Elektrotermické procesy Elektrolýza tavenin Výroba Al Elektrické pece Výroba P Výroba CaC2
1
Elektrotermické procesy Vysokoteplotní procesy, využívající elektrický ohřev (případně v kombinaci s elektrolýzou) výhody el. ohřevu
• • • •
snadná doprava „paliva“ nedochází k hmotnostním změnám snadná regulace nezatěžuje provoz nečistotami
- ohřev (i ve výbušném prostředí) odporový, obloukový, indukční, dielektrický
R = U/I
P = U.I
U =I⋅
(ωL)2 + (R )2
R – odpor [Ω], U- napětí [V], I- proud [A], P-výkon [W], ωL - indukční odpor 2
1
Elektrotermický ohřev obloukové pece umožňují dosáhnout vysokých teplot (2500oC) pomocí el. oblouku mezi elektrodami resp. elektrodami a taveninou elektrody - grafitové resp. uhlíkové (z antracitu) během procesu ubývají ("uhořívají") proudová zátěž až 10 A/ cm2
odporové pece
snažší regulovatelnost čistší prostředí nižší teploty použití vyšší nároky na materiál 3
Elektrolýza tavenin Elektrochemické procesy nerealizovatelné ve vodném prostředí termodynamické důvody (Al), reakce produktů s rozpouštědlem (alkalické kovy a kovy alkalických zemin), minimalizace objemu – jaderný průmyslObecně pracujeme za teplot (nad 500oC) – velká energetická náročnost Funkce el. proudu
- elektrolýza - ohřev (možná i kombinace s jiným zdrojem)
Dostupnost laciné el. energie je hlavním limitujícím faktorem k provozování elektrolýzy tavenin (Norsko, Kanada, ...) 4
2
Hliník Al nejběžnější kovový prvek na zemské kůře 8,8% (pouze ve sloučeninách s jinými prvky) kovový hliník nalezen na Měsíci poprvé připraven 1825 v Kodani H. C. Oerstedem dnes druhý nejvíce produkovaný kov po železe a oceli
Vlastnosti nízká hustota - lehký, v přítomnosti malého množství jiných kovů (Cu, Mn, Si, Mg nebo Zn) tvoří pevné slitiny vysoká tepelná a elektrická vodivost snadno opracovatelný
5
Výroba Al původně byl Al vyráběn velmi omezeně chemickou cestou průlom -1886 Charles Martin Hall v Ohio a Paul L. T . Heroult v Paříži nezávisle přihlásili patent na elektrolytický způsob výroby Al z taveniny. Postup založen na elektrolýze aluminy (Al2O3) rozpuštěné v tavenině kryolitu (Na3AlF6) při teplotě cca 1000oC (1832oF). - Hall-Heroult proces
Bauxitová ruda - 40-60% alumina, + oxidy křemíku, železa atd. - původně z obce Les Baux v jižní Francii - dnes těžen po celém světě
6
3
Bayerův způsob výroby Al2O3 bauxit je loužen horkým roztokem NaOH v autoklávech. Oxidy železa a křemičitany jsou ve formě kalu odstraněny v usazovácích vzniká tzv. červený kal. Al(OH)3 + Na+ + OH- ---> Al(OH)4- + Na+
následuje ochlazení a hydrolýza Al(OH)4- + Na+ ---> Al(OH)3 + Na+ + OH-
odfiltrovaný Al(OH)3 je odfiltrován a vysušen s následnou kalcinací při 1200oC 2Al(OH)3 ---> Al2O3 + 3H2O
vzniká bezvodý Al2O3 (modifikaci lze kontrolovat řízením teploty). Velikost částic je cca 100 µm.
7
Hall-Heroultův proces elektrolýza aluminy rozpuštěné v kryolitu (Na3AlF6) s příměsí NaF za teploty 960 °C Anoda – uhlík (dva typy) “předvypálené” nebo “Sødebergovy” (výroba z koksu a smoly ev. dehtu) během procesu ubývá Katoda – tekutý Al (99%) Elektrolyt – tavenina kryolitu – význam z hlediska nízké provozní teploty (Al2O3 corundum mp 2053oC)
Celková reakce Al2O3 + 3/2C
2Al +3/2 CO2
8
4
Hall-Heroultův proces Dva typy anod Sødeberg – tvořena za běhu procesu ze směsi antracitu, koksu a dehtu tj. kontinuálně tvořená elektroda předvypálené – grafitové elektrody (lepší kontrola procesu, vyšší čistota produktu)
9
Hall-Heroultův proces Parametry elektrolýzy
10
5
Světová produkce hliníku
Celosvětová produkce Al v milionech tun
11
Fosfor Základní biogenní prvek. Vlastnosti a použití fosforu je silně závislé na alotropní formě, ve které se fosfor vyskytuje. Bílý fosfor je měkký (b.t. 440C) , značně toxický a na vzduchu samovznětlivý. Ve tmě jeho páry fosforeskují (samovolně vydávají slabě světelné záření). Vysoce reaktivní. Pro dlouhodobější uchovávání musí být ponořen ve vodě, která zabrání jeho samovolnému vzplanutí. Červený fosfor vzniká zahřátím bílého fosforu na 250 ºC v uzavřené nádobě pod tlakem v inertním prostředí. Červený fosfor je na vzduchu neomezeně stálý, má teplotu tání 597 °C a není jedovatý. Černý fosfor je velmi stálý a svými fyzikálními vlastnostmi připomíná spíše kovy. Má kovový lesk, je tepelně i elektricky dobře vodivý. Vzniká zahříváním červeného fosforu pod tlakem za teploty přes 400 ºC. 12
6
Fosfor Základní surovina - apatit Ca3(PO4)2 CaX2 kde ( X = Cl, F, OH) poloostrov Kola Rusko, USA, Maroko Výroba elektrotermicky v obloukové peci s uhlíkovými elektrodami za teplot 1300 - 1500 oC
Ca3(PO4)2 + 3 SiO2 = 3 CaSiO3 + P2O5 2 P2O5 + 10 C = 10 CO + P4 P4 odchází společně s CO ve formě odplynu - kondenzace P4 ve dvoustupňovém skrápění Fosfor je skladován v sudech pod vodou. Hlavní využití - termická kys. fosforečná - zbrojní průmysl
13
Fosfor
Schéma elektrotermické výroby bílého fosforu 1 - oblouková elektrická pec, 2 - elektrofiltr, 3 - kondenzační věž, 4 - granulační buben, 5 - sušící buben 14
7
Karbid vápníku Dříve hojně využíván k výrobě acetylénu pro organické syntézy. Dnes převážně - svícení, svařování, výroba dusíkatého vápna Výroba elektrotermicky v obloukové peci s uhlíkovými elektrodami (Söderbergovy) za teplot 2000 - 2200 oC.
CaO + 3 C = CaC2 + CO Oblouková pec na výrobu karbidu vápníku 1 - přívod suroviny, 2 - elektrody, 3 těsnění, 4 - odvětrání, 5 - vana, 6 žáruvzdorná vyzdívka, 7 - uhlíková vyzdívka, 8 - odpichový otvor na ferosilicium, 9 - odpichový otvor na karbid vápníku 15
Příklad Jaký je užitečný výkon PU jednofázové elektrické pece, která je napájena pod střídavým proudem I = 55 kA běžné frekvence 50Hz, jestliže napětí na zdroji je 110 V, odpor vodičů r = 5,65.10-5 Ω a indukční odpor ωL = 5 . 10-4 Ω. Jaká je elektrická účinnost této pece? U =I⋅
(ωL )2 + (R + r )2
r
celkový výkon: PC = Uc . I = I2 (R + r)
ωL
U
R
užitečný výkon: PU = Uu . I = R . I2 2
U 2 R = − (ωL ) − r I
2
(
110 −4 R= − 5.10 55000
)
2
− 5,65.10 −5 =1,88.10-3Ω
PU = R . I2 = 0,00188 . 55000 2 = 5687000 W = 5,69 . 106 kW
η=
PU R⋅I2 R 0,00188 = = = = 0,971 = 97,1% PC (R + r )2 ⋅ I 2 R + r 0,00188 + 5,65.10 −5
16
8
Karbid křemíku Brusný materiál, příměs do vyzdívek a keramiky Výroba elektrotermicky v "odporové" peci s uhlíkovými elektrodami a topným jádrem z drceného koksu za teplot 2300 - 2500 oC.
SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO vsádkové provedení - 1 výpal trvá cca 40 hod se vzdáleností od jádra klesá kvalita SiC mletí příp chem. dočištění
Pec na výrobu karbidu křemíku 1 - topné jádro, 2 - uhlové elektrody, 3 - pevná čela, 4 - přívod proudu, 5 - nístěj 17
Elektrometalurgie Alternativa klasickému konvertoru při výrobě oceli - oblouková elektrická pec el. oblouk mezi elektrodami nebo elektrodami a lázní
výroba ušlechtilé oceli z ocelového odpadu a ze surového železa
Schéma obloukové elektrické pece 1 - nístěj, 2 - elektrody, 3 - pracovní otvor, 4 - odpichový žlab, 5 - sklápěcí mechanismus 18
9
