Elektrotermické procesy

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Elektrotermické procesy"

Ján Novák
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Elektrotermické procesy Elektrolýza tavenin Výroba Al Elektrické pece Výroba P Výroba CaC 1 Vysokoteplotní procesy, využívající elektrický ohřev (případně v kombinaci s elektrolýzou) Elektrotermické procesy výhody el. ohřevu snadná doprava paliva nedochází k hmotnostním změnám snadná regulace nezatěžuje provoz nečistotami - ohřev (i ve výbušném prostředí) odporový, obloukový, indukční, dielektrický R = U/I P = U. I ( L) ( R) U = I ω + R odpor [Ω], U- napětí [V], I- proud [A], P-výkon [W], ωl - indukční odpor 1

ohřevu snadná doprava paliva nedochází k hmotnostním změnám snadná regulace nezatěžuje provoz nečistotami - ohřev (i ve výbušném

2 obloukové pece Elektrotermický ohřev umožňují dosáhnout vysokých teplot (500 o C) pomocí el. oblouku mezi elektrodami resp. elektrodami a taveninou elektrody - grafitové resp. uhlíkové (z antracitu) během procesu ubývají ("uhořívají") proudová zátěž až 10 A/ cm odporové pece snažší regulovatelnost čistší prostředí nižší teploty použití vyšší nároky na materiál 3 Elektrolýza tavenin Elektrochemické procesy nerealizovatelné ve vodném prostředí - termodynamické důvody (Al), reakce produktů s rozpouštědlem (alkalické kovy a kovy alkalických zemin), minimalizace objemu jaderný průmysl- Obecně pracujeme za teplot (nad 500 o C) velká energetická náročnost Funkce el. proudu - elektrolýza - ohřev (možná i kombinace s jiným zdrojem) Dostupnost laciné el. energie je hlavním limitujícím faktorem k provozování elektrolýzy tavenin (Norsko, Kanada,...) 4

Elektrolýza tavenin Elektrochemické procesy nerealizovatelné ve vodném prostředí - termodynamické důvody (Al), reakce produktů s rozpouštědlem (alkalické kovy a kovy alkalických zemin), minimalizace

3 Al Hliník nejběžnější kovový prvek na zemské kůře 8,8% (pouze ve sloučeninách s jinými prvky) kovový hliník nalezen na Měsíci poprvé připraven 185 v Kodani H. C. Oerstedem dnes druhý nejvíce produkovaný kov po železe a oceli Vlastnosti nízká hustota - lehký, v přítomnosti malého množství jiných kovů (Cu, Mn, Si, Mg nebo Zn) tvoří pevné slitiny vysoká tepelná a elektrická vodivost snadno opracovatelný 5 Výroba Al původně byl Al vyráběn velmi omezeně chemickou cestou průlom Charles Martin Hall v Ohio a Paul L. T. Heroult v Paříži nezávisle přihlásili patent na elektrolytický způsob výroby Al z taveniny. Postup založen na elektrolýze aluminy (Al O 3 ) rozpuštěné v tavenině kryolitu (Na 3 AlF 6 ) při teplotě cca 1000 o C (183 o F). - Hall-Heroult proces Bauxitová ruda % alumina, + oxidy křemíku, železa atd. - původně z obce Les Baux v jižní Francii - dnes těžen po celém světě 6 3

a elektrická vodivost snadno opracovatelný 5 Výroba Al původně byl Al vyráběn velmi omezeně chemickou cestou průlom -1886 Charles Martin Hall v Ohio a Paul L. T.

4 Bayerův způsob výroby Al O 3 bauxit je loužen horkým roztokem NaOH v autoklávech. Oxidy železa a křemičitany jsou ve formě kalu odstraněny v usazovácích vzniká tzv. červený kal. Al(OH) 3 + Na + + OH - ---> Al(OH) 4- + Na + následuje ochlazení a hydrolýza Al(OH) 4- + Na + ---> Al(OH) 3 + Na + + OH - odfiltrovaný Al(OH) 3 je odfiltrován a vysušen s následnou kalcinací při 100 o C Al(OH) 3 ---> Al O 3 + 3H O vzniká bezvodý Al O 3 (modifikaci lze kontrolovat řízením teploty). Velikost částic je cca 100 µm. 7 Hall-Heroultův proces elektrolýza aluminy rozpuštěné v kryolitu (Na 3 AlF 6 ) s příměsí NaF za teploty 960 C Anoda uhlík (dva typy) předvypálené nebo Sødebergovy (výroba z koksu a smoly ev. dehtu) během procesu ubývá Katoda tekutý Al (99%) Elektrolyt tavenina kryolitu význam z hlediska nízké provozní teploty (Al O 3 corundum mp 053 o C) Celková reakce Al O 3 + 3/C Al +3/ CO 8 4

o C Al(OH) 3 ---> Al O 3 + 3H O vzniká bezvodý Al O 3 (modifikaci lze kontrolovat řízením teploty). Velikost částic je cca 100 µm.

