Kémiai Technológia

A technológia gyakorlati tudomány, a technika, a gyakorlat tudománya.

Eljárások összessége, melyek segítségével tudatos, rendszeres átalakítás útján nyers- és alapanyagokból ipari termékeket állítunk elő.

A technológia az elmélet és gyakorlat egysége.

A kémiai technológia a vegyipari termelés tudománya.

Technológia törvényei

• Léptékhatás törvénye

• Paraméterek nagy számának törvénye

• Automatizáció törvénye

• Költségparaméter törvénye (kitermelés, konverzió, termelékenység)

Kémiai technológiai rendszerek

Tr.

T (segédáram)

Z (zavaró tényezők)

I (input) O (output)

Piac felmérése, készlet (tároló kapacitás), termelőkapacitás, nyersanyagtároló, nyersanyag beszerzése

Soros kapcsolás

Soros-megkerülő (bypass)

Párhuzamos kapcsolás

Visszavezetéses

Keresztirányú kapcsolás

Nyitott és zárt rendszerek:- nyitott: csak soros, párhuzamos és bypass kapcsolások szerepelnek benne- zárt: legalább egy recirkulációs anyag vagy energiaáram szerepel benne

Gyártási eljárás: a nyersanyagtól a végtermékig terjedő műveletsor, a műveleti egységek meghatározott rend szerinti kapcsolata.

Gyártási technológia: azoknak az elvi és gyakorlati utasításoknak az összessége, amelyek ismerete a gyártás pontos végrehajtásához szükséges.

Gyártástechnológiai előírat:- a gyártástechnológia rövid közérthető leírása,- a kapcsolódó energiarendszerek feltüntetése (pl. gőzfűtés),- a gyártás pontos műveleti sorrendje,- a munkaerőigény és a védelmi berendezések,- a kiindulási és a keletkező anyagok tulajdonságai, veszélyforrások és elhárításuk.

A KÉMIAI TECHNOLÓGIA FEJLŐDÉSÉNEK JELLEMZŐI

a.) A költségparaméter időben csökken Megoldás: - olcsóbb nyersanyagok, segédanyagok keresése,

- a kitermelés növelése, - a melléktermékek hasznosítása.

b.) Nő az optimális gyártási kapacitás Kapacitás: egy adott készülékben, berendezésben, üzemben, gyárban meghatározott időegység alatt mennyi termékmennyiség állítható elő. Optimális gyártási kapacitás: az az üzemméret, mellyel az adott időszakban a leggazdaságosabban lehet termelni.

c.) időben tágulnak a hőmérséklet- és nyomáshatárok

d.) egyre változatosabbak a készülékméretek

e.) egyre jobban elterjed a folyamatos munkamenet

f.) erőteljesen fejlődnek a szétválasztási módszerek

g.) tért hódít az automatizálás

h.) előtérbe kerül a fokozott anyag- és energiatakarékosság

i.) egyre nagyobb figyelmet fordítanak a környezetvédelmi kérdésekre

j.) az előbbiekkel összhangban terjed a komplexebb anyagfeldolgozás, a hulladékok mennyiségének minimálisra csökkentése

SZAKASZOS ÉS FOLYAMATOS GYÁRTÁS

Szakaszos gyártás: időben periódikusan ismétlődő részműveletekből áll.

Gép: olyan technikai szerkezet, amely munkát végez, illetve energiát alakít át úgy, hogy közben célirányos feladatot végez.

Készülék: egyetlen eszköz, amelyben műveletet lehet elvégezni vagy folyamatot lehet megvalósítani.

Berendezés: több készülék és gép együttesen, amelyek egymást kiegészítve alkalmasak a művelet vagy a folyamat lebonyolítására.

Műszerek: az egyes paraméterek, folyamatok mérésére szolgáló rendszerek.

Folyamatos gyártás: a készülékbe folyamatos anyagbetáplálás történik és az elvétel is folyamatos.

Az egész gyártóberendezésen át közel állandó sebességgel áramlanak a gyártás során használt anyagok, miközben a reaktorban olyan körülményt teremtünk, hogy a kívánt átalakulás lejátszódjék.

A VEGYIPAR TÖRTÉNETE

A modern vegyipar kibontakozása a 18. század második felére tehető.

1. A régi kénsavgyártást felváltotta az ólomkamrás kénsavgyártás, a salétromsav hozzáadásával fokozták a kénsavtermelést.

2. A textiliparban először hamuzsírt alkalmaztak a gyapjú és a vászon mosásához. Ezt váltotta fel a szódagyártás (Na2CO3) és a fehérítési igényre kidolgozott klórgyártás.

3. A háborúk idején fellendült a puskaporgyártás.

4. A 19. század elején felfedezték a gőzgépet, ez magával vonta az acélgyártás és a szénfeldolgozás (koksz, világítógáz, kőszénkátrány) korszerűsítését.

