CHEMIE http://homen.vsb.cz/~val15 http://rccv.vsb.cz/iTutor.

Prezentace na téma: "CHEMIE http://homen.vsb.cz/~val15 http://rccv.vsb.cz/iTutor."— Transkript prezentace:

1 CHEMIE

2 VÝROBA KOVŮ Průmyslové získávání kovů lze rozdělit do čtyř částí:
Těžba rud a jejich úprava Chemické zpracování a příprava suroviny Vlastní chemický děj k získání surového kovu Rafinace vyrobeného kovu

3 Výroba kovů 2. Hliník Železo Měď

4 metalurgické zpracování
obohacování aglomerace ruda metalurgické zpracování pražení pyrometalurgie hydrometalurgie

5 Úprava rud flotace magnetická separace sedimentace
Obohacení o čistou složkou Zbavení balastních materiálů (hlušiny) Mechanické, fyzikálně-chem. postupy: flotace magnetická separace sedimentace

6 Chemické zpracování Převedení základní suroviny většinou na oxidy, event. chloridy (vhodnější k vlastní výrobě): Oxidační pražení: zahřívání za přístupu vzduchu (vznik oxidu kovu a SO2) 2 ZnS O2 = 2 ZnO SO2 Redukční chlorace: pomocí uhlíku event. za přítomnosti chloru TiO2 + 2 C + 2 Cl2 = TiCl CO

7 Aglomerace Spékaní směsi práškové rudy + paliva (5% uhlí) na vzduchu
Vzniklý aglomerát se rozemele Uplatnění hlavně u železných rud Snížení obsahu: S, Zn, Pb, Cd Nešetrný vůči životnímu prostředí

8 metalurgické zpracování
obohacování aglomerace ruda metalurgické zpracování pražení pyrometalurgie hydrometalurgie

9 hydrometalurgie výluh cementace elektrolýza rafinace čistý kov

10 Vyluhování - selektivní loužení iontů kovů z rud chem. činidlem
- vznik rozpustné sloučeniny vyráběného kovu (např. kyanidové loužení Au a Ag) - použití: Zn, Au, Pt, U, W, Cu, Ni, Co, Al Vytěsňování (tzv. cementace) ušlechtilého kovu kovem neušlechtilým: HgS + Fe = Hg FeS CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4 2Au Zn = 2Au Zn2+ Elektrolýza - z vodných roztoků: ušlechtilé a některé neušlechtilé kovy (E0 > – 0,4 V) Cu, Ag, Au, Ni, Pb, Sn, Zn aj. - z tavenin (halogenidů, oxidů nebo hydroxidů): velmi neušlechtilé kovy a polokovy Al, Na, Mg, Si, B, Ti aj.

11 Elektrolýza Oxidace a redukce probíhají odděleně na elektrodách
Na katodě (redukce): Na anodě (oxidace): Elektrolyt: tavenina, vodný roztok Výroba kovů: Na, Ca, Mg, Al Rafinace kovů: Cu, Ni Výroba hydroxidů alkalických kovů Ox1 + ze- = Red1 Red2 - ze- = Ox2

12 Princip elektrolýzy oxidace redukce

13 Elektrolýza roztoku NaCl
Ox: 2Cl- - 2e- = Cl2 Red: 2H+ + 2e- = H2 NaCl + H2O = H2 + NaOH + Cl2

14 pyrometalurgie čistý kov termický rozklad redukce elektrolýza tavenin
rafinace čistý kov

15 Termický rozklad: např. halogenidů, hydridů nebo karbonylů
TiI = Ti I2 (g) 2 AsH3 = 2 As H2 Použití pro přípravu malých množství kovu o vysoké čistotě nebo k rafinaci. Redukce (pro oxidickou sloučeninu): uhlíkem NiO C = Ni + CO vodíkem MoO H2 = Mo H2O neušlechtilým kovem Cr2O Al = 2 Cr + Al2O3 polokovem 2 BaO + Si = 2 Ba + SiO2 Redukce neušlechtilým kovem nebo polokovem: metalotermie (např. při použití hliníku aluminotermie). Tyto reakce jsou většinou silně exotermické a vyredukovaný kov vzniká v kapalném skupenství

16 Aluminotermická reakce
Silně exotermní reakce Práškový hliník jako redukční činidlo: Fe2O3 + 2 Al → Al2O3 + 2 Fe Využití: svařování kolejnic (dříve), dále získávání některých kovů z jejich oxidů Velký nedostatek: nízká čistota produktu

17 Elektrolýza taveniny NaCl

18 bauxit Al2O3 Na[Al(OH)4] Al(OH)3 250C 100C 80C 1200C NaOH (konc.)
Fe2O3+SiO2 80C Al(OH)3 NaOH 1200C Al2O3

19 Tavná elektrolýza Al2O3 2 Al2O3 = 4 Al + 3 O2 Ox: 6OII- - 12e- = 3O2
Red: 4Al e- = 4Al 2 Al2O3 = 4 Al + 3 O2

20 Rafinace kovů Zonální přetavování: pomalý, opakovaný průchod ingotu surového kovu úzkou zónou s teplotou blízkou jeho teplotě varu - Nečistoty se hromadí na konci ingotu - Nerozpustné příměsi jsou koncentrovány v jeho přední části - Čistý kov je uprostřed ingotu Elektrolýza: surový kov je zapojen jako anoda, katodou je plíšek velmi čistého vyráběného kovu. - Nečistoty se hromadí v anodovém prostoru (tzv. anodové kaly) - Čistý kov je vyredukován na katodě

21 Rafinace mědi Anodové kaly: Ag, Au, Pt, Pd..

22 metalurgické zpracování
obohacování aglomerace Železná ruda metalurgické zpracování pražení pyrometalurgie Surové železo Ocel, litina

23 Železné rudy Magnetit Fe3O4 (55-70%) Hematit Fe2O3 (50-60%)
Pyrit FeS2 (<40%) Siderit FeCO3 (30-40%) Obsah železa > 24% Limonit Fe2O3.nH2O (25-35%)

24 Výroba železa Vysokopecním hutnickým způsobem
Principem je redukce oxidických rud železa uhlíkem (koksem), resp. oxidem uhelnatým Surové železo obsahuje 5 – 10% příměsí, zejména nekovů Vedlejší produkt: struska (rafinační a ochranná funkce) Rafinací vznikají tzv. technická železa: ocel a litina Zkujňování spočívá v oxidaci a následném odstranění nekovů (C, Si, P)

25 Výroba železa-vsázka železná ruda + koks vápenec +
kovonosná surovina + palivo + struskotvorné přísady železná ruda + koks vápenec +

26 Schéma vysoké pece

27 Vysoká pec-reakce paliva
Horní část: upravená ruda, koks a vápenec Spodní část: předehřátý vzduch, často obohacený kyslíkem Vzduch reaguje s koksem: C + O2 = CO2 Reakce je exotermní ( teploty ve spodní části pece až na 2000 °C) Při postupu vzhůru reaguje CO2 s koksem podle Boudouardovy rovnice C + CO2 = 2 CO

28 Vysoká pec-reakce rudy, vápence
Směrem nahoru  teplota až na 150°C Ve střední části (500 – 800°C) probíhá nepřímá redukce: 3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O CO = 3 FeO CO2 FeO CO = Fe CO2 Ve spodní části při 2000 °C probíhá i přímá redukce: FeO C = Fe CO Současně se rozkládá vápenec a váže se na křemičitany obsažené v rudě: CaCO = CaO + CO CaO + SiO = CaSiO3 Vzniklá struska klesá s vyredukovaným železem do spodní části pece Struska vytváří ochrannou vrstvu železa Je vedlejším produktem a druhotnou surovinou: výroba žáruvzdorných vláken, cementu, hnojiv, apod. Vedlejším produktem je také vysokopecní plyn (využití k topným účelům) Surové železo je roztok obsahující nežádoucí příměsi

29 Obsahy doprovodných prvků v železe
prvek C Si Mn P S w [%] cca 4,2 0,2-0,7 0,2-0,8 0,1 0,03

30 Rafinace surového železa
Ocelárenské pochody: zkujňování surového železa Účelem: odstranění nebo snížení obsahu nežádoucích prvků Princip zkujňování: oxidační reakce za vysokých teplot a vznik oxidů vázaných na strusku (Si, Mn, P) nebo odváděny v plynné formě (C) V konvertorech, martinských, tandemových nebo elektrických pecích Oxidačním činidlem je vzduch, kyslík nebo struska Zkujňování v elektrických pecích: nejdražší, výhoda: kvalita oceli Vznik technického železa: litina, ocel Další zlepšení vlastností oceli: legování pomocí legur

