Az égés és a füstgáztisztítás kémiája Tananyag: http://www.mkk.szie.hu/dep/talt/tl/Kemalap/

Miért égetünk? Kémiai energia Hőenergia Hőenergia Mechanikai energia Mechanikai energia Elektromos energia Kémiai energia Kémiai energia Felesleges dolgoktól megszabadulás (erdő, kerti és kommunális hulladék, biztonság, levegőtisztaság) Gondatlanság

Mit égetünk? 6.CO2 + 6.H2O = C6H12O6 + 6.O2 + 2809 kJ Fa, biomassza szénhidrátok (cellulóz, keményítő, lignin) Közvetett napenergia hasznosítás Fotoszintézis: 6.CO2 + 6.H2O = C6H12O6 + 6.O2 + 2809 kJ Cellulóz égése: (C6H10O5)n + 6n.O2 = 6n.CO2 + 5n.H2O Fosszilis növényi, állati maradványok Szén égése: C + O2 = CO2 - 394 kJ Szénhidrogén (metán) égése: CH4 + 2.O2 = CO2 + 2.H2O - 891 kJ

Néhány tüzelőanyag fűtőértéke kJ/kg-ban fa 16000 barnaszén 25000 feketeszén 30000 koksz 32000 fűtőolaj 40000 zsír és olaj 35000 szénhidrát 18000 kenyér 10000 sajt hús 10-20ezer

Reakcióhő számítása Képződéshő Energiamegmaradás törvénye CO -110 CO2 -394 CH4 -74,9 C2H2 227 C2H4 51,9 C2H6 -84,5 C3H8 -104 C4H10 -126 H2O(g) -242 H2O(l) -286 NH3 -46 NO 90,4 NO2(s) 34 N2O 81,5 HNO3(l) -174,1 Képződéshő 1 mól anyag képződése elemekből elemek képződéshője = 0 Energiamegmaradás törvénye Meghatározó a kezdeti és a végállapot, függetlenül az átalakulás útjától Standard képződéshők 25 oC-on ΔH (kJ/mol)

Reakcióhő és a környezet viszonya Negatív előjel Pozitív előjel

Reakcióhő számítása 2.H2 + O2 = 2.H2O - 484 kJ(l) - 572 kJ(g) Mesterségesen előállított anyagok Hidrogén: 2.H2 + O2 = 2.H2O - 484 kJ(l) - 572 kJ(g) Szénmonoxid: 2.CO + O2 = 2.CO2 - 568 kJ Szintézis gáz, városi gáz előállítása Szén égése: C + H2O = CO + H2 + 286 kJ A szükséges energiát további szén égetésével nyerik. Éghető gáz előállítás pirolízissel (oxigénmentes hőbontás) (faszén), szemét pirolízis, metánbontás

Tökéletlen égés C + ½.O2 = CO - 110 kJ Kevés oxigén, alacsony hőmérséklet C + ½.O2 = CO - 110 kJ Fűtési balesetek, kohó, belsőégésű motorok Egy parafin (C18H38-tól szilárd) tökéletes égése: C20H42 + 30,5.O2 = 20.CO2 + 21.H2O Részlegesen tökéletlen égése: C20H42 + 0,5.O2 = C20H40 + H2O telítetlen, 1 kettőskötés Benzpirén C20H42 + 7,5.O2 = C20H12 + 15.H2O C20H42 + 10,5.O2 = 20.C + 21.H2O korom (grafit)

Reakciókinetika Reakciósebesség CO + NO2 -> CO2 + NO v = k[CO][NO2] v     reakciósebesség k     arányossági tényező: reakciósebességi együttható […] az adott anyag mol/dm3-ben kifejezett pillanatnyi koncentrációja v = d[CO2]/dt = d[NO]/dt = -d[CO]/dt = -d[NO2]/dt

A reakciósebesség hőmérsékletfüggése A reakciók létrejöttének szükséges feltétele a részecskék ütközése, De ez nem elegendő feltétel! Akkor megy végbe a reakció, ha az ütköző atomok vagy molekulák rendelkeznek egy energiatöbblettel, az ún. aktiválási energiával (E٭).

