Podstawy technologii chemicznej i surowce

- technologia (<gr. rzemiosło, produkcja, sztuka)

- logos (<gr. nauka)

Johan Backman w 1772r. po raz pierwszy użył terminu technologia chemiczna, a w 1779 pierwszy raz w podręczniku.

Od końca XVIII w technologia chemiczna pojawiła się jako przedmiot obowiązkowy na uniwersytetach i uczelniach technicznych. Początkowo zajmowała się produkcjami technicznymi (nieorganicznymi). W połowie XIX w uruchomiona została technologia chemii organicznej (leki, barwniki). W owym czasie technologia zajmuje się opisem stosowanych technik wytwarzania. Zajmuje się również aparaturą, oczyszczaniem, transportem, magazynowaniem produktów, obejmuje surowce. Wiek XX to rozwój intensywny chemii i technologii oraz zmiana ich roli, zadań i wzajemnych relacji.

Termodynamika chemiczna otworzyła możliwości realizacji procesów odwracalnych.

Kinematyka chemiczna- rola w poznaniu mechanizmów reakcji, wskazuje drogi intensyfikacji procesów i sterowania nimi w pożądanym kierunku oraz projektowanie aparatów.

Kataliza heterogeniczna zmienia całkowicie oblicze przemysłowych procesów umożliwiając technologom wprowadzenie metod przepływowych reaktorów ciągłych i warunków realizacji procesów.

Technologia chemiczna ulega w miarę upływu czasu zasadniczym zmianom. Nie stanowi prostego opisu technik wytwarzania poprzez analizę fizykochemicznych zjawisk zachodzących w czasie procesu. Sformułowano liczne prawidłowości ogólne i prawa rządzące procesem i jego elementami składowymi. Rodzi się teoria technologii chemicznej.

Ogólnie technologia chemiczna zajmuje się metodą tworzenia koncepcji chemiczno-technologicznej oraz rozwojem procesów intensyfikacji i optymalizacji, zasadami doboru warunków i reaktorów lub innymi zagadnieniami podstawowymi. Teoria technologii chemicznej uzupełniona zagadnieniami dotyczącymi sporowców, energetyki aparatury, ekonomii i ekologii bywa wyodrębniona w programach nauczania jako ogólne technologia chemiczna, podstawy technologii chemicznej czy projektowanie technologiczne. Współczesna technologia chemiczna różni się od swej pierwotnej postaci. Z poziomu wyłącznie empirycznego przeszła na poziom wyższy rozwoju obejmujący badania podstawowe i teorie o znacznym stopniu uogólnienia. Spełnia podstawowe kryteria nauki, dysponuje własną teorią, wyodrębnionym przedmiotem studiów i ukształtowaną metodologią.

Technologia chemiczna - współcześnie nauka o metodach i procesach przerobu surowców (surowców naturalnych, półproduktów, surowców wtórnych) w produkty użytkowe i środki produkcji, w których dominują przemiany chemiczne.

Współczesna rola technologii chemicznej jako podstaw przemysłowej produkcji chemicznej.

Chemia, technologia i przemysł chemiczny są i pozostaną niezastąpionym uczestnikiem działań zmierzających do rozwoju rozwiązywania podstawowych problemów świata a wśród nich:

- zapewnienie wyżywienia i zdrowia ludności w momencie przeludnienia

- zaspokojeniem energetycznych potrzeb ludzkości

- racjonalnej gospodarki światowymi zasobami surowców

- eliminacji zanieczyszczeń środowiska i zaburzeń równowagi w przyrodzie

i inne ku poprawie jakości życia.

Od chemików oczekuje się

- współdziałania w doskonaleniu metod pozyskiwania, przerobu i oszczędnego gospodarowania zasobami surowców i nośników energii

- wprowadzania do użytku coraz bardziej przyjaznych środowisku paliw

-efektywnego wykorzystania alternatywnych surowców i nośników energii (również odpadów)

- współdziałanie w ochronie środowiska poprzez wprowadzanie bezodpadowych technologii i podjęcie się pełnienia centralnej roli w walce z zanieczyszczeniami środowiska powodowanymi przez inne obszary życiowe i produkcyjną działalność człowieka (rozwój chemii, metod i środków, unieszkodliwianie chemicznie szkodliwych emisji ścieków i odpadów).

CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU

Pierwszym etapem w tworzeniu nowego procesu chemicznego jest stworzenie koncepcji chemicznej od surowców do produktów. W tym celu należy na podstawie badań literaturowych wybrać szereg reakcji chemicznych prowadzących od konkretnych surowców do jednego produktu i poddać je analizie (ocenie). Następnie sprawdza się ją w skali laboratoryjnej (najmniejsza skala). Dalej opracowuje się drugą część koncepcji - technologiczną tzn. określa się rodzaj i kolejność operacji oraz czynności jednostkowych prowadzących od surowców do produktów w skali powiększonej (ćwierćtechniczna, wielkolaboratoryjna, półtechniczna, pilotowa).

