Szervetlen technológiai alapismeretek

Az előadások a következő témára: "Szervetlen technológiai alapismeretek"— Előadás másolata:

1 Szervetlen technológiai alapismeretek

2 techno: mesterség, szakma
logosz: ismeret, tudás, tudomány Technológia: Tudatosság Újérték teremtés (pozitív gazdasági mérleg)

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

4 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

5 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

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

7 A kémiai technológia alaptörvényei
Léptékhatás törvény A paraméterek nagy számának törvénye Az automatizáció törvénye Költségparaméter törvénye Tiszta technológia fogalma

8 A kémiai technológiák legkisebb egysége:
-a műveleti egység T I O Z

9 A műveleti egységek kapcsolási lehetőségei:
Soros

10 O I Soros megkerülő bypass

11 O I Párhuzamos „és ill. is” „vagy”

12 Az anyagáramok nem keverednek!!!
I O Keresztirányú Az anyagáramok nem keverednek!!!

13 energiaáram is keveredik
O Visszavezetéses: Az anyag és energiaáram is keveredik

14 I O Nyitott

15 I O Zárt

16 A kémiai technológia jelrendszere
Gráf Elvi folyamatábra Gyártástechnológiai leirat

17 Gráf Reaktor Gáz Allaktor Folyadék Szilárd Tároló

18 Elvi folyamatábra kg/h I O 50 bar 313 K Zárt

19 Az aprítás eszközei Pofástörő Hengeres törő Golyós v. rudas malom

20 Fázis elegyítés berendezései
Rasching gyűrű Koller járat Keverők

21 Az elválasztás, dúsítás berendezései
Nehézszuszpenziós dúsító Mágneses szeparátor Szérasztal Flotálás

22 Az elválasztás, dúsítás berendezései
Ciklon, hidrociklon Vibroszita Keretes szűrőprés Vákuum dobszűrő Dobszita Elektrosztatikus porleválasztó

23 A hőközlés, hőcsere berendezései
Forgódob Csöves hőcserélő

24 Atmoszférikus vízszűrők Egyszerű vastalanítók Nyomott vízszűrő
Vízkezelés Atmoszférikus vízszűrők Egyszerű vastalanítók Nyomott vízszűrő Ioncserélő

25 A nitrogénipari kombinát blokksémája
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

26 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

27 Szintézisgáz tisztítás
CO konverzió CO + H2O  CO2 + H2 Q= -41 kJ/mol a. 400 oC körül katalizátor Fe2O3 b oC körül katalizátor ZnO-Cr2O3 CO2 eltávolítás abszorpció %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

28

29

30

31 N2 + 3 H2  2 NH3 Q= -45,8 kJ/mol

32

33 Ammónia konverter

34 Katalizátor az ammónia szintézisnél

35 Ammónia oxidációja, salétromsav gyártás
4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O Hr = kJ 4 NH3 + 4 O2 = 2 N2O + 6 H2O Hr = kJ 4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O Hr = kJ Mellékreakciók 2 NH3 = N2 + 3 H2 2 NO = N2 + O2 4 NH3 + 6 NO = 5 N2 + 6 H2O

36 Nitrogén-dioxid abszorpciója
3 NO2 + H2O  2 HNO3 + NO Hr = -136,2 kJ/mol Részfolyamatok 6 NO2 + 3 H2O  3 HNO3 + 3 HNO2 3 HNO2  HNO3 + 2 NO + H2O

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

38 Katalizátor képzés, alak

39

40 előállítás: NH3 + HNO3  NH4NO3
MŰTRÁGYAGYÁRTÁS Pétisó előállítás: NH3 + HNO3  NH4NO3 NH4NO3  NH3 + HNO3 (170 – 185 oC) bomlás: NH4NO3  N2O + 2 H2O ( oC) 2 NH4NO3  2 N2 + O2 + 4 H2O (210 oC fölött)

41 Pétisó üzem elvi folyamatábrája

42 Karbamid 2 NH3 + CO2  NH4-OCO-NH2 (ammóniumkarbamát)
(ΔHr = kJ/mol) Exoterm, reverzibilis, molekulaszám csökkenéssel végbemenő reakció Hőmérséklet: 180 – 220 oC Nyomás: bar Tartózkodási idő: perc 50-200%-os ammóniafölösleg bepárlás, kristályosítás dermesztés kondenzációs termékek: haszonnövény „kiégése” NH4-OCO-NH2→ NH2-CO-NH2 + H2O (karbamid (ΔHr = 30 kJ/mol)

43

44

45 Kénipar Kénsavgyártás: Nyersanyagok:
Műtrágyagyártás Mosóaktív anyag gyártás Kénsavgyártás: Nyersanyagok: - Szulfidos ércek, elsősorban pirit olcsó As, Se szennyeződés Pörk feldolgozása megoldatlan

46 - Elemi kén „tiszta” drága - Földgáz és ipari melléktermékek kén-hidrogén tartalma környezetbarát, az összes kénigény fele fedezhető drága, de ez a jövő

