Kémiai technológia I. (környezetmérnököknek)

Kémiai technológia I. (környezetmérnököknek)

3 kredit, heti két óra, egy félév Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

• A tárgy célja: az, hogy bemutassa a kémiai eljárások szerepét a technológiákban, a gazdaság működésében. Áttekintést ad azokról az ipari eljárásokról, amelyek kémiai alapokon működnek.

1

• • • • • • •

Témakörök: a vegyipar szerkezete és jellegzetességei, energiatermelés, vízkémia, szénhidrogénipar, építőanyagok előállítása, szerkezeti anyagok (fémek, műanyagok) előállítása, • műtrágyák

Könyvek 1. Energia felhasználói kézikönyv, szerk.: Barótfi István, Környezettechnika Szolgáltató Kft, Budapest, 1993 2. Handbook of Energy Systems Engineering, John Wiley and Sons, New York, 1985 3. Speigh, J. G.:Fuel Science and Technology Handbook, Marcel Dekker, New York, 1990 4. Büki Gergely: Energetika Műszaki Kiadó, 1997 5. Hancsók Jenő: Korszerű motor- és sugárhajtómű üzemanyagok I-II. Veszprémi egyetemi kiadó,1997,1999 6. Pátzay György Energiatermelés 1-8, elektronikus tankönyv, kankalin.vmt.bme.hu, 7. Vajta L., Szebényi I., Czencz M. Általános kémiai technológia, Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. 8. P. J. Chenier: Survey of industrial chemistry, VCH, N.Y. 1992. 9. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley, 200010. Réti, Tungler, Tőrös: Kémiai technológia elektronikus jegyzet 2007

2

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 dolgoznak Vezérlő változó a költség Nagyméretű berendezések Szervezés döntő szerepet játszik

3

A technológia fogalmát nehéz röviden és egyértelműen definiálni. A kifejezés a technika[1] és a logos[2] görög (τεχνολογια) szavak összevonásából származik. A tágabb értelmű technológia fogalma az anyagi javak előállításával foglalkozó szakemberek számára: eszközök, módszerek, eljárások szerves összessége, amelyek segítségével tudatos átalakítások révén nyers-,[3] és alapanyagokból[4] (segédanyagokból) energiaráfordítással, tényleges szükségletek kielégítésére alkalmas ipari termékeket vagy energiát állítunk elő. tágabb értelemben: bármely emberi tevékenységhez tartozó [1]technika: eszközök, eljárások, műfogások összessége, szűkebb értelemben: a termelőmunka eszközeinek és módszereinek összessége. gondolat, ész, tudomány. [2] logos: [3] nyersanyagok: a természetben előforduló és termelés céljára hasznosítható természeti erőforrások [4] alapanyagok: gyártási eljárások kiindulási anyagai, amelyek lehetnek más folyamatok végtermékei.

Know-how A technológia, arra vonatkozó gyakorlati tudás, hogy mit, hogyan kell elkészíteni, elvégezni. Ez termékekben, valamint eljárási hardverek és szoftverek formájában ölt testet. A technológiának, mint ismeret- vagy tudásbázisnak legfontosabb része a know-how („tudni azt, hogyan”), amely azoknak az ismereteknek, gyártási eljárásoknak pontos, reprodukció képes leírása, amelyek valamilyen műszaki problémának új, vagy újszerű megoldását adják. Ezáltal jelentős anyagi értéket képviselnek és áruként adhatók-vehetők. A know-how, innovációk eredményeként létrejött szellemi, nem megfogható (intangibilis) vagyon, vagyoni értékű jog, amely az alkalmazó vállalatok egyik legfontosabb erőforrása. Védelméhez mindenkor komoly érdeke fűződik a jogtulajdonosnak. Innen a technológiai ismeretek, információk bizalmas, védett jellege, szemben az általános, már közismertnek vagy általánosnak (generic) számító, egyéb műszaki közismeretekkel. High-tech Technológiai értelemben a legkorszerűbb tudományos és műszaki elveket és megoldásokat alkalmazó gyártási eljárás. Ezen ismereteknek különösen nagy a jelentősége a korszerű környezetkímélő eljárások és technológiák megvalósításában.

4

A technológiai életciklus törvénye Miként minden terméknek, úgy minden technológiai eljárásnak is megvan a maga jellegzetes életciklusa. A technológiai „életciklus S-görbe”, négy jellegzetes szakaszra bontható 1.szakasz: a teljesítőképesség lassan növekszik, mert a fejlesztők járatlan úton járnak.2.szakasz: a teljesítőképesség gyorsan javul, mert már „kritikus tömegű” tudás gyűlt össze.3.szakasz: a technológiai fejlődésnek lassulásával a gyorsaságnál fontosabbá válnak a költségek.4.szakasz: egyre kevesebb lehetőség nyílik radikálisan új termék kifejlesztésére, mert a technológia megközelíti a teljesítőképességének fizikai korlátait.

A költségparaméter, és csökkenésének törvénye Az ipari technológiáknak a gyakorlati tapasztalatok által bizonyított fejlődési törvényszerűsége, hogy az életciklus során a technológiai eljárások fejlesztésének és fejlődésének eredményeként a termelés önköltsége tendenciaszerűen csökken, úgy hogy tartósan egy minimumhoz közeledik. Függvény formában kifejezve: ahol:

Y = a + be cτ Y = átlagár az idő [év] függvényében; a= Y értéke az aszimptotikus minimumnál; τ = az idő [év]; b = pozitív konstans; c = negatív konstans; e = természetes alapú logaritmus alapja Minden technológiai eljárásnak megvan egy előállítási költség minimuma és egy elviselhető költségmaximuma. Ezt a maximumot a termék mindenkori irányadó főpiaci ára határozza meg. Normális körülmények között, nem tekinthető alkalmazhatónak az olyan ipari eljárás, amely bár műszaki és környezeti szempontból kifogástalan terméket ad, de az előállítás összköltsége tartósan az eladási ár felett van. [Rendkívüli körülmények átmenetileg felülírhatják ezt a szabályt.]

5

A léptékhatás törvénye Minden technológiai eljárás az első kísérlettől a megvalósításig, egy fejlődési pályát fut be. A kívánt mennyiségű és minőségű termék előállítását teljesíteni képes üzemi eljáráshoz csak többlépcsős, tudatos fejlesztő munka eredményeként lehet eljutni. Ennek fő állomásai (un. kulcs lépcsők): laboratóriumi kísérlet Ö kísérleti üzem Ö próbaüzem Ö nagyüzem. A technológiai berendezések fizikai méretének növelése, bizonyos határon túl, jelentős minőségi változásokkal jár. Ennek közérthető oka, hogy a térfogat a harmadik hatvány szerint, míg a felület a második hatvány szerint nő. Az optimális gyártási méret Az optimális méret vagy (gyártási kapacitás) az a méret, amely a fennálló műszaki gazdasági körülmények között leggazdaságosabban képes a terméket előállítani. Scale up factor A léptékhatás vagy méretváltoztatási tényező (scale up factor) jellemző érvényesülési területe, a technológiai méretnövelés következtében bekövetkező fajlagos beruházási költségváltozás. x B2 ⎛ K 2 ⎞ Az összefüggés egyszerűsített formája: ⎟⎟ = ⎜⎜ B1 ⎝ K 1 ⎠ ahol: B1 és B2: a kisebb, illetve a nagyobb üzem beruházási költsége, K1 és K2: a kisebb, illetve a nagyobb üzem kapacitása azonos mértékegységben (Kt/év; t/d, stb.) x: tapasztalati együttható, értéke 0,6-0,9 között változik

Az ipari termelőegységek felépítése Minden ipari üzem olyan rendszer, amely négyféle alapvető elemtípusból építhető fel. Az elemtípusok is funkciójuk és alkalmazásuk szerint két csoportba rendszerezhetők: I. A technológiai folyamatokban felhasználásra kerülő anyagok fizikai és kémiai átalakítását végző termelő vagy műveleti egységek: Allaktorok: a fizikai átalakításokat végző készülékek. (talajmarók, jövesztők, aprítógépek, szárítók, bepárlók, hűtők, mechanikai megmunkálásra szolgáló gépcsaládok) Reaktorok: a kémiai átalakításokat végző készülékek. (kohók, kémiai reaktorok, elektrolízáló kádak, hulladékégetők, kazánok .., stb. II. A technológiai folyamatokban a gyártás logisztikai kiszolgálást végző eszközök és berendezések: Szállítóeszközök: pályához kötött és pályához nem kötött anyag és energiamozgató berendezések (csőhálózatok, járművek, konvejorok, szállítószalagok, kompresszorok, ventillátorok, szivattyúk,..stb.) Tároló berendezések: a kiindulási, félkész- és végtermékek tárolására szolgáló eszközök. (tartályparkok, raktárak és berendezéseik, hányók …stb.)

6

A termelést kiszolgáló infrastrukturális alapszolgáltatások A négy legfontosabb alapszolgáltatás: víz (ivó-, technológiai- és hűtővíz), levegő (műszer és kompresszor), energiaszolgáltatás (gőz, villamos áram, földgáz fűtőolaj), informatikai infrastruktúra. A folyamatábrák Az alapanyagtól a végtermékig tartó gyártás/termelés folyamatát egyezményes, szabványosított jelképekkel és jelölésekkel lehet szimbolizálni. A technológiai folyamatok ezen rajzos formáját folyamatábrának nevezik. A folyamatábrák az adott gyártási eljárásban szereplő műveletek és folyamatok egymásutánját, egymáshoz való kapcsolódását szemléltetik. A műszaki gyakorlat megkülönbözteti az elvi-, és a technológiai folyamatábrázolást. A folyamatábra lehet: vázlatos (az eljárásnak csak a jellemző mozzanatait szimbolizálja) és részletes (technológiai folyamatábra).

A technológiai folyamatábra Tartalmazza az alkalmazott gépeket és készülékeket, - szofisztikáltabb formában akár lépték és szinthelyesen. Feltüntetésre kerül a műveleti egységek egymáshoz való kapcsolódási rendszere, az egységekbe be és kilépő valamennyi anyag, valamint a legfontosabb műszaki és mennyiségi adatok. A folyamatábra tartalmazza a főfolyamatot, továbbá az érthetőséghez szükséges mellékfolyamat(ok) kapcsolását. Párhuzamos berendezések a példányszám jelölésével, de csak egyszeresen kerülnek feltüntetésre. A technológiai folyamatábrák információt tartalmaznak: kvantitatívan, az alapanyagok, közbenső termékek, segédanyagok minőségéről és mennyiségéről, azaz a technológiai folyamat teljes anyagforgalmáról, továbbá az alapanyagok, közbenső termékek, segédanyagok fizikai és termodinamikai állapotáról, amely egyben magában foglalja a technológiai folyamat energiaforgalmát, az egyes műveleti folyamatok, fázisok sorrendjéről, továbbá a fő és mellékfolyamatok kapcsolatáról, az alkalmazott gépek és készülékek típusáról, számáról, fontosabb műszaki paramétereiről. A technológiai folyamatábra a legszorosabb kapcsolatban van a folyamatok anyag-, és energiaforgalmával, ezért az egyes eljárásokra jellemzően specifikus ismereteket hordoz.

7

A technológiai mérlegek Az anyag- és energiamérlegek mind a termelés hatékonysága, mind a környezetbe kibocsátott károsanyagok számbavétele szempontjából kiemelkedő fontosságúak. A technológiai folyamatábrák által jól reprezentálhatók a gyártási folyamat egyes, elkülönülő egységeihez tartozó input-output anyag-, energia-, mennyiségek vagy (folytonos üzemű egységeknél) áramok. A tömeg és energia (hő) megmaradási tételek érvényessége alapján a be-, és kilépő anyag-, energia mennyiségek (áramok) mérlegszerű összevetése fontos mérnöki információk levonására ad lehetőséget. A vizsgálat tárgyát képező technológiára több szempont szerint készíthetünk tömeg és/vagy energia mérlegeket. Tömegmérleg: integrális-differenciális Belépő tömeg+keletkezett tömeg-kilépő tömeg-fogyasztás=felhalmozódás Energiamérleg: integrális-differenciális

∆(U + PV)+ ∆Ek + ∆Ep = Q – W ahol U + PV = H (ent alpia)) (entalpia

Ek kinetikus energia Ep potenciális energia Q közölt hőmennyiség W végzett munka

Anyagmérleg folyó

Input

rendszerhatár

Tó

bomlás

felhalmozódás Input

szennyvíz

Output

4+5-4-3=2

8

A technológiai folyamatok hatékonyságnak mérőszámai A terméket gyártó/előállító technológiai folyamatok hatékonyságának megállapítására (nem csak gazdaságossági megfontolásokból) használatos termelés konverzió mérőszámok: A termelés (hozam, kihozatal, Yield): százalékban fejezi ki azt, hogy a gyártott termék [P] mennyisége hányad része a gyártásba bevitt nyersanyagból [R], elméletileg előállítható mennyiségnek. Amennyiben a kiindulási anyag(ok) csak részben alakulnak át a gyártási folyamat során, és azok a termék(ek)től elválasztva újra felhasználhatók, úgy a kitermelés számításánál a folyamatba bevitt kiindulási anyag és az át nem alakult [r] és elválasztott kiindulási anyag mennyiségének különbségét kell alapul venni. 1

R

r

P

P R-r

A konverzió (átalakulás): százalékban kifejezi azt, hogy a technológiai folyamatban egyszeri áthaladás során, a bevezetett anyag [R] hányadrésze alakul át bármilyen más anyaggá vagy anyagokká [P]. A konverzió jelentheti az összes vagy csak a hasznos konverziót.

A fenntartható fejlődés követelményei: a megújuló természeti erőforrások felhasználásának mértéke kisebb vagy megegyező legyen a természetes vagy irányított regenerálódó (megújuló) képességük mértékével; a kimerülő erőforrások ésszerű felhasználási üteme, ne haladja meg a megújulókkal való helyettesíthetőségének lehetőségét, [ezt a mindenkori

technológiai haladás határozza meg];

a hulladékok keletkezésének mértéke/üteme kisebb vagy megegyező legyen a környezet szennyezés befogadó képességének mértékével, amit a mindenkori környezet asszimilációs kapacitása határoz meg.

9

A környezeti megfelelés szempontból általános érvényű számszerűsítés nélkül az alábbi kritérium listát kell folyamatosan szem előtt tartani: a technológiai folyamatból emisszió[1] révén ne kerüljön ki olyan por, füst, köd vagy véggáz szennyezés (v. gáznemű gyártási melléktermékek), amely által létrejött imisszió[2] káros a bioszférára, a tüzelőberendezések minél jobban közelítsék meg a tökéletes elégést, a kibocsátott égéstermékek ne tartalmazzanak kormot, pernyét, és csak minimális SO2 és NOx –t. ne bocsássanak ki olyan szennyvizeket vagy folyékony melléktermékeket, hulladék anyagokat, melyek biológiai úton nem bonthatóak le, az eljárások szilárd melléktermékei (salak, meddő, kőzet, termelésközi hulladék, stb.) lehetőség szerint teljes körűen tovább feldolgozásra, hasznosításra kerüljenek. [1] emisszió: Környezetvédelemben az időegység alatt történő szennyező anyag kibocsátást emissziónak nevezzük [tömeg/időegység] [2] imisszió: Az ökoszisztémába bejutó emissziók hatására kialakult szennyezőanyag koncentrációt imissziónak nevezzük. [g/m3; ppm; ppb]. Az imisszió nem számítható az emissziók mechanikus összegzésével.

Az ipar fontosabb alágazatai, ahol kémiai technológiák működnek • • • • •

Papír és csomagolóanyag Vegyi anyagok Szénhidrogén és szénfeldolgozás Műanyag és gumi Szilikátok, építőanyag

10

Vegyianyagok fajtái • Szervetlen vegyületek, ipari gázok (NaOH, klór, kénsav, O2, N2, CO) • Műanyag monomerek (etilén, vinilklorid) • Gyógyszerek (acetilszalicilsav, penicillin) • Háztartási vegyszerek (szappan, mosószer) • Szinezékek (indigó) • Szerves vegyületek (metanol, ecetsav) • Mezőgazdasági kemikáliák (műtrágyák, gyomirtók) • Egyebek (robbanószerek)

Vegyipar 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

11

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

12

ENERGIATERMELÉS

MI AZ ENERGIA?