5. A gyógyszergyártást a patikákból gyárakba tették át. Az első szintetikus gyógyszerek a lázcsillapítók voltak: szalicilsav (1875) és aszpirin (1899).

6. Nagy iparággá fejlődött a robbanóanyagok gyártása. Az első ilyen termék a nitrocellulóz volt (1845), ezt váltotta fel a nitroglicerin, majd 1859-ben a dinamit (Alfred Nobel).

7. A levegő cseppfolyósítását 1895-ben Karl Linde fejlesztette nagyipari eljárássá.

8. Az ammónia- és salétromsav gyártás modernizálását 1903-ban kezdték el, de az első módszer túl drága lett. 1913-ban Haber és Bosch fejlesztette ki az ammóniaszintézis nagynyomású technológiáját. Ez lett az alapja a metanol szintézisének és a „széncseppfolyósításnak”.

9. A petrolkémiai ipar a II. világháború után kezdett el rohamosan fejlődni. Az olcsó kőolaj és földgáz új alapokra helyezte az energiaellátást.

10. A legnagyobb fejlődést a műanyagipar mutatta.

Víz kémiája, víztisztítás

• A Föld 70 %-át víz borítja, de ennek csak 2 %-a édesvíz.

• Vízben lévő anyagok

• a. oldott gázok

• b. oldott sók

• c. lebegő szennyezések

Víznyerés forrásai

• Felszíni vizek

• Talajvíz

• Légköri víz

• Tengervíz

Víztisztítás• Ülepítés• Derítés• Szűrés• Gáztalanítás• Vas- és mangántalanítás• Olajtalanítás• Fertőtlenítés• Lágyítás• Sótalanítás• Kovasavmentesítés

Vízlágyítás

• Két módszere van

• a. keménységet okozó sók eltávolítása termikus, vegyszeres vagy ioncserélő úton

• b. keménységet okozó sók kiválásának megakadályozása vegyszerekkel

• Termikus vízlágyítás

• Mész-szódás eljárás

• Trisós eljárás

• Ioncserés vízlágyítás

Szennyvíz és szennyvíztisztítás

• Kommunális szennyvíz

• Technológiai szennyvíz

• Tisztítás:

mechanikai, kémiai, biológiai (csepegő-testes, aktivált eleven iszapos)

Nitrogénipar

Tr.

T (segédáram)

Z (zavaró tényezők)

I (input) O (output)

levegő, szénhidrogén, vízgőz

ammónia, salétromsav, ammónium-nitrát, karbamid

Nitrogénkombinát blokksémája

Ammóniaszintézis

• Szintézisgáz előállítás

• Szintézisgáz tisztítása

(CO konverzió, CO2 eltávolítás)

• Finomtisztítás

Földgázbontó berendezés elvi vázlata

Szintézisgáz gyártás vízgőzös-levegős bontással

Salétromsav gyártása

4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O

Megfelelő katalizátor

Rövid tartózkodási idő a katalizátoron

830-870 oC-os reakcióhőmérséklet

Meghatározott összetételű NH3-levegő elegy

Műtrágyák

• N P K elemek• Nitrogén műtrágyák: NH4NO3

– Ammónia szintézis N2 + 3H22 NH3

– Ammónia oxidáció NH3 + O2 NO + H2OHNO3

– Karbamid gyártás CO2 + 2NH3 CO(NH2)2 + H2O

• Foszfát műtrágyák: Ca(H2PO4)2

– nyersfoszfát kénsavas feltárásával

• Kálium sók

Justus von Liebig német mezőgazdasági vegyész 1837-ben fedezte fel, hogy a növények által a talajból felvett tápanyagok voltaképpen ásványi sók. Innen már csak három év választotta el, hogy közzétegye híres törvényét. E szerint hiába áll rendelkezésre egy adott tápanyag (de akár más erőforrás), ha egy másik nélkülözhetetlen tápanyag/erőforrás nem áll elegendő mennyiségben jelen. Tehát a minimumban lévő erőforrások határozzák meg a maximális teljesítményt.

Kémiai tulajdonságai

A karbamid víz hatására nem hidrolizál. Híg savakkal vagy lúgokkal főzve azonban elbomlik ammónia, szén-dioxid és víz keletkezése közben. Számos mikroorganizmus tartalmaz karbamidot hidrolizáló enzimet (ureázt).

Gyenge egyértékű bázisként viselkedik. Savakkal sókat képez. Salétromsavval képzett sója, a karbamid-nitrát vízben rosszul oldódik, a karbamid leválasztására használható.A karbamid salétromsavval a primer aminokhoz hasonló reakcióba lép. Salétromossav jelenlétében már szobahőmérsékleten is nitrogénre, szén-dioxidra és vízre bomlik.

Óvatosan hevítve a karbamid ammóniát ad le, biuret keletkezik belőle, körülbelül 25%-os termeléssel. A biuret fehér színű, kristályos vegyület. A biuret réz(II)-ionokkal kelátkomplexet képez és ibolya színreakciót ad, ez a biuret-reakció. Hasonló elven működik a peptidek és a fehérjék biuret-reakciója is.

