Technologia chemiczna : przemysł nieorganiczny / Krzysztof Schmidt- Szałowski [et al.]. Warszawa, 2013 Spis treści WSTĘP XV 1. PRZEDMIOT TECHNOLOGII CHEMICZNEJ 1 1.1. Wstęp 1 1.2. Proces technologiczny 2 1.3. Organizacja procesu w skali przemysłowej 4 1.4. Zasoby i pozyskiwanie surowców przemysłowych 8 1.4.1. Surowce energetyczne 9 1.4.2. Rudy metali 12 1.4.3. Surowce chemiczne 12 2. PODSTAWY PROCESÓW CHEMICZNYCH 13 2.1. Reakcja chemiczna i proces chemiczny 13 2.2. Niektóre wielkości charakteryzujące przebieg procesów chemicznych 13 2.3. Stopień przemiany, wydajność surowcowa 14 2.4. Bilanse technologiczne 17 2.4.1. Obszary bilansowania 17 2.4.2. Podstawa bilansu 20 2.4.3. Równanie bilansowe 20 2.4.4. Równanie bilansu masy w procesie ciągłym 20 2.4.5. Przykład obliczenia bilansowego 22 3. WŁAŚCIWOŚCI UKŁADÓW REAGUJĄCYCH 23 3.1. Wstęp 23 3.2. Termodynamiczna charakterystyka układu reagentów w stanie równowagi 23 3.2.1. Stała równowagi reakcji 23 3.2.2. Stopnie swobody układu 24 3.2.3. ZaleŜność równowagowego stopnia przemiany od temperatury 27 3.3. Kinetyczna charakterystyka układu reagentów w stanie reakcji 28 3.3.1. Szybkość reakcji 28 3.3.2. Szybkość procesu w reaktorze 29 3.4. Proces prowadzony w trybie okresowym w reaktorze zamkniętym o zupełnym wymieszaniu 30 3.5. Proces w reaktorze przepływowym o zupełnym wymieszaniu w stanie stacjonarnym 31 3.6. Równanie kinetyczne reakcji i zaleŝności pochodne 32 3.6.1. Równanie kinetyczne 32
3.6.2. ZaleŜność szybkości reakcji od stopnia przemiany 32 3.7. Wpływ temperatury na szybkość reakcji 35 3.8. Wpływ ciśnienia na szybkość reakcji 38 3.9. Wpływ katalizatorów na szybkość reakcji 38 4. PODSTAWY ORGANIZACJI UKŁADÓW TECHNOLOGICZNYCH 40 4.1. Wstęp 40 4.2. Organizacja procesu w reaktorze 40 4.2.1. Model reaktora zbiornikowego zamkniętego o zupełnym wymieszaniu reagentów 41 4.2.2. Model reaktora zbiornikowego przepływowego o zupełnym wymieszaniu reagentów 44 4.2.3. Model reaktora rurowego przepływowego o przepływie tłokowym 46 4.3. Czas przebywania reagentów w reaktorze przepływowym 50 4.4. Wpływ mieszania na przebieg procesu w rurowym reaktorze przepływowym 52 4.5. Reaktor w układzie technologicznym 53 4.5.1. Wielostopniowy układ reaktorów (kaskada) 53 4.5.2. Reaktor w układzie obiegu powrotnego 58 5. PROCESY W UKŁADACH NIEJEDNORODNYCH 63 5.1. Szybkość reakcji w układach niejednorodnych 63 5.2. Rozpuszczanie substancji stałej w cieczy 65 5.3. Krystalizacja z roztworów ciekłych 70 5.4. Reakcje reagentów stałych i gazowych 72 5.5. Absorpcja 77 5.5.1. Procesy absorpcji 77 5.5.2. Absorbery 78 5.6. Równanie operacyjne procesu wymiany masy (na przykładzie absorpcji) 83 5.6.1. Układ współprądowy 84 5.6.2. Układ przeciwprądowy 86 6. GOSPODARKA CIEPŁEM W INSTALACJACH PRZEMYSŁOWYCH 89 6.1. Wstęp 89 6.2. Podstawy obliczeń cieplnych 90 6.3. Bilans cieplny (bilans entalpii) 91 6.4. Efekty cieplne reakcji 91 6.5. ZaleŜności wynikające z równań bilansowych 93 6.6. Równanie operacyjne wymiennika ciepła 96 6.6.1. Wymiennik współprądowy 97 6.6.2. Wymiennik przeciwprądowy 98 6.7. Równanie operacyjne adiabatycznego reaktora przepływowego 100 7. WYTWARZANIE ENERGII PRZEZ SPALANIE PALIW 104
