Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών

Transcript

1 Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών Ενότητα: Εργαστηριακή Άσκηση 1 Τίτλος: Μελέτη εψησιμότητας πρώτων υλών για την παρασκευή κλίνκερ Ονόματα Καθηγητών: Κακάλη Γ., Μουτσάτσου Α., Μπεάζη Μ., Ρηγοπούλου Β., Φτίκος Χ., Βόγκλης Ν., Κωστογλούδης Γ., Μπαδογιάννης Σ. Σχολή Χημικών Μηχανικών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

3 Περιεχόμενα Μελέτη εψησιμότητας πρώτων υλών για την παρασκευή κλίνκερ 1.1 Σκοπός Εισαγωγή Πειραματική διαδικασία Ζητούμενα Βιβλιογραφία

4 1.1 Σκοπός Αντικείμενο της άσκησης είναι η έψηση πρώτων υλών για την παρασκευή κλίνκερ. Η πορεία της έψησης αξιολογείται με βάση το ποσοστό του CaO που παραμένει αδέσμευτο μετά από έψηση του υλικού σε διάφορες θερμοκρασίες. Παράλληλα καταγράφονται οι μεταβολές που υφίσταται το υλικό κατά την έψηση με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ και διαφορικής θερμιδομετρικής ανάλυσης. 1.2 Εισαγωγή Το μίγμα πρώτων υλών (φαρίνα) για την παρασκευή κλίνκερ περιέχει κυρίως CaO, SiO 2, Al 2 O 3 και Fe 2 O 3 και παρασκευάζεται με συνάλεση ασβεστολιθικών και αργιλοπυριτικών ορυκτών. Tα κύρια στάδια στην παραγωγική διαδικασία του τσιμέντου είναι η προετοιμασία των πρώτων υλών που περιλαμβάνει θραύση, ανάμειξη και άλεση, η έψηση του μίγματος που προκύπτει και η συνάλεση του προϊόντος έψησης (κλίνκερ) με γύψο προς παρασκευή τσιμέντου. Το στάδιο της έψησης είναι το σημαντικότερο γιατί καθορίζει τόσο την ποιότητα όσο και το κόστος του τελικού προϊόντος. Η παραγωγή τσιμέντου είναι ένας από τους πλέον ενεργοβόρους κλάδους της χημικής βιομηχανίας. Αυτό οφείλεται στην αναγκαιότητα έψησης των πρώτων υλών σε υψηλή θερμοκρασία ( C) η οποία είναι απαραίτητη για την ολοκλήρωση των αντιδράσεων κλινκεροποίησης. Η απαιτούμενη ενέργεια καταναλώνεται κατά το ήμισυ περίπου για την διάσπαση του ασβεστόλιθου και κατά το ήμισυ για την θέρμανση του μίγματος στην θερμοκρασία των C. Μετά την διάσπαση του ασβεστόλιθου αρχίζει μία σειρά αντιδράσεων μεταξύ των οξειδίων που οδηγεί στον σχηματισμό διπλών οξειδίων όπως 2CaO. SiO 2, 3CaO. Al 2 O 3, 4CaO. Al 2 O. 3 Fe 2 O 3. Στην περιοχή των C σχηματίζεται υγρή φάση η οποία επιταχύνει την αντίδραση μεταξύ CaO και C 2 S προς C 3 S η οποία θεωρείται και η βασική αντίδραση κλινκεροποίησης. Στον ΠΙΝΑΚΑ 1 φαίνονται οι αντιδράσεις έψησης της φαρίνας και οι αντίστοιχες θερμοκρασιακές περιοχές. ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Αντιδράσεις έψησης της φαρίνας Θερμοκρασία ( 0 C) Αντιδράσεις έψησης Αφυδάτωση και διάσπαση αργίλων - Σχηματισμός S 2 A Διάσπαση MgCO 3 - Διάσπαση CaCO Σχηματισμός C 2 S Mεταβολή των άμορφων οξειδίων Al καιsi σε κρυσταλλικά 4