Az energia változásokat idéz elő. Hajtóerő, mely mozgatja a testeket, gyártási folyamatokat visz végbe, előidézi az élőlények növekedését, szaporodását, mozgását, az emberi gondolkodást. A tudósok szerint az energia MUNKAVÉGZŐ KÉPESSÉG. Az energiának különböző megjelenési formáival találkozunk, de általánosan két nagy csoportba osztható: POTENCIÁLIS és KINETIKUS ENERGIÁRA POTENCIÁLIS ENERGIA Ez tárolt energia forma és helyzeti, gravitációs energia. A potenciális energiának különböző formáit ismerjük: Kémiai energia Az atomok és molekulák kötéseiben tárolt energia. Ez az energia tartja össze a részecskéket. A biomassza, a kőolaj, a földgáz jó példái a tárolt kémiai energiának. Tárolt mechanikai energia Erők alkalmazásakor a tárgyakban tárolt energia. Az összenyomott rúgó, a kinyújtott gumiszalag jó példák a tárolt mechanikai energiára. Nukleáris energia Az atomok magjában tárolt energia, mely az atommagokat alkotó nukleonokat tartja össze. Ez az energia szabadul fel, ha atommagok kapcsolódnak, vagy hasadnak. A jelenleg üzemelő atomerőművekben az urán atommagjait hasítják (hasadási energia), a napban és a jövő fúziós erőműveiben a hidrogén izotópjai egyesülnek (fúziós energia). Gravitációs energia Ez a helyzeti, vagy pozíciós energia. A hegytetőn lévő szikla a hegylábához képest gravitációs energiával rendelkezik. A magasan fekvő duzzasztó gát mögött lévő víz jó példája a helyzeti, vagy gravitációs energiának.

13

KINETIKUS ENERGIA Ez a mozgási energia, a hullámok, elektronok, atomok, molekulák, anyagok és tárgyak mozgásából adódó energia. A kinetikus energiának különböző formáit ismerjük: Elektromos energia Az elektronok mozgásából adódó energia. Világunk anyagai atomokból épülnek föl. Az atomokat protonok, neutronok és elektronok alkotják. Erő hatására az elektronok mozognak. A vezetőkben mozgó elektronokat elektromos áramnak nevezzük. Az elektromos áram energiáját sok helyen, így többek között a világításban, fűtésben, mozgatásban használjuk föl. Sugárzási energia Ez elektromágneses energia, mely a transzverzális hullámokban terjed. Magában foglalja a látható fény, a röntgen sugárzás, a gamma sugárzás és a rádióhullámok tartományát. A napsugárzás a sugárzási energia jellemző példája. Termikus energia Más néven hőenergia, mely az anyag belső energiája és az anyagban lévő atomok és molekulák rezgési és mozgási energiáját jelenti. Mozgási energia Az anyag és a tárgyak mozgását jelenti egyik helyről a másik helyre. A tárgyak és anyagok mozognak, ha a newtoni törvények szerint erő hat rájuk. A szél jó példája a mozgási energiának. Hangenergia Az energia az anyagban longitudinális hullámokban (sűrűsödés és ritkulás) terjed. Hang keletkezik, ha erő hatására egy anyag vagy tárgy rezgésre kényszerül, a hangenergia az anyagban hullám formájában terjed.

Az energia SI mértékegysége 1 J. egyéb mértékegységei: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

cal (kalória)= 4.1868 J Btu (British thermal unit)= 1055.05 thermie= 4.184E6 J ft.lbf= 1.35582 J kJ= 1000 J LEh (lóerőóra)= 2.6845E6 J kWh= 3.6E6 J MWh= 3.6E9 J eV (elektron volt)= 0.16021E-18 J erg= 1E-7 J

1 kcal= 4186.8 J J 1 MJ= 1E6 J

1 Quad=1015 BTU

14

ENERGIA MEGMARADÁS, HATÉKONYSÁG Energia nem hozható létre és nem semmisíthető meg. A hasznosítható energia az a felhasználható energia mennyiség, melyet egy rendszerből ki lehet nyerni. Az energia egyik formájának másik formába történő átalakításakor veszteségek lépnek föl. ENERGIAFORRÁSOK Két csoportba sorolhatók: MEGÚJULÓ és NEM-MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK. A nem-megújuló energiaforrások: szén, a kőolaj, a földgáz, az urán. Jelenleg az emberiség energiaellátásában döntő a szerepük. A megújuló energiaforrások: a biomassza, a geotermális energia, a vizenergia, a napenergia és a szélenergia. Döntően villamos energia előállítására alkalmazzák.

A VILÁG ENERGIAFOGYASZTÁSÁNAK FORRÁSAI 2000-BEN

A villamos energia különbözik a többi energiaforrástól, mert MÁSODLAGOS ENERGIAFORRÁS. A másodlagos energiaforrás létrehozásához más ELSŐDLEGES ENERGIAFORRÁS felhasználása szükséges.

Fosszilis tüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj és földgázkincs; tehát az éghető tüzelőanyagok. Fissziós üzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapuló atomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán). Fúziós üzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járó energiaátalakítás energiahordozói (pl. deutérium, trícium). Technikai rendszerek az energetikában

1. Energetikai paramétermódosító rendszerek 2. Energiaváltoztató rendszerek 3. Energiaszállító rendszerek 4. Energiatároló rendszerek 5. Az energetika állapottartó rendszerei 6. Az energetika output-tartó rendszerei ENERGIAHORDOZÓK -Ásványi energiahordozók Energiatartalom (MJ/kg) Mid 21st Century

Wood

Animal Biomass Coal Oil Natural Gas Nuclear Hydrogen

Late 20th Century Early 20th Century Mid 19th Century 15th Century

Coal Crude Oil Kerosene Ethanol Methanol Methane Natural Gas Gasoline Hydrogen

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0

20

40

60

80

100

120

140

15

ENERGIAFORMÁK ÁTALAKÍTÁSA Energia átalakítás Elektromos melegítő

hatásfok (%) 100

Elektromos generátor

95

Elektromotor nagy (kicsi)

90 (65)

Akkumulátor

90

Gőzkazán

85

Házi gáz (olaj,szén) kályha

85(65,55)

Gőzturbina (gázturbina)

45(30)

Gépjármű motor

25

Fluoreszcens lámpa

20

Szilícium napcella

15

Gőzmozdony

10

Izzólámpa

5

(elektromos/termikus)

(mechanikus/elektromos) (elektromos/mechanikus) (kémiai/elektromos) (kémiai/hő) (kémiai/hő)

(kémiai/mechanikai) (kémiai/mechanikai) (elektromos/fény) (nap/elektromos)

(kémiai/mechanikai) (elektromos/fény)

16

Energiaátalakító technológiák területigénye Technológia 1000 MWe területigénye •Nukleáris •Szén •Víz •Napelem •Szén •Biomassza •Geotermikus •Gáz turbina/tüzelőanyag cella

•8,8 km2 •18,13-32,26 km2 •72,5 km2 •103,6 km2 •259 km2 •2590 km2 •7,8 km2 •Esettől függ

Energiaátalakító technológiák hatásfokai Biomassza

1

Geotermikus

8

Napelem

10

Szélerőmű

25

Nukleáris

33

Gáz turbina

38

Széntüzelésű erőmű

43

Tüzelőanyag cella

50

Gáz-kombinált ciklus

58

Hibrid tüzelőanyag cella

66

Vízerőmű

80 0

20

40

60

80

100

17

Energiagazdálkodás • Energiaszükségletek és rendelkezésre álló energia fajták felmérése • Termelés és szükséglet összehangolás • Leggazdaságosabb energiaátalakítási módszerek meghatározása • Környezeti hatás csökkentése (Üvegházhatású gázok!)

Fosszilis energiahordozók • • • • •

Szén Kőolaj Földgáz Fa Magyarországon a szénhidrogének felhasználási aránya kb. 70%

• Hatásfok: • Elektromos energia kőszénből 35-40% • Elektromos energia + gőz kőszénből ellennyomású erőműben 72% • Gőzgép 11% • Diesel motor 30% • Háztartási fűtés olajkazánban 66%

18

SZÉN A növényi anyagok szénné alakulásának két fő szakasza van. a/ A lerakódás és az ezzel kapcsolatos felszíni átalakulás, eredménye a tőzeg. b/ A nagy nyomás és hőmérséklet hatására a földkéregben létrejövő metamorfózis, a

szénülés.

A szénülés során a tőzeg fokozatosan átalakul, s lignit, barnaszén, feketeszén majd antracit keletkezik. A széntartalom és a kémiailag kötött energia változását a szénülés foka szerint a következő táblázat mutatja.

tőzeg lignit barnaszén feketeszén antracit

C [%]

Q[MJ/kg]

55-65 60-65 65-80 80-93 93-98

6,3-7,5 7,0-8,4 5,4-24 24-32 35-37,5

A szénülés során csökken a hidrogén és oxigéntartalom, amely a növényeknél 6, illetve 44 % körüli érték volt, az antracitnál nem éri el a 2, illetve 4 %-ot. Az ásványi szenek a karbon és hidrogén mellett más éghető és nem éghető anyagokat is tartalmaznak. Az éghető gázok (ún. illóanyagok) égéskor elégnek és eltávoznak, az éghetetlen szilárd anyag a hamu visszamarad. A magyarországi szenek leggyakoribb hamualkotói: a kovasav (SiO2), az alumíniumoxid (Al2O3), a vasoxid (Fe2O3), a foszforpentoxid (P2O5) és a kalciumoxid (CaO). A szén tüzeléstechnikai értéke annál nagyobb minél kisebb a nedvesség- és hamutartalma. A szén durva nedvességtartalma a hótól vagy a mosóműből kerül a szénbe, a higroszkopikus nedvességtartalmat pedig a szénfelület abszorbeálja, s a szénben lévő kapillárisok tárolják. A szénben három féle hamu van. a/ Primer hamu: olyan ásványi anyag, mely még szén ősét jelentő fában is megtalálható volt. Csak különleges eljárásokkal távolítható el. b/ Szekunder hamu: a szénülés folyamatában a geológiai rétegmozgások következtében keveredett a szénnel. Eltávolítása az ún. flotálás, mely során a flotálómedencében a szén és a meddő fajsúlykülönbségét használják fel a szétválasztásra. c/ Tercier hamu: a bányászati folyamat során a szénbe kerülő meddő. Eltávolítása egyszerű, ez az ún. szénmosás. Szénkitermelés: felszíni és mélyművelésú bányákban

19

KŐOLAJ

Szénhidrogének

A kőolaj szerves, főleg állati eredetű maradványok átalakulási terméke. A kőolaj tömeg %-ban adott összetételét a következő táblázat mutatja A kőolaj összetétele C 80-88% H 10-14% S <5% O <7% N <1,7% Hamu <0,03% A kőolaj fűtőértéke: 33-40 MJ/kg. A szénhidrogének csoportjai: paraffinok (normál- ill. izo-paraffinok), cikloalkánok(naftének), aromások. Olefinek, acetilének~0.

FÖLDGÁZ A természetben található gáznemű tüzelőanyag, szénhidrogénekből áll. A kőolajelőfordulásnak rendszerint kisérője. Legértékesebbek azok a földgázok, melyek sok metánt tartalmaznak, de kisebb-nagyobb mennyiségben etán, propán, bután, pentán stb. is található a metán mellett. Az olyan földgázt, ami túlnyomó részt metánból áll és csak igen kevés C2-C6 – szénhidrogént tartalmaz, „száraz” földgáznak is nevezik. Az olajjal együtt feltörő földgázok rendszerint ún. „nedves” földgázok, ezek számottevő mennyiségben tartalmaznak C2-C6 szénhidrogéneket.

CH4 26-99%, C2H6 0,1-9,5%, CnH2n+2 <16%, N2 <38%, H2S <15% (CO2 0-75%). Energiahordozók kiaknázása

20

Energiatermelés kémiai technológiái Kémiai energia

CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O

Hőenergia

Égéshő: 5,55*104 kJ/kg Fűtőérték: 4,99*104 kJ/kg

Atomenergia Hőenergia

235

92U + n →

236

92U* →

90

36Kr* +

143

56Ba*

+ 3n

Atommag hasadással termelődő energia 8,21*1010 kJ / kg

235U

Kémiai energia-ÆhőenergiaÆmechanikai energiaÆvillamos energia AtomenergiaÆhőenergiaÆmechanikai energiaÆvillamos energia

Tüzeléstechnika • Égéshő kJ/kg •

• Fűtőérték kJ/kg

• • • • • •

33808*C% + 144184*(H% - 1/8 O%) + 10460*S% 100

F= É – R

R=

2510 (9*H% + nedv.%)

100

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.

21

Levegő hozzávezetés, égéstermék elvezetés, veszteségek, robbanó elegyek

• • •

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 tüzelőanyaglevegő elegy koncentrációja.

Szilárd, cseppfolyós (tömeg%) és gáz (tf%) halmazállapotú tüzelőanyagok összetétele Hamu Kőszén (antracit) Kőszén (gázkőszén) Koksz Barnaszén (nyers) Benzin Tüzelőolaj (könnyű) Tüzelőolaj (nehéz)

Víz

C

H

S

O

N

Égéshő (kJ/kg)

4

1

85,4

3,8

1,2

2,3

2,3

33390

3,7

3,5

77,3

5

1

8,5

1

30000

9 2,7

1,8 59,3

84 23

0,8 1,9

1 1,6

1,7 6

1,7 6,1

29310 8000

-

0,1

85,6 85,5

14,35 13,5

0,05 0,9

-

-

43 500 42600

1

0,5

84

11,7

2,8

-

-

40 500

Földgáz Hidrogén Szénmonoxid Metán Földgáz (holland, orosz) Kokszoló gáz Kohó (torok) gáz

CH4

H2 100

100 80,9 25 0,3

CO

CO2

N2

C2H6 (stb.)

100

-

-

55 2

6 30

0,8

14,4

3,9

2 8

10 59,7

2 -

Égéshő (kJ/kg) 10 760 12640 35 795 32 000 17375 3975

22

Tüzeléstechnikai számítások Az égési folyamatok mennyiségi leírása a technikai tüzelôrendszerekben rendkívül nehéz. Így csak rendkívül leegyszerűsített folyamatokat vesznek figyelembe. Ezen egyszerűsített modell sémája:

A három legfontosabb elemi komponens (C, H, S) égési reakciói elméleti, sztöchiometrikus esetben:

Elméleti levegôszükséglet (Lo, Nm3levegő/kg tüzelőanyag) A tüzelôanyag elemi összetételének (szén-, hidrogén- és általában kéntartalmának) ismeretében, az égési reakciók alapján kiszámítható 1kg tömegű tüzelôanyag tökéletes elégetéséhez szükséges oxigén, ill. ezen keresztül a szükséges levegô mennyisége.

L0 = 8,876 ⋅ X C + 26,678 ⋅ X H + 3,32 ⋅ X S

C 12kg 1kg

+

79 79 CO2 + N2 ) ⇒ N2 21 21 79 79 22,41Nm 3 ( ⋅ 22,41Nm 3 ) ⇒ 22,41Nm 3 ⋅ 22,41Nm 3 21 21 22,41Nm 3 79 22,41Nm 3 22,41Nm 3 79 22,41Nm 3 ( ⋅ )⇒ ⋅ 12 21 12 12 21 12 O2 (

Elméleti (száraz és nedves) füstgáz-mennyiség (V0sz, V0n, Nm3 füstgáz/kg tüzelőanyag) Az elméleti száraz füstgáz CO2-t, SO2-t és N2-t tartalmaz, míg a nedves füstgázban a vízgôz is benne van. V0sz = 8,876 ⋅ X C + 21,07 ⋅ X H + 3,32 ⋅ X S V0n = 8,876 ⋅ X C + 32,0 ⋅ X H + 3,32 ⋅ X S

Légfeleslegtényezô (n)

n=

L L0

A tüzelôanyag tökéletes elégetéséhez az elméletinél nagyobb mennyiségű levegôt kell felhasználni. A többletlevegôt légfeleslegtényezôvel (n) fejezzük ki, amely megadja, hogy a ténylegesen felhasznált levegô (L) hányszorosa az elméleti levegôszükségletnek (Lo).

23

A felesleges levegô változás nélkül halad át a tüzelôszerkezeten, a tűztér hőmérséklete nem túl magas. (Ellenkező esetben a levegő nitrogénje részben nitrogén-oxidokká alakul!). A légfelesleg tényezôt gyakorlatilag a füstgáz elemzési adataiból (O2 és CO2 tartalmából) tudjuk kiszámítani.