Wyróżniamy surowce podstawowe wchodzące w skład głównego produktu i pomocnicze- niewchodzące w skład głównego składnika, ale bez ich udziału procesu nie mógłby zajść.

Np. proces otrzymywania soli amoniakalnej (sodu)

2 NaCl + CaCO₃
Na₂CO₃ + CaCl₂

NH₃-surowiec pomocniczy

Zastosowanie surowca pomocniczego umożliwia zrealizowania w kilku etapach reakcji niemożliwych do wykonania w jednym etapie. Zwykle technologie tworząc techniczną koncepcje metody ma kilka dróg do wyboru.

KONCEPCJA CHEMICZNA OTRZYMYWANIA KWASU AZOTOWEGO

1. Metoda Birkelanda. Azot i tlen z powietrzem, temp. 2500^oC łączy się na tlenek. Reakcja endotermiczna.

1. N₂ + O₂
   2NO - 180 kJ/mol reakcje bez surowców pomocniczych

2. 4NO + 3O₂ + 2H₂O → 4 HNO₃ + 606 kJ/mol

2. Elektroliza wody, wodór do syntezy amoniaku

a) 2H₂O → 2H₂ + O₂ - 265 kJ/mol

b) N₂ + 3H₂ → 2NH₃ + 92 kJ/mol

c) 4NH₃ + 5 O₂ → 4NO + 6 H₂O +905 kJ/mol

d) 4NO + 3O₂ + 2H₂O → 4 HNO₃ reakcje bez surowców pomocniczych

3. Zastosowanie surowca pomocniczego- metanu.

a) CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ - 206 kJ/mol

b) CO + H₂O → CO₂ + 42 kJ/mol

c) usunięcie CO₂

d) N₂ + 3H₂ → 2 NH₃ + 92 kJ/mol

i dalej jak pkt c metoda 1 i b metodą 2

a) CaO + 3C = CaC₂ + CO - 465 kJ/mol

b) CaC₂ + N₂ = CaCN₂ + C + 302 kJ/mol

c) CaCN₂ + 3H₂O = 2NH₃ + CaCO₃

i dalej jak c w 2 i b w 1

Przedstawione są cztery metody otrzymywania HNO₃. Metody te sprawdza się w laboratorium i następnie decyduje, która jest najlepsza do skali pilotowej. Określa się wydajność.

Symbol	kg/2kmol HNO3	kg/1 Mg HNO3
CaO C N2 H2O O2	56 36 28 54 128	445 286 222 430 1010

Metoda 1

Surowce: N₂ i O₂ z powietrza w temperaturze 2500^oC łączy się na tlenek z wydajnością 2,5 %, tlenek utlenia się do dwutlenku i z wodą tworzy kwas azotowy. Jest to podstawa do opracowania w skali technicznej metody otrzymywania HNO₃. Jest bardzo duże zapotrzebowanie energetyczne. Metodę tą stosowano w Norwegii (opracowana1902, 1903, 1905). Łączenie O₂ i N₂ w tej temperaturze przy bardzo małej wydajności oraz dużym zużyciu energii jest droga. Możliwość otrzymania kwasu, ale duże zużycie energii, brak odzysku ciepła- tylko kraje z niską energią.

Metoda 2

Elektroliza wody - synteza amoniaku. Znaczne zużycie energii w procesie elektrolizy. Zastosowanie zależy do cen energii (surowców). Metoda nie znalazła szerszego zastosowania.

Metoda 3

Surowiec pomocniczy- metan z gazu ziemnego. Wydajność wszystkich reakcji wysoka - powyżej 90%. Koszt wytwarzania produktów dość niski ze względu na powszechność gazu. Jeden z najważniejszych sposobów otrzymywania kwasu. Wcześniej (do lat 50' 60' oparta na węglu - teraz gaz ziemny, działając na węgiel parą otrzymujemy C + H₂O = CO + H₂)

Metoda 4

Otrzymywanie amoniaku jako produktu pośredniego. Duże zużycie energii- proces energio- i surowcochłonny.

STEREOCHEMIA REAKCJI ( na podstawie metody 4)

Węglan wapnia CaCO₃ można zawrócić do procesu. Bo rozkłada się na CaO + CO₂ - tzw. regeneracja substratu.

Ilość poszczególnych składników w kg/2kmol HNO₃ i w kg/1Mg HNO₃.