A karbamid biuret-reakciója

Műtrágyák előállítási módozatai

MAS/KAN/CAN:

Felhasználási terület: 27% N tartalma mellett 4-6% Ca-ot és 3-5% Mg-ot is tartalmazó, stabil, nem higroszkópos anyag. Egyenlő arányban tartalmazza a nitrát és ammónium nitrogént. Mészkő-dolomit tartalma miatt csökkenti a talaj savasságát, ezért a gyenge mészellátottságú talajokra az ammónium-nitrát helyett ajánlható. A talajból lassabban mosódik ki és a mezoelem tartalma miatt harmonikusabb táplálást biztosít a növényeknek.

MAPMagas foszfor tartalmú granulált műtrágya, mely minden szántóföldi és kertészeti kultúrában kitűnően alkalmazható, vízben jól oldódik. Jelentős foszfor tartalma mellett 11% nitrogént is tartalmaz. Mivel a foszfor nehezen mozgó elem a talajban, felhasználását elsősorban ősszel és a gyökérzóna mélységébe bedolgozva végzik.

Ammónium-nitrát (AN)A levegő nitrogénjének kivonásával készülő, nagy tisztaságú, erősen higroszkópos  (nedvszívó, nedvességet elnyelő) anyag. Egyenlő arányban tartalmazza a gyorsabban felszívódó nitrát- és a lassabban felvehetővé váló ammónium-nitrogént. 33-34%-os hatóanyag tartalma és széleskörű felhasználhatósága, kedvező ár-érték aránya miatt a legelterjedtebb nitrogén műtrágya. Jó mészellátottságú talajokon alap és fejtrágyázásra is javasolható minden kultúrában. Gyengébb, mészben szegényebb talajokon savanyító hatása miatt nem célszerű alkalmazni.

NPK műtrágyákA komplex NPK műtrágyák egy szemcsén belül tartalmazzák a három legfontosabb növényi tápanyagot (nitrogént, foszfort, káliumot), így kijuttatásuk egyenletes tápanyagellátást tud biztosítani a növények számára, és az egyes hatóanyagok kedvezően befolyásolják egymás hasznosulását is. A komplexek közül a legelterjedtebb az NPK 15-15-15, melyet elsősorban őszi alaptrágyaként használnak, hatása valamennyi szántóföldi és kertészeti kultúrára esetében figyelemreméltó. Mivel a hatóanyagok vízben jól oldódnak, megfelelő csapadékviszonyok esetén tavasszal is kitűnően hasznosulnak.

KarbamidA legkoncentráltabb nitrogén műtrágya, mely vízben kitűnően oldódik. Amid nitrogéntartalma a talajban viszonylag hosszabb idő alatt, biokémiailag lebomolva alakul felvehető nitráttá. A közbülső termékek kimosódása csekély, a felszabaduló nitrátot viszont felveszi a növény, ezért kevés a hatóanyag veszteség. Alaptrágyázásra kiválóan alkalmas. Átmeneti bomlástermékei csírázásgátló és bizonyos körülmények között gyökérperzselő hatásúak, ezért vetés előtt 2-3 héttel célszerű kijuttatni. Gabona fejtrágyázásra nem javasolt. Levélen keresztül kiválóan felszívódik, 0,5-1%-os oldata lombtrágyázásra tökéletesen bevált, akár növényvédelmi kezelésekkel egy menetben is.

Foszforsav előállítása

A vízmentes foszforsav színtelen, monoklin kristályokban kristályosodik, op. 42,4 oC

A foszforsavat leginkább nagy töménységű (75 –85% -os) vizes oldat formájában használják fel és hozzák forgalomba

Előállítása:

Termikus foszforsav: sárgafoszfor elégetése és a keletkezett P2O5 átalakítása vízből foszforsavvá

Fluorapatit feltárása kénsavval

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

A feltárást 60 –80% -os kénsavval végzik

A keletkező kalcium–szulfátot a fel nem tárt maradékkal együtt szűréssel kell a foszforsavtól elválasztani

Foszforsav gyártása sárgafoszforból

P4+ 5 O2=2 P2O5 ΔH = -720 kcal

2 P2O5+ 6 H2O = 4 H3PO4 ΔH = -90 kcal

A megömlesztett sárgafoszfort elporlasztva levegővel elégetik, és a keletkezett foszfor–pentoxidota reaktor további szakaszában beporlasztott vízzel foszforsavvá alakítják.