A száraz füstgázok O2-tartalmából legegyszerűbben:

számíthatjuk. A száraz füstgázok CO2-tartalmából pedig:

n=

21 21-O 2 mér t

⎡V sz O 2 mŽrt ⎤ n = 1+ ⎢ 0 ⋅ ⎥ ⎢⎣ L0 21 − O 2 mŽrt ⎥⎦

Ez utóbbi képletek használatához az elméleti levegôszükséglet (Lo) és a keletkezô száraz füstgáz térfogat (Vosz) értékén kívül ismerni kell a füstgázok maximális CO2 tartalmát is (CO2max).

CO2 max

kg szén 22,41 Nm 3CO2 ⋅C kg tüz. anyag 12 kg szén = Nm 3 füstgáz V0sz kg tüz. anyag

A tüzelés során képzôdött valódi füstgáz mennyiségek a légfeleslegtényezô és az elméleti levegô- és füstgázmennyiség ismeretében kiszámíthatók:

V sz = V0sz + (n − 1) ⋅ L0 V n = V0n + (n − 1) ⋅ L0

Égési folyamatokat befolyásoló paraméterek Biztosítani kell: • elegendôen nagy levegômennyiség • elegendôen magas oxigéntartalmú levegô • megfelelôen kiakakított tűztér • füstgázok elvezetése • gyulladási hômérséklet az égés beindításához • elegendôen nagy égési reakciósebességek Tüzelés során háromféle lehetséges üzemmód fordul elô: a léghiányos tüzelés, az elméleti értékek mellett végzett tüzelés és a légfelesleges tüzelés. Fontos tüzeléstechnikai jellemzô az égési hômérséklet.

24

. Tüzelőanyag

Tüzelőanyagok elméleti és gyakorlati tűztéri hőmérsékletei Fűtőérték (kJ/kg)

Elméleti tűztéri hőm. (0C)

Gyakorlati tűztéri hőm. ( 0C)

Kőszén

30000

2300

1200...1500

Barnaszén(száraz)

20000

1500

1000...1200

Tüzelőolaj

40000

2000

1200...1500

Földgáz

36000

2000

1200...1600

Tüzelőszerkezetek • • • •

A 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

Tüzelőberendezések SZÉNTÜZELÉS Vándorrostélyú tüzelőszerkezetben a rostély végtelen láncot képez, melyet két lánckerék mozgat. A lánc végéről a salak folyamatosan távolítható el. A tűztérbe kerülő szén fokozatosan felmelegszik, kokszolódik és végül elég.

25

Cirkulációs (instacionér) fluidizációs tüzelés

26

Porszéntüzelésű hőerőmű

TISZTA SZÉNALAPÚ ENERGIATERMELŐ TECHNOLÓGIÁK (CCT) Az integrált elgázosító kombinált ciklusú széntüzelés (IGCC) újtípusú széntüzelésnél a szenet oxigénnel és vízgőzzel reagáltatják és döntően szén-monoxidból és hidrogénből álló fűtőgáz keletkezik. Ezt a gázt megfelelő tisztítás után gázturbinában elégetik. A fejlődött hő jelentős részét gőzfejlesztésre használják, mely további elektromos energiát fejleszt. Az IGCC erőművek magas hatásfokkal rendelkeznek még rosszabb minőségű szenek esetén is. Jelenleg néhány kísérleti erőmű üzemel az EU országaiban, az USA-ban és Japánban. Karbonát ciklus a CO2 megkötésére

27

füstgáz tisztító

elgázosító

IGCC IGCC

gázégő

szén gázturbina elektromosság

salak

generátor gőz injektálás

Emisszió ellenőrzés

elektromosság gőzturnina

gőzfejlesztő generátor kondenzátor

tápvíz szivattyú

IGCC

Égetés után, égetés előtt és CO2 recirkulációval

BoABrown coal power plant with Optimized plant engineering ALPC-

Advanced Lignite Pulverized Coal

Széntüzeléseknél a CO2 megkötés lehetőségei és költségei

28

OLAJTÜZELÉS

A tüzelôolajokat betűk és számok kombinációjával nevezik el. Így pl a TH 5/20 háztartási tüzelôolajat jelöl, mely 5 0C -on még szivattyúzható és 20 0C -on még porlasztható.

GÁZTÜZELÉS

GB-GANZ gázégők választéka

29

A nukleáris energiatermelés elvi alapjai

Ahogy nő a nukleonok száma elérjük a vas környékén a kötési energia maximumát. A nagyobb tömegű magok kevésbé stabilak. Ezért egyaránt energia nyerhető a kis magok egyesüléséből fúziójából és a nagy magok hasadásából. Ezért jellemző az alfa-bomlás a nehéz magok esetén. Így energia nyerhető kétféleképpen: Maghasadással: atomok elhasadása--> ez történik a hasadási atomreaktorokban. •energia nyerhető, ha nagy a mag •minél kisebb a végtermék mag, annál stabilabb

A NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS: MAGHASADÁS LÁNCREAKCIÓ

Kritikus reakció:amikor éppen elegendő hasadás történik ahhoz, hogy a láncreakció fönnmaradjon. Ez a nukleáris energiatermelés alapja. Szuperkritikus reakció: Amikor a láncreakcióban hasítóképes neutronfelesleg keletkezik és nő a hasadás sebessége. Ez történik az atombombákban. KRITIKUS TÖMEG: a hasadóanyag legkisebb tömege, mely fenntartja a láncreakciót. Ez 235U esetében 56 kg.

30

HASADÁSI ENERGIA A hasadási reaktorok zömében jelenleg az 235U az alkalmazott hasadóanyag. Egy lehetséges hasadási reakció: 1n + 235U -->92Kr + 141Ba + 3 1n + energia vagy

Egy urán atom elhasadásakor kb. 200 MeV energia szabadul föl. 100 g 235U elhasadása 8,21 .1012 J=1785 tonna TNT energiájának megfelelő energiát képvisel.

HASADÓANYAGOK Mag

232Th

233U

234U

235U

236U

Átmeneti mag

233Th

234Th

235U

236U

237U

Neutron energia (MeV)

1,3

T

0,4

T

0,8

238U

239U

1,2

237Np

239Pu

240Pu

238Np

240Pu

241Pu

0,4

t

>0

31

ERŐMŰREAKTOROK TERMIKUS VÍZHŰTÉSŰ

GYORS GÁZHŰTÉSŰ NAGY HŐMÉRSÉKLETŰ (HTR)

KÖNNYŰVIZES FORRALÓVIZES (BWR, RBMK)

NYOMOTTVIZES (PWR, VVER)

NEHÉZVIZES (CANDU)

Paksi atomerőmű 4 db 440 MWe VVER-440/213, 1 fűtőelem l=2,4 m, 99%Zr 1%Nb 1 kötegben 126 db fűtőelemrúd van, az aktív zónában 312 db köteg (42 t UO2 3,5% 235U)

32

A reaktor részei

A nyomottvizes atomerőmű (PWR)

TMI PWR (USA)

Source: U.S. Nuclear Regulatory Commission

A VVER-440/213 nyomottvizes reaktor

1 Reaktor tartály 2 gőzfejlesztő 3 fűtőelem töltő 4 kiégett fűtőelem tároló medence 5 elnyelető torony

6 tápvíz előkezelés 7 védőburkolat 8 elnyelető torony

9 permetező rendszer 10 ellenőrző csatorna 11 levegő beszívás

12 tubina

13 kondenzátor 14 turbina blokk 15 tápvíz tartály 16 előhevítő 17 turbina csarnok daru 18 elektromos berendezések, vezérlések

33

Nukleáris üzemanyagciklusok

Egyszeri felhasználású nukleáris üzemanyagciklus

Zárt nukleáris üzemanyagciklus

34

35

1 GW.év elektromos energia termeléséhez tartozó hasadóanyag felhasználások

Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények. Az energiaforrás szerint: •Hőerőművek •Vizerőművek •Szélerőművek •Egyéb erőművek

36

Hőerőgép. . . Expandálás

A NK MU

Hevítés

HŐ

Kazán

Kondenzátor

HŐ

Hűtés

Turbina

Szivattyú Komprimálás Domain

A termelt vagy szolgáltatott energia szerint: Tisztán villamos energiát szolgáltató Villamos energiát és hőenergiát szolgáltató erőművek Az erőművek kihasználása szerint: Alaperőművek, egész évben egyenletesen termel, jól kihasználja a kapacitását Menetrendtartó erőművek, igények alapján előre megszabott menetrend szerint Csúcserőművek, csak a terhelési csúcsok idején szolgáltat energiát

Kondenzációs erőmű

Ellennyomásos erőmű

37

Elvételes kondenzációs erőmű

Egyszerű vízgőzős Rankin-Clausius körfolymat

Carnot hatásfok:

η=

Th − Tl Th

A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban

38

A Rankine-Clausius körfolyamat Kazán

Gőzturbina

(túlhevítővel)

Villamos generátor

4 3 2 5

1

Kondenzátor

6 Szivattyú

A Rankine-Clausius körfolyamat 3 2

T(K)

4

1

4

5

6

3

24 3 2 1

1

5 6

5

1-2 Folyadékhevítés

2-3 Elgőzölgés

3-4 Túlhevítés

4-5 Expanzió

5-6 Kondenzáció

6-1 Szivattyúzás

6

s (J/kg·K)

39

18/b. ábra Az egyszerű ideális túlhevített vízgőzös Rankin-ciklus © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998

Hatások javítási lehetőségek

40

Kapcsolt energiatermelés (kogeneráció) kapcsolt energiatermelés

Ideális kapcsolt energiatermelés

villamos energia, 20

tüzelő anyag

hőenergia 65

külön hő- és villamosenergia termelés villamos energia, 20

tüzelőanyag 55

veszteség 35

100

veszteség 10

veszteség 15

Tüzelőhő megtakarítás: 55 + 75 – 100 = 30

tüzelőanyag 75

hőenergia 65

Magyarországi erőművek villamosenergia értékesítési átlagárai 2001 Erőmű

tüzelőanyag

ár (Ft/kWh)

Dunamenti

olaj, gáz

13,0

Mátrai

lignit

12,0

Tiszai

olaj, gáz

12,0

Borsodi

szén

19,0

Bakonyi

szén

31,0

Vértesi

szén

15,0

Pécsi

szén

17,0

Budapesti

gáz

13,0

Paksi

nukleáris

6,40

Csepeli

gáz

14,0

Debreceni

gáz

12,0

41

MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK Felosztás: 1. Eltüzelhető megújulók és hulladékok (CRW). -Szilárd biomasszák és állati termékek. Ilyen a fa, fahulladék, rost-hulladék, állati hulladékok és más szilárd biomasszák. A biomasszából készült faszén is ide tartozik. -A biomasszából keletkező folyékony és gáznemű energiahordozó anyagok. Ide tartozik a biogáz. -Háztartási hulladékok. Lakossági és kórházi hulladékok. -Ipari hulladékok. Szilárd és folyékony hulladékok, pl. autógumik. 2. Vízenergia A víz potenciális és kinetikus energiáját elektromos energiává alakítják a vizierőművekben. 3. Geotermális energia A föld hőjét gőz és/vagy melegvíz formájában hasznosítják közvetlen fűtésre, vagy elektromos energia előállítására. 4. Napenergia A napenergiát forró víz előállítására vagy elektromos energia előállítására alkalmazzák. 5. Szélenergia A szél kinetikus energiáját szélmotorokban elektromos energiává alakítják. 6. Árapály, hullám, óceán energia Mechanikai energiát elektromos energiává alakítanak.

Megújuló energiaforrások - Energia jövőkép 2050

•

•

•

•

A fosszilis energiahordozók a közeljövőben kimerülnek, vagy alkalmazásuk kérdésessé válik. A világ fosszilis energia termelése a következő évtizedekben csökkenni fog. Megnő a megújuló energiaforrások szerepe, megváltoznak a társadalmi szokások Az energiakrízis előtt szükséges az energiaforrások váltása

CRW- éghető megújulő és hulladék

42

Napenergia • • •

A napból jövő sugárzási energia (1372 W/m2) átjut az atmoszférán és a felszínt átlagosan 345 W/m2 (Magyarországon ~170 W/m2). A levegő, a felhők, a pára csökkentik a felszínre jutó energiát. Az energia kinyerhető a sugárzás hőenergiájaként és a foto-elektromos cellák révén előállított elektromos energia formájában

Integrált kombinált ciklusú naperőmű vázlata

43

Napenergia: fotoelektromos hatás •

•

• •

A fényelektromos cellák a sugárzó energia ~15%-át képesek elektromos energiává alakítani (az elméleti érték ~ 21%). Kisfeszültségű egyenáram keletkezik, cellánként ~0,55 Volt feszültségen; a telepeket összekapcsolják ~16 V eléréséig, hogy a 12 V-os akkumulátorokat tölteni tudják. A cellasorokat rögzített vagy a nap mozgását követő elrendezésben. alkalmazhatják. Az elektromos energiát tárolni kell, hacsak nem alakítják át a megfelelő feszültségű váltóárammá.

A fényelektromos cellák (PV) árai estek, de még mindig drágák az erőműipar számára

Megújuló energiák Németországban 1990-2006

44

Napenergia fotovoltaikus alkalmazása Németországban 1990-2006

Napenergia napkollektoros alkalmazása Németországban 1990-2006

45

Szélenergia • • •

Az atmoszféra hőmérsékleti egyenlőtlenségeiből származik A szélenergia tartalékok világszerte ingadoznak A kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos

Ref.: www.freefoto.com/pictures/general/ windfarm/index.asp?i=2

A szélenergia a tengerpartokon, síkságokon használható fel elsősorban •

•

•

Pl. Florida partjainál 2-es szélfokozat esetén (160-240 W/m2) --- az energia kevés erőművi célra, de a vizsgálatokhoz megfelelő. A Sziklás-hegységben a nagyközepes szélsebesség (3001000 W/m2) alkalmas erőművi célokra. Minden földrajzi területnek meg van a széltérképe, mely alapján eldönthető a szélenergia alkalmazhatósága.

46

Szélerőművek fejlődése

Szélenergia Németországban 1990-2006

47

Bioenergia (Biomassza) •

A biomassza direkt tüzelése, más tüzelőanyaggal együtt tüzelése és elgázosítása a biomassza-energiatermelés alapja.

•

Etanol készíthető gabonából, vagy szójából, metanol pedig cellulózból állítható elő.

•

A folyékony tüzelőanyagok nagy energiasűrűségük révén a szállító járművek hajtóanyagai.

•

Tudatosan erre a célra termeszthetik (pl. nyárfák) vagy éghető hulladékot alkalmaznak

•

A biomassza részben kiválthatja a fosszilis energiahordozókat, bár nem túl hatékony energiaforrás

48

Bioüzemanyagok Németországban 1996-2006

ÜZEMANYAGCELLÁK

49

Vízenergia •

•

• • •

Az óceánok és más felszíni vizek vize a nap sugárzásának hatására részben elpárolognak, majd csapadékkén visszahullnak a föld felszínére és részben megnövekedett potenciális energiára tesz szert. A felszíni vizek ezen potenciális energiáját régóta használják munkavégzésre és elektromos energia előállítására A vizerőművek jelentős része az 1930as években épült, de azóta többet megszüntettek Megépítés után alacsony költségek mellet termelik az elektromos energiát A világ legnagyobb vízerőművei (Bratszk, Krasznojarszk, Quebeq) 5-6 GW nagyságrendűek.

Vízenergia

Bánki turbina

www.srh.noaa.gov/tlh/cpm/ chattahoochee.html

50

Vízerőművek Vízerőművek Nagy vízerőmű: néhány MW-tól >10 GW-ig

Kis vízerőmű: 10 MW alatt, ezen belül: Kis vízerőmű : 2 MW-10 MW Mini-vízerőmű : 0,2 MW-2 MW Mikro-vízerőmű : <0,2 MW Költség:

nagy vízerőmű: ~ 2c€/kWh kis vízerőmű: ~ 4c€/kWh

Árapályerőmű (la Rance, 240 MW) 5-10c€/kWh. Hullámveréses erőmű (1W/m2, 50 KW/m) ~ 8c€/kWh Az óceánok hőenergiája (nagyon költséges, de 100szoros az energiája, mint a hullámverési energia

Geoterm ális energ ia Geotermális energia Eredet: radioaktivitás 235U

(18 J/g/y),

40K

vagy Th (0,8 J/g/y), ….

• 0,06 W/m2 azaz 3500-szor kisebb, mint a napsugárzás fluxusa • Geotermális gradiens = 3,3°C/100m

• vannak kedvezőbb területek is

• Kisentalpiás fluidumok (30°C-100°C) ⇒ hőhasznosítás • Közepes- és nagyentalpiás fluidumok ⇒ villamos energia termelés

•CO2,CH4,N2,H2S, vízkő(CaCO3) korrózió

51

Geotermális Energia

• •

•

•

Az első geotermális erőmű Olaszországban épült 1903-ban A kaliforniai The Geysers gejzírei gőzt és melegvizet szolgáltatnak, az erőmű teljesítménye 824 MWe. A “Hot, dry rock” (HDR) (forrósziklás) típusú geotermális erőművek a sziklákba préselt vízből keletkezett gőzt hasznosítják. Kisebb hőmérsékletek esetén egy légkondicionáló hőt von ki a talajból télen és ad le a talajnak nyáron.

Geotermális erőműtípusok

Száraz-gőzös erőmű

Elpárologtatós (flash)erőmű

Bináris ciklusú erőmű

52

•A világon 2000-ben 21 országban 8500 MW erőművi kapacitás mellett 71 TWe villamos energiát állítottak elő geotermikus erőművekben és 60 millió ember érintett a geotermikus energiatermeléssel és közvetlen hasznosítással kapcsolatban.

Költségek (2000) Energiatermelési fajlagos költségek ECU/MWh Geotermikus energia Biomassza energia Napenergia Tüzelőolaj Földgáz

5-20 48-60 48-360 14 9

1993 Costs of Electricity at Power Plant (cents/kW h) Fuel Operating Maintenance Total 1.531 0.172 0.262 1.967 Coal 2.833 0.236 0.332 3.402 Gas 2.609 0.347 0.451 3.408 Oil 0.602 0.962 0.587 2.152 Nuclear

Coal ($/ton) Oil ($/barrel) Natural Gas ($/Mcf)

2000 17.18 28.35 3.83

2005 16.56 28.65 2.91

2010 15.14 32.51 3.34

2015 14.77 32.95 3.51

2020 14.57 33.02 3.67

2025 14.59 33.05 3.92

2000-2025 -15.08% 16.58% 2.35%

53

Elektromos energia termelési költségek Technológia

beruházási költség ($/kWe)

fajlagos beruházási költség (cent/kWh)

Nem-üza O&M költségek (cent/kWh)

kapacitási faktor (%)

összes fajlagos költség (cent/kWh)

gázturbina

329

0.4

1.1

85

6.0

kombinált ciklus

480

0.6

2.1

85

5.9

biomassza

2,630

3.3

1.1

80

8.4

geotermikus

1,765

2.7

1.1

80

3.8

Nap-termikus

3,064

9.5

1.3

42

10.8

Napelektromos

4,283

19.2

0.4

28

19.6

778

3.1

0.9

31

4.0

Szél

Erőművek teljes életciklusára vonatkoztatott költségek (US cent/kWh) (nukleáris és szabályozási probléma mentes esetre)

54

Energiatermelés és a környezet

Mike Corradini, UW

Széndioxid emissziók

Beruházás/Üzemelés/Tüzelőanyag előkészítés (kg CO2 / kWh) 1.18

0.2

0.004

0.02

0.025

0.06

0.58

Napelem

Nukleáris

0.4

Szél

0.6

Geotermális

0.8

0.38

0.79

Biomassza/ gőz

1

1.04

Szén

Földgáz

1.2

Víz

CO2 Emissziók (kg CO 2 /kWh)

1.4

0.1

0

55

Villamosenergia költség (Globális átlagos) (¢/kWh)

5 0

2

3

8

7

5

5 2

14

6

19

17

50-75

Solar-PV

4

Wind

4

10

Hydro

10

Gas

15

Coal

20

Geothermal

Biomass

25

Solar Thermal

30

Nuclear

Cost of Electricity (cents/kWh)

35

12

2

Áramtermelő technológiák fajlagos emissziói

56

57

Fajlagos hulladékképződés az energiatermelésben

A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) ENERGIAHORDOZÓK SZERINT (Mtoe)

** geo, nap, szél, hő stb.

58

A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) RÉGIÓK SZERINT (Mtoe)

** Kína nélkül

59

Széntermelők, exportálók, importálók 2006

Kőolajtermelők, exportálók, importálók 2005-2006

60

Földgáztermelők, exportálók, importálók 2006

NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS A VILÁGON 2005

61

VIZENERGIA TERMELÉS A VILÁGON 2005

Villamosenergia termelés tüzelőanyag szerint 2005

62

Reális és nominális kőolajárak

63

Magyarország energiagazdálkodása A magyarországi energiatermelés hőerőművekre és atomerőművekre épül első sorban. A magyarországi termelés összetétele azt mutatja, hogy hazánkban jelentős a fosszilis (szén és szénhidrogének) felhasználása. A hazai villamosenergia-termelő erőművek közül a Paksi Atomerőmű 14 TWh energiát termel évente. 1 TWh évi termelés felett van még a fosszilis energiát felhasználó Dunamenti Hőerőmű (6 TWh), a Mátrai Hőerőmű (4,1 TWh) és a Tisza II. Erőmű (3 TWh). További erőműveink, melyek energiatermelése alacsonyabb: Tiszapalkonya, Bánhida, Pécs, Oroszlány, Inota, Ajka. A kiskörei és a tiszalöki vízerőművek energiatermelése ezekhez képest elhanyagolható néhány GWh évente. Ha az erőművek teljesítményeit vizsgáljuk, akkor 1999 januári adatok szerint a hazai villamosenergia-rendszer teljesítőképessége 7800 MW, melyből 3826 MW (49%) szénhidrogének égetésével nyeri az energiát, 1840 MW (23%) az atomerőmű kapacitás, 1954 MW (25%) a szénerőművek összes potenciális teljesítménye. A további két energiatípus a vízerőmű 48 MW (1%) és az ipari energiák (2%). Ezek az erőművek nem termelnek egész évben teljes kapacitással.

64

A magyar energiatermelés szerkezete 1973-2020 1975-2005: tényadatok, 2005-2030: prognózis (egyéb: geotermikus, nap, szél, éghető megújulók és hulladék)

A magyar energiafelhasználás szerkezete 1973-2020 (egyéb: geotermikus, nap, szél, éghető megújulók és hulladék)

65

Biomass 38.3%

Geothermal 6.6%

Community waste 3.6%

Biomass-biomassza

Biofuel 1.7%

Community wastekommunális hulladék

Hydro 1.2%

Biofuel-bioüzemanyag

Biogas 0.8% Wind 0.3%

Firewood 47.4%

Geothermal-geotermikus

Hydro-vízenergia Wind-szélenergia Solar-Napenergia

Solar 0.2%

Firewood-tűzifa

Magyarország 2005

Magyarország megújuló energiatermelésének megoszlása

Erőműpark Magyarországon (2005) Tulajdonos Erőműtársaságok Erőművek Ajkai Erőmű

Energiaforrás Szén

Beépített villamosteljesítmény (MW) 102

Bakonyi Erőmű Rt.

Magyar pénzügyi befektető

Budapesti Erőmű Zrt.

EdF (francia)

Budapesti Erőmű Rt. négy telephely

Szénhidrogén

455,6

Dunamenti Erőmű Rt.*

Electrabel-Suez (belga) + MVM (25%)

Dunamenti Erőmű Rt.

Szénhidrogén

1367

Dunamenti GT.

Szénhidrogén

386

EMA-Power

Dunaferr-csoport tulajdonosainak érdekelt-ségi köre (ukrán)

Szénhidrogén

69

Mátrai Erőmű Rt.*

RWE (német) + MVM (25%)

Lignit

836

Bakonyi Bioenergia

GTER Kft. Paksi Atomerőmű Rt.

MVM

Pannonpower Holding Rt.

Dalkia (francia)

Csepeli Áramtermelő Kft.

Atel (svájci)

AES Tisza Erőmű Rt.

AES- USA

Pannon Hőerőmű Pannon Green Csepel GT

Borsodi Erőmű

AES Borsodi Energetikai Rt.

AES- USA

Vértesi Erőmű Zrt.

MVM

Oroszlányi Erőmű

DKCE Kft.

E.ON (német)

Debreceni GT

Tiszai Vízerőmű Kft.

ÁPV Zrt.

Hernádvíz Vízerőmű Kft.

ÁPV Zrt.

Engedélyköteles erőművek összesen Kiserőművek Összesen

Tiszapalkonyai Erőmű

Biomassza

30

Tüzelőolaj

410

Nukleáris

1866

Szén

132

Biomassza

50

Szénhidrogén

396

Szénhidrogén

900

Szén+biomassza

137

Szén+biomassza

200

Szén

240

Szénhidrogén

95

Kisköre

Víz

28

Tiszalök

Víz

11,4

Víz

4,4 7647 953 8600

66

Az egyes erőművek termelői árai 2004–2006 (Ft/kWh) Vértesi Erőmű Rt. Oroszlányi erőmű Pannon Hőerőmű Rt.

2006

Paksi Atomerőmű Rt.

2005

M átrai Erőmű Rt.

2004

EM A-POWER Kft. Dunamenti Erőmű Rt, Debreceni Kombinált Ciklusú Erőmű Kft Csepeli Áramtermelő Kft. Budapesti Erőmű Rt. Bakonyi Erőmű Rt. Ajka AES Tiszai Erőmű AES Tiszapalkonyai erőmű AES Borsodi erőmű

0

5

10

15

20

25

30

A villamosenergia-termelés megoszlása energiahordozók szerint

Hasadóanyag

Földgáz Kőolaj

Szén

1) Szén

2) Kőolaj 3) Földgáz 4) Hasadó anyag 5) Megújuló + hulladék

Forrás: A magyar villamosenergia-rendszer 2005. évi adatai. MVM–MAVIR, 2006.

67

Széndioxid emisszió tüzelőanyagonként és szektoronként

A hazai energia felhasználás néhány jellemzője

9

Az összenergia felhasználás nem változik ’92 óta (csak az időjárás változásai befolyásolják, 1992: 1057 PJ, 2002: 1055 PJ)

9

Az energiaintenzitás kb. évi 3-4 %-kal csökken

9

A földgáz a domináns primer energia forrás

9

A földgáz részesedése lassan, de növekszik

9

A földgáz szerepe egyre nő két területen: 1. Villamosenergia termelés 2. Fűtés (lakosság, kommunális és kereskedelmi szektor)

9

Ezért szezonalitás nő, nő a tárolási igény (beruházás igény)

9

Az alternatív energiaforrások visszaszorulása (árak miatt is)

68

A szén kémiai technológiája • • • • •

Szénelőfordulások Szenek tulajdonságai Szénbányászat Szénelőkészítés Szénfeldolgozás – Széncseppfolyósítás – kokszolás

A világ szénkészletei

69

Különböző szenesedésű szenek analitikai adatai Tőzeg

Lágy lignit

Lignit

Barna szén

Fekete szén

Antracit

>75

56,7

38,7

31,2

3,7

1,0

C

58,2

70,3

71,4

73,4

82,6

92,2

H

5,63

4,85

4,79

4,86

4,97

3,30

N

1,94

0,74

1,34

1,16

1,55

0,15

S

0,21

0,27

0,60

0,31

1,50

0,98

O mint különbség

34,02

23,84

21,87

20,27

9,38

3,37

H/C

1,15

0,82

0,80

0,79

0,72

0,43

O/C

0,44

0,25

0,23

0,21

0,09

0,03

23500

27500

28500

29400

30600

35700

Analitikai adat Nedvesség t% Elemi összetétel szárazanyagra t%

Elemarány

Fűtőérték száraz, hamumentes kJ/kg

70

Szenesedési sor: atomarányok H/C vs. O/C

Felszini szénbánya

71

Rajnavidéki lignit bánya rekultivációja

Szénrétegek hozzáférhetősége

72

Földalatti szénbányászat

Szénhasznosítási és feldolgozási eljárások

műszén

73

A széncseppfolyósítási eljárások fajtái a pirolízis, a közvetlen és a közvetett cseppfolyósítás. A pirolízis során a szenet 400oC feletti hőmérsékleten átalakítják nemoxidáló atmoszférában gázokká, folyadékká és koksszá. Főtermék a koksz, a folyadék kihozatalt növelni lehet hidrogénnel és azzal, hogy az elpárologtatható komponenseket gyorsan meghigítják a szekunder reakciók elkerülésére. A közvetett cseppfolyósítás során a szenet oxigénnel és gőzzel reagáltatják nagy hőmérsékleten, így CO és H2 keletkezik (szintézis gáz), ez katalitikusan folyadéktermékké alakítható. A legismertebb folyamat a Fischer-Tropsch szintézis, amelyben gáz, folyadék és szilárd termékek keletkeznek. További folyamatok a metanol szintézis és a dimetiléter előállítás. A direkt cseppfolyósítás a szenet nagy hőmérsékleten és nyomáson hidrogénnel vagy hidrogéndonor oldószerrel reagáltatjuk. Ez a folyamat katalizálható. A termékek lehetnek üzemanyagok, tüzelőolajok, benzin vagy vegyipari alapanyagok.

Wiser modellje a szén szerkezetéről

Primér és szekunder reakciók a szén pirolízise közben

74

Az illékony anyag tartalom, a lágyuláspont és a bomlási pontok a szénre

Lurgi – Ruhrgas eljárás a) Szállító reaktor és emelő; b) Szénelőkészítés; c) Tároló; d) Ciklon; e) Hőhasznosító; f) Mixer –szenesítő; g) Surrantó; h) Ciklon; i) Kondenzátor

75

Kokszoló a) Tároló bunker; b) Dúsító; c) Őrlő; d) Töltő bunker; e) Töltő kocsi; f) Kokszoló kemence; g) Kitoló szerkezet; h) Hűtőtorony; i) Hűtőlejtő; j) rakodó

Kőolaj definíció • Nyersolajnak nevezzük azokat a szerves anyagokat, amelyek folyékony halmazállapotúak az öket tartalmazó réteg körülményei között. • A kőolaj összetétele: - szénhidrogének -S, O, N, P vegyületek -fém vegyületek (V, Ni, Cu, Co, Mo, Pb, Cr, As) H2S és víz Elemi összetétel: C 79,5-88,5%, H 10-15,5%

76

A kőolaj összetevői • Alkánok

• Naftének

• Aromások

A nyersolajok osztályozása • Paraffin alapúak –mélyebb rétegekben találhatóak • Naftén vagy aszfalt bázisúak –felsőbb rétegekben vannak • Kevert bázisúak –közbenső zónákban vannak • Összetétel a világ összes kőolaját tekintve: • ~30% paraffinok 40% naftének 25%

77

Földgáz • Száraz és nedves földgáz • Összetevők: metán, nehezebb szénhidrogének, nitrogén, széndioxid, hidrogén szulfid, hélium • Kisérő gáz, kőolajhoz kötődik • Földgáz---önálló lelőhelyen

Kőolaj és földgáz keletkezése és előfordulása • Tengerben élt egysejtűek elhalása nyomán keletkezett iszap (szapropél) anaerob(légmentes) bomlása révén. • A kőolaj és a földgáz gyakran együtt fordulnak elő. Tengeri eredetű üledékes kőzetekben találhatók, parthoz közeli tengerek alatt. • Jellegzetes telepek: gázenergiával és vízenergiával.

78

Kőolaj és földgáz előfordulások • Európa: Északi Tenger (UK, Norv.) Románia • Amerika: Texas, Alaszka, Mexico, Venezuela • Ázsia: Oroszo., Kaukázus, Aral tó, Kína, Vietnam, Irak, Irán, Szaud-Arábia, Arab Emirátusok, Kuvait • Afrika: Nigéria, Líbia, Algéria • Ausztrália, Indonézia • Kőolaj világtermelés 3*109 tonna/év (1 Barrel= 159 liter)

Production and reserves

79

1278000/100*365=35év

Kőolaj logisztikája • Kutatás: geológiai, fúrás • Feltárás: fúrás (rotary, turbinás) • Termelés: elsődleges (saját nyomás hozza felszínre), másodlagos (visszasajtolt gáz vagy víz hozza fel) • Előkészítés: víz és gáz elválasztás • Tárolás: fix vagy úszó fedelű tartályokban, kisebb, föld alatti tartályok (benzin kutaknál) • Szállítás: csővezetéken, tartályhajókon, vasúti tartálykocsikban, tankautókon

80

A mélyfúrás története

A mélyfúrás technológiája Rotari fúrás Furó szerszám: fogas görgőt

Fúró iszap:

tixotrop folyadék, adalékokat tartalmaz, mint a bentonit, celluloz, emulgeátorok, inhibítorok, sűrűsége 1.1 and 1.4 g/cm3 között Van.

Vízszintes fúrás aktív irányítással

81

A legfontosabb tengeri olajbányászati technológiák

Földgáz logisztikája • Kutatás: geológiai, fúrás • Feltárás: fúrás (rotary, turbinás) • Termelés: elsődleges (saját nyomás hozza felszínre) • Előkészítés: víz és magasabb forrpontú komponensek elválasztása • Tárolás: föld alatti, kimerült gázmezőkbe visszasajtolva • Szállítás: csővezetéken, tartályhajókon mélyhűtéssel

82

Földgáz kezelése Kéneltávolítás Higany eltávolítás Víztelenítés Szénhidrogének kivonása Széndioxid és kénvegyületek eltávolítása

Fölgáz földalatti tárolóhelye

83

Európai fölgáz vezetékek

Kőolaj és földgáz kémiai összetétele • Kőolaj – Paraffinos – Közbülső – Nafténes (aszfaltos) Kéntartalom szerinti osztályozás Technikai szempontú frakciók: Benzin, petróleum, kerozin, gázolaj (fehérárúk) Kenőolajok Paraffin Aszfalt, bitumen

• Földgáz – CH4, E, PB, H2S, CO2, H2O, He – Metános, széndioxidos, nedves gázok

84

Kőolajfeldolgozás • Desztilláció: atmoszférikus, vákuum • Forrpont szerinti elválasztás: » » » »

benzin 50-200oC petróleum 150-250oC gázolaj 200-360oC Fűtő és kenőolajok, szilárd termékek, paraffin, bitumen

Hajtóanyagok felhasználása: Otto motor, benzin (oktánszám, aromás tartalom, illékonyság) Gázturbina, kerozin (kéntartalom) Diesel motor, gázolaj (cetánszám, kéntartalom, dermedéspont)

Finomítói folyamatok: desztilláció Feladat: elválasztás a) sótlanító; b) hevítő; c) Fő rektifikáló oszlop; d)Kondenzátor; e) Kerozin kigőzölő; f ) Könnyű gázolaj kigőzölő; g) Nehéz gázolaj kigőzölő; h) Vákuum hevítő; i) Vákuum desztilláló

85

Desztillált kőolajfrakciók továbbfeldolgozása • • • • • •

Kénmentesítés Krakkolás Hidrokrakkolás Reformálás Maradékfeldolgozás Keverő komponens gyártás

Katalitikus krakkolás

katalitikus! katalitikus! katalitikus! katalitikus! termikus katalitikus!

Krakkolás

Feladat: molekulatömeg és forrpont csökkentés Katalizátor: savas zeolit

a) reaktor, b) sztrippelő; c) regenerátor; d) rizer; e1) regenerátor vezetéke; e2) sztripper vezetéke; f) ciklon; g) légfúvó; h) füstgáz turbina; i) kazán; j) frakcionáló; k) abszorber; l) debutanizáló; m) depropanizáló.

86

Gázolaj hidrodeszulfurizálás Feladat: kéntartalom csökkentése

Kénmentesítés S

+ 4 H2 = C4H10

+ H2S

Katalizátor: Mo, Co, Ni szulfid a) folyamat kemence, b) reaktor, c) nagy nyomású szeparátor, d) kis nyomású szeparátor, e) gázolaj sztrippelő, f) gázolaj szárító, g) sztrippelő fej tartály

Katalitikus reformálás

Reformálás

Feladat: oktán szám növelés, aromás termelés Katalizátor: Pt alumíniumoxidon (ónnal ötvözve Sn)

a) Hőcserélő, b) kemence, c), d), e) reformáló reaktorok, f) katalizátor regeneráló, g) szeparátor, h) stabilizáló oszlop, i) gáz recirkuláltató kompresszor, j) termék hűtő.

87

Benzin keverőkomponens gyártás

+ CH 3OH

H+

+

O

MTBE

H+ alkilát benzin

MTBE oktánszám javító és égésfokozó Alkilát benzin jó oktánszámú műbenzin finomítói C4 frakcióból Mindkét eljárásban savas katalízis!

Maradékfeldolgozó eljárások Feladat: a „fehérárúk” arányának növelése

„H-be” és „C-ki” folyamatok

88

Integrált finomítói struktúrák Hydroskimming

Katkrakk és viszkozitástörés

Atmoszférikus desztilláció

Atmoszférikus és vákuumdesztilláció

Kéntelenítő (Claus üzem)

Viszkozitástörő

Katkrakk (FCC)

Reformáló

Kéntelenítő

Reformáló

Hidrogénező

Hidrokrakk—katkrakk Atmoszférikus és vákuumdesztilláció Viszkozitástörő

Katkrakk (FCC)

Kéntelenítő

Reformáló

Hidrogénező

Hidrokrakk

Alkilező

Mindegyikből jön ki fűtőolaj!!!

Integrált finomítói struktúrák Hidrokrakk—késleltetett kokszolás Nincs fűtőolaj, csak petrokoksz!

89

Európai finomítók anyagfelhasználása és kibocsátásai

Modern üzemanyagok: benzin • Otto motorhoz • Négyütemű • Beszívja az üzemanyag-levegő keveréket • Komprimálja és adott időben gyújt • Égés és kiterjedés (munkavégző ütem) • Kipufogás

a) gyulladás nélkül, b) normál égés, c) kopogó égés, d) felső holtpont

90

Modern üzemanyagok: gázolaj • Diesel motor • Az üzemanyaglevegő keverék heterogén, a gyújtás termikus • Az üzemanyagot a felhevült levegőbe fecskendezi be a kompressziós ütem végén, ahol magától begyullad.

a) zajos égés, b) normál égés, c) égés nélkül, d) késleltetett gyulladás1, e) késleltetett gyulladás2, f) felső holtpont, g) injektálási periódus

Benzin minősége Oktánszám: kompressziótűrés jellemzője Sűrűség Illékonyság Kezdő és végforrpont Aromástartalom Kéntartalom Keverőkomponensek: Straight-run benzin, bután, pirolízis benzin, krakk benzin, kokszoló benzin, reformátum, izomerizátum, alkilát benzin, polimer benzin, MTBE

91

Benzin komponensek • • • • • • •

Straight-run benzin Krakkbenzin: termikus és katalitikus Reformátum Izomerizátum Alkilátbenzin Polimer benzin Oxigenátok (MTBE, ETBE)

•

Kenőanyagok Kenőanyagok feladata: surlódási ellenállás

• • • • •

csökkentése, tömítés, súrlódási hő elvezetése, védelem a kémiai behatásokkal szemben. Motorolajok (<0,5%-a az üzemanyagnak) Intermedierbázisú kőolajból, vákuumdesztillációval, majd finomítással. Fontos jellemző a viszkozitás és a viszkozitási index. Adalékok: javítják az olaj tulajdonságait, kenőképesség, szennyezésfelvétel, stabilitás, viszkozitási index növelő, dermedéspont csökkentő, inhibítorok, detergensek. Szintetikus kenőanyagok, különleges tulajdonságúak, könnyebben lebomlanak a környezetben. Hűtő-kenő folyadékok, fémmegmunkáláshoz.

92

Hidrosztatikus kenés folyadéktöréssel

Viszkozitási index ábrázolása

93

Kenőanyag szerkezetek, amelyek érzékenyek a nyírófeszültséggel szemben

Petrolkémia

kőolajbázison előállított intermedierek, monomerek technológiái

• Etilén, propilén, butadién Pirolízis: hőbontás vízgőz jelenlétében, utána gyors hűtés, alacsony hőmérsékletű desztilláció, frakcionálás.

• Aromások (BTX) Reformátumból aromás extrakcióval, desztillációval.

• Szintézisgáz (CO+H2)

Metánból vízgőzzel nikkel katalizátoron

• Acetilén CaC2 Karbidból és metán részleges oxidációjával

• Korom (gumigyártáshoz)

Szénhidrogének oxigénszegény elégetésével

94

A pirolízis során lejátszódó reakciók Láncindítás: C-H vagy C-C kötéshasadás C2H6→CH3·+CH3· Láncátadás: CH3·+C2H6→CH4+C2H5· C2H5·→C2H4+H· H·+C2H6→H2+C2H5 · Lánczárás: gyökök rekombinálódnak H·+H·→H2 CH3·+ C2H5·→C3H8 Molekuláris reakciók: C2H4+C4H6→C6H6

500 000 t/év etilén üzem nyersanyag igénye

95

A pirolízis kemence

Pirolízis hozamok a különböző alapanyagokra

96

1 kg etilén előállításának energia igénye különböző alapanyagokból

Az olefin gyártás nagyon energia intenzív, a gazdaságosság az energia áraktól és az energiaintegrációtól függ.

A finomítókból származó alapanyagok a kémiai ipar számára Aromás vegyületek (BTX) Olefinek Savak Alkoholok Oldószerek

97

Víz kémiai technológiája •

Víz felhasználása: ivóvíz, hőközlő anyag, oldószer • Víz jellemzői: fajhő, párolgáshő, pH, Oldott anyagok gázok, sók Lebegő szennyezések ásványi, növényi, állati, ipari eredetűek Víz keménység: Ca és Mg sók, állandó és változó keménység, oldott szénsav 1 német keménységi fok egyenértékű 10 mg/liter CaO-dal

A vizek forrása • Atmoszférikus (csapadék) víz: tiszta (CO2) • Felszíni vizek: - édesvizek: folyók, tavak és - sósvizek: tenger (zárt tavak) 3,3-3,7% só • Felszín alatti vizek: - karsztvízek, ásványvizek - talajvíz (első víz-záróréteg fölött) [kútvíz] - rétegvíz (víz-zárórétegek között) [artézi víz: magától feljön – Artois grófság] hévizek, gyógyvizek, gejzírek,talajvíz: 5-13 oC, hévíz: …– 37 oC, termálvíz: >37 oC. •Ipari jellegű vízfelhasználás Iparág, termék Acél hengerlés

Vízfelhasználás 1900

Dimenzió l/t

Vasöntöde

4000

l/t

Vegyszerek

5

l/l

Sörfőzde

5

l/l

Textilfestés

80

l / kg

Papíripar

54 000

l/t

Galvanizálás

15 000

l/t l / jármű

Autóipar

5000

Aluminiumgyártás

8500

l/t

Húsfeldolgozás

16

l / kg

98

A különböző „vizek” kémiai összetétele Molekulárisan diszperz és kolloid oldatai vannak. a) Vízben oldott sók: vízkeménység (vált.+áll.=összes) változó keménység: Ca, Mg hidrogénkarbonátok - kiforralhatók, vízkőképződést okoznak állandó keménység: CaCl2, MgSO4 Vízlágyítás: - Ca(OH)2, Na2CO3 hozzáadásával - ioncserével - desztillációval Sok más ion: Na+, K+, Fe2+, Mn2+, NH4+, Cl-, NO3-, NO2-, SiO3--, nyomelemek nagy számban.

b) A vízben oldott gázok: O2: N2:

a vízben élő szervezetek számára kulcskérdés könnyen elhasználódhat, pótlandó! kevéssé oldódik, semleges elem

CO2: szabad (CO2) + kötött (HCO3-) = összes NH3: helyenként fordul elő, lúgosít H2S: ugyancsak helyenként, kellemetlen, káros

c) A vízben oldott szerves anyagok Természetes (élő) eredetűek és mesterségesek: lehetnek hasznosak, de többnyire károsak. A vízminőséget nagyban befolyásolják, rontják. Szokás lebegő szennyeződésnek is nevezni. Rengeteg vegyülettípus fordul elő: aromások, fenolok, humin-, cserzőanyagok, tenzidek, detergensek, növényvédőszer-maradványok, … Bruttóérték: a kémiai oxigénigény (KOI) jellemzi

A víz felhasználása Az életfolyamatoktól eltekintve, a vízre alapvetően három formában van szükség: - mint nyersanyagra, - mint energiaforrásra, - mint vízi utakra.

99

Felszíni vizek jellemző összetétele Kationok Na+,

K+,

NH4

+,

Ca2+

Fe2+

,

,

Anionok Mg2+

Mn2+

Cu2+, Zn2+, Ni2+ , Al3+ Inert gázok Kémiailag oldódó gázok

HCO3 HSiO3

-,

-,

Cl-,

F-,

SO4 -,

Koncentráció [mg/kg] 1-104

2-

NO3 CO3

2-

0,1-10

HS-, J-, NO2-, H2PO4-

0,1

O2, N2

1-10

CO2

10-102

Esővíz, folyóvíz, tengervíz jellemző összetétele (ppm)

Gyakorlatias pH-skála – természetes és mesterséges vizes oldatokkal

FONTOS! A pH skála nem ér véget „0” értéknél és „14” értéknél •2 mol/l koncentrációjú erős sav esetén pH=-0,3010, ugyanilyen koncentrációjú erős bázis esetén pH=14,3010 •Csak 25 0C-on pH=7 a semleges víz pH-ja, 60 0C-on már pH=6,51

100

VIZEK KEMÉNYSÉGE MÉSZ-SZÉNSAV EGYENSÚLY

CO2( g ) + CO2 ⇔ H 2CO3

CaCO3 + CO2 + H 2O ⇔ Ca 2+ + 2HCO3−

H 2CO3 ⇔ H + + HCO3− K a1 = 4,3 ⋅ 10 −7 HCO3− ⇔ H + + CO32−

K a2 = 5,6 ⋅ 10 −11

Az oldott O2 és CO2 koncentráció változása naplementétől naplementéig

• • • •

A fenti egyensúly fenntartásához szükséges CO2 az ún. járulékos, vagy tartozékos CO2. Az egyensúlyinál több CO2 az ún. agresszív CO2. A járulékos és az agresszív CO2 együttes mennyisége a szabad CO2. A hidrogén-karbonátba beépült CO2 az ún. kötött CO2.

VIZEK KEMÉNYSÉGE ÉS LÚGOSSÁGA A vizek keménységét a vízben oldott többvegyértékű kationok, így kalcium, magnézium (vas, mangán) ionok okozzák. A karbonát és bikarbonát sók okozta keménységet karbonát (KK) keménységnek, az egyéb anionokkal képzett sók okozta keménységet nem-karbonát keménységnek (NKK) nevezzük. Általában a vizek lúgosságát ugyanazok az ionok okozzák, mint a keménységet, kivéve a nátriumot, mely keménységet nem okoz csak lúgosságot. Természetes vizekben nátrium mennyisége általában elhanyagolható, így a karbonát keménység megegyezik a lúgossággal. A keménységet okozó ionok (kalcium, magnézium) eltávolítását lágyításnak nevezzük. A lágyított vizekben az össz-lúgosság a karbonát lúgosság és a nátrium-lúgosság összege. A karbonát- és nem-karbonát kemyéség összegét összes keménységnek (ÖK) nevezzük. CCa (mg / l ) CMg (mg / l ) + ) ⋅ 10 −2 (mmol/l) = 0,4 0,24 C (mg / l ) CMg (mg / l ) 0 1 = ⋅ ( Ca + ) ( nk) 17,86 0,4 0,24

ÖK = (

101

A vízben oldott sók megváltoztatják a víz pH-ját hidrolízis következtében. Például: Na2CO3 + 2H2O ↔2NaOH + H2O + CO2 A vizek lúgossága (vagy savassága) sav-, vagy lúgadagolással semlegesíthető. Egy vízminta lúgossága meghatározható ha adott térfogatú vízmintához (100 ml) indikátor mellett semlegesítés céljából annyi 0,1 mól/l koncentrációjú sósavat adagolunk, hogy az indikátor vegyület színt váltson. A vizek lúgosságának meghatározásához kétféle indikátor használatos: fenolftalein (phenolphthalein p-lúgosság), ez az indikátor pH=8,3 értéknél váltja a színét, ezen pH eléréséig az adagolt savval semlegesítettük az összes esetleg jelenlévő hidroxidot (OH-) és az esetleg jelenlévő karbonát ionok felét (CO32-/2), és a metil-oranzs (methyl orange m-lúgosság), ez az indikátor pH=3,9 értéknél váltja a színét, ezen pH eléréséig az adagolt savval semlegesítjük az esetleg jelenlévő összes hidroxid (OH-), karbonát (CO32-) és hidrogén-karbonát (bikarbonát, HCO3-) iont. A titrálás végeredménye a fogyott sav millilitereinek száma az ún pszám (p), és/vagy m-szám (m). Így: és

p = [OH-] + ½[CO32-] m = [OH-] + [CO32-] + [HCO3-]

(meq/dm3) (meq/dm3)

A mért p és m számok függvényében a vízben lúgosságot okozó komponensek mennyisége (OH-, CO32-, HCO3- ) meghatározható (lásd táblázat).