5 Σχηματισμός C 5 A 3 και C 2 AS που διασπώνται αργότερα Σχηματισμός C 3 A και C 4 AF Εμφάνιση υγρής φάσης Σχηματισμός C 3 S Η συμπεριφορά του μίγματος πρώτων υλών κατά την έψηση επηρεάζεται από ένα πλήθος παραγόντων όπως η χημική και ορυκτολογική σύσταση, η λεπτότητα, η παρουσία ευτηκτικών ουσιών, η ομοιογένεια του μίγματος κ.ά. Επειδή είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί η δράση καθενός από τους παραπάνω παράγοντες έχει αναζητηθεί μία μέθοδος συνολικής εκτίμησης της εψησιμότητας των πρώτων υλών. Ως μέτρο της εψησιμότητας του μίγματος θεωρείται ο ρυθμός απομείωσης της ελευθέρας ασβέστου (fcao) και ο συντελεστής εψησιμότητας υπολογίζεται με βάση την περιεκτικότητα σε fcao του μίγματος σε μία σειρά διαφορετικών θερμοκρασιών. Η μέθοδος που διατυπώθηκε από τους Blaise, Musikas και Tiedrez για την μέτρηση της εψησιμότητας περιλαμβάνει προσδιορισμό του fcao μετά από έψηση μορφοποιημένων δειγμάτων στις θερμοκρασίες 1000, 1100, 1200, 1300, 1350, 1400 και C. Ο συντελεστής εψησιμότητας δίδεται από τον τύπο 600/(C 0 +2C 1 +2C 2 +3C 3 +4C 4 +4C 5 +2C 6 ) όπου C 0, C 1, C 2, C 3, C 4, C 5 και C 6 είναι η % fcao στις θερμοκρασίες 1000, 1100, 1200, 1300, 1350, 1400 και C αντίστοιχα. Κατά καιρούς έχουν προταθεί διάφοροι τύποι για τον υπολογισμό του συντελεστή εψησιμότητας. Ένας από τους πλέον προσφάτους τύπους, ο οποίος εφαρμόζεται στη βιομηχανική πράξη δίνεται παρακάτω: Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. BI=3.75. ((C1+C2+2. C3+3. C4)/(C1-C4) 1/4 ) όπου C1, C2, C3, C4 : %fcao at 1350, 1400, 1450 και C Η % περιεκτικότητα fcao προσδιορίζεται με την μέθοδο της αιθυλενογλυκόλης η οποία περιγράφεται παρακάτω. 1.3 Πειραματική διαδικασία 1. Δίδονται φαρίνες βιομηχανικής προέλευσης που διαφοροποιούνται είτε ως προς την χημική σύσταση είτε ως προς την προσθήκη ουσιών που επιδρούν στην εψησιμότητα. Ζυγίζονται 2 δείγματα από κάθε φαρίνα, 5g το κάθε ένα, και μορφοποιούνται σε παστίλιες με τις ίδιες συνθήκες συμπίεσης. 5

6 2. Τα δείγματα εισάγονται σε ηλεκτρική κάμινο και υποβάλλονται σε έψηση. Μετά από παραμονή σε θερμοκρασία C επί 20 min εξάγεται η πρώτη παστίλια ενώ η δεύτερη εξάγεται μετά από ισόχρονη παραμονή στους C. Τα δείγματα ψύχονται σε ρεύμα αέρος αμέσως μετά την εξαγωγή τους από την κάμινο και διατηρούνται σε αεροστεγή συσκευασία. 3. Σε κάθε δείγμα γίνεται προσδιορισμός fcaο με την μέθοδο της αιθυλενογλυκόλης που περιγράφεται παρακάτω. Μέθοδος προσδιορισμού fcao: Το δείγμα λειοτριβείται και ζυγίζονται με ακρίβεια g. Σε σφαιρική φιάλη αναμειγνύεται το δείγμα με 40ml αιθυλενογλυκόλης που έχει προθερμανθεί σε θερμοκρασία 80 0 C. Η φιάλη τοποθετείται σε υδατόλουτρο 80 0 C επί 15 min και ανακινείται ανά 5 min. Στην συνέχεια το μίγμα διηθείται υπό κενό με 2 ηθμούς λευκής ταινίας. Η φιάλη εκπλένεται 3 φορές με 40 ml θερμής αιθυλενογλυκόλης. Το διήθημα τιτλοδοτείται με HCl 0.1 Ν και δείκτη κυανού της βρομοθυμόλης μέχρι κιτρινοπράσινης χροιάς. Η περιεκτικότητα του fcao υπολογίζεται από την σχέση %CaO = 0.56xV όπου V ο όγκος του διαλύματος HCl που καταναλώθηκε. 4. Δίδονται το θερμογράφημα DSC και το ακτινογράφημα XRD φαρίνας καθώς και τα ακτινογραφήματα XRD του υλικού μετά από έψηση σε διάφορες θερμοκρασίες, (Παράρτημα Α). 1.4 Ζητούμενα 1. Να σχολιάσετε τις διαφοροποιήσεις που παρατηρούνται μεταξύ των φαρινών που εξετάσθηκαν παράλληλα. 2. Να ταυτοποιήσετε, από τα ακτινογραφήματα και με βάση τα δεδομένα του Παραρτήματος Β, τις διάφορες φάσεις που σχηματίζονται κατά την έψηση και να σχολιάσετε τις αλλαγές που υφίσταται το υλικό. 3. Να χαρακτηρίσετε τις αντιδράσεις έψησης που καταγράφονται με το DSC 4. Nα συσχετίσετε το ποσοστό fcao που προσδιορίσθηκε με την ορυκτολογική σύσταση των αντιστοίχων δειγμάτων. 5. Να αναφέρετε, χρησιμοποιώντας την διαθέσιμη βιβλιογραφία, τρόπους βελτίωσης της εψησιμότητας της φαρίνας. 1.5 Βιβλιογραφία 1. Γ. ΠΑΡΙΣΑΚΗΣ, Β. ΚΑΣΕΛΟΥΡΗ, Σ. ΤΣΙΜΑΣ, Χ. ΦΤΙΚΟΣ. Χημεία και Τεχνολογία τσιμέντου, Αθήνα,

7 2. F.M. LEA, The chemistry of cement and concrete, Edward Arnold Ltd, Glasgow,