31 Technická železa-doprovodné prvky

32 Technická železa Dělí se podle obsahu uhlíku
Litiny (> 2 %) Oceli (< 2 %)

33 Vliv legur na vlastnosti technických želez
Si Cr Ni W V P S Mn Mo pevnost ++ + tvrdost pružnost kujnost - žárovzdornost korozivzdornost svařitelnost houževnatost magnetičnost obrobitelnost

34 Metalurgické strusky Vedlejší produkt výroby surového železa
CaO-MgO-MnO-FeO-Fe2O3-Al2O3-SiO2-P2O5 štěpí polymerní tvoří dlouhé křemičitany a polymerní fosforečnany řetězce Bazicita (V) strusky: w(CaO) / w(SiO2) V > 1,8…zásadité strusky

35 Klasifikace metalurgických strusek
Vysokopecní: nízký obsah oxidů železa, ºC, převažují CaO- SiO2- Al2O3-MgO Ocelářské oxidační:  obsah oxidů železa, bazicita, teploty odlévání o 100ºC, hlavní složky CaO-FeOx-SiO2 Mimopecní rafinační: vysoká bazicita, odlévají se při 1400ºC, obsahují hlavně CaO-Al2O3

36 Přehled dalších technicky důležitých silikátových materiálů
Materiály na bázi křemičitanů Podobné složení jako strusky Významné vlastnosti: chemická odolnost, žáruvzdornost, plasticita Patří sem: skla, keramika, žáruvzdorné materiály, anorganická pojiva

37 Skla (křemičitá) Amorfní ztuhlé taveniny přebytku SiO2 (event P2O5 nebo B2O3) a zásaditých oxidů Na2O nebo K2O, CaO, MgO Nepravidelná struktura křemičitanových tetraedrů Nemají bod tání, ale teplotní interval tání Výchozí suroviny: křemenný písek nebo mletý křemen, uhličitan a síran sodný nebo draselný a mletý vápenec Promíchaná směs tzv. sklářský kmen se roztaví a zpracovává se: lisováním odléváním foukáním

38 Druh skla Složení Vlastnosti Křemenné SiO2 Odolné teplotním rázům; kyselinám Užitkové SiO2-Na2O-CaO Měkne při C; neodolává louhům Křišťálové SiO2-K2O-PbO Vysoký index lomu; brousí se, leptá, rytí Tepelně a chem. odolné SiO2-Na2O-B2O3 Malá tepelná roztažnost; odolné chemikáliím, teplotě Vodní SiO2-Na2O Rozpustné ve vodě; jeví zásaditou reakci

39 Keramika Porézní na bázi jílových minerálů
Má heterogenní strukturu: krystalická a skelná fáze Rozdělení: porézní (cihlářské zboží) a hutná (porcelán, kamenina) Porcelán: bílé barvy, průsvitný; výchozí suroviny jsou kaolin, živec a křemen; výrobky se suší a vypalují při 900°C, pak se glazurují sklovinou a znovu vypalují při 1450°C Kamenina: tvrdá, hutná a také dobře odolná chemickým vlivům Zbarvena žlutě až hnědě dle použitých jílů Cihlářské zboží: z nejméně hodnotných jílů; velmi pórovité vzhledem k nízké teplotě výpalu zbarveny červeně Fe2O3

40 Materiály odolávající teplotám alespoň 1600°C
Žáruvzdorné materiály a staviva Materiály odolávající teplotám alespoň 1600°C Hlavní složky: SiO2 a Al2O3 v různých poměrech Dinas: přes 90% SiO2, kyselý, špatně odolává prudkým změnám teploty Šamot: kyselý i zásaditý Silimanit: vysoce žáruvzdorný, větší odolnost proti korozi struskou Korundová keramika: až 95% Al2O3, odolnost vůči změnám teploty Ostatní (magnezit, dolomit): hlavní složky MgO, CaO; zásadité

41 Anorganická pojiva Samovolně se zpevňují (tuhnou) a spojují zrnité soustavy na vzduchu resp. v přítomnosti CO2 Malta Směs písku, „hašeného vápna“ a vody Tuhnutí malty: Ca(OH) CO2 = CaCO3(s) + H2O