Foszfortartalmú műtrágyák

Ásványi foszfátok: fluorapatit: Ca5(PO4)3F

hidroxilapatit: Ca5(PO4)3OH

foszforit: mikrokristályos apatit A rossz vízoldhatóság miatt a növények számára nem

hasznosíthatók A gyártástechnológia célja a nyersanyag vízoldhatóságának

növelése: savas feltárás (H2SO4, H3PO4, HNO3, HCl)

Szuperfoszfátgyártás

18-19% P2O5 tartalmú

Hatóanyaga a vízoldható monokalcium-foszfát Ca(H2PO4)2

Előállítás: a nyersfoszfátok kénsavas feltárásával

Bruttó reakcióegyenlet:

2 Ca5(PO4)3F + 7 H2SO4= 3 Ca(H2PO4)2+ 7 CaSO4+ 2 HF

A feltárás két lépésben játszódik le:

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

Ca5(PO4)3F + 7 H3PO4= 5 Ca(H2PO4)2+ HF

A kénsavval történő reakció gyors, a foszforsavas feltárás lassú

Mellékreakciók: a HF a foszfát SiO2 tartalmával reagál

4 HF + SiO2 → SiF4+ 2 H2O2 HF + SiF4 → H2SiF6

A nyersfoszfát vas és alumínium szennyezései szintén reagálnak a foszforsavval, ami hatóanyag veszteséget eredményez, ezért kénsavfelesleggel kell dolgozni, hogy a foszforsav kis feleslegben keletkezzék.

A gyártás technológiai lépései: - Nyersanyag előkészítése - Feltárás - Szuperfoszfát késztermékké alakítása

Nyersanyag előkészítése: - Apatit gondos finomra őrlése (nagy fajlagos felület), a kénsav mennyiségének, koncentrációjának (67-68%), hőmérsékletének (60-70°C) beállítása

Nyersfoszfátok feltárása: - A nyersanyagok összekeverése után különböző feltáró berendezésekben - Moritz-Standaertrendszerű szuperfoszfát reaktor: 7 m átmérőjű, acélköpenyes, vasbeton forgóhenger - A forgó reaktortestet fogaskoszorún keresztül csigával hajtják meg. Egy fordulat 1-3 óra. - Bal oldalon történik az anyag feltárása, jobb oldalon pedig kaparó szerkezet távolítja el a szuperfoszfátot

Késztermékké alakítás: - Utóérlelés: 2-10 hét - Hideg vagy meleg eljárással granulálás

Káliműtrágyák

Vízoldható sók: sótelepek, fedősók - Szilvinit KCl+ NaCl - Karnallit KCl· MgCl2· 6 H2O - Kainit KCl· MgSO4· 3 H2O

Nyers só feldolgozás: K2O tartalom növelése, (Cl-tartalom csökkentése) - Fizikai: nehézülepítés, osztályozás, flotálás - Fizikai-kémiai: frakcionált kristályosítás, extrakció

Összetett műtrágyák

NP-műtrágyák

NPK-műtrágyák

Kén előállítása, kéntartalmú gázok tisztítása

Kénipar nyersanyagai:

1) Szulfidos ércek,elsősorban a pirit(FeS2)• Vas szempontjából értéktelen,

• Olcsó nyersanyag, de híg és szennyezett

Piritpörkölés:

1, 2FeS2+5,5O2=Fe2O3+4SO2

2, 3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2

3,FeS2=FeS+S 600-650 oC

4,FeS+FeO=eutektikum 900oC

2) Elemi kén(természetes előfordulásokból)

A kén kitermelésének legpraktikusabb módja a Frash-eljárás:

Az utóbbi években növekszik a jelentősége a H2S-tartalmú gázoknak,melyből elemi kén nyerhető ki.

A H2S-t Claus-eljárással alakítják elemi kénné.

1. 2H2S+3O2=2SO2+2H2O

2. 2H2S+SO2=3S+2H2O

vü – ülepedési sebesség, m/s,

d – a szemcs átmérője, m,ρs,g – a szemcse, illetve a vivőgáz sűrűsége, kg/m3,

g – a nehézségi gyorsulás, m/s2,η – a dinamikus viszkozitás kg m–1s–1

Nehézségi erő elvén működő porleválasztó (porkamra)

Centrifugális erőhatására végbemenő porleválasztás

A ciklont, mint porleválasztót 1886-ban az Egyesült Államokban és Németországban szabadalmaztatták. Eleinte durva porok leválasztására alkalmazták, de hamarosan kiderült, hogy a porleválasztás hatásfokát a gázsebesség növelésével és a geometriai formák változtatásával fokozni lehet.

•Egyszerű ciklonok. Olyan nagyra méretezik őket, hogy az adott mennyiségű szenyezett gáz tisztítására egyetlen készülék elegendő legyen.

•Multiciklonok. Annyi kisméretű ciklont alkalmaznak párhuzamosan kapcsolva, hogy a teljes gázmennyiség tisztítható legyen.

•Örvénycsövek. Az átmérőjük egészen kicsi. Itt a perdületes áramlást perdítő elemekkel, irányelterelő lapokkal hozzák létre. A kívánt gázmennyiség tisztítására több örvénycsövet alkalmaznak, amelyeket csoportokban, battérákban helyeznek el.