7.1. Wstęp 104 7.2. Procesy spalania 106 7.3. Płomień. Deflagracja 108 7.4. Wybuchy 110 7.5. Spalanie paliw gazowych 111 7.6. Spalanie paliw stałych 116 7.7. Spalanie paliw ciekłych 122 7.8. Spalanie jako źródło ciepła w procesach wysokotemperaturowych 126 7.9. Wytwarzanie energii w skojarzonych układach gazowo-parowych 131 7.10. Wytwarzanie energii z odpadów komunalnych 132 8. OCHRONA ŚRODOWISKA PRZED EMISJĄ LOTNYCH ZANIECZYSZCZEŃ 136 8.1. ZagroŜenia i ochrona środowiska 136 8.2. Odsiarczanie gazów kominowych z palenisk energetycznych 142 8.3. Usuwanie tlenków azotu ze spalin i gazów poprodukcyjnych 148 8.4. Usuwanie gazowych i ciekłych zanieczyszczeń organicznych 151 8.5. Nowe metody zapobiegania emisji gazów poprodukcyjnych 155 8.5.1. Wydzielanie i magazynowanie CO 2 155 8.5.2. Radiacyjna metoda oczyszczania gazów paleniskowych 156 8.5.3. Skojarzone procesy plazmowo katalityczne 158 9. OCZYSZCZANIE WODY I ŚCIEKÓW 159 9.1. Zasoby wodne 159 9.2. Charakterystyka wody jako surowca 162 9.3. Oczyszczanie wody z zawiesin 163 9.3.1. Sedymentacja 163 9.3.2. Filtracja 165 9.3.3. Flotacja 169 9.4. Fizyczne i chemiczne metody oczyszczania wody 170 9.4.1. Adsorpcja 170 9.4.2. Ultrafiltracja i odwrócona osmoza 171 9.4.3. Wymiana jonowa 174 9.4.4. Zmiękczanie wody metodami chemicznymi 179 9.4.5. Koagulacja zanieczyszczeń koloidalnych 181 9.4.6. Oczyszczanie i dezynfekcja wody za pomocą utleniaczy 181 9.5. Biochemiczne metody oczyszczania wody 185 9.6. Oczyszczanie ścieków 186 9.7. Nowe metody oczyszczania wody przez utlenianie 192 9.7.1. Skojarzone układy silnych utleniaczy 192 9.7.2. Procesy fotokatalityczne 193 10. PRODUKCJA KWASU SIARKOWEGO(VI) 194 10.1. Wstęp 194 10.2. Surowce siarkonośne 194
10.3. Metody wytwarzania kwasu Siarkowego(VI) 198 10.4. Utlenianie siarki 198 10.5. Utlenianie SO 2 do SO 3 201 10.6. Organizacja procesu w reaktorze do utleniania SO 2 203 10.7. Katalityczne reaktory do utleniania SO 2 208 10.8. Instalacja do absorpcji SO 3 211 10.9. Nowe rozwiązania w przemyśle kwasu siarkowego(vi) 216 10.9.1. OgraniczanieemisjiSO 2 216 10.9.2. Utlenianie SO 2 w obecności pary wodnej 218 11. PRZEMYSŁ ZWIĄZKÓW AZOTOWYCH 219 11.1. Metody syntezy związków azotowych 219 11.2. Synteza amoniaku 220 11.3. Podstawy procesu syntezy amoniaku 221 11.4. Reaktory do syntezy amoniaku 226 11.5. Organizacja procesu syntezy amoniaku w złoŝu katalizatora 229 11.6. Synteza amoniaku w układzie obiegu powrotnego (cyrkulacyjnym) 233 11.7. Wytwarzanie kwasu azotowego(v) 237 11.8. Katalizatory do utleniania amoniaku 238 11.9. Reaktory do utleniania amoniaku (tzw. utleniacze) 241 11.10. Przetwarzanie tlenków azotu w kwas azotowy(v) 242 11.11. Wytwarzanie azotanu(v) amonu (saletry amonowej) z