KONCEPCJA TECHNOLOGICZNA PROCESU

Po pozytywnej ocenie koncepcji chemicznej prowadzi się badania w skali laboratoryjnej. Należy określić realne wydajności reakcji (zakładaliśmy 100%), ustalić optymalne warunki i parametry realizacji reakcji głównej i udział reakcji ubocznych. W czasie tych badań określa się odporność tworzyw konstrukcyjnych na działanie w skali powiększonej. Powinna powstać na końcu pierwsza koncepcja technologiczna nowej metody polegającej na ustaleniu liczby, kolejności i czynności jednostkowych składających się na ciąg technologiczny.

WAŻNIEJSZE JEDNOSTKI CZYNNOŚCIOWO

• OPERACJE JEDNOSTKOWE

- operacje dynamiczne: przepływ płynów, sedymentacja, fluidyzacja, filtracja, rozdrabnianie, mieszanie, flotacja

- wymiana ciepła: ogrzewanie, chłodzenie, wrzenie, kondensacja, sublimacja

- wymiana mas: destylacja i rektyfikacja, absorpcja i adsorpcja, krystalizacja, ekstrakcja, suszenie, nawilżanie

• PROCESY JEDNOSTKOWE

- procesy zachodzące w warunkach zbliżonych do normalnych: roztworowe, dyfuzyjne (z udziałem reakcji chemicznych), kontaktowe, kataliza

- procesy wysokotemperaturowe: spalanie, zgazowanie, hydroliza, kalcynacja, elektrotermia

- procesy wysokociśnieniowe: reakcje w autoklawie z udziałem cieczy, reakcje kontaktowe z udziałem gazów

- reakcje elektrochemiczne: elektroliza roztworów wodnych, elektroliza soli stopionych

O wyborze koncepcji musi decydować gruntowa analiza otrzymanych wyników technicznych i ekonomicznych. W wyborze najlepszej koncepcji pomocne są zasady technologiczne zawierające ogólne wskazania dotyczące opracowania procesu technologicznego.

Zasady technologiczne zawarte są w czterech zagadnieniach:

1. Najlepszego wykorzystania surowców

2. Najlepszego wykorzystania energii

3. Najlepszego wykorzystania aparatury produkcyjnej

4. Umiaru technologicznego

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW

1. Podstawą do obliczeń technologicznych jest zasada zachowania energii oraz oparty na niej bilans masy. Pierwszą czynnością jest wykonanie bilansu materiałowego:

rozchód = przychód

W odróżnieniu od bilansu wykonanego na etapie koncepcji chemicznej, opartego na rachunku stechiometrycznym (100% wydajności) bilans materiałowy jest bliższy rzeczywistości. Na tym etapie uwzględniamy wszystkie współczynniki wydajności wynikające z przyczyn termodynamicznych (reakcje odwracalne, niezachodzące do końca) oraz z przyczyn kinetycznych (nie osiągania stanu końcowego w skutek małych szybkości reakcji) i mechanizmu procesu (np. z powodu występowania reakcji ubocznych zmniejszających wydajność procesu).

Podstawą do wprowadzenia powinny być wyniki badań laboratoryjnych. Nie jest to bilans procesów przemysłowych. Proces przemysłowy wykonuje się po badaniach w skali półtechnicznej w konkretnym zakładzie doświadczalnym.

2. Zasad przeciwprądu materiałowego

Racjonalny sposób maksymalnego wykorzystania surowców w czynnościach jednostkowych zachodzących w układzie, w którym występuje wyraźna granica podziału faz, gdy są one rozdrobnione i różnią się gęstościami. Można tak realizować procesy w przeciwprądzie lub współprądzie, gdzie zachodzi wymiana mas między fazami. Gdy w kontaktujących się fazach pewien ze składników występuje w różnych stężeniach istnieje dążność do wyrównywania się tych stężeń. Ilość przeniesionej masy jest proprcjonalna do różnicy stężeń w obu fazach substancji biorących udział w przenikaniu masy.

- kwas azotowy w warunkach przemysłowych otrzymuje się

2NO + O₂ = 2NO₂ +Q₁ utlenienie NO do NO₂

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO +Q₂ absorpcja w wodzie. Przeprowadza się go w kolumnach(absorberach)-b.dużych

W przeciwprądzie istnieje maksymalna możliwość spotkania się tlenku azotu (na górze rozcieńczone tlenki z czystą wodą, na dole stężony kwas i stężone tlenki). Jest duża siła napędowa procesu i na górze i na dole. Jeżeli chcemy maksymalnie wykorzystać NO to musimy zastosować przecieprąd.

Największe różnice stężeń otrzymuje się, gdy fazy wymieniające masę przesuwają się w przeciwprądzie, wtedy możliwa jest maksymalna wymiana masy z największą szybkością przez wspólną granicę faz.