A részecske kiválási-vagy másnéven vándorlási sebessége ciklonban a következő összefüggéssel számolható:

ahol:

vc – ülepedési sebesség, m/s,

d – a szemcse átmérője, m,

ρs,g – a szemcse illetve a vivőgáz sűrűsége, kg/m3,

η – a dinamikus viszkozitás, m–1s–1.

l – a részecske forgástengelytől való távolsága, m,

vt – érintő irányú sebesség, m/s.

Szűréssel történő porleválasztás

A szűrési folyamat lejátszatásakor a portartalmú gázt porózus szűrőrétegen vezetjük keresztül, ekkor a porszemcsék valamilyen szűrőhatás eredményeképpen visszamaradnak. A szűrőréteget szövetek, rostos és szemcsés anyagok képezhetik. A szűrőközeg kialakítási formája szerint tömlős, táskás, szemcseágyas, rostágyas valamint gyertyaszűrőkről beszélhetünk.

1. Szűrőhatás

2. Tehetetlenségi ütközés vagy impakt hatás

3. Záróhatás vagy közvetlen befogás

4. Diffúziós hatás

5. Elektrosztatikus hatás

Elektrosztatikus porleválasztás

Az elektrosztatikus porleválasztó lényege, hogy a gázban lebegő, elektromos töltésű porrészecskék az ellentétes pólusú felület felé haladnak és ott leválasztódnak.

A Lurgi-ZT elektród kiképzése

Az eletrosztatikus porleválasztóban a részecske leválasztása három részfolyamatból tevődik össze:

•a porrészecske vándorlása az elektromos tér hatására,•a részecske kiválása a leválasztó elektródon, töltésvesztés,•a részecske eltávolítása az elektródról.

A porleválasztás hatásfoka, az elektromos tulajdonságok valamint a leválasztóra jellemző méretek között az ún. Deutsch-féle összefüggés teremt kapcsolatot, amelynek általános alakja:

ahol:

εö – az összleválasztási hatásfok,

vr – a részecske vándorlási sebessége, m/s,

L – a leválasztó elektród hossza, m,

vg – a gáz lineáris sebessége a leválasztó készülékben, m/s,

a – a sugárzó és a leválasztó elektród közötti távolság, m.

A gyakorlatban a 104–1011 ohm cm fajlagos ellenállású porok választhatók le jó hatásfokkal. A fajlagos ellenállás a hőmérséklettel kezdetben növekszik, majd csökken. Ugyancsak csökkenti a fajlagos ellenállást a vivőgáz relatív nedvességtartalmának növelése.

Nedves porleválasztás

A nedves porleválasztásnál a következő részfolyamatok játszódnak le:

•a porrészecske és a folyadékcsepp vagy folyadékfilm találkozása,

•a porrészecske behatolása a folyadékfilmbe vagy folyadékcseppbe, illetve megkötődése azok felületén,

•a részecske távozása a mosófolyadékkal a leválasztó térből.

1. Porlasztásos készülékek

2. Töltetes tornyok

3. Dinamikus vagy örvény mosók

4. Rotációs mosók

5. Tányérostornyok

6. Venturi-mosó

1. Anyagi minőség, fajlagos felület

2. Nedvességtartalom

3. Részecskeméret

2.

3.

A kénsav jelentősége

A termelt tömény kénsav olyan fontos volt, hogy egy ország ipari fejlettségének fokát sokáig az éves egy főre jutó kénsavtermeléssel mérték.

Ma már a timföldgyártás fehériszapjából olcsón nyert vanádium-pentoxid a katalizátor.

Az ólomkamrás kénsavgyártás is fennmaradt, s a közepes töménységű kénsavban oldott ásványi foszfátokból nyerték a „szuperfoszfát” műtrágyát.

1859: Magyar-Svájci Szóda és Vegyigyár Társulat Máramaroson ólomkamrás eljárással állít elő kénsavat foszforműtrágya gyártásához. Az üzem első elnöke Klapka György tábornok volt!

A kontakt kénsavgyártás

A színezékek gyártásához tömény kénsavra, ill. óleumra volt szükség!

Peregrin Phillips 1831: kontakt kénsavgyártás platina katalizátorral – de mérgeződik!

WöhlerWöhler és Mahla 1852: vas-oxid katalizátor (kevésbé érzékeny)

Rudolf Messel (1848-1920): 1870 körül tisztított kén-dioxidot használ. A kén-trioxidot kénsavban nyelették el, mert vízzel kolloid rendszert („kénsavködöt”) képez, így egyenesen óleumot kaptak. 1876: ilyen elven működő üzemet hoz létre → megtörik a nordhauseni kénsavgyár egyeduralma!

1890-ig a klórt és a nátronlúgot kizárólag kémiai úton állították elő, az elektrolitikus eljárások a múlt század végén kezdtek elterjedni.