kwasu azotowego(v) i amoniaku 246 11.11.1. Neutralizator Hoblera 248 11.11.2. Neutralizatory ciśnieniowe 249 11.11.3. Granulowanie azotanu(v) amonu 250 11.12. Synteza mocznika 251 11.13. Melamina 254 11.14. Nawozy mineralne 254 11.15. Nowe rozwiązania w technologii związków azotowych 257 11.15.1. Niskotemperaturowy katalizator do syntezy amoniaku 257 11.15.2. Ograniczanie emisji tlenków azotu z instalacji kwasu azotowego(v) 258 11.15.3. Przeciwdziałanie zagroŝeniom przy produkcji azotanu(v) amonu 259 12. GAZY SYNTEZOWE 260 12.1. Wstęp 260 12.2. Konwersja metanu z parą wodną, czyli reforming parowy 261 12.3. Inne metody wytwarzania gazów syntezowych z węglowodorów 266 12.4. Zgazowanie paliw stałych 268 12.4.1. Ciśnieniowe generatory gazu systemu Lurgi 270 12.4.2. Fluidalne generatory gazu 270 12.4.3. Zawiesinowe generatory gazu 273 12.5. Konwersja tlenku węgla(ii) z parą wodną 275 12.6. Wydzielanie tlenku węgla (IV) z gazów 278
12.7. Usuwanie związków siarki z gazów syntezowych (odsiarczanie) 281 13. PROCESY ELEKTROLITYCZNE. ELEKTROLIZA CHLORKU SODU 284 13.1. Elektroliza 284 13.1.1. Reakcje elektrodowe 285 13.1.2. Napięcie równowagowe 286 13.1.3. Rzeczywiste napięcie elektrolizy 289 13.1.4. Nadpotencjał i nadnapięcie 292 13.1.5. Warunki prowadzenia elektrolizy 293 13.2. Elektroliza chlorku sodu w roztworze wodnym 296 13.2.1. Elektrolizery z przeponą (diafragmą) filtrującą 298 13.2.2. Elektrolizery membranowe 303 13.2.3. Elektrolizery z katodą rtęciową 306 13.3. Rozwój technologii chloru i wodorotlenku sodu 309 13.3.1. Nowe materiały i rodzaje elektrod 309 13.3.2. Membrany jonowymienne 310 14. PROCESY ELEKTROTERMICZNE 311 14.1. Wstęp 311 14.2. Wyroby węglowe i grafitowe 312 14.3. Węglik krzemu (karborund) 314 14.4. Karbid 316 15. WYBRANE PROCESY METALURGICZNE. MIEDŹ, CYNK, OŁÓW, KADM, ALUMINIUM, SÓD 321 15.1. Wstęp 321 15.2. Miedź 322 15.2.1. Przetwarzanie rud miedzi metodą hutniczą 325 15.2.2. Elektrolityczna rafinacja miedzi 326 15.2.3. Wykorzystanie składników złoŝa towarzyszących miedzi 328 15.3. Cynk 329 15.3.1. Utleniające praŝenie blendy cynkowej 330 15.3.2. Piece fluidalne do utleniającego praŝenia blendy cynkowej 332 15.3.3. Aparaty (piece) z ruchomym rusztem taśmowym 333 15.3.4. Wytwarzanie cynku przez wysokotemperaturową redukcję ZnO 334 15.3.5. Rafinacja cynku 339 15.3.6. Elektrochemiczna metoda wytwarzania cynku 341 15.3.7. Ługowanie 341 15.3.8. Elektroliza 342 15.4. Ołów 343 15.5. Kadm 344 15.6. Aluminium 344 15.6.1. Wytwarzanie tlenku glinu 345 15.6.2. Elektroliza tlenku glinu 347 15.7. Sód 352
