Technologia chemiczna WĘGIEL

proces jednostkowy

zachodzi reakcja chemiczna

operacja jednostkowa

etap fizyczny lub fizykochemiczny, nie zmienia składu chemicznego substancji

operacje jednostkowe - cieplne

1. ogrzewanie

2. schładzanie

operacje jednostkowe - dynamiczne

1. transport cieczy i ciał stałych

2. rozdrabnianie

3. sedymentacja

4. flotacja

5. wirowanie (centryfugacja)

6. fluidyzacja

7. separacja w cyklonie

operacje jednostkowe - dyfuzyjne

1. destylacja i rektyfikacja

2. absorpcja

3. adsorpcja

4. desorpcja

5. ekstrakcja

6. suszenie i nawilżanie

7. rozpuszczanie

8. krystalizacja

procesy jednostkowe - przykłady

1. spalanie

2. utlenianie

3. adsorpcja chemiczna

4. zobojętnianie

Pentalog technologii chemicznej

1. Zasada najlepszego wykorzystania różnic potencjałów (siły napędowej) w procesie

2. Zasada najlepszego wykorzystania surowców

3. Zasada najlepszego wykorzystania energii

4. Zasada najlepszego wykorzystania aparatury

5. Zasada umiarkowania technologicznego

Zasada najlepszego wykorzystania różnic potencjałów (siły napędowej) w procesie

Zasada najlepszego wykorzystania surowców

1. Zrównoważ masę procesu lub operacji jednostkowej

2. Jeśli to możliwe, użyj nadmiaru jednego z reagentów

3. Zastosuj przeciwprądowy przepływ mediów (wyrównuje siłę napędową w procesach międzyfazowych)

4. Zaburz równowagę reakcji odwracalnych

5. Przeprowadzaj syntezy z możliwie najlepszą selektywnością

6. Zamroź mieszaninę reakcyjną po procesie, aby zminimalizować reakcje uboczne

7. Jeśli to możliwe, regeneruj substancje pomocnicze

8. Zawsze staraj się maksymalizować ponowne wykorzystanie produktów ubocznych lub odpadów z procesu

Zasada najlepszego wykorzystania energii

1. Zrównoważ energię procesu lub operacji jednostkowej

2. Jeśli to możliwe, odzyskuj ciepło produktów, aby ogrzać substraty

3. Zastosuj przeciwprądowy przepływ mediów (zapewnia prawie stałą różnicę temperatur ΔT)

4. Stopniowo, wielokrotnie wykorzystuj ciepło ponownie

5. Racjonalnie zarządzaj ciepłem (właściwa izolacja, praca autotermiczna)

6. Wykonuj tylko niezbędną pracę

Zasada najlepszego wykorzystania aparatury

1. Stosuj recyrkulację mieszanin reakcyjnych, które nie zareagowały całkowicie

2. Gdy dyfuzja jest etapem ograniczającym szybkość reakcji, działaj w celu zmniejszenia oporów dyfuzyjnych (zwiększ rozdrobnienie materiałów, stosuj porowate katalizatory, złoża fluidalne)

3. Gdy kinetyka reakcji jest etapem ograniczającym szybkość, działaj w celu zmniejszenia oporów kinetycznych (stosuj katalizatory, racjonalnie zwiększaj temperaturę)

Zasada umiarkowania technologicznego

Zasada kompromisu, która mówi, że zasady technologiczne powinny być stosowane we wzajemnym powiązaniu, ponieważ coś korzystnego z jednej perspektywy może być niekorzystne z innej

Dodekalog zielonej chemii

1. Zapobieganie powstawaniu odpadów

2. Gospodarka atomowa

3. Mniej niebezpieczne syntezy chemiczne

4. Projektowanie bezpieczniejszych substancji chemicznych

5. Bezpieczniejsze rozpuszczalniki i substancje pomocnicze

6. Projektowanie z myślą o efektywności energetycznej

7. Stosowanie surowców odnawialnych

8. Redukcja pochodnych

9. Katalizatory

10. Projektowanie degradacji

11. Analiza w czasie rzeczywistym w celu zapobiegania zanieczyszczeniom

12. Bezpieczniejsza chemia w zapobieganiu wypadkom

Kategorie chemikaliów

1. masowe (bulk) - procesy ciągłe, duże instalacje, optymalizacja kosztów, wydajność na ogromnej skali

2. specjalistyczne (specialty) - ciągłe/okresowe (batch), kontrola właściwości produktu, elastyczność procesu; farby, kleje

3. konsumenckie (consumer) - produkcja masowa + kontrola jakości, formulacja dla konsumentów; detergenty, środki zapachowe