Ekkor a vegyipar ezen ágának fő célterméke a nátronlúg volt (szappan-, és timföldgyártás), a klór értékesítése problémát okozott.

A klórt felhasználó ipari szintézisek csak a múlt század második felétől kezdtek elterjedni. Ekkor a klórt igénylő üzemek száma olyan mértékre emelkedett, hogy a klór lett a folyamat fő terméke és a nátronlúgot kezelték feleslegként. Megjegyzendő, hogy ekkor a klórvegyületek káros tuladonságai kevésbé voltak ismertek, így új anyagként óriási mennyiségben alkalmazták.

A konyhasó oldatának elektrolízisével nátronlúgot és tiszta klórt lehet előállítani.

A két anyag egyidejűleg keletkezik ekvivalens mennyiségben.

NaCl oldat elektrolízise

NaCl oldat elektrolízise

Diafragmás eljárások

Az elektrolízis ezen változatánál a katód vas, az anód pedig grafit vagy magnetit.

A katódreakció: 2H+ + 2OH- + 2e- 2OH- + H2

Az oldatban lévő Na+ ionnak a leválási potenciálja olyan negatív, hogy nem vesztheti el a töltést. Az anódon a kloridionok és a hidroxilionok oxidálódhatnak.

A hidroxilionok töltésleadásának elkerülés céljából, olyan anódot alkalmaznak, melyen az oxigén leválásának feszültsége olyan nagyobb a klórénál, hogy az oxigén leválási potenciálja legyen a pozitívabb.

A grafit és magnetitelektródokon lejátszódó anódfolyamat:

2Na+ + 2Cl- -2e- 2Na+ + Cl2

Az anód és katódfolyamatot összefoglaló bruttó reakció:

2Na+ + 2Cl- + 2H+ +2OH- 2Na+ +2OH- + Cl2 + H2

Tehát a katódtérben nátrium-hidroxid oldat keletkezik, az anódon pedig klór fejlődik. Ebből következően a további reakciók elkerülés miatt a két teret diafragmával el kell választani egymástól.

• A hidroxilionok bizonyos mennyisége az anódtérbe vándorol és az alábbi mellékreakciókat adja:

• Cl2 + 2OH- = ClO- + Cl- + H2O

• 6ClO- + 6OH- - 6e- = 2ClO3- + 1.5O2 + 4Cl- + 3H2O

A mellékreakciók visszaszorítása érdekében, úgy járnak el, hogy telített konyhasóoldatot elektrolizálnak, de csak annyira, hogy a cellából kilépő oldat még 180-270 g/liter konyhasót és csak 15-25 % NaOH-ot tartalmazzon. Tehát végig nagy kloridionkoncentrációt tartanak fenn.

- Magasabbhőmérsékleten kisebb a hidroxilionok átviteli száma, így meleg oldatot elektrolizálnak.

- További akadály a hidroxilionok számára a megfelelő diafragma alkalamzása.

- Konstrukciós megoldással is csökkenthető a mellékreakciók száma: A tömény oldatot folyamatos eljárás esetén az anódtérbe vezetik, így ott mindig maximális kloridkoncentráció van jelen.

- Ezekkel a megoldásokkal az áramkihasználás jól tervezett rendszerben 91-96%.

Siemens-Billiter cella

telített konyhasóbevezetése

telített konyhasóbevezetése

telített konyhasóbevezetése

klórgáz klórgáz

hidrogénkivezetése

az elektrolizált oldat elvezetése

diafragmavashálóból

készültkatód

grafit anód

A cellában alkalamzott feszültésg 3-3,5V

Membráncellás eljárás

• A cellát a membrán anód-és katódtérre osztja

• A műanyag membrán gyakorlatilag csak a kationokat (Na+) engedi át

• Az elektrolízis során az anódon a kloridionok oxidálódnak, a katódon a hidrogénionok redukálódnak

• Az ekvivalens mennyiségű Na+-ionoka membránon átvándorolnak, és reakcióba lépnek a katódtér OH- ionjaival.

• 20-40%-os NaOHképződik

Higanykatódos eljárás technológiája

• Alapanyag: kősó• Leggyakoribb szennyezők: kalcium, kálium, magnézium, nátrium szulfátjai,

kloridjai, karbonátjai; szerves anyagok

Sólé előkészítése:• Só oldása: 8-10 m3-es vasbeton kádak, 310-315 g/l konc.• Sólé tisztítása:• Szulfátion: nagy koncentrációban az anódon oxigént fejleszt• Kalcium-és magnéziumionok: higannyal szilárd amalgámot képeznek• Tisztítás: kicsapókádakban, majd ülepítés, szűrés

Elektrolízis:• 3,8 V bontófeszültség• Cellák fő részei:• Primer cella (elektrolizálócella)• Szekunder cella (bontó cella)• Higany emelő• Összekötő szerkezet

elektrolizáló cella, hossza 14m

anódtöménykonyhasóoldat híg

konyhasóoldat

higanyamalgám

klórgázklórgáz

bontótartály

vízbevezetés NaOH

hidrogéngázhidrogéngáz

Higanykatódos eljárás technológiája

A fémkohászat főbb folyamatai

• Érc előkészítés (törés, őrlés, szétválasztás)