3. Zasad maksymalnego wykorzystania produktów ubocznych

Oprócz produktów głównych tworzą się inne produkty zwane ubocznymi (odpadowymi). Wówczas należy tak dobrać surowce, technologię i ich przeważanie, aby otrzymane produkty uboczne miały określoną wartość (by nie były odpadami, które zanieczyszczają środowisko).

Np. powstający uboczny SO₂ można utylizować albo wpuścić do atmosfery

Chlorowodór można absorbować w wodzie- powstaje kwas.

4. Zasada indywidualnego regulowania szybkości procesów głównych i ubocznych

Jeżeli obok reakcji głównych zachodzą reakcje uboczne, w których surowce zużywają się również na produkty niepożądane należy tak dobrać warunki i parametry procesu, aby osiągnąć najwyższą szybkość procesu głównego bez zwiększania procesów ubocznych.

Np. utlenianie amoniaku

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + Q₁ 98% reakcja główna i pożądana

4 NH₃ + 4O₂ = 2NO₂ + 6H₂O + Q₂ ok. 2% uboczne

4 NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O +Q₃

Pt - przyśpiesza reakcje, ale tylko główne (działa selektywnie)

5. Zasada regeneracji materiałów

Przyjmując koncepcje, w których stosuje się surowiec pomocniczy, należy tak dobrać ciąg technologiczny aby w procesie następowała regeneracja surowca pomocniczego.

Np. otrzymywanie soli amoniakalnej

- bilansowo 2NaCl + CaCO₃ ≠ NA₂CO₃ + CaCl₂

W rzeczywistości ten proces nie zachodzi, jest szereg etapów:

I CaCO₃ → CaO + CO₂

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

NaCl + H₂O + NH₃HO₂ = NaHCO₃ + NH₄H

II NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl = CaCl + 2NH₃ + 2H₂O

Bez amoniaku nie wykonalibyśmy tej reakcji. Straty amoniaku wynikające ze szczelności nie powinny być większe niż 1∼2 kgNH₃/1Mg sody

ZAGADNIENIE NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII

Decyduje o ekonomicznej stronie danej metody technologicznej, otrzymany produkt musi być najlepszy i najtańszy.

Wstępny bilans energetyczny oparty jest na obliczeniach stechiometrycznych, termotechnicznych, termodynamicznych z uwzględnieniem współczynników wydajności z bilansu materiałowego, ponadto do bilansu wprowadza się współczynniki energetyczne znane z innych analogicznych procesów.

I zasada uzyskiwania ciepła

W jednym miejscu procesu otrzymuje się materiały o wysokiej temperaturze, które trzeba ochłodzić a w innym trzeba inny materiał podgrzać. Wykorzystuje się ciepło materiału chłodzonego do ogrzewania materiału o niższej temperaturze.

- wymiana ciepła zachodzi przez bezpośredni zetknięcie obu materiałów np. podgrzewania powietrza do spalanie paliwa w ciepłym piecu żużlowym

- gdy bezpośrednia wymiana ciepła nie jest możliwa (np. dwa gazy lub ciecze mieszające się) stosujemy wówczas wymienniki ciepła- regulatory, wymiana ciepła zachodzi przez przeponę oddzielającą oba materiały. Można stosować współprąd i przeciwprąd.

II zasada przeciwprądu i współprądu

a - temperatura materiału stygnącego przeciwprądu

b - temperatura materiału ogrzewanego

Można wykorzystywać ciepło uzyskiwane w reakcji do ogrzewania substratów. Najczęściej stosuje się wymienniki rurowe.

Przeciwprąd- temperatura materiału ciepłego obniża się stopniowo, temperatura materiału zimnego podnosi się.

Współprąd- kontakt przez ścianki rur wymiennika, ciepło oddawane.

Skuteczniejszy jest przeciwprąd (maksymalna wydajność), można uzyskać temperatury gazów poreakcyjnych, które używamy do ogrzewania. We współprądzie temperatura będzie zawsze niższa niż gorącego gazu. Zastosowanie przeciwprądu cieplnego umożliwia ogrzanie do max temperatury materiału chłodzonego.

ZAGADNIENIA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY

I zasada maksymalnego oddalenia od stanu równowagi

II zasada obiegu kołowego (szczególny przypadek zasady I)

Zagadnienie najlepszego wykorzystania aparatury tzn. uzyskania największej produkcji z jednostki objętości aparatury. Zagadnienie to jest problemem technologicznym (osiągnięcie w optymalnych warunkach i parametrach największej szybkości procesów), ale i organizacyjnym tzn. bez przerw produkcji (do minimum skrócenia postojów aparatury). Zasady technologiczne w tