TCC0154l Technologia Chemiczna-surowce i procesy przemysłu organicznego

Transkrypt

1 Zjęci prowdzone przez dr inż. Ewę Lorenc-Grbowską, F3-134c Instrukcj dostępn również n stronie PROCESY KOKSOWNICZE Koksownie węgl to proces termicznego odgzowni węgl lub miesznki węglowej w wysokiej temperturze ( o C) bez dostępu powietrz. Głównym produktem tego procesu jest stł pozostłość (koks, krbonizt) o dużej wytrzymłości mechnicznej i procesie tym powstją produkty ciekłe (smoł węglow) orz gz. dużej rektywności chemicznej. Pondto w Koksownie jest znnym i stosownym od brdzo dwn procesem chemicznej obróbki pliw stłych o njwiększym, oprócz splni, znczeniu prktycznym. Njstrszą technologią krbochemiczną było wytlewnie czyli niskotemperturowe (500 o C) odgzownie węgl. Proces ten nzywny suchą destylcją stosowno już 6000 lt p.n.e. w celu otrzymni półkoksu do procesu metlurgicznego. Początki wysokotemperturowego (ok.1000 o C) odgzowni węgl, w celu wytworzeni koksu o odpowiedniej wytrzymłości do procesów metlurgicznych, sięgją XVIII w. Wiek XIX XX to rozwój gzownictwprocesów odgzowni węgl nstwionych n wytworzenie dużych ilości gzu plnego n potrzeby przemysłu i gospodrki komunlnej. Wydjność procesów koksowni w przeliczeniu n suchą msę węgl wynosi (%): Koks Smoł 2,5-4,5 Wod pogzow 3-5 Amonik 0,2-0,4 Benzol 0,8-1,4 Gz koksowniczy Otrzymnie koksu kwłkowego o dobrej wytrzymłości mechnicznej i odpowiedniej rektywności chemicznej wymg użyci do procesu koksowni węgli chrkteryzujących się zdolnością przechodzeni w stn plstyczny podczs ogrzewni bez dostępu powietrz w temp o C. W prktyce surowcem do otrzymywni koksu jest miesznk kilku typów węgli koksujących. Również wysokouwęglone węgle kmienne orz mił koksowy mogą być dodwne do miesznki koksowniczej jko tzw. skłdniki schudzjące. Zstosownie koksu: koks wielkopiecowy-pliwo, reduktor, czynnik zpewnijący gzoprzepuszczlność wsdu koks do produkcji żelzostopów (Fe+Si, Mn, Cr) koks odlewniczy (pliwo, czynnik zpewnijący gzoprzepuszczlność wsdu) koks do wytopu metli nieżelznych Zn, Pb, Cu (pliwo, reduktor, czynnik zpewnijący gzoprzepuszczlność wsdu) koks opłowy koks do produkcji krbidu koks do produkcji wpn plonego Smoł koksownicz stnowi brdzo złożoną mieszninę wielu tysięcy związków orgnicznych, głównie węglowodorów romtycznych i związków heterocyklicznych, tkże związki zwierjące zot (pirydyn, krydyn), tlen (głównie fenole) czy sirkę (sirkowodór, tiofeny, tiofenole). W tbeli 1 1

2 przedstwiono njwżniejsze związki chemiczne zidentyfikowne w smole koksowniczej. Stosując procesy rektyfikcji, krystlizcji, ekstrkcji, polimeryzcji, pirolizy możn uzyskć ze smoły szereg cennych produktów tkich jk: benzen i jego pochodne, zsdy pirydynowe, nftlen, ntrcen, oleje smołowe, smoły preprowne czy koks pkowy. Klsycznym sposobem przerobu smoły jest proces destylcji smoły węglowej (Rysunek 1). Smoł węglow Destylcj lekki krbolowy nftlenowy płuczkowy ntrcenowy Pk benzen i homologi fenole, zsdy pirydynowe, inden, kumron i ich pochodne, żywice nftlen cetnften, fluoren difenyl, indol Rys. 1. Schemt otrzymywni produktów destylcji smoły koksowniczej ntrcen, fenntern, krbzol, chryzen, piren koks pkowy Zstosownie smoły: W 1m 3 wytwrznie sdzy 30 % olej impregncyjny drewn 25% wytwrznie plstyfiktorów i tworzyw 15% wytwrznie brwników 10% wytwrznie rozpuszczlników 10% inne 10% surowego gzu koksowniczego, oprócz wodoru, metnu, tlenku węgl, ditlenku węgl węglowodorów wyższych, zotu i tlenu znjdują się również NH 3, HCN, pirydyn i homologi, fenol i homologi, H 2 S i inne związki sirki (CS 2, COS, C 4 H 4 S). Głównymi skłdnikmi oczyszczonego gzu koksowniczego, który może być stosowny jk źródło energii cieplnej w przemyśle i w gospodrstwch domowych są: H 2 (53-59 % obj.), CH 4 (23-28 %), CO (6-10 %), C n H m (2-4 %), CO 2 (2-4%), N 2 (3-8 %), O 2 (0,2-0,8 %). Amonik, występujący w formie lotnej i związnej, jest przetwrzny njczęściej w sirczn monu, wykorzystywny jko nwóz sztuczny. Benzol, czyli miesznin benzenu i jego homologów, stnowi cenny surowiec dl orgnicznego przemysłu chemicznego. Wod pogzow jest uciążliwym produktem odpdowym koksowni. Przed odprowdzeniem do ścieków jest poddwn odfenolownie. 2

3 Tbel 1. Njwżniejsze związki chemiczne zidentyfikowne w smole koksowniczej Nzw związku Wzór strukturlny Średni zwrtość [%] nftlen 10 fenntren 5 fluornten 3,3 piren 2,1 cenftylen 2,0 chryzen 2,0 fluoren H H 2,0 ntrcen 1,8 krbzol H N 1,5 2-metylonftlen 1,5 inden 1,0 m-ksylen 0,2 Przykłdowe związki zwierjące tlen Tlenek dwufenylu O 0,3 fenol OH 0,4 o-krezol OH 0,2 krydyn pirydyn Przykłdowe związki zwierjące zot N 0,6 0,02 Przykłdowe związki zwierjące sirkę benzotiofen S 0,3 Sirczek dwufenylu S 0,3 N 3

4 Uwg! Dodtkowo zlec się powtórzenie wiedzy z lbortorium Technologi chemiczn-surowce i nośniki energii, ćwiczenie: Koksownie węgl (Instrukcj dostępn n stronie z wykłdu Technologi chemiczn-surowce i procesu przemysłu orgnicznego prof. G.Gryglewicz. Nleży znć: Klsyfikcję węgl (wiedzieć, które węgle przechodzą przez stn plstyczny) Metody oznczni włsności koksowniczych. Przeminy zchodzące podczs ogrzewni węgl bez dostępu tlenu. WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczeni jest: przeprowdzenie koksowni węgl w wrunkch lbortoryjnych i określenie typu koksu metodą Gry-King, zgdnie z normą (norm dostępn n zjęcich) określenie wydjności produktów koksowni zbdnie włściwości otrzymnego koksu: oznczenie zwrtości wilgoci, popiołu, części lotnych orz wytrzymłości mechnicznej metodą bębnowni w bębnie Rogi. 1. Koksownie i oznczenie typu koksu metodą Gry-King Odwżkę 20 g próbki węgl o uzirnieniu 0,2 mm przenieść do retorty w tki sposób, żeby węgiel nie dostł się do bocznego odprowdzeni. Do retorty włożyć pręt zkończony krążkiem umieszczjąc go tk, żeby krążek znjdowł się w odległości 150 mm, od dn retorty. Nstępnie węgiel rozprowdzić równą wrstwą w części retorty ogrniczonej krążkiem pręt, po czym z pomocą przechyleń lekko wstrząsnąć kilk rzy. Ostrożnie wyjąć pręt. Boczne odprowdzenie retorty połączyć z odbierlnikiem ciekłych produktów koksowni, połączonym uprzednio z rurką do odprowdzni gzów. Retortę w pozycji poziomej włożyć do piec ogrznego uprzednio do tempertury 325 o C i ogrzewć z szybkością 5 o C/min do tempertury 600 o C w tej temperturze trzymć przez 15 minut. Zdolność do koksowni określ się porównując ksztłt otrzymnego koksu z fotogrfimi koksów wzorcowych oznczonych litermi od A do G. Norm PN-84/G Określenie wydjności produktów koksowni Nleży oznczyć wydjność produktów koksowni bdnego węgl: koksu, smoły, wody rozkłdowej i gzu w stosunku do msy węgl. W tym celu przed procesem koksowni nleży zwżyć węgiel orz odbierlnik produktów ciekłych. Po zkończeniu procesu nleży zwżyć ostudzony koks i odbierlnik zwierjący smołę i wodę. Nstępnie zwrtość odbierlnik przenieść ilościowo z pomocą młych porcji ksylenu do połowy objętości kolby. Kolbę umieścić w koszu grzewczym, połączyć z chłodnicą zwrotną i odbierlnikiem i ogrzewć w celu oddestylowni wody. Po zkończeniu skrplni wody prowdzić destylcję jeszcze przez 10 minut, po ochłodzeniu destyltu odczytć objętość wody w odbierlniku. Obliczeni Wydjność koksu (K ) z nlitycznej próby węgl, w%: mk K = 100 (%), gdzie: m w -ms węgl poddnego krbonizcji (g); m k -ms koksu (g). m w 4

5 Wydjność wody rozkłdowej (W rk ), w % W = V rk 100% W (%), gdzie V-objętość wody oznczonej metodą destylcji z ksylenem (cm 3 ); - mw gęstość wody (g/cm 3 ); W - wilgoć w próbie węgl (%)-podje prowdzący Wydjność smoły (T ), w % mo 2 mo 1 ( V ) T 100 (%), gdzie m o1 - ms odbierlnik produktów ciekłych (g), m o2 - ms mw odbierlnik ze skroplonym produktem ciekłym (g). 3.Bdnie włściwości koksu Bdni włściwości koksu obejmują nlizę techniczną orz określenie wytrzymłości mechnicznej metodą bębnowni. Koks (otrzymny od prowdzącego) nleży podzielić n dwie częścijedną przeznczyć do określeni wytrzymłości, drugą do nlizy technicznej. Anliz techniczn koksu Próbę koksu rozdrobnić do zirn poniżej 0,2 mm. Nstępnie wykonć oznczenie zwrtości wilgoci metodą suszrkową, popiołu metodą szybkiego spopielni i części lotnych. Zrówno wod jk i popiół zwrte w koksie stnowią blst obniżjący wrtość opłową koksu. Pondto wilgoć w koksie może wpłynąć n pomir włsności mechnicznych. Wzrost zwilgoceni powoduje pozorną poprwę odporności koksu n ściernie (część powstłego ścieru oblepi duże kwłki koksu). Zwrtość popiołu w koksie orz jego skłd chemiczny zleżą od ilości i chrkteru chemicznego substncji minerlnej miesznki węglowej. Ndmiern zwrtość substncji minerlnej osłbi strukturę koksu i może pogorszyć jego włsności wytrzymłościowe. Zwrtość części lotnych w koksie wynosi od 1 do 5 %. Wrtość t uzleżnion jest od wrunków procesu krbonizcji (tempertur, czs) i w wrunkch lbortoryjnych może być stosown jko miernik stopni odgzowni koksu. Ozncznie wilgoci (W ):PN-80/G-04511, pkt Puste szklne nczyni wgowe zwżyć wrz z pokrywkmi n wdze nlitycznej. Do kżdego nczynk wsypć 1 g 0,01 koksu, rozprowdzić go równą wrstwą n dnie nczynk, przykryć nczynko pokrywką i zwżyć. Nstępnie włożyć nczynko do suszrki ogrznej do tempertury 140 o C. Podczs suszeni pokrywk nczynk powinn być położon obok. Suszenie odwżki powinno trwć 60 minut. Po upływie tego czsu nczynko przykryć pokrywką, wyjąc z suszrki i włożyć do eksyktor. Po ochłodzeniu do tempertury pokojowej zwżyć. Wszystkie wżeni nleży wykonywć n wdze z dokłdnością 0,0001g. m m W 2 = (%), m1 m3 gdzie m 1 -ms nczynk z odwżką pliw przed suszeniem (g), m 2 -ms nczynk z odwżką pliw po suszeniu (g), m 3 -ms pustego nczynk (g). Ozncznie popiołu (A ) metodą szybkiego spopielni : PN-80/G pkt Prostokątne nczyni porcelnowe zwżyć puste n wdze nlitycznej (dokłdność 0,0001g). Do kżdego nczynk wsypć 1 g 0,01 koksu, rozprowdzić go równą wrstwą n dnie nczynk, zwżyć. Nczynk z koksem umieścić n brzegu komory piec ogrznego do 815 o C i stopniowo z prędkością około 2cm/min przesuwć do strefy włściwego żrzeni piec, przez około 10 minut. Gdy wszystkie nczynk znjdują się w strefie żrzeni, piec zmknąć i po ponownym osiągnięciu tempertury 815 o C pozostwić w tej temperturze przez 90 minut. Po zkończeniu prżeni nczynk wyjąć z piec, pozostwić przez około 5 minut n powietrzu, wstwić do eksyktor i po ochłodzeniu do tempertury pokojowej zwżyć. m2 m3 A 100 (%), m1 m3 gdzie m 1 -ms nczynk z próbką pliw stłego (g), m 2 -ms nczynk z pozostłością po spopieleniu próbki koksu (g), m 3 -ms pustego nczynk (g) Obliczeni n zwrtość popiołu w przeliczeniu n stn suchy (A d ) 5