Katalízis Katalízis: katalizátorok segítségével az aktiválási energia kisebb egységekre bontható. A katalízátor olyan anyag, amely vagy a reakció sebességét változtatja meg, vagy a termodinamikailag lehetséges de kinetikailag gátolt reakciót lehetővé teszi.

Katalizátorok fajtái Aszerint, hogy a katalizátor és a reaktánsok azonos vagy különböző fázisban vannak, megkülönböztetünk homogén katalitikus (azonos fázis) reakciók Az élő rendszerekben például homogén katalitikus folyamatok játszódnak le, szervezetünkben enzimek a katalizátorok heterogén katalitikus (különböző fázis) reakciók az ipari méretű szintéziseknél, mivel a reakció után a katalizátor egyszerűen kinyerhető a rendszerből.

A katalizátorok megváltoztatják a reakció mechanizmusát, az eredeti reakciónál kisebb aktiválási energiájú utat nyitnak meg. Autokatalitikus reakció: olyan reakciótermék keletkezik, amely az eredeti reakcióra katalizátorként hat.

szénhidrogén + O2  CO2 + H2O 2 H2 + O2  2 H2O NO redukció (Rh): oxidáció (Pt és Pd): 2 CO + O2  2 CO2 szénhidrogén + O2  CO2 + H2O 2 H2 + O2  2 H2O NO redukció (Rh): 2 NO + 2 CO  N2 + 2 CO2 NO + szénhidrogén  N2 + CO2 + H2O 2 NO + 2 H2  N2 + 2 H2O 2 NO + 5 H2  2 NH3 + 2 H2O szénhidrogén + H2O  CO + CO2 + H2 kisebb valószínűséggel lejátszódó reakciók: 6 NO + 4 NH3  5 N2 + 6 H2O 2 NO + H2  N2O + H2O 2 N2O  2 N2 + O2

A termikus hulladékkezelési eljárások jellemzői Tüzelés Levegőbevezetés: légfelesleg tényező  1 Tüzelési hőmérséklet: 900-1200 oC Keletkező reakció termékek: füstgáz, kiégett salak Füstgáz főbb komponensei: CO2, H2O, O2, N2 Pirolízis (kigázosítás) Hevítés: levegőtől elzárva Kigázosítási hőmérséklet: 450-600 oC Keletkező reakciótermékek: pirolízis-gáz, szilárd éghető anyag (pirolízis-koksz), mely tartalmazza az inert alkotókat is. Pirolízis-gáz főbb komponensei: CnHm A diákhoz itt kellene beszúrni a tanári magyarázatokat. HEFOP 3.3.1.

Gázosító közeg: oxigén vagy vízgőz Elgázosítási hőmérséklet:  1200 oC Keletkező reakciótermékek: éghető gáz, folyékony salak Gázösszetétel: CO, H2, CO2, H2O Plazmatechnológia Első lépcső: magas hőmérsékletű pirolízis (salakolvasztó kamrában), ahol a szükséges energiát plazmaégő biztosítja. A plazmaív egyenáramú feszültségforrás hatására a salakfürdő és a plazmaégő között alakul ki. Hőmérsékletek: Plazmaív: kb. 20000 oC Salakolvadék: kb. 1600 oC Második lépcső: a pirolízis gáz tökéletes kiégetése 1200- 1300 oC-on A diákhoz itt kellene beszúrni a tanári magyarázatokat. HEFOP 3.3.1.