47 Kénforrások előkészítése
olvasztás szivattyúzás szeparálás hőntartás deponálás Frasch

48 Pirit -- pörkölés FeS2  FeS + S kb. 600 oC endoterm 4 FeS O2  2 Fe2O3 + 8 SO oC endoterm 3 FeS2 + 8 O2  Fe3O4 + 6 SO oC exoterm Reakcióidő: oC-on 2-3 óra 1000 oC-on 1-2 perc Etázsos kemence Fluidágyas pörkölő Elektrosztatikus porleválasztó

49

50

51 Szuperfoszfát gyártás
Alapanyag: Termék: Ca5(PO4)3X X.F-; OH- Ca(H2PO4) CaHPO4 Vízoldható citrát oldható Ca5(PO4)3F H2SO4  3 H3PO4 + 5 CaSO4 + HF Ca5(PO4)3F + 21 H3PO CaSO4  15 Ca(H2PO4) CaSO4

52

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

54 Kősóoldat elektrolízise
Katód Anód Elektrolit Bontási feszültség 1 Na Cl2 H2O  4 V 2 O2 HCl, H2O 3,9 V 3 H2 NaOH 1,36 V 4 NaCl, H2O 1,23 V A telített sólé készítés problémái: -oldhatóság -szennyezők

55 Szintetikus sósavgyártás
„Krebs gyertya”

56 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

57 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: 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

58 d./ kalcinálás Folyamatos csőkemence Vízleadás több lépésben: 100 oC felületi nedvesség 250 oC 2 mol szerkezeti víz 500 oC γ-korund oC -korund

59

60

61 A tímföld-kriolit elegy olvadáspontja

62

63 Vas és acélgyártás Történeti vonatkozások: - 5000 éve használatban
- A Delhi vasoszlop - Magyar vonatkozások „Tiszta vas” Technikai vasfajták: Op oC Op.: oC Puha jól alakítható fém Rideg, kemény nehezen megmunkálható ötvözet

64 Nyersvas Cc 1,7% fehér Szürke Cc 1-2 % Cc 2% C tartalom Fe3C grafit Nem forgácsolható nem kovácsolható nem kovácsolható acélgyártás Öntöttvas termékek

65 Acél Cc 1,7 % szénacélok Speciális-, nemesacélok Kemény acélok Cc 0,5-1,7 % Közép kemény acélok Cc 0,2-0.5 % Lágyacél + fémes ötvözők Lágy acélok Cc0.2 %

66 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

67 A nagyolvasztó föbb folyamatai:
oC a szabad és kötött vizek eltávoznak oC karbonátok bomlanak, indirekt redukció 3Fe2O3 + CO  2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2 FeO + CO  Fe + CO2 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

68 Hőhasznosítás a nagyolvasztóban

69 Acélgyártás A C tartalom csökkentése, eltávolítása CO formájában, a Si, Mn és P tartalom reagál a salakképzővel Típusai: - Siemens-Martin az oxidációt ócskavas végzi, salakképző klcium-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 a hőmérsékletet és tatja olvadt állapotbanaz acélt

70

71 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

72 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

73 Üvegipar Izotrop Anizotrop D D C C B B A A Tulajdonság Tulajdonság
Hőmérséklet Hőmérséklet Izotrop Anizotrop

74 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)

75 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

76 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

77 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

78 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

79 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

80 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

81

82 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

83 Nyersanyagok: - képlékeny alapanyagok agyagok nem képlékeny alapanyagok talkum, cirkon, wollastonit, kvarc egyéb vegyipari termékek adalékok soványító, ömlesztő, plaszticizáló szennyező anyagok Agyagok: egyedi szemcseméret  2 µm málási közetfajta alumino-szilikát átlagos összetétel Al2O3*(0,3-8)SiO2*(0,5-19)H2O Típusai: kaolinok fehérre ég tűzálló agyagok sárgára ég közönséges agyagok színesre ég Tűzállóság csökken

84 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)

85 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

86 A késztermékek minősítésének főbb paraméterei
szilárdság porozitás vízfelvevő, vízáteresztő képesség fagyállóság mérettűrés hőállóság

87 Építőipari kötöanyagok
A kötőanyagok folyékony vagy pépes állapotukból képesek megszilárdulásra 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

88 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, mészvíz mésztej, mészpép, szalonnás mész - gipsz CaSO4*2H2O gipsz, CaSO4 anhidrit 120 oC CaSO4*2H2O CaSO4*0,5H2O + 1,5H2O oC CaSO4 képződik oldódó anhidrit oC CaSO4 képződik nem oldódó anhidrit  800 oC CaSO4 képződik oldódó anhidrit

89 Sorel cement. MgCl2. Mg(OH)2 (MgO(OH)). sok
Sorel cement MgCl2 Mg(OH)2 (MgO(OH)) sok kevés A kötés során eltérő összetételű MgOxCly keletkezik. Hiroszkópos! Töltőanyagokkal melegpadló készítésre használható. A felületet olajozással, parafinozással védeni kell!

90 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 oC - CaCO3 bomlik oC - a CaO reagál a SiO2-dal, Al2O3 –dal Fe2O3-dal oC - az agyag egy része olvad, dermedéskor magas CaO tertalmú szilikátelegy válik ki klinker - gipsz agadolás ~ 1,5 % - őrlés, érlelés  cement

91 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