Szervetlen technológiai alapismeretek

techno: mesterség, szakmalogosz: 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 dolgoznakAlap változó paraméter a költségNagyméretű berendezésekSzervezés döntő szerepet játszik

Az ipar fontosabb alágazatai, ahol kémiai technológiák működnek

Papír és csomagolóanyagVegyi anyagokSzénhidrogén és szénfeldolgozásMűanyag és gumiSzilikátok, 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 energiamérleg2. Gazdasági mérleg3. 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

Energiamérlegexotermendoterm eljárásokautoterm

Gazdasági mérleg

Gyártó kapacitás fogalma, növelésének lehetőségei

– bruttó gyártókapacitás: méretnövelésüzemmód (szakaszos, folyamatos)

összefüggése a fajlagos költséggel- fajlagos gyártókapacitás:

intenzifikálás (T, felület, katal.)koncentráció növelésekonverzió növeléseszelektivítás

Termelékenység (produktivítás) fogalma

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

A kémiai technológia alaptörvényei

Léptékhatás törvényA paraméterek nagy számának törvényeAz automatizáció törvényeKöltségparaméter törvénye

Tiszta technológia fogalma

A kémiai technológiák legkisebb egysége:

-a műveleti egység

I O

T

Z

A műveleti egységek kapcsolási lehetőségei:

I O

Soros

Soros megkerülő

bypass

I O

Párhuzamos

„és ill. is”

„vagy”

I O

I

O

KeresztirányúAz 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

Allaktor

Tároló

Gáz

Folyadék

Szilárd

I O

Zárt

Elvi folyamatábra

50 bar

313 K

200-220 kg/h

Energiatermelés kémiai technológiái

Kémiai energia *HőenergiaMechanikai energiaVillamos energiaMechanikai energia(közlekedés)

AtomenergiaHőenergiaMechanikai energiaVillamos energia

* kémiai folyamat

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

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.%)

100 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.

TüzelőszerkezetekA 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

2.A/ lépcsős vándorrostélyB/ visszatoló rostély; C/ lépcsős előtoló rostély

A/ hengerrostély;B/ lengőrostély;

Veszélyes hulladék

Folyékonyhulladék

Forgókemence

Olvadtsalak

hamu

Kilépő gázgáztisztítóba

900 °C

1200 °C

kazánrendszer

Forgókemence

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

KeverőkKoller járatRasching gyűrű

Az elválasztás, dúsítás berendezései

Mágneses szeparátorSzérasztalNehézszuszpenziós dúsítóFlotálás

Az elválasztás, dúsítás berendezései

DobszitaVibroszitaCiklon, hidrociklonElektrosztatikus porleválasztóVákuum dobszűrőKeretes szűrőprés

A hőközlés, hőcsere berendezései

Csöves hőcserélőForgódob

Vízkezelés

Atmoszférikus vízszűrőkNyomott vízszűrőEgyszerű vastalanítókIoncserélő

Finomtisztításlevegő

cseppfolyósítás

Kénmentes földgáz

Parciális oxidációvízgőz

Nyers szintézisgáz

CO konverzió

Szintézis Salétromsav gyártás

NH3

HNO3

Műtrágya gyártás

PétisóKarbamid

Karbamidgyártás

CO2

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 levegővelMetanizálásCO + 3 H2 CH4 + H2OCO2 + 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 kJ4 NH3 + 4 O2 = 2 N2O + 6 H2O Hr = - 1105 kJ4 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

MŰTRÁGYAGYÁRTÁS

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

Pétisó üzem elvi folyamatábrája

Karbamid

2 NH3 + CO2 NH4-OCO-NH2 (ammóniumkarbamát) (ΔHr = - 160 kJ/mol)

NH4-OCO-NH2→ NH2-CO-NH2 + H2O (karbamid (ΔHr = 30 kJ/mol)

Exoterm, reverzibilis, molekulaszám csökkenéssel végbemenő reakcióHőmérséklet: 180 – 220 oCNyomás: 150-200 barTartózkodási idő: 30-60 perc50-200%-os ammóniafölöslegbepárlás, kristályosítás dermesztéskondenzációs termékek: haszonnövény „kiégése”

Kénipar 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

Frasch

olvasztásszivattyúzásszeparáláshőntartásdeponálás

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

1. Szódagyártás2. Elektrolízis3. Kénsavas sósav gyártás4. Nátrium-hidrogén-karbonát gyártás5. Nátrium-karbonát gyártás6. Kausztifikálás7. Szintézis8. Szerves klórozásI. Nátrium-hidroxidII. HidrogénIII. KlórIV. SósavV. SósavVI. SósavVII. Klór

Katód Anód Elektrolit Bontási feszültség

1 Na Cl2 H2O 4 V

2 Na O2 HCl, H2O 3,9 V

3 H2 Cl2 NaOH 1,36 V

4 H2 O2 NaCl, H2O 1,23 V

Kősóoldat elektrolízise

A telített sólé készítés problémái:-oldhatóság-szennyezők

Szintetikus sósavgyártás

„Krebs gyertya”

Alumíniumgyártás

Nyersanyag: bauxit Al2O3 * x H2O üledékes kőzet

A földkéreg leggyakoribb fémes eleme!!

Alkotói: hidrargilit Al2O3 * 3 H2O böhmit Al2O3 * H2O korund Al2O3 * H2O