5 Dva typy anod Hall-Heroultův proces Sødeberg tvořena za běhu procesu ze směsi antracitu, koksu a dehtu tj. kontinuálně tvořená elektroda předvypálené grafitové elektrody (lepší kontrola procesu, vyšší čistota produktu) 9 Hall-Heroultův proces Parametry elektrolýzy 10 5

kontinuálně tvořená elektroda předvypálené grafitové elektrody

6 Světová produkce hliníku Celosvětová produkce Al v milionech tun 11 Fosfor Základní biogenní prvek. Vlastnosti a použití fosforu je silně závislé na alotropní formě, ve které se fosfor vyskytuje. Bílý fosfor je měkký (b.t C), značně toxický a na vzduchu samovznětlivý. Ve tmě jeho páry fosforeskují (samovolně vydávají slabě světelné záření). Vysoce reaktivní. Pro dlouhodobější uchovávání musí být ponořen ve vodě, která zabrání jeho samovolnému vzplanutí. Červený fosfor vzniká zahřátím bílého fosforu na 50 ºC v uzavřené nádobě pod tlakem v inertním prostředí. Červený fosfor je na vzduchu neomezeně stálý, má teplotu tání 597 C a není jedovatý. Černý fosfor je velmi stálý a svými fyzikálními vlastnostmi připomíná spíše kovy. Má kovový lesk, je tepelně i elektricky dobře vodivý. Vzniká zahříváním červeného fosforu pod tlakem za teploty přes 400 ºC. 1 6

Pro dlouhodobější uchovávání musí být ponořen ve vodě, která zabrání jeho samovolnému vzplanutí.

7 Fosfor Základní surovina - apatit Ca 3 (PO 4 ) CaX kde ( X = Cl, F, OH) poloostrov Kola Rusko, USA, Maroko Výroba elektrotermicky v obloukové peci s uhlíkovými elektrodami za teplot o C Ca 3 (PO 4 ) + 3 SiO = 3 CaSiO 3 + P O 5 P O C = 10 CO + P 4 P 4 odchází společně s CO ve formě odplynu - kondenzace P 4 ve dvoustupňovém skrápění Fosfor je skladován v sudech pod vodou. Hlavní využití - termická kys. fosforečná - zbrojní průmysl 13 Fosfor Schéma elektrotermické výroby bílého fosforu 1 - oblouková elektrická pec, - elektrofiltr, 3 - kondenzační věž, 4 - granulační buben, 5 - sušící buben 14 7

odplynu - kondenzace P 4 ve dvoustupňovém skrápění Fosfor je skladován v sudech pod vodou. Hlavní využití - termická kys.

8 Karbid vápníku Dříve hojně využíván k výrobě acetylénu pro organické syntézy. Dnes převážně - svícení, svařování, výroba dusíkatého vápna Výroba elektrotermicky v obloukové peci s uhlíkovými elektrodami (Söderbergovy) za teplot o C. CaO + 3 C = CaC + CO Oblouková pec na výrobu karbidu vápníku 1 - přívod suroviny, - elektrody, 3 - těsnění, 4 - odvětrání, 5 - vana, 6 - žáruvzdorná vyzdívka, 7 - uhlíková vyzdívka, 8 - odpichový otvor na ferosilicium, 9 - odpichový otvor na karbid vápníku 15 Příklad Jaký je užitečný výkon P U jednofázové elektrické pece, která je napájena pod střídavým proudem I = 55 ka běžné frekvence 50Hz, jestliže napětí na zdroji je 110 V, odpor vodičů r = 5, Ω a indukční odpor ωl = Ω. Jaká je elektrická účinnost této pece? ( L) + ( R r) U = I ω + r ωl celkový výkon: P C = U c. I = I (R + r) užitečný výkon: P U = U u. I = R. I U R η R = U I ( L) r R = , ω ( ) P U = R. I = 0, = W = 5, kw P R I R 0,00188 = = R + r 0, ,65.10 U = = 5 PC ( R + r) I =1, Ω = 0,971 = 97,1% 16 8

CaO + 3 C = CaC + CO Oblouková pec na výrobu karbidu vápníku 1 - přívod suroviny, - elektrody, 3 - těsnění, 4 - odvětrání, 5 - vana, 6 - žáruvzdorná vyzdívka, 7 - uhlíková vyzdívka, 8 - odpichový

9 Brusný materiál, příměs do vyzdívek a keramiky Výroba elektrotermicky v "odporové" peci s uhlíkovými elektrodami a topným jádrem z drceného koksu za teplot o C. SiO + 3 C = SiC + CO vsádkové provedení - 1 výpal trvá cca 40 hod se vzdáleností od jádra klesá kvalita SiC mletí příp chem. dočištění Karbid křemíku Pec na výrobu karbidu křemíku 1 - topné jádro, - uhlové elektrody, 3 - pevná čela, 4 - přívod proudu, 5 - nístěj 17 Elektrometalurgie Alternativa klasickému konvertoru při výrobě oceli - oblouková elektrická pec el. oblouk mezi elektrodami nebo elektrodami a lázní výroba ušlechtilé oceli z ocelového odpadu a ze surového železa Schéma obloukové elektrické pece 1 - nístěj, - elektrody, 3 - pracovní otvor, 4 - odpichový žlab, 5 - sklápěcí mechanismus 18 9

dočištění Karbid křemíku Pec na výrobu karbidu křemíku 1 - topné jádro, - uhlové elektrody, 3 - pevná čela, 4 - přívod proudu, 5 - nístěj 17 Elektrometalurgie Alternativa klasickému konvertoru

Podobné dokumenty

Kyselina fosforečná Suroviny: Výroba: termický způsob extrakční způsob

Kyselina fosforečná Suroviny: Výroba: termický způsob extrakční způsob Kyselina fosforečná bezbarvá krystalická sloučenina snadno rozpustná ve vodě komerčně dodávané koncentrace 75% H 3 PO 4 s 54,3% P 2 O 5 80% H 3 PO 4 s 58.0% P 2 O 5 85% H 3 PO 4 s 61.6% P 2 O 5 po kyselině