4. wysokowartościowe (fine) - zaawansowane technologie syntezy, wysokie standardy czystości, precyzyjna kontrola parametrów reakcji; farmacja, agrochemia

zielona chemia

Zielona chemia jest to projektowanie produktów i procesów chemicznych, które zmniejszają lub eliminują użycie i wytwarzanie niebezpiecznych substancji

technologia organiczna - surowce pierwotne

Węgiel

Ropa

Gaz

Biomasa

surowce wtórne (podstawowe bloki budulcowe w tech. org.)

etylen, propylen, benzen, węglowodory C₄, gaz syntezowy, toluen, ksyleny

półprodukty - do dalszej syntezy np. fine chemicals

tlenek etylenu, metanol, fenol

podział ze względu na stopień uwęglenia

1. antracyt

2. węgiel bitumiczny (kamienny)

3. węgiel podbitumiczny

4. lignit/węgiel brunatny

analiza przybliżona

1. wilgoć

2. lotne składniki (uwalniane przy podgrzewaniu bez dostępu powietrza)

3. popiół (niepalna pozostałość po spaleniu)

4. stały węgiel

analiza elementarna

CHONS; bazy odniesienia:

1. AR (as received)

2. AD (air-dried) - bez wilgoci, z wilgocią właściwą

3. DB (dry basis) - całkowicie suche

4. DAF (dry, ash free)

5. DMMF (dry, mineral matter free) - bez materiału mineralnego typu iły, kalcyt, kwarc

procesy oparte na węglu

1. spalanie

2. koksowanie (karbonizacja, odgazowanie)

3. zgazowanie

4. (hydro)upłynnianie

5. inne - karbid

koksowanie

termiczne odgazowanie, piroliza; 900-1100; beztlenowo

proces okresowy (20 h)

produkty: 70% koks, 30% surowy gaz koksowniczy (gaz koksowniczy, amoniak, benzol surowy, smoła, ścieki)

gaz koksowniczy - skład

H₂, CH₄, CO, N₂, CO₂, wyższe węglowodory, siarkowodór; używany na terenie zakładu jako gaz opałowy

benzol surowy

oddzielany przez absorpcję w oleju płuczącym; BTX (benzene, toluene, xylenes), tiofen, pirydyna, fenol

smoła koksownicza - produkty destylacji

oleje: <200 lekki, średni, ciężki, antracenowy; >350 pak

zgazowanie węgla

produkt: syngaz (1:1)

czynniki zgazowujące: para wodna, tlen

reakcje:

reakcja Boudouarda

zgazowanie dwutlenkiem węgla:

C + CO₂ → 2 CO (endo)

metanizacja

CO lub CO₂ do metanu i wody, egzo

co dalej z syngazem

zgazowanie podziemne

nie robi się

wady: zmienny skład produkowanego gazu, znaczne straty czynnika zgazowującego oraz otrzymywanego gazu, możliwość wystąpienia zawałów zgazowywanych złóż

upłynnianie

węgiel → paliwa ciekłe (Coal To Liquid)

bezpośrednie DCL - katalityczne: hydroupłynnianie (360-500)

pośrednie ICL

• zgazowanie → synteza Fischera-Tropscha → paliwa

• zgazowanie → metanol → MTG (Methanol To Gasoline)

DCL - co używane

1. wodór

2. rozpuszczalnik

3. katalizator, typowo: MoS₂, Ni-Mo, Co-Mo; na nośnikach! np. Al₂O₃

DCL - rola wodoru

• hydrogenacja (nasycanie wiązań)

• hydrogenoliza (rozerwanie wiązań C-C, C-S, C-O; ułatwia depolimeryzację

• usuwanie heteroatomów (reakcje z azotem, tlenem, siarką, lotne produkty)

• stabilizacja produktów pośrednich (zamykanie rodników; ograniczenie ciężkich pozostałości i koksu)

DCL - rozpuszczalniki

Ułatwiają rozpad struktury węgla, stabilizują fragmenty, poprawiają wymianę ciepła i masy

• ciężkie frakcje olejowe - rozpuszczalniki recyrkulacyjne; pochodzą z samego procesu

• rozpuszczalniki donorowe wodoru - np. tetralina; przekazywanie wodoru reaktywnym fragmentom, późniejsza regeneracja w obecności H₂

DCL - wady

• środowisko - emisja CO₂, ścieki

• złożoność surowca - zmienne właściwości, dezaktywacja katalizatorów

• ryzyko ekonomiczne - przy niskich cenach ropy

• wysokie koszty (inwestycyjne i operacyjne)

• wysokie zużycie wodoru

karbid

węglik wapnia CaC₂

2000-2100 wapno+koks: CaO + 3C → CaC₂ + CO

hydroliza: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂

proces Frank-Caro (1000): CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C (cyjanamidek wapnia)

hydroliza: CaCN₂ + H₂O + CO₂ → CH₂N₂ + CaCO₃