• Nyers fém kinyerése

• A nyers fém finomítása

• Ötvözés

• Öntés kokillába

Az alumínium gyártás folyamatai

• Érc: bauxit

• Ebből hidrometallurgiai és pirometallurgiai eljárással timföldet (Al2O3) állítanak elő

• A timföld elektrolízisével (elektrometallurgiai eljárással) választják le az alumíniumot

Bauxitok

Név Képlet KristályrendszerKeménység Mohs szerint

Sűrűség Szín

Böhmit AlO(OH) rombos      

Diaszpor AlO(OH) rombos 6,5-7 3,4 g/cm3 Színtelen vagy fehér

Hidrargillit Al(OH)3 monoklin 2,5-3 2,3 g/cm3 fehér

Böhmit, Diaszpor: Al2O3H2O vagy Al2H2O4

A "karsztbauxit", amelynek jellemzője, hogy közvetlenül az erősen karsztosodott karbonáttérszin, a dolomit, ill. a mészkő mélyedéseiben fordul elő, általában vastag takaróréteg fedi és földünk mediterrán övezetében található. Kora általában 40-90 millió év. A "lateritbauxit", amelynek jellemzője, hogy szilikátos (kvarchomokkő), üledékes kőzettérszinre települt, általában vékony, 1-2 m vastag takaróréteg fedi és a föld trópusi övezetében fordul elő. Kora a legújabb kutatások szerint kevesebb mint 1 millió év.

A bauxit feldolgozás folyamatai (1)

• Bauxit előkészítés: őrlés, vizes mosás (tisztítás), szárítás

• Bauxit feldolgozás: – Nátronlúgos kezelés 180-250 Co-on, ekkor

nátriumaluminát keletkezik - NaAl(OH)4 – Vörösiszap leválasztás– Hűlés után kristályos alumíniumhidroxid – Al(OH)3

keletkezik– Ezt 1200-1300 Co-on izzítva kapják a timföldet –

Al2O3

A bauxit feldolgozás folyamatai (2)

A bauxit feldolgozás folyamatai (3)

Alumínium kohászat (1)

• Cél: timföldből színalumínium előállítása

• Folyamat: elektrolízis – katód: grafit bélésű kád, – anód: grafit rúd, – elektrolit: maga a betét

• Betét: kriolit (Na3AlF6) + 6…8% Al2O3

Alumínium kohászat (2)

• Technológiai paraméterek:– Hőmérséklet: 950-980 Co – Egyenáram: U=4…5 V; I= 50…250 kA

• Kiválások:– Katódbélésen az alumínium olvadék– Grafit anódon az oxigén (erős fogyás)

• Csapolás időszakosan (98,5…99,5% Al)

Alumínium kohászat (3)

Alumínium kohászat (4)

• Anyagmérleg:– 4 t bauxit– 2 t timföld– 1 t alumínium

• Energia igény: – 15.000 kWh/ 1 t kohóalumínium– 20.000 kWh/ 1 t finomított alumínium

Alumínium termékek

• Öntvények

• Rudak, csövek

• Lemez, szalag, fólia

• Alakos munkadarabok (kovácsolás, folyatás, lemezalakítások)

• Előnyök: jó hő- és elektromos vezető, korrózióálló, könnyű

Az Al ötvözetei

• Alakítható (sajtolható) alumíniumötvözetek • Al-Mg-Mn ötvözetek: 1-2% Mn-t, 1,5-2,5% Mg-t tartalmaznak, mint fő ötvözőt, közepes

szilárdságú ötvözetek. Korrózióval szembeni ellenállásuk hasonló az Al-Mg ötvözetekéhez, vagyis jó a korrózióállóságuk.

• Al-Mn ötvözetek: jellemző tulajdonsága a kitűnő korrózióállóság, az igen nagy képlékenység és a jó hegeszthetőség, azonban villamos vezetőképességük jóval kisebb, mint a tiszta alumíniumé. Folyékony és gáznemű anyagok hegesztett tartályaihoz jól használhatók.

• Öntészeti alumíniumötvözetek• Al-Si ötvözetek, sziluminok. A szilícium nem növeli ugyan jelentősen az alumínium

szilárdságát, de igen nagymértékben javítja öntészeti tulajdonságait. Az Al-Si ötvözetek kiválóan önthetők.

• Az Al-Cu ötvözetek korrózióállósága rossz, ezért a dural (duralumínium) lemezeket gyakran plattírozzuk, két oldalról tiszta alumíniumból hengerelt lemezzel borítjuk. Szerkezeti anyagként használatosak.