16. PRZEMYSŁOWE PROCESY ELEKTROPLAZMOWE 354 16.1. Wstęp 354 16.2. Zjawiska zachodzące w plazmie 354 16.3. Plazma równowagowa i nierównowagowa 355 16.4. Wyładowania elektryczne w gazach 360 16.4.1. Wyładowania koronowe 362 16.4.2. Wyładowania jarzeniowe 363 16.4.3. Wytwarzanie plazmy w plazmotronie 364 16.5. Procesy elektroplazmowe w technologii chemicznej 365 16.5.1. Historyczna metoda syntezy tlenków azotu w tuku elektrycznym 366 16.5.2. Przetwarzanie węglowodorów. Synteza acetylenu 371 16.5.3. Wytwarzanie ozonu w wyładowaniach barierowych 377 16.6. Elektrostatyczne oczyszczanie gazów 383 16.7. Plazmowa obróbka powierzchni i osadzanie powłok 386 16.7.1. Plazmowa obróbka powierzchni 387 16.7.2. Plazmowe nanoszenie powłok grubych 387 16.7.3. Plazmowe osadzanie powłok cienkich 388 16.8. Niektóre kierunki rozwoju technologii elektroplazmowych 390 16.8.1. Plazmowa metoda przetwarzania odpadów 390 16.8.2. Zastosowanie wyładowań ślizgowych 392 16.8.3. Zastosowanie wyładowań impulsowych 393 17. PRODUKCJA KWASU FOSFOROWEGO(V) I NAWOZÓW FOSFOROWYCH 395 17.1. Wstęp 395 17.2. Metody przetwarzania surowców fosforowych 395 17.3. Wytwarzanie kwasu fosforowego(v) metodą roztworową (tzw. ekstrakcyjną) 398 17.4. Produkty uboczne otrzymywane przy produkcji kwasu fosforowego(v) 403 17.4.1. Fosfogips 403 17.4.2. Fluor 404 17.4.3. Uran 404 17.5. Superfosfat potrójny 405 17.6. Nawozy wieloskładnikowe zawierające fosfor 407 18. PRODUKCJA WĘGLANU SODU (SODY) 408 18.1. Wstęp 408 18.2. Proces Solvaya 409 18.3. Karbonizacja, czyli reakcja CO 2 ze składnikami solanki 412 18.4. Regeneracja amoniaku. Odpady produkcyjne 418 19. PROCESY CERAMICZNE 419 19.1. Przedmiot i klasyfikacja ceramiki 419
19.2. Surowce w technologii ceramiki 423 19.2.1. Surowce stosowane w ceramice tradycyjnej 424 19.2.2. Metody otrzymywania proszków ceramicznych stosowanych w otrzymywaniu zaawansowanych tworzyw ceramicznych 427 19.3. Formowanie 434 19.3.1. Formowanie z mas sypkich 434 19.3.2. Formowanie z mas plastycznych 438 19.3.3. Formowanie z mas lejnych 439 19.3.4. Właściwości reologiczne mas ceramicznych 441 19.3.5. Dodatki do mas ceramicznych 449 19.4. Nowe metody formowania tworzyw ceramicznych 452 19.4.1. Formowanie z mas lejnych w podwyŝszonej temperaturze 453 19.4.2. śelowanie mas lejnych w zmiennej temperaturze 453 19.4.3. Hydrolityczne zestalenie 453 19.4.4. Wodne formowanie wtryskowe 454 19.4.5. Odlewanie Ŝelowe 454 19.4.6. Metoda bezpośredniego odlewania koagulującego 461 19.4.7. Metoda odlewania folii 462 19.5. Procesy cieplne w technologii ceramiki 464 19.5.1. Proces suszenia 464 19.5.2. Proces wypalania 467 19.6. Procesy wykończeniowe 474 19.6.1. Obróbka mechaniczna 474 19.6.2. Szkliwienie i dekorowanie 476 19.6.3. Metalizacja i łączenie ceramiki z metalami 477 20. BUDOWLANE MATERIAŁY WIĄśĄCE. WAPNO I CEMENT 478 20.1. Rodzaje materiałów wiąŝących stosowanych w budownictwie 478 20.2. Wapno 480 20.2.1. Proces wypalania wapna. Piece wapiennicze 480 20.2.2. Wodorotlenek wapnia (wapno gaszone) 485 20.3. Cement portlandzki 486 20.3.1. Przygotowywanie surowców do produkcji cementu 487 20.3.2. Wypalanie klinkieru portlandzkiego 491 20.3.3. Gospodarka ciepłem przy produkcji klinkieru portlandzkiego 494 20.3.4. Cement budowlany 498 20.4. Wiązanie i twardnienie zaczynu cementowego 500 LITERATURA 502 oprac. BPK