102

A VÍZ ELEKTROMOS VEZETÉSE A tiszta víz elektromos vezetése A tiszta vízben, mint másodfajú vezetőben az elektromosságot az elektromos erőtér hatására elmozduló ionok vezetik. Az Ohm-törvény az elektrolitokra is érvényes: az ellenállás (R) lineárisan nő a vezető hosszával (l), és fordítva arányos keresztmetszetével (A): R=ρ

1 A

ahol ρ arányossági tényező az 1 cm hosszú és 1 cm2 keresztmetszetű vezető fajlagos ellenállása. A fajlagos ellenállás reciprokát fajlagos vezetésnek, vagy konduktivitásnak nevezik: κ=

1

ρ

Ω−1cm−1 ill . S ⋅ cm−1

oldat

Fajlagos vezetőképesség

Abszolut tiszta víz

0.055 µS/cm

Erőművi kazánvíz

1.0 µS/cm

Jó városi víz

50 µS/cm

Óceán vize

53 mS/cm

A víz minőségének vizsgálata A mintavétel fontossága (homogenitás, tárolás) Minősítés: fizikai, kémiai és biológiai (céltól függ) • zavarosság (szárazmaradék) • pH (lúgosság, savasság) • oxigén-fogyasztás (BOI, KOI) • szénsav (keménység) • kation és anion-analízis (ásvány-, gyógyvizek) • szervesanyag-tartalom (GC, MS, IR, …) • radioaktivitás (Rn, I) • fertőzöttség (baktériumok, gombák, …)s

A biokémiai oxigén igény a vízben lévő szerves anyagot mikroorganizmusok által történő biokémiai oxidálódásához szükséges oldott molekuláris oxigén mennyiségét adja meg egy meghatározott időintervallumra vonatkozóan (rendszerint 5 nap). Értékét (BOI5) mg•l-1 mértékegységben adjuk meg. A teljes biokémiai oxigénigény (TBOI) a vízben lévő szerves anyagok teljes biokémiai lebontáshoz szükséges oxigén mennyisége. Az elméleti oxigénigény (EOI) széndioxid és vízig történő teljes oxidáláshoz elméletileg szükséges oxigénigény. A kémiai oxigén igény (KOI), angolul chemical oxigen demand (COD), amely azon oxigén mennyiségét fejezi ki, amely szükséges az egységnyi térfogatú vízben levő szerves anyag oxidációjához, oxidálószer alkalmazásával (mg•l-1).

103

Az öt osztályos besorolás (példa) I. k iv á ló

II. jó

III. tű rh e tő

IV . szenn yeze tt

V. e rő s e n s z e n n y e z e tt

O ld o tt o x ig é n ( m g /l)

7

6

4

3

<3

O x ig é n te líte tts é g (%

8 0 -1 0 0

7 0 -8 0 1 0 0 -1 2 0

5 0 -7 0 1 2 0 -1 5 0

2 0 -5 0 1 5 0 -2 0 0

<20 >200

K O I p s (m g /l) A m m ó n iu m (m g /l) N itrit (m g /l) N itrá t (m g /l) Ö s s z e s F o s z fo r (m g / O rto fo s z fá t (m g /l)

5 0 ,2 0 ,0 1 1 0 ,0 4 0 ,0 2

8 0 ,5 0 ,0 3 5 0 ,1 0 ,0 5

6 ,5 -8 ,0

8 ,0 -8 ,5

15 1 0 ,1 10 0 ,2 0 ,1 6 ,0 -6 ,5 8 ,5 -9

20 2 0 ,3 25 0 ,5 0 ,2 5 5 ,5 -6 ,0 9 ,0 -9 ,5

>20 >2 > 0 ,3 >25 > 0 ,5 > 0 ,2 5 < 5 ,5 > 9 ,5

500

700

1000

2000

>2000

0 ,1 0 ,0 5

0 ,2 0 ,1

0 ,5 0 ,1

1 0 ,5

>1 > 0 ,5

pH F a jla g o s v e z e té s (2 0 ° C -o n , µ S /c m ) V a s (m g /l) M a n g á n (m g /l)

Vízelőkészítés-Vízkezelés A kívánt minőségű víz előállítására fizikai, kémiai és biológiai műveletek sorozata szolgál. A víz lebegőanyag-tartalmának eltávolítása A víz zavarosságát okozó szuszpendált szilárd anyagok eltávolítása ülepítéssel, derítéssel, centrifugálással és szűréssel történik. Ülepítés célja: a víznél nagyobb sűrűségű lebegő szennyezések (homok, iszap) eltávolítása. Ülepítésre nagy befogadóképességű, szakaszosan vagy folyamatosan üzemelő medencéket használnak).

104

Derítés során az apró, nem ülepedő ill. kolloid lebegő szennyezéseket távolítják el. A vízben vegyszerek hozzáadásával jól ülepedő csapadékot hoznak létre.

A kis lebegő anyagok oldatban maradnak, mert negatív felületi töltésük taszítja őket

A CG koagulálószerek hidat képeznek a részecskék között

Az aggredálódó részecskék flokkulátumot képeznek és kiülepednek

Koaguláció: a vízkezelés során a kolloid részecskék destabilizálását jelenti, amely a részecskék közötti taszítóerő csökkenésének ill. megszünésének hatására következik be. A részecskék destabilizálása megvalósítható: -töltéssemlegesítéssel pl. elektrolitokkal, -speciálisan szorbeálódó vegyületekkel. Flokkuláció: pehelyképződés; a destabilizált (koagulált) részecskék további egyesülése. A felszíni vizek tisztításakor a töltés semlegesítésére elsősorban Al3+ és Fe3+ vegyületeket használnak. A háromértékű fémsók alkalmazásának előnye hidrolizáló sajátságaikban is rejlik. E fémsókból vízbe adagolásukat követően pozitív töltésű közbenső termékek (polihidroxi vegyületek) képződnek. Ezek semlegesítik a kolloidok negatív töltését. A hidrolízis további szakaszában az átmeneti vegyületek fokozatosan elvesztik töltésüket és a kolloidokat szorbeálva rosszul oldódó hidroxid pelyheket alkotnak. A hidrolízist a víz változó keménysége teszi teljessé a következő bruttó folyamat:

Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 6 CO2 Az alkalmazott vegyszeradag a vízminőségtől függően változik, általában 5-150 mg Al2(SO4)3 /dm3 víz ill. 0,1-0,5 mg polimer /dm3 víz nagyságrendű.

105

A derítést a létrehozott és megkötött iszap eltávolítása céljából minden esetben ülepítés és szűrés követi. Alimínium-szulfátˇpH~5-7; vas(II)-szulfát pH~9,5; klórorozott vas(II)-szulfát pH~4,0-6,5;vas(III)-klorid pH~4-6,5 és 9,5; vas(III)-szulfát pH~4-10,0. Szűrés során az ülepítés vagy derítés után még a vízben maradó, vagy a kevésbé szennyezett vizekben eredetileg található lebegő szennyezések teljes eltávolítása történik.

Szűrés (zárt rendszerű)

Szűrés (nyitott rendszerű)

Víz gáztalanítása Szén-dioxid mentesítésre van szükség, ha a víz a karbonát-hidrogénkarbonát egyensúly fenntartásához szükséges mennyiségnél több CO2-ot tartalmaz. Az agresszív CO2 miatt a víz korrozívvá válik és megtámadja a cement- és betonépítményeket ill. fémfelületeket, így pl. a kazánok falát és a csővezetékeket. A CO2 eltávolítása fizikai és kémiai úton lehetséges. Ez megvalósítható a nyomás csökkentésével, a hőmérséklet emelésével, kémiai elnyeletéssel. CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2 Ca(OH)2 + 2 CO2 = Ca(HCO3)2 MgO + CaCO3 + 3 CO2 + 2 H2O = Ca(HCO3)2 + Mg(HCO3)2 A fenti folyamatok növelik a víz karbonát keménységét. Kénhidrogén-mentesítés általában oxidációs módszerrel történik. 2 H2S + 5 Cl2 + 4 H2O = S + 10 HCl + H2SO4 3 H2S + 2 KMnO4 = 3 S + 2 MnO2 + K2O + 3 H2O

106

A víz vastalanítása A vas a vízben hidrogén-karbonát alakjában lehet jelen, amely oxidáció hatására oldhatatlan csapadékká alakul. 4Fe(HCO3)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3 + 8CO2 A víz mangántalanítása Eltávolítása a vashoz hasonlóan oxidációval történik. A víz olajtalanítása A feszíni vizek és az ipari kondenzvizek olajszennyeződését különféle eljárásokkal csökkenthetjük: - sorbakapcsolt olajleválasztó edényekkel, - adszorbens anyagokkal. A víz fertőtlenítése Célja a fertőzést okozó mikroorganizmusok (baktériumok, protozoák, algák, amőbák stb.) eltávolítása. A lakossági vízvezetékek vizének tisztításánál az egyik legfontosabb művelet a víz fertőtlenítése.

•Ózonos fertőtlenítés

O3 = O2 + 'O' •UV besugárzás. Az UV fény baktériumölő hatásán alapul. •Ultrahangos eljárás. A hanghullámok üregképző hatásán alapul. •Más oxidálószerek alkalmazása Cl2 + H2O = HClO + HCl HClO = HCl + 'O' Ca(ClO)2 = CaCl2 + O2 2NaClO = 2NaCl + O2 HOCl % pH \ Hőm

0

5

10

15

20

25

30 99.68

5.0

99.85

99.83

99.80

99.77

99.74

99.71

5.5

99.53

99.75

99.36

99.27

99.18

99.09

99.01

6.0

98.53

98.28

98.01

97.73

97.45

97.18

96.92

7.0

87.05

85.08

83.11

81.17

79.23

77.53

75.90

8.0

40.19

36.32

32.98

30.12

27.62

25.65

23.95

9.0 10.0

6.30 0.67

5.40 0.57

4.69 0.49

4.13 0.43

3.68 0.38

3.34 0.34

3.05 0.31

11.0

0.067

0.057

0.049

0.043

0.038

0.034

0.031

107

Vízlágyítás Célja a keménységet okozó sók káros hatásának megakadályozása. Termikus eljárás. Melegítés hatására a Ca(HCO3)2 és Mg(HCO3)2 oldhatatlan CaCO3-tá és MgCO3-tá alakul. Meszes (mész-szódás) eljárás Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 = 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 MgCl2 + Na2CO3 = MgCO3 + 2NaCl A CaCO3 oldhatósági minimuma pH=9-9,5, a MgCO3-é pedig pH~11. A kívánt pH-értéket mészfölösleg adagolásával biztosítják, ez kb. 1,25 mekv/l mészfölösleg. Ha oldott CO2 is jelen van további mészfogyasztás lép föl. A víz keménységi viszonyainak, a kalcium és magnéziumsók arányának ismeretében a reakcióegyenletek alapján meghatározható a lágítáahoz szükséges mészszükséglet: M(CaO)[g/m3]=10KK[nk0]+1,4MgO[g/m3]+1,27CO2[g/m3] vagy M(CaO)[g/m3]=10KK[nk0]+MgK[nk0]+CO2K[nk0] A szódaszükséglet pedig: M(Na2CO3)[g/m3]=18,9NKK[nk0]

Hidegen ~4 nk0, melegen ~1nk0 maradék ÖK (40 mg/lCaCO3,10 mg/l Mg(OH)2 ) biztosítható. A víz stabilizálását a túltelített CaCO3 visszaoldásával érik el. Ezt savadagolással érik el. Alkalmazhatnak kénsavat, de leggyakrabban CO2 gázt alkalmaznak (rekarbonizálás). Trinátrium-foszfátos eljárás 3Ca(HCO3)2 + 2Na3 PO4 = Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2 + 2Na3 PO4 = Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3 3CaCl2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 6NaCl 3MgSO4 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2 + 3 Na2SO4 A lágyításhoz szükséges trisó mennyisége: M(Na3PO4.12H2O)[g/m3]=45ÖK[nk0] Ioncserés eljárás A nátrium-alumínium-hidroszilikát alapú természetes vagy mesterséges ioncserélok a víz kalcium-és magnéziumionjait nátriumionra cserélik ki. Na2 - permutit + CaCl2 = Ca - permutit + 2NaCl Így a víz keménysége gyakorlatilag 0-ra csökken.

108

Mészvizes vízlágyító 1- vízelosztó, 2- mészoltó, 3- mésztejadagoló, 4- mésztelítő, 5- reaktor, 6- szűrő

Mésztejes vízlágyító 1- mészhidrát tartály, 2- elszívó vezeték, 3- mésztejkeverő, 4- vákuumszivattyú, 5- mésztejadagoló, 6- nyersvíz bevezetés, 7- reaktor, 8- szűrő

109

Ioncsere

Az ioncserélők olyan szilárd anyagok, amelyek pozitív vagy negatív töltésű ionos csoportokat tartalmaznak és az azokhoz kapcsolódó, szabadon mozgó ionjaikat képesek más, azonos töltésű ellenionokkal kicserélni.

Koncentráció frontok az ioncserélő oszlopokon (balra) és egy ioncserélő teljes sótalanító üzemi sémája (fent)

A mátrai erőmű vízelőkészítő rendszere

A paksi atomerőmű vízelőkészítő rendszere

110

Membrántechnikai vízkezelés (RO, NF, UF, MF

A membrántechnika napjainkban is lendületesen fejlõdik. Ennek köszönhetõen olcsóbb és megbízhatóbb membránelemeket konstruálnak, amelyek egyre kisebb belépõ nyomással, egyre jobb kihozatalt biztosítanak. A membránokat helyigényük mérséklése céljából leggyakrabban feltekert állapotban, úgynevezett spirálelemekben építik be.

Csőmembrán

Spirális tekercsmembrán

111

Egy fordított ozmózisos víz sótalanító sémája

1.Vegyszeradagoló a biológiai fertőzés megakadályozására 2. Lebegőanyag szűrő 3. Vastalanító berendezés 0.3 ppm-nél nagyobb oldott vastartalom esetén 4. Ikeroszlopos vízlágyító - alternatív megoldás a vegyszeradagoló 5. Aktívszén szűrő magas szervesanyag illetve szabad aktív klórtartalom esetén. 6. Fordított ozmózis berendezés 7. Vegyszeradagoló tápvíz kondicionálás céljából

Az ivóvíz tisztításának technológia vázlata

112

A szennyvíztisztítás típuslépései Biológiai tisztítás

Szerves anyag eltávolítása, nitrifikálás és denitrifikálás: stabilizációs tavak (anaerob, aerob, fakultatív), csepegtetőtesztes rendszer, eleven iszapos rendszer, anaerob rothasztás A tisztítási (lebontási) folyamat eredményeként a szerves anyag részben gáz halmazállapotú, stabil vegyületekké (CO2, CH4, H2S, NH3 stb.) alakul, részben nem bomlékony, elásványosított anyagokká. Aerob mikoorganizmusok, anaerob mikroorganizmusok, fakultatív mikroorganizmusok. Csepegtetõtestes és eleveniszapos berendezések.

A szennyvíztisztítás folyamatábrája

113

KAZÁNOK KORRÓZIÓJA ÉS VÍZÜZEMEI A kazán egy nyomás alatti zárt tartály, melyben a közölt hő hatására a tápvízből gőz keletkezik. Egy tipikus erőművi kazán vízellátás elrendezését mutatunk be a következő ábrán.

A kazánban a tápvíz hősugárzás, hővezetés és hőáramlás révén nyert energia hatására alakul részben gőzzé.

I. Tápvíz előkezelés A tápvíz előkezelés fő célja a kalcium- és magnézium-keménység, a migrációra hajlamos vas, réz, a kolloid szilikátok és egyéb szennyezők mennyiségének minimalizálása. Az oldható és a szuszpendált komponensek mellett fontos a korrozív gázok eltávolítása is.

Gáztalanítás (mechanikai és kémiai) A mechanikai és kémiai gáztalanítás a tápvíz előkezelés fontos része. A művelet célja: •az oxigén, szén-dioxid és más nem-kondenzálódó gázok eltávolítása a tápvízből, •a póttápvíz és a visszatérő kondenzátum felmelegítése az optimális hőmérsékletre, •a nem-kívánatos gázok oldhatóságának minimalizálása, •a kazánba belépő víz hőmérsékleti maximumának biztosítása. A kazánkorrózió legáltalánosabb okozói a vízben oldott oxigén, szén-dioxid és ammónia, melyek közül az oxigén a legveszélyesebb. A pitting korrózió és az iszapkiválás már kismértékű oldott oxigén hatására bekövetkezik.

114

Az acél korróziós sebessége az oldott O2 és a pH függvényében 25 0C-on Mivel a kazánok fő szerkezeti anyaga a szénacél nagy a korróziós veszély. A kazán vízterébe a vas különböző fizikai és kémiai formában kerül be, de zömében vasoxid és vas-hidroxid formában van jelen. Lúgos pH értéken és magas hőmérsékleten minden oldható vas-vegyület oldhatatlan hidroxiddá alakul. A vasvegyületek közelítőleg a vörös vas-oxidok (Fe2O3) és a fekete mágneses tulajdonságú vas-oxidok (Fe3O4) csoportjaira bonthatók. A vörös (hematit) vasoxidok oxidáló környezetben, például a kondenzátor vízkörben, vagy az üzemen ívül álló kazán vízterében keletkeznek. A fekete (magnetit) vas-oxidok reduktív környezetben, így az üzemelő kazánban keletkeznek.

Tálcás-típusú gáztalanítók (Cohrane Co.

(Graver)

115

Kazánok üzemelési probélmái 1. Vízoldali kiválások A vízből keménységet okozó sók, fémoxidok, szilikátok és más tápvízszennyezők válhatnak ki. A modern kazánokban a tápvizek vízkőkiválást okozó komponenseit csaknem teljesen eltávolítják és a vas és rézvegyületek migráló szuszpendált részekéi okoznak jelentős problémát.

2. Vízoldali korrózió A kazán vízoldali korróziójábában az oldott oxigén, sav vagy lúg és a hőmérséklet játszik fontos szerepet. Ha ezek értéke nem megfelelő, komoly pitting korrózió és ridegedés léphet fel a csőfalakon és meghibásodás lép fel. Tipikus az alábbi reakció:

3Fe+4H2OÆFe3O4+4H2

Schikorr reakció

Normális körülmények között a keletkezett magnetit gátolja a további korróziót. Ez a réteg 10-25 µm vastagságiog növekszik és megakadályozza a korróziót. Ez a védőréteg rendszeresen megsérül és a kazánvíz megfelelő kezelésével állítható helyre.

Tiszta kazánvízben a a korróziós sebesség ~1 mm/év. A magnetit réteg fönntartásához pH~8,5-12,7 lúgos pH érték szükséges. A legtöbb kazán 10,511,5 pH értéken üzemel. A kazánkorrózió egyik legfontosabb oka oldott oxigén jelenléte a vízben. Az oxigénben dúsabb helyeken az acél katódosan, ozixigénben szegényebb helyeken pedig anódosan viselkedik. Így oxigén jelenlétében a dobban a vízvonal alatt mély pittinges bemaródások keletkeznek. Ugyancsak fontos korróziós paraméter a pH, savas, vagy lúgos korróziós támadás.

116

Szilikátiparok • Kerámiai iparok fogyasztói: építőipar, hiradástechnika, kohászat, fémmegmunkálás • Aluminoszilikátok, több komponensű rendszerek • Durva- (tégla, cserép), finomkerámia (porcelán), oxidkerámia (félvezetők, ferritek), fémkerámia

• Építőipari kötőanyagok • Mész, cement, beton

• Üvegipar zománcipar • Síküveg, öblösüveg, hőálló üveg, vegyipari készülékek

117

Kerámia fajták Pórusos szövetü gyártm. Az anyag sárga v. vörös Máz nélkül

Az anyag sárga v. vörös

Az anyag fehér

mázzal

Átlátszó vagy színes máz

Tégla, Kályhacserép csempe, Tűzálló majolika építőanyag

Kőedényfajansz

Tömör

szövetü

gyártm.

Az anyag Az anyag nem fehér nem fehér

Az anyag fehér

Máz nélkül

Klinker, keramit, saválló burkoló

Mázzal bevonva

Kőagyag csatornák

porcelán

Szilikátipar alapanyagai • Agyag aluminoszilikát – Vízzel összegyúrva képlékeny, száradáskor és kiégetéskor alakját megtartja

• SiO2 kvarchomok, homokkő • Földpát kálium-aluminoszilikát • Tömörré teszi a kerámiát

• Mészkő, márga, magnezit, dolomit – Kalcium és magnéziumkarbonátok – Porozitást növelik

118

Kerámiák gyártástechnológiája • Aprítás, őrlés szemcseméret csökkentése, homogenizálás • Formázás nedves és száraz sajtolás, korongozás • Szárítás természetes, mesterséges, hőigényes, közben zsugorodás

• Égetés

kémiai és fizikai folyamatok, fontos paraméterek: felfűtés sebessége, égetés hőmérséklete, ideje, lehűtés módja, • Kemencék lehetnek szakaszos és folytonos működésűek, gáz, olaj, fa tüzelés, elektromos fűtés • Égetési hőmérsékletek tégla 920-1000oC » kőedény 1100-1250oC » kőagyag, keramit 1200-1350oC » porcelán 1250-1450oC » tűzálló anyagok 1300-1700oC

Építőipari kötőanyagok •

• • • • • • • • • • •

A kötőanyagok kémiai és fizikai folyamatokban pépes vagy folyékony állapotból szilárd állapotúvá válnak és a beléjük kevert szilárd anyagokat összeragasztják. Természetes (agyag, bitumen) vagy mesterséges (mész, gipsz, cement) eredetűek. Hidraulikus (cement) és nem hidraulikus (mész, gipsz) kötőanyagok. Két fázis: kötési és szilárdulási szakasz. Mész égetés CaCO3 → CaO + CO2 oltás CaO + H2O → Ca(OH)2 kötés Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O Gipsz CaSO4 2 H2O ↔ CaSO4 anhidrit + 2 H2O 180-200oC Cement Alapanyag: agyag és mészkő Műveletek: őrlés és égetés 1100-1450oC Szilárdulás, kötés: hidrolízis és hidratáció

•

Beton: cement+kavics+acél

•

nagynyomószilárdság+ jó húzószilárdság

119

120

Klinker kemence rácsos előmelegítő-hűtővel a) Tablettázó; b) Köztes porgyűjtő; c) Szárító kamra; d) Forró kamra; e) Rács; f) Forgó kemence; g) Égő; h) Rácsos hűtő; i) Klinker szalag

Cementgyártás folyamata

121

A fajlagos energiafogyasztás változása a cementgyártásban Németországban

Portlandcement szilárdulási folyamata a) Porozitás; b) Kalcium szilikát hidrát, hosszú szálak; c) Kalcium szilikát hidrát, rövid szálak; d) Kalcium hidroxid; e) Kalcium aluminát hidrát, vas(III)oxid tartalommal; f) Monoszulfát; g) Triszulfát

122

Üvegablakok a Charles katedrálisból Fáraó fej, üvegbe öntve

Mi az üveg? Az üveg megszilárdult folyadék, aminek nem állt elegendő idő arra, hogy kristályosodjon lehűtés közben.

123

Üvegipar • Üveg olyan anyag, aminek energiatartalma a folyadék és kristályos állapot között van. • Üveg közelítő összetétele: R2O*R’O*6SiO2 • Ahol R és R’ lehet Ca, Mg, Al, B, Na, K, Fe, Pb, Mn • Nyersanyagok: kvarchomok, szóda, mészkőliszt, ólomoxid, bórsav, dolomit, timföld. • Üveggyártás folyamatai: keverés, olvasztás, formálás, hűtés, megmunkálás, hőkezelés-feszültségmentesítés • Formálás: fúvás, húzás, öntés, hengerlés, sajtolás.

124

Regeneratív, kereszttüzelésű üvegolvasztó kemence

Sorg LoNOx olvasztókemence palacküveg előállításhoz

125

Palackfújás folyamata

a) Beadagolás; b) Lefújás c) Ellenfújás; d) Átbillentés talpára; e) Újrahevítés; f) Végső fújás belső hűtéssel; g) Kivétel

A Danner eljárás üvegcső előállítására

126

Üvegszövet gyártása

a) Olvasztó tartály; b) Centrifúga fúvókákkal; c) Kötőanyag befújása; d) Üvegszövedék; e) Kötésképző kemence; f) Bárd; g) Termék

A Pilkington síküveg gyártási eljárás a) Kemence; b) Olvasztott ón; c) Síkfürdő; d) Nitrogén-hidrogén elegy az ón oxidációjának megakadályozására; e) Kivezető nyílás; f) Hengerek

127

Üvegfelhasználások megoszlása

Vas és acél gyártás • Vasércek összetétele: vaskarbonát, vasII és vasIII oxidok, vasszulfid • Kohósítás: • indirekt és direkt redukció • (400-1000 fok) (1000-2000 fok) • FeO + CO = Fe + CO2 FeO + C = Fe + CO • Alapanyagok: vasérc, koksz, salakképzők (CaO, szilikátok, aluminátok)→nyersvas • Acélgyártás: szennyezések (C, Si, S, P) eltávolítása a nyersvasból oxidációval, levegővel vagy oxigénnel • Elektroacél gyártás • Ötvözött acélok (Ni, Cr-korrózióálló)

128

Acélgyártás folyamata a) Tablettázó; b) Szinterező; c) Kokszoló; d) Nagyolvasztó; e) Torpedó kanál; f) Buga öntő; g) Alap oxigénes konverter; h) Siemens – Martin kemence; i) Elektromos ív kemence; j) Folyamatos öntés; k) Nedves akna; l) Buga öntés; m) Hengerdébe; n) Szállításhoz

A világ acéltermelése és az ahhoz használt nyersanyagok Nyersvas, vashulladék, direkt redukált vas

129

Alumínium gyártás • Bauxit→ feltárással timföld, alumíniumoxid • Bayer eljárás lúgos oldás, majd Al(OH)3 kristályosítás • Alumíniumoxid elektrolízise→fém alumíniummá redukálják többkomponensű elektrolitban (Na3AlF6, CaF2, AlF3, LiF, MgF2) • Az Al nem korrodeál levegőn, mert stabil oxidréteg képződik a felületén • Ötvözeteit használják: Mg, Zn, Cu

Bayer eljárás timföld előállítására

130

Alumínium elektrolízis Hall–Héroult cella Söderberg anóddal szerelt cella

Szervetlen vegyipar ágazatai • Kénsav és származékai: H2SO4, H3PO4, Al-szulfát • Ipari gázok: nitrogén, oxigén, széndioxid, szintézis gázok

• Nitrogén vegyületek: ammónia, salétromsav, ammónium nitrát és szulfát

• Mészkő termékek: mész, szóda, kalciumklorid, nátriumszilikát (vízüveg)

• Kősó termékek: nátriumhidroxid, klór, hidrogén, sósav • Egyebek: titándioxid, káliumhidroxid, korom

131

Műtrágyák • N

P

K

elemek

• Nitrogén műtrágyák: NH4NO3

– Ammónia szintézis N2 + 3H2↔2 NH3 – Ammónia oxidáció NH3 + O2 → NO + H2O→HNO3 – Karbamid gyártás CO2 + 2NH3→ CO(NH2)2 + H2O

• Foszfát műtrágyák: Ca(H2PO4)2

– nyersfoszfát kénsavas feltárásával

• Kálium sók

Ammónia szintézis A világban jelenleg előállított ammónia kb. 80%-át műtrágyákban, a többi 20%-ot ipari alkalmazásokban használják, műanyagok, szálas anyagok, robbanóanyagok, nitrogéntartalmú szerves anyagok, intermedierek gyártásánál. A szervetlen vegyiparban ammóniából állítják elő a salétromsavat, karbamidot, nátriumcianidot. Az ammónia fontos környezetvédelmi reagens, mivel a nitrogénoxidok füstgázokból történő eltávolítására alkalmazzák. A cseppfolyós ammónia fontos oldószer és hűtőgépek töltete. 2003-ban a világ termelés 109 millió tonna volt. Ennek mintegy 13 %-a az EU termelése.

132

Az EU ammónia üzemek adataiból levonható fontosabb következtetések: Optimális kapacitás: 500-1000 tonna ammónia/nap Legfontosabb alapanyag: földgáz Üzemek átlagéletkora 30 év körüli, egy részüket korszerűsítették, de új üzemet hosszú ideje nem építettek. A közép-európai üzemek az orosz földgázt használják.

Az ammónia szintézis és a kapcsolt technológiák Metán konverzió

Levegőszétválasztás

N2

CO2

H2

Ammónia szintézis NH3 Ammónia oxidáció

NH3 Karbamid előállítás Az első nagynyomású, katalitikus technológia a HaberBosch eljárás, 1908-13

HNO3 Ammóniumnitrát

133

Ammónia szintézis • 1 kg ammóniában megkötött nitrogénhez 2,4 m3 hidrogént és 0,8 m3 nitrogént kell reagáltatni, miközben 3,27 MJ hő fejlődik. • A reaktorok kialakítása és az optimális katalizátorok készítési eljárása széleskörű tudományos és mérnöki munkát igényelt, ez volt az első olyan nagyüzemi technológia, ahol meg kellett oldani a robbanásveszélyes gázelegy kompresszióját, recirkulációját, a katalizátorok és az acél alkatrészek hidrogén és szénmonoxid okozta korróziójának kiküszöbölését, az ammónia elválasztását a szintézisgáz elegytől, a reaktorokban fejlődő hő elvezetését, az inert gázok lefúvatásának módszerét. Az iménti felsorolás közel sem teljes, mert kidolgozták a reakció egyensúlyi viszonyainak meghatározási módszereit és a reakció sebesség mérésének eljárását, mert minderre szükség volt a reaktorok méretezéséhez.

Az ipari ammónia szintézis megvalósításának feltételei A reakció 1. termodinamikai jellemzőinek, egyensúlyi viszonyainak ismerete Kellő aktivitású katalizátor előállítása

Nagynyomású reaktor alkalmas konstrukcióval Nagynyomású kompresszor és keringető kompresszor Szintézisgáz előállítási eljárások:

2.

Fe/Al2O3/K2O

levegőszétválasztás hidrogéngyártás

3.

4.

134

Az ammónia képződés sebessége a hőmérséklet és a nyomás függvényében

Az ammónia képződés sebessége v m3 NH3 / (m3 katalizátor · s) a

hőmérséklet és az ammónia koncentráció függvényében 20 MPa nyomáson és 11 térf. % inert gáz tartalomnál a belépő gázban a) A maximális reakciósebességekhez tartozó hőmérsékletek vonala adott ammónia koncentrációnál

135

Az Al2O3 hordozós Fe katalizátor Kifejlesztője: Mittasch

Kálium hatása a katalizátorra Az erősen lúgos karakterű K2O hozzáadásával csökken a szintén bázikus ammónia adszorpciója, ezáltal a termék kevésbé gátolja a reaktánsok, a hidrogén és a nitrogén adszorpcióját. A promotor csökkenti a termékgátlást a reakcióban.

Vízgáz reakció (steam-reforming) Ni/ Al2O3 katalizátor Elviseli a szükséges nagy hőmérsékletet >1000oC

Uhde radiációs és szekunder vízgáz reformer

1) gázbevezetés, 2) égők, 3) reformáló csövek, 4) elvezetés, 5) levegő bevezetés, 6) katalizátor ágy, 7) gázelvezetés

136

CO konverzió

A szénmonoxid konverziót két lépésben végzik, az elsőben 320-350oC-on vaskróm katalizátorral, a másodikban 200-210oC-on Cu, Zn/Al2O3 katalizátorral, a végső CO koncentráció 0,1-0,3%.

Nyers gáz tisztítás Széndioxid kimosás

A következő lépés a CO2 eltávolítása mosással, mosófolyadéknak lúgos kémhatású anyagokat használnak, amelyek regenerálhatóak, azaz nagyobb hőmérsékleten leadják az elnyelt széndioxidot.

Metanizálás Ni katalizátoron

Kellog konverter a) Gáz bevezetés; b) Katalizátor ágy; c) Katalizátor kosár; d) Quench; e) Hőcserélő; f) Gáz elvezetés; g) Bypass-kerülő vezeték Az üzemi konverterek két csoportba oszthatók: a belső hűtésűek, amelyeknél a hűtőközeg (a betáplált hideg gáz) csövekben megy át a katalizátor ágyon, vagy a csövekben lévő katalizátort a csövek között áramolva hűti, ezeket csöves hűtésű reaktoroknak hívják. A másik alaptípusban a katalizátorágyat több részre osztják, ezekben a reakció adiabatikusan játszódik le, a képződött hőt a szekciók között betáplált hideg gázzal vagy gőzfejlesztésre használt külső hőcserélőkben veszik el. Ezeket hívják indirekt hűtésű reaktoroknak.

137

Kellogg Ammonia 2000 eljárás ( KRES/KAAP ) a) Levegőszétválasztó; b) Légkompresszor; c) Kemence; d) Kéneltávolítás; e) Reformáló; f) Reformáló hőcserélő; g) HTSzep; h) LTSzep; i) Kondenzátum sztrippelő; j) CO2 abszorber; k) CO2 sztrippelő; l) Metanizáló; m) Szárító; n) Szintézis gáz kompresszor; o) KAAP ammonia reaktor; p) Lefújt gáz visszanyerés; q) Hűtő hőcserélő; r) Hűtőkompresszor

Fejlesztési irányok Energia takarékos megoldások „Meleg-” és „hidegenergia” optimális hasznosítása Katalizátor fejlesztés Reformerek javítása Reaktorok optimális hőmérsékletprofiljának biztosítása Gáztisztítás hatásfok növelése Centrifugális kompresszorok száraz tömítéssel, mágneses csapággyal

Környezeti kibocsátások mérséklése Lefújt szintézisgáz hasznosítása, hidrogén visszanyerése, kriogén és membrános elválasztás Ammónia kibocsátások megszüntetése, hűtőközeges kondenzáltatás Legjobb energiahasznosítás 28 GJ/t NH3. Az új Ru alapú katalizátorral az M.W. Kellogg szerint ez lemehet 27.2 GJ/t NH3-ra. Ez kb. 130 %-a az elméleti minimum 20.9 GJ/t NH3-nak

138

A salétromsav előállítás reakciói Ammónia katalitikus oxidációja levegővel

A nitrogénmonoxide oxidációja nitrogéndioxiddá vagy dinitrogéntetroxiddá:

A nitrogén oxidok abszorpciója salétromsavat ad:

Ammónia oxidációs reaktor a) Égőfej; b) Perforált lemez; c) Platina hálók; d) Tömítés; e) Túlhevítő csövek; f ) Elpárologtató; g) Nitrózus gáz elvezetés

139

Platina – ródium háló (Degussa) scanning electron mikroszkópos felvétele (nagyítás 100 : 1) A) Kiindulási állapot; B) Nagymértékben aktivált állapot

A salétromsav gyártás abszorpciós lépése során lejátszódó reakciók

140

Salétromsav gyártás folyamatábrája a) Ammónia elpárologtató; b) Ammónia sztripper; c) Ammónia előmelegítő; d) Ammónia gáz szűrő; e) Ammónia – levegő keverő; f) Légszűrő; g) Légkompr.; h) Köztes hűtő; i) Reaktor; j) Hulladékhő kazán; k) Véggázelőmelegítő; l) Hővisszanyerő; m) Levegő előmelegítő; n) Tápvíz és forróvíz előmelegítők; o) Hűtőkondenzátor; p) Abszorpciós torony; q) Véggáz előmelegítő; r) Véggáz előmelegítő; s) Véggáz expanziós turbina; t) Tápvíz tartály légtelenítővel; u) Gőzdob; v) Gőzturbina; w) Gőzturbina kondenzátora; x) Mosó

DENOX eljárások Véggázok 0.08-0.03% NOx 2-3% O2 tartalmúak. Redukálószerek: H2, szénhidrogének, NH3. H2 + NO2= NO + H2O 2H2 + 2NO = 2H2O + N2 6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H2O 6NO + 4NH3 = 5N2 + 6H2O A hidrogén redukálószer esetén a katalizátor monolit hordozós platina. A szükséges minimális belépési hõmérséklet: hidrogénnel 470K, metánnal 750K, propán-butánnal 520K. Az oxigén eltávolítás, mivel gyorsabban reagál, mint a nitrogénoxidok, növeli a redukálószer igényt és a hõmérsékletet. Az ammónia használatának az az elõnye, hogy szelektíven csak a nitrogénoxidokkal reagál. Ilymódon kevesebb kell belõle, viszont drágább, mint a szénhidrogének.

Katalizátorok: Pt, Ru/ Al2O3, Cu-zeoliton, V2O5 /Al2O3, TiO2.

141

N2O bontás az oxidációs reaktorban másik katalizátorral

Karbamid Az ipari eljárásokban a karbamidot ammónia és széndioxid nagy nyomás alatti (>150 bar) és emelt hőmérsékletű (150-210oC) Basaroff reakciójában állítják elő. Az első reakció gyors, exoterm, teljesen végbemegy, a második lassabb és endoterm, nem megy végbe teljesen. 2 NH3 (f) + CO2 (f) → NH2COONH4

∆H = - 117 kJ/mol

NH2COONH4 → NH2CONH2

∆H = + 15,5 kJ/mol

142

Karbamid gyártás folyamatábrája

Karbamid a) CO2 kompresszor; b) Nagy nyomású ammónia szivattyú; c) Karbamid reaktor; d) Közép-nyomású bontó; e) Ammónia – carbamát elválasztó oszlop; f) Kis-nyomású bontó; g) Elpárologtató; h) Granuláló; i) Deszorber (szennyvíz sztrippelő); j) Vákuum kondenzátor

143

Műtrágyák előállítási módozatai

Klór alkáli elektrolízis •

• •

•

Cruickshank már 1800-ban előállította a klórt elektrolízissel, mégis ipari eljárássá akkor vált, amikor kidolgozták a szintetikus grafit anódot és rendelkezésre állt a szükséges elektromos áram. Az 1800-as évek végén párhuzamosan fejlődött ki a diafragmás és a higanykatódos eljárás, míg a membrános technológiát az 1970-es években valósították meg ipari léptékben. Ugyanebben az időszakban a grafit anódokat kiszorították az aktivált titán anódok mind a diafragmás, mind a higanyos eljárásokban. A 19. században a klórt csak fehérítésre használták, termelése az 1940-es évektől növekedett jelentősen a PVC és poliuretán igényekkel együtt. Az aromás klórvegyületek, a propilénoxid, a klórozott szénhidrogén oldószerek és szervetlen klórvegyületek előállítása szintén növelte a klór igényt. Jelenleg a Nyugat-Európai termelés 9 millió tonna körül van, a US 11,2 millió tonnás és Japán 4,2 millió tonnás termelése mellett, a világban 1994ben 38 millió tonna klórt állítottak elő. A klór előállítása az egyik legnagyobb elektromos energia fogyasztó eljárás. Az egyes országok vegyiparának fejlettségét szokták klórtermelésével is jellemezni.

144

Klór alkáli elektrolízis • Az elektrolízist eredetileg a klór előállítására fejlesztették ki, de az együtt képződő lúg is felhasználásra talált, mint például a textilkikészítés, mosószerek előállítása. A lúg termelés a molekulatömegek arányában 1,128 tonna NaOH/tonna Cl2. A lúg általában 50%-os oldat formájában képződik, egyszerűen tárolható és szállítható is. Fontosabb felhasználási területei a következők: • -szerves és szervetlen anyagok szintézise, • -metallurgiai eljárások, alumíniumipar, • -cellulóz és papíripar, • -textilipar, • -szappan és mosószergyártás, • -vízkezelés, • -fogyasztási cikkek. • A hidrogén szintén a klór gyártás mellékterméke, 28 kg keletkezik 1 tonna klór előállításánál. Felhasználása lehet tüzelőanyagként, nagyobb vegyiüzemekben hidrogénezési reakciókhoz, metanol, ammónia szintézishez, sósav, hidrogénperoxid előállításához.

A klór előállítására szolgáló három eljárás (higanyos, diafragmás, membrános) elsősorban abban különbözik egymástól, hogy miképpen oldják meg az anódon keletkező klór és a katódon képződő lúg és hidrogén elválasztását. A NaCl oldat elektrolízisének alapelve a következő: -az anódon a klorid ionok oxidálódnak és klórt adnak, NaCl → Na+ + Cl2 Cl-(old) → Cl2(g) + 2 e-a katódon a higanyos eljárásnál nátrium/higany amalgám képződik, amiből a bontóban vízzel hidrogén és NaOH keletkezik, a membrános és diafragmás cellákban vízbontás megy végbe hidrogén és OH- ionok képződése mellett. 2 Na+(old) +2 H2O + 2e- → H2(g) + 2 Na+(old) + 2 OH-(old)

145

Higanyos elektrolizáló és bontó cella elvi működése

A higanyos cella működése azon alapul, hogy a hidrogén túlfeszültsége nagy a higanyon, ezért a nátrium válik le. A sóban lévő szennyezések (pl. V) csökkenthetik ezt a túlfeszültséget, emiatt hidrogén válhat le a Hg katódon és bejuthat a klórgázba. Ez veszélyes, mert a hidrogén a klórral is, ugyanúgy mint az oxigénnel, már 4%-os mennyiségben robbanó elegyet alkot.

NaCl elektrolízis, higanykatódos A) Hg cella: a) Hg bevezetés; b) Anódok; c) végrekesz; d) mosórekesz B) Vízszintes bontó: e) Hidrogén gáz hűtő; f) Grafit lemezek; g) Hg szivattyú C) Függőleges bontó: e) Hidrogén gáz ; g) Hg szivattyú; h) Hg elosztó; i) Tömítés szorító rugók

146

NaCl elektrolízis, diafragmás

a) Perforált acél tartó; b) Katód; c) Azbeszt diafragma; d) DSA anód; e) Cu tartólemez; f) Titán tartólemez

Membrános elektrolízis Ennél az eljárásnál az anódot és a katódot vízzáró, ion-vezető membrán választja el, a sóoldat az anódtérben áramlik, ahol a klorid ionok klórrá oxidálódnak. A nátrium ionok a membránon átjutva a katódtérbe kerülnek, ahol lúgoldat áramlik. Ide vezetik be az ionmentes vizet, amiből hidrogén és hidroxil ionok lesznek, ez utóbbiak a nátrium ionokkal 32-35%-os töménységű lúgot adnak. A kimerült sóoldatot szilárd NaCl hozzáadásával, a lúgoldatot bepárlással töményítik. •A katód anyaga nikkel vagy saválló acél, felületén katalitikus hatású bevonattal, mint például Ni-NiO. Az anód a már ismertetett Ti nemesfémoxid bevonattal. A membrán anyaga perfluorozott polimer, amin karboxil csoportok vannak a katódos oldali rétegben, míg az anódos oldalon szulfonsav csoportokat építenek a polimer rétegbe, a membránt teflon szálakkal erősítik. Élettartamuk 2-5 év közötti.

147

Elektrolízis technológiák értékelése Folyamat

Előnyök

Hátrányok

Diafragmás

Bányászati sóoldat használata, kis elektromos energia fogyasztás

Azbeszt használata, nagy gőzfogyasztás a lúg betöményítésnél, gyenge lúg és klór minőség, érzékeny a nyomásváltozásra

50 % -os lúg közvetlenül a cellákból, tiszta klór és hidrogén, egyszerű sóoldat tisztítás

Higany használat, szilárd só használata szükséges, drága cella működtetés, drága környezetvédelem, nagy területigény

Kis teljes energia igény, kis beruházási költség, olcsó cella működtetés, tiszta lúg, kis érzékenység a cella terhelés változásra és leállásra, javítások várhatóak

Szilárd só használata, tiszta sóoldat kell, nagy a klór oxigéntartalma, drágák a membránok

50%

Higanyos 20%

Membrános 30%

Szerves vegyipar ágazatai • Alapanyagok, intermedierek, monomerek: olefinek, aromások, halogén vegyületek, savak, észterek

• • • • • • •

Polimerek Festékek, szinezékek, textíliák Növényvédőszerek Gyógyszerek Fafeldolgozási termékek, papír Felületaktív anyagok, mosószerek, szappanok Kozmetikumok

148

Etilénoxid és etilénglikol Ag katalizátor

Fagyálló folyadék, mosószer, sampon előállításához

A műbőr alapanyagok gyártása CH2

CH2

Cl2

CH2Cl

ClCH2

- HCl

ClCH2

CH2

Lágyított PVC

PVC Cl

Cl

Cl

Cl

O BTX

CH3

elválasztás

CH3

V2O5 katalizátor O

levegõ O

Dioktilftalát O

+ CO + H2

Rh kat.

O

CHO

O bázis

O

Ni kat. CHO

H2

CH2OH

149

Ecetsav előállítási és felhasználási technológiák

CH2

CH2

CH2

CH2

[PdCl4] 2- CuII

CH3

HCl H2O levegõ

+ CH3

CH3OH + CO

COOH

CoIII levegõ

Pd katalizátor

+ levegõ

Rh vagy Ir foszfin CH3J

CHO

CH3

CH3

CH3

COOH

COO

CH CH2

COOH

Műanyagok • Monomer molekulákból épülnek fel. • Polimerizáció: n CH2= CH2 → -CH2- CH2- CH2- CH2– Kopolimerizáció: két vagy többféle monomerből

• Polikondenzáció: kétfunkciós sav és kétfunkciós alkohol reakciója vízkilépéssel, poliészter termék • Poliaddíció: izocianát és alkohol reakciója poliuretánná • Műanyagok csoportosítása: tartalom C H N O halogén • Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagok • Feldolgozás: fröccsöntés, fóliahúzás, extrudálás • Gumigyártás: poliizoprén-kaucsuk • Műgumi butadién polimerizáció • Adalékok: térhálósító, gyorsító, töltőanyag, lágyító, öregedésgátló • Vulkanizálás: hőkezelés a térhálósításhoz

150

A) Kis sűrűségű PE; B) Lineáris kis sűrűségű PE; C) Nagy sűrűségű PE

Polietilén jellemzői Előállítás: gyökös polimerizáció (nagy nyomás, katalitikus polimerizáció, Ziegler-Natta (TiCl4-AlEt2Cl), ferrocenil-komplexes

Különböző PE féleségek molekulatömegeleoszlás a logaritmikus skálán

Polipropilén

Fólia és szálképző polimer

151

Poliamidok 1 dikarbonsav és diamin 2 omega-aminosav 3 laktám

Poliuretánok

propilénglikol

OH TDI

MDI

OH

152

Gyógyszergyártás • Hatóanyag előállítás • Formázás • Csomagolás

• Gyógyszerek hatástani csoportosítása – Keringésre ható szerek- vérnyomáscsökkentők, β-blokkolók, ACE gátlók, vízhajtók – Központi idegrendszerre ható szerek- nyugtatók, altatók, antidepresszánsok – Baktériumellenes szerek- szulfonamidok, antibiotikumok – Szteroidok- fogamzásgátlók, gyulladáscsökkentők – Fájdalomcsillapítók- acetilszalicilsav – paracetamol – ibuprofén – Antihisztaminok- allergiaellenes szerek

1997-ben

1998-ban

153

Fájdalom és lázcsillapítók, gyulladáscsökkentők

154

Felületaktív anyagok • Tenzidek típusai: amfoter • anionos: szappanok, szulfonsavsók, szulfátésztersók • kationos: aminok, kvaterner ammóniumsók • nemionos: savamidok, észterek, éterek • Mosószerek adalékai: nátriumtripolifoszfát • nátriumszilikát • zeolit • CMC karboximetilcellulóz

Tenzidek fajtái

155

Mosószeralapanyag előállítása A mosószer alapanyagok előállítására egyenes láncú, α-olefineket használnak a benzol alkilezésére, mert az ebből kapott dodecilbenzolszulfonát az élő vizekben gyorsan lebomlik.

6 CH2=CH2 SHOP eljárás

+

Ni-foszfin katalizátor

Lewis sav katalizátor

SO3

HSO 3

156