Szervetlen technológiai alapismeretek

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

Kémiai technológiák definíciója A kémiai technológia mindazon tudásanyag, ami a kémiai reakciók ipari hasznosítását lehetővé teszi. A kémiai technológiák működnek a vegyiparban és azon kívül is: energiatermelés, kohászat, építőanyagipar, élelmiszeripar, közlekedés, víztisztítás, korrózióvédelem.

Kémiai technológiák jellemzői Nagy számú változóval dolgoznak Alap változó paraméter a költség Nagyméretű berendezések Szervezés döntő szerepet játszik

Az ipar fontosabb alágazatai, ahol kémiai technológiák működnek Papír és csomagolóanyag Vegyi anyagok Szénhidrogén és szénfeldolgozás Műanyag és gumi Szilikátok, építőanyag

Vegyipar általános adatai A teljes ipari termelés kb 10%-a (fejlett országokban) A fejlődése az ipar átlagánál nagyobb (US 5%) Kinek adják el a termékeiket? 52% iparágon belül, ipar más ágai 32%, kormány és a fogyasztók 16% (ezen belül 3,3% védelem) (US adatok) Fizetések

Vegyipar jellemzői Gyors növekedés Vegyianyagok nemzetközi kereskedelme Nagy K+F ráfordítás (termelési érték 4-5%-a) Erős verseny Nélkülözhetetlen, mindenre kiterjedő Tőkeigényes Legkisebb, gazdaságos termelési volumen Gyors amortizáció Ciklikus árváltozások

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

A kémiai technológia alaptörvényei 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

A műveleti egységek kapcsolási lehetőségei: Soros

O I Soros megkerülő bypass

O I Párhuzamos „és ill. is” „vagy”

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

energiaáram is keveredik 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

Energiatermelés kémiai technológiái Atomenergia Hőenergia Mechanikai energia Villamos energia * kémiai folyamat Kémiai energia * Hőenergia Mechanikai energia Villamos energia (közlekedés)

Energiatermelés kémiai technológiái Kémiai energia Hőenergia CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O Égéshő: 5,55*104 kJ/kg Fűtőérték: 4,99*104 kJ/kg Atomenergia Hőenergia 235 236 90 143 92U + n  92U*  36 Kr* + 56Ba* + 3 n Atommag hasadással termelődő energia 8,21*1010 kJ / kg 235U

A nukleáris energia nyerés alapjai

Tüzeléstechnika R = 2510 (9*H% + nedv.%) Égéshő kJ/kg (É) 33808*C% + 144184*(H% - 1/8 O%) + 10460*S% 100 Fűtőérték kJ/kg F= É – R R = 2510 (9*H% + nedv.%) ahol R a füstgázzal távozó vízgőz párolgáshője Égési hőmérséklet az a maximális hőmérséklet, amely a tüzelőanyag elméleti levegőszükséglettel való elégetése során keletkezik, ha nincs hőcsere és veszteség. Légfelesleg tényező a ténylegesen használt és az elméletileg szükséges levegő hányada. Gyulladási hőmérséklet az a legkisebb hőmérséklet, amire ha az éghető anyagot felmelegítik levegőn, akkor magától meggyullad. Túl gyors égés: robbanás, robbanó elegy jellemzői az alsó és felső robbanási határ.

Az égetés hatásfokát befolyásoló tényezők A levegőt az égés sebességének megfelelő ütemben kell odavezetni, az égéstermékeket kellő gyorsasággal kell eltávolítani. Hőveszteségek: a füstgáz hőtartalma, sugárzási és vezetési hőveszteség, tökéletlen égés miatti veszteség. Alsó és felső robbanási határ, a már és a még robbanó tüzelőanyag-levegő elegy koncentrációja.

Tüzelőszerkezetek A tüzelőanyagok elégetésére és a keletkező hő hasznosítására szolgálnak. Felépítésük a tüzelőanyag halmazállapotától függ. Működés kívánalmai: jó tüzelési hatásfok, sokféle tüzelőanyag elégetésére legyen alkalmas, jól szabályozható és gazdaságos legyen. Gáz, porlasztott olaj és szénpor tüzelés. Egyéb éghető anyagok

Tüzelő berendezések típusai

A/ hengerrostély; B/ lengőrostély; 2. A/ lépcsős vándorrostély B/ visszatoló rostély; C/ lépcsős előtoló rostély

Forgókemence kazánrendszer 900 °C 1200 °C Forgókemence Veszélyes hulladék kazánrendszer 900 °C Folyékony hulladék 1200 °C Kilépő gáz gáztisztítóba Forgókemence hamu Olvadt salak

1 füstgáz; 2. tüzelőanyag; 3. gőz/víz; 4. víz; 5. levegő; 6. homok; 7. durva idegen anyag; 8. rosta; 9. homok-visszavezetés

Olajégő típusok

Az aprítás eszközei Pofástörő Hengeres törő Golyós v. rudas malom

Fázis elegyítés berendezései Rasching gyűrű Koller járat Keverők

Az elválasztás, dúsítás berendezései Nehézszuszpenziós dúsító Mágneses szeparátor Szérasztal Flotálás

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

A hőközlés, hőcsere berendezései Forgódob Csöves hőcserélő

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

A nitrogéipari 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 nitrogéipari 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

Katalizátor az ammónia szintézisnél

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

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

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

Katalizátor képzés, alak

előállítás: NH3 + HNO3  NH4NO3 MŰTRÁGYAGYÁRTÁS 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

Karbamid 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)

Kénipar Kénsavgyártás: Nyersanyagok: 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 SO2 600-700 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

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

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