Rákospalotai szemétégető - füstgáztisztítás

Reakciók NO redukció ammóniával 6.NO + 4.NH3 = 5.N2 + 6.H2O +2 -2 -3 +1 0 +1 -2 6.NO + 4.NH3 = 5.N2 + 6.H2O Ammónia-előállítás karbamidból CO(NH2)2 + H2O = CO2 + 2.NH3 Mésztej előállítás: CaO + H2O = Ca(OH)2 SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + 2.H2O 2.CaSO3 + O2 = 2.CaSO4 gipsz képződés A lignitkoksz adszorbeál (nehézfémek, dioxinok) Az adszorbens eltávolítása szűréssel –> veszélyes hulladék lerakó

Kémiai egyensúlyok A kémiai reakciók reakcióidő szempontjából lehetnek: pillanatreakciók időreakciók A reakciók lehetnek. egyirányú egyensúlyi reakciók Egyensúlyi reakció: αA + βB + γC… ↔ λL + μM + νN… v1 = k1 [A]α [B]β [C]γ v2 = k2 [L]λ [M]μ [N]ν Egyensúlyban: v1 = v2 azaz k1 [A]α [B]β [C]γ = k2 [L]λ [M]μ [N]ν Tömeghatás törvénye: K = k1/ k2 egyensúlyi állandó

Dinamikus egyensúly 2 NO2 N2O4 v1 = v-1

Egyensúlyi reakció 2 NO2 N2O4 v1 = v-1 K = k1/k-1 = [N2O4] / [NO2]2 v1 = k1.[NO2]2 v-1 = k-1.[N2O4] v1 = v-1 2 NO2 N2O4 K = k1/k-1 = [N2O4] / [NO2]2

Kémiai egyensúly jellemzése Egyensúlyi reakció általános felírása a.A + b.B c.C + d.D Ha K értéke nagy, a reakció termékei vannak többségben [C]c [D]d K = ▬▬▬▬▬ [A]a [B]b Ha K értéke kicsi alig képződik reakció termék [A] ; [B] ; [C] ; [D] : egyensúlyi koncentrációk a, b, c, d : sztöchiometriai együtthatók K : dimenziómentes szám, amelyhez mindig tartozik egy egyensúlyi egyenlet

Homogén kémiai egyensúlyok Minden résztvevő azonos fázisban Gőz vagy gáz fázis esetén N2 + 3 H2 2 NH3 [NH3]2 K = ▬▬▬▬▬ p*V = n*R*T [N2] * [H2]3 p2NH3 Egyensúlyi állandó parciális nyomásokkal felírva Kp = ▬▬▬▬▬▬ pN2 p3H2 p = R*T * n/V konst koncentráció

Mólszám-változással járó reakciók 1 mol ideális gáz terfogata 1 bár nyomáson 0 oC-on 22,41 dm3 Hidrogén égése: 20 oC-on 24 dm3 2.H2 + O2 = 2.H2O 3 mol -> 2 mol térfogatváltozás: 72 dm3 -> 48 dm3 Szénmonoxid égése: 2.CO + O2 = 2.CO2 3 mol -> 2 mol Nitrogéndioxid bomlása: 2.NO2 = N2 + 2.O2 2 mol -> 3 mol Nincs mólszámváltozás: CH4 + 2.O2 = CO2 + 2.H2O 3 mol -> 3 mol

Le ChatellierBraun-elv Ha egyensúlyban lévő rendszerre változást kényszerítünk, akkor a rendszer úgy reagál, hogy csökkentse a változás mértékét. exoterm 2 NO2 N2O4 p, T függés endoterm barna színtelen

Alacsony hőmérséklet : kicsi reakciósebesség Ammónia szintézis (p,T függés) • Reakció: 3H2 + N2 = 2NH3 ∆H=-46 kJ/mol Mólszámcsökkenés, Exoterm reakció Az egyensúlyi gázelegy összetétele a nyomás és a hőmérséklet függvényében: Alacsony hőmérséklet : kicsi reakciósebesség Katalizátor Fe-Al2O3-K2O A katalizátor igen érzékeny kénvegyületek H2S, COS (karbonilszulfid) megmérgezik a katalizátort.

Ammónia szintézis A konverzió nem teljes : recirkuláció A folyamat leírása: - A szintézisgáz nem alakul át teljesen - Az átalakult ammóniát kondenzáltatás után elvezetik, a maradék gázt recirkuláltatják - A rendszerbe csak annyi friss gázelegyet visznek, ami a képződött ammónia pótlására szükséges - A cirkuláló gázelegyből időnként lefúvatnak az esetleges szennyeződések feldúsulásának elkerülésére