CHEM-A2100 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit
Transcription
CHEM-A2100 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit
CHEM-A2100 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit 2015 3. kotilasku Kotilaskun prosessi liittyy kuparin pyrometallurgiseen valmistukseen. Rikasteesta sulatettu kuparikivi (kupari- ja rautasulfideja) konvertoidaan Peirce-Smith –konvertterissa raakakupariksi. Pääreaktio on kuparisulfidin Cu2 reaktio metalliseksi kupariksi. Reaktio on eksoterminen ja jäähdyttämiseen käytetään kupariromua. Romun tai muun materiaalin lisäys ei kuitenkaan saa johtaa siihen, että konvertterin lämpötila laskee. Energiataseen laskeminen on edellytys sille, että tiedetään oikea määrä romua, joka panostetaan. Kuparin konvertointi tapahtuu kahdessa erillisessä vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu kuonan muodostuminen. Kuparikiven FeS hapettuu oksidiksi FeO, joka muodostaa fajaliittikuonaa kvartsin SiO2 kanssa. Tämä reaktio on eksoterminen. FeS hapettuu reaktion (1) mukaan FeS(l) 1.5O2(g) -> FeO(l) SO2(g) (1) Reaktiossa (1) muodostunut sula FeO reagoi kiinteän kvartsin kanssa ja muodostaa fajaliittia 2FeO•SiO2 Fajaliitin muodostumisreaktio (2) on myös eksoterminen. 2FeO(l) SiO2(s) -> 2FeO•SiO2(l) (2) Toisessa vaiheessa kuparisulfidi hapettuu metalliseksi kupariksi. Tämäkin vaihe on eksoterminen, mutta ei niin voimakas kuin kuonanmuodostusvaihe. Kuparisulfidi hapettuu reaktion (3) mukaan. Cu2S(l) O2(g) -> 2Cu(l) SO2(g) (3) HSC:n Heat and Material Balance –moduli laskee lämmön lisätarpeen tai jäähdytyksen tarpeen, kun prosessia ajetaan. Systeemin reunaehtoina ovat määritellyt ainetaseet. Moduli ei laske tilannetta termodynaamisessa tasapainossa. Modulin syöttötietoina on aina IN1, OUT1 ja BAL laskentataulukot. IN ja OUT taulukoita voi olla useitakin saman systeemin eri yksikköprosesseille tai tasealueille. IN1-taulukkoon syötetään prosessin lähtöaineet, niiden määrät ja lämpötilat, OUT1-taulukkoon tuotteiden vastaavat tiedot. BAL-taulukko laskee automaattisesti lämpötaseen eron. BAL-taulukkoa ei ole tarvetta muuttaa (eikä saakaan). Koska moduli luo automaattisesti nimet IN- ja OUT-taulukoille, niiden nimiä ei saa muuttaa. Yksinkertaisimmillaan laskenta tehdään seuraavasti: 1. IN1-taulukkoon syötetään lähtöaineet, niiden määrät (kmol tai kg) ja lämpötilat. 2. OUT1- taulukkoon syötetään tuotteet, niiden määrät (kmol tai kg) ja lämpötilat. 3. Alareunan BALANCE-rivi päivittyy aina kun syötteen tai tuotteen arvoja muutetaan. Rivin viimeisenä on systeemin lämpötase eli tuotteiden lämpömäärä lähtöaineiden lämpömäärä, negatiivinen luku tarkoittaa lämmön tuottoa. Kotilaskussa lasketaan systeemin aine- ja lämpötase kahdessa vaiheessa: I. Määritetään systeemin lämmön tuotto kun sulaan kiveen puhalletaan kylmää ilmaa. II. Lasketaan konvertteripanoksen jäähdytysromun tarve. Työn vaiheista kolme ensimmäistä voi laskea vaikka Excelillä. Kohdat ja on laskettava HSC:llä. 1. Kuparikiven kuparipitoisuus m-% on annettu lähtöarvona, määritä sen perusteella FeS ja Cu2 osuudet kivessä. Tee vaikka alkuoletus kg kivimäärälle ja laske sen perusteella sulfidien vastaavat moolimäärät. Tarkistuksena moolisuhde Cu2S/FeS pitäisi olla noin 2. 2. Määritä yhtälöiden (1)-(3) perusteella kokonaisreaktiot kun rauta- tai kuparisulfidi hapetetaan stökiömetrisellä määrällä happea. Hapetus tehdään ilmalla, jossa on siis mukana myös typpeä. Typen lämmittäminen vaatii energiaa vaikka se ei reagoikaan. Oletetaan, että ilmassa on 21% happea. Laske ilman N2/O2-suhde Muodosta reaktioille (1)+(2) ja (3) stökiömetriset kertoimet ottaen huomioon, että sama määrä typpeä on sekä lähtöaineena että tuotteena. Muunna ylläolevien reaktioiden kertoimet vastaamaan kg kivimäärää kohdan FeS ja Cu2 määrien avulla 3. Tee itsellesi taulukko kohtien ja perusteella lähtöaineiden ja tuotteiden moolimääristä käyttäen lähtöarvona saamaasi panoskokoa. Satojen tonnien panos tarkoittaa satoja tai tuhansia kilomooleja. Summaa yhteen kohdan yhtä kilogrammaa kohden laskettujen yhtälöiden kertoimet (mooleja) ja kerro ne panoksen koolla. Saat tuloksena taulukon, jossa on koko prosessin syötteiden ja tuotteiden moolimäärät. 4. Laske HSC:n Heat and Material Balance –modulilla lämpötase sulatukselle, eli samaan aikaan tapahtuvalle kuonanmuodostusvaiheelle ja kuparin hapetusvaiheelle. Käytä kohdan ainemääriä. Puhallettavan ilman lämpötila sekä kiven ja reaktiotuotteiden lämpötila on annettu lähtöarvoissa. Kuonan muodostajana käytetyn SiO 2:n lämpötila on sama kuin ilman lämpötila. Syötteinä siis FeS, Cu2S, O2 N2 ja SiO2 tuotteina 2FeO*SiO2 SO2 Cu, N2 5. Laske samalla modulilla jäähdytykseen tarvittavan kuparin määrä. Laita lähtöaineisiin kuparia syötteiden matalassa lämpötilassa ja tuotteisiin sama määrä tuotteiden korkeassa lämpötilassa. Kuparin kuumentaminen sulamispisteeseen, sulaminen ja sulan kuparin kuumentaminen tuotteiden lämpötilaan vaatii energiaa. 6. Kuparimäärä on oikea kun BALANCE-rivin lämpötase on nolla. Jokaiselle osallistujalle on koottu omat lähtöarvot. Lasku palautetaan Word- tms. tekstitiedostona Moodlen palautuslaatikkoon. Tiedostossa on oltava seuraavat tiedot: 1. Tekijä 2. Alkuarvot, Cu-%, lämpötilat, panoksen määrä 3. Taulukot kuonanmuodostusreaktion ja kuparin hapetusreaktion kertoimista (kohta yllä) 4. Taulukko koko panoksen lähtöaineista ja tuotteista (kohta yllä). 5. HSC IN1- ja OUT1-taulukot, eli aineet, määrät, lämpötilat jne. annetulla panoksen koolla laskettuina. Kuvakaappauskin käy. 6. Paljonko lämpöä vapautuu sulatuksessa annetulla panoskoolla. 7. Montako tonnia kuparia tarvitaan jäähdyttämään panos. Jos kysyttävää niin Jari Aromaa MTE-laitos, Hydrometallurgian ja korroosion tutkimusryhmä 050-4602461