42 Cementy Tuhnou pomocí vody Soustava CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 Hlavní suroviny: vápenec, jíly a železná ruda Zahřátí na cca 1450°C a rozemletý slínek se smíchá s vodou Podstata tuhnutí: vznik krystalických hydratovaných křemičitanů a hlinitanů Beton Směs cementu, písku a drobného štěrku Tuhne po smíchání s vodou Sádra Pojivo odlišného typu Vyroba: zahříváním sádrovce CaSO4.2 H2O na 160°C Vzniká tzv. hemihydrát CaSO4.1/2H2O Tuhne smícháním s vodou: zpětná reakce za vzniku dihydrátu

43 Uhlí Černé uhlí Hnědé uhlí Hořlavá hornina
Vznik: z rostlinné hmoty pravěkých rostlin tvořené především celulózou (C6H10O5)n Obsah uhlíku a výhřevnost: dle prouhelnění (antracit > černé a hnědé uhlí > rašelina) Zpracování: nejvíce jako palivo, efektivnější je však chemické Černé uhlí Hnědé uhlí

44 Karbonizace uhlí Nejpoužívanější zpracování: zahřívání bez přístupu vzduchu Vzniká: koks, dehet, čpavková voda a koksárenský plyn (svítiplyn) Nízkoteplotní karbonizace (při 600°C) – zpracovává hnědé uhlí – hlavní produkt: dehet (hlavně benzen, toluen, anthracen) – k výrobě pohonných hmot Vysokoteplotní karbonizace (při 1000 – 1300°C) – zpracovává černé uhlí – hlavní produkt: koks nebo svítiplyn – koks jako redukční činidlo a palivo

45 Ropa Hnědá až nazelenalá hořlavá kapalina
Nazývá se též surová nafta, černé zlato Složení: směs uhlovodíků převažují alkany Vznik: z odumřelých mikroorganismů, písku, hlíny a Ca-nerostů Výskyt: až 8 km pod povrchem spolu se zemním plynem Těžba: z vrtu samovolně vyvěrá nebo se čerpá 1 barel=158,97 litrů Zpracování: palivářsky nebo petrochemicky

46 Palivářské zpracování ropy
Výroba pohonných hmot frakční destilací (atmosférická, vakuová) na základě rozdílné teploty varu (s délkou řetězce  teplota varu) Za atmosférického tlaku v rozsahu 50 – 360°C oddestilují plynné uhlovodíky (C1 – C4) benzíny (C5 – C11) petroleje (C12 – C15) nafta a LTO (C16 – C19) zbytek (mazut-TTO) Za  tlaku ve vakuu (teploty varu o 150C ) se získají mazací oleje vazelíny parafín tuhý zbytek (asfalt)

47 Petrochemické zpracování ropy
Používá se frakce surových benzínů (nafta): C16 – C19 Krakováním: zkracování (roztržení) uhlíkatého řetězce V přítomnosti vodní páry při C nebo katalytickou hydrogenací Vznikají alkeny (ethylen, propen, C4-frakce), aromáty (benzen, toluen, xylen), H2 a CH4 Konečné produkty: PE, PS, PES, PU, silon, butadien

48 Zemní plyn Současně s ropou a zpravidla ji doprovází
Tvořen směsí alkanů v dutinách pod tlakem MPa Hlavní složky: methan (80 – 99%) a ethan (až 10%) Využití: hlavně jako palivo, dále k výrobě vodíku, acetylenu a sazí Vlastnosti: vysoká výhřevnost, neobsahuje jedovatý CO jako svítiplyn Bez zápachu, nutno odorizovat: ethyl-merkaptan Dolní a horní meze výbušnosti: 4,3-15% Ekologické palivo: nejmenší emise CO2 při spalování

49 Průmyslové plyny Vznikají zplyňováním tuhých paliv (koks, antracit, černé uhlí) v generátorech Obsahují oxidy uhlíku, především CO Složení závisí na druhu tuhého paliva a složení plynu vháněného do generátoru Slouží jako paliva a jako suroviny pro výrobu amoniaku, methanolu, benzínu, plastických hmot

50 Přehled nejdůležitějších průmyslových plynů
druh plynu průměrné složení suchého plynu [obj. %] CO CO2 H2 N2 CH4 generátorový 25 4 < 1 70 vodní 40 5 50 smíšený 30 15 syntézní 3 < 2 vysokopecní 26 10 60 koksárenský 8 2 12 svítiplyn 6 29