• Al-Cu-Si ötvözetek réztartalma 4%, nagy szilárdságú ötvözet. Bonyolult alakú kokilla öntvények céljaira nem alkalmas, mivel erősen zsugorolódik, így repedésre hajlamos. Ha Si-tartalma 2,5%-nál nagyobb, akkor kokillába is önthető.

• Al-Cu-Mg ötvözetek. A magnézium ötvözés jelentősen növeli az öntvények szilárdságát. A 4% Cu és 1,5% Mg tartalmú ötvözetek hőállóak, így alkalmasak nagy hőmérsékleteken igénybevett alkatrészek öntésére. A nikkelt tartalmazó Al-Cu-Mg ötvözet Y-ötvözet néven általánosan ismert, dugattyúk készítésére használják.

Vas- és acélgyártás

• Nyersvasgyártás– A nagyolvasztó működése– A nyersvas tulajdonságai

• Acélgyártás– Konverteres– Ívkemencés, indukciós kemencés

• Az acélok utókezelése– Vákuumozás– Műveletek öntés közben

Vas- és acélgyártás folyamata

Nyersvasgyártás

• Folyamata: a vasércek redukálása pirometallurgiai eljárással

• Kiinduló anyag: – Mágnesvasérc (Fe3O4) 50-70%

– Vörösvasérc (Fe2O3) 40-60%

– Barnavasérc (2FeO.3H2O) 30-50%

• Végtermék: nyersvas

A nagyolvasztó működése

• Adagolás: érc, koksz, salakképző anyag

• Hőenergia ellátás: koksz, befújt levegő (300-1600 Co)

• Folyamat: a vasoxid redukciója– Fe2O3 → Fe + O– Direkt: C → CO – Indirekt: CO → CO2

• Termék: nyersvas, kohósalak, torokgáz

A vasoxid redukciója

• Indirekt redukció

3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

• Direkt redukcióhasonló folyamatok, de a C redukál, miközben CO-vá alakul

A nagyolvasztó szerkezete

A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok

A nyersvas összetétele

C% Mn% Si% S% P%

Önté-szeti

3,5-4,0 <1,0 1,5-3,0 <0,06 0,3-2,0

Acél-nyers-vas

3,5-4,5 0,4-1,0 <1 <0,04 0,1-0,3

Acélgyártás

• Folyamata: a nyersvas karbon tartalmának és a káros szennyezők koncentrációjának csökkentése

• Kiinduló anyag: Acélnyersvas• Végtermék: Acél• Előnyök:

– Szilárdság és szívósság növekedés– Alakíthatóság javulás

Eljárás változatai

• Siemens-Martin (ma már nem használják)

• Konverteres (Bessemer, LD)

• Elektro-acélgyártás (ívfényes, indukciós)

Siemens-Martin eljárás

Konverteres acélgyártás (LD)

• Elrendezés: körte alakú billenthető konverter

• Betét: acélhulladék, folyékony nyersvas, adalékanyagok

• Égés táplálása: oxigén befuvással• Hőforrás: a karbon és szennyezők

kiégésének hője• Végtermék: 0,25-0,3% C-tartalmú acél

Az LD eljárás folyamatai

• Betét berakása• Frissítés oxigén gázzal, C és

szennyezők kiégetése• Ötvözés igény szerint• Utókezelés: dezoxidálás, csillapítás• Öntés

Értékelés: a leginkább alkalmazott eljárás

Konverteres acélgyártás

Konverteres acélgyártás

Dezoxidálás vagy csillapítás

• Si, Al adagolás az acélgyártás végső fázisában

• Hatására a vasoxidból szilicium-dioxid vagy aluminium-oxid keletkezik, amely a salakba távozik

• Öntéskor az acélban nem keletkeznek gázhólyagok – ez a csillapított acél

Elektro-acélgyártás

• Ívfényes kemencében– Fémolvadék és/vagy szilárd betét– Hőt az elektródák és olvadék közötti ív fejleszt– Jól szabályozható, tiszta acélokat lehet gyártani

• Indukciós kemencében– Szilárd betét– Hőforrás az indukált áram Joule-hője

(transzformátor hatás)– Acél ötvözés, átolvasztás a fő cél

Ívfényes acélgyártó kemence

Az acélok utókezelése

• Sugárvákumozás: folyékony acélsugár öntése vákumban, erős gáztalanodás

• Vákumívfényes átolvasztás: katód az acélrúd, anód a réz kád, ív hatására az acél megolvad, a vákumban gáztalanodik

• Elektrosalakos átolvasztás: az elektrolizáláskor a megolvadt salakon átfolyó acél gáz- és szennyező tartalma lecsökken

Az acél sugárvákumozása

Acélok utókezelése

Acél termékek (összetétel szerint)

• Ötvözetlen acélok • Gyengén ötvözött acélok (ötvöző% < 5%)• Erősen ötvözött acélok (ötvöző% > 5%)• Ötvözők:

Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W, Co• Felhasználás:

– Szerkezeti acélok– Szerszám acélok