formázhatók talkum magnézium-hidro-szilikát cirkon cirkónium-szilikát wollastonit kalciumszilikát vegyipari termékek oxidok (Al2O3,MgO,TiO2) karbidok (SiC) nitridek (Ti3N4) szilicidek (MoSi2)

Az iparág főbb műveletei:

• előkészítés, őrlés, homogenizálás, pihentetés (érlelés)
• formázás
• szárítás
• égetés

Különleges előkészítési eljárások:

• porlasztva szárítás
• kalcinálás
• prekotizálás

Az égetési hőmérséklet pontos mérése

• optikai pirométer
• Seger gúla

A késztermékek minősítésének főbb paraméterei

• szilárdság
• porozitás
• vízfelvevő, vízáteresztő képesség
• fagyállóság
• mérettűrés
• hőállóság

Építőipari kötöanyagok

A kötőanyagok folyékony vagy pépes állapotukból képesekmegszilárdulásra ill. több és ballasztanyagok összeragasztására

• Csoportositási lehetőségek:
• eredet szerint természetes agyag, bitumen mesterséges cement, mész
• anyagi minőség szerint ásványi agyag, mész, cement szerves bitumen, enyv, gyanta
• halmazállapot szerint folyékony vízüveg szilárd cement
• kötés mechanizmus szerint hidraulikus cement nem hidraulikus mész

Nem hidraulikus kötőanyagok (mész, gipsz, Sorel cement)

• mész CaCO3  CaO + CO2 CaO + H2O  Ca(OH)2 Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O
• égetett mész, oltott mész, porrá oltott mész, mészhidrát, mészvízmésztej, mészpép, szalonnás mész

- gipsz CaSO4*2H2O gipsz, CaSO4 anhidrit120 oC CaSO4*2H2O CaSO4*0,5H2O + 1,5H2O180-200 oC CaSO4 képződik oldódó anhidrit400-750 oC CaSO4 képződik nem oldódó anhidrit 800 oC CaSO4 képződik oldódó anhidrit

Sorel cement MgCl2 Mg(OH)2 (MgO(OH)) sok kevésA kötés során eltérő összetételű MgOxCly keletkezik. Hiroszkópos!

• Töltőanyagokkal melegpadló készítésre használható. A felületetolajozással, parafinozással védeni kell!

Hidraulikus kötőanyagok

- Szilikát cement~ 2/3 rész CaO~ ¼ rész SiO2~ 4-7% Al2O3~ 2-4 % Fe2O3~ 1% MgO elegye

Nyersanyagok: agyag, mészkő, márgák, pirit, dolomit

Előállítás:előkészítés: őrlés, homogenizálás vas adagolása égetés ~ 1200 oC - száradás - hidrátvíz elvesztés 500-700 oC - CaCO3 bomlik 800-1100 oC - a CaO reagál a SiO2-dal, Al2O3 –dal Fe2O3-dal 1100-1200 oC - az agyag egy része olvad, dermedéskor magas CaO tertalmú szilikátelegy válik ki klinker - gipsz agadolás ~ 1,5 % - őrlés, érlelés  cement

Cement + víz  kötés és szilárdulás részben paralel,de a szilárdulás jelentősen elhúzódik

A kötés során lejátszódó reakciók részeben hidrolitosak, részben hidratációsak

Hidrolitos típus: 3Ca*SiO2 + yH2O 3Ca(OH)2 + SiO2 + x H2O 3CaO+Al2O3 + yH2O 3Ca(OH)2 + xAl(OH)3

Hidratációs típus: 2(3CaO*SiO2) + 4H2O  3CaO*2SiO2 + 3 Ca(OH)2

Beton típusok: vasbeton könnyűbeton nehézbeton

A beton tulajdonsága lényegesen fűgg: a W = v/c hányadostól, ahol: v: a készítéskor felhasznált víz térfogata c: a cement tömege