6 A d A 100 (%). 100 W Ozncznie zwrtości części lotnych (V ) metodą wgową : PN-81/G Puste porcelnowe tygle z przykrywkmi zwżyć n wdze nlitycznej. Do kżdego tygl wsypć 1 g 0,01 koksu, rozprowdzić go równą wrstwą n dnie nczynk, postukując lekko dnem tygl o twrdą powierzchnię. Tygle przykryć wstwić do podstwki i umieścić w piecu ogrznym do tempertury 850 o C w strefie jednostjnego żrzeni i ntychmist zmknąć piec. Po włożeniu podstwki z tyglmi piec powinien osiągnąć temperturę 850 o C w ciągu 3-4 minut i utrzymć j do końc prżeni. Jeżeli piec nie osiągnie wymgnej tempertury w ciągu 4 minut, oznczenie nleży powtórzyć. Tygle prżyć przez 7 minut, licząc od chwili zmknięci piec. Wyjąć podstwkę z piec, pozostwić do przestygnięci, po czym tygle przenieść do eksyktor i pozostwić do ochłodzeni do tempertury pokojowej po czym zwżyć. m V 1 m2 = 100 W (%), m1 m3 gdzie m 1 -ms nczynk z odwżką pliw przed prżeniem (g), m 2 -ms nczynk z odwżką pliw po prżeniu (g), m 3 -ms pustego nczynk (g). Obliczeni n zwrtość części lotnych w przeliczeniu n stn suchy i bezpopiołowy (V df ) V df V 100 (%) 100 ( W A ) Dl oznczeń W, A, V z wynik przyjąć średnią rytmetyczną wyników dwóch oznczeń spełnijących wymgni co do różniczy między wynikmi zokrąglonymi do 0,1 %. Ozncznie wytrzymłości mechnicznej (WM) koksu Wytrzymłość mechniczną koksu określ się metodą bębnowni w bębnie Rogi. Dw kwłki otrzymnego koksu (po około 2,5-3 g kżdy) nleży poddć trzykrotnemu bębnowniu przez 5 minut nstępnie po kżdym bębnowniu odsić podzirno n sicie o oczkch 1 mm i zwżyć otrzymny odsiew. Wytrzymłość mechniczną koksu obliczyć według wzoru 100 m1 m4 WM m2 m3, 3m 2 gdzie m-ms koksu (g), m 1 -ms odsiewu przed pierwszym bębnowniem (g), m 2, m 3, m 4 -ms odsiewu kolejno po pierwszym, drugim i trzecim bębnowniem (g). Wyniki podjemy jko liczbę cłkowitą. Dw równoległe pomiry nie mogą różnić się więcej niż 5 jednostek. Wynik końcowy to średni rytmetyczn. Sprwozdnie wykonywne w trkcie ćwiczeń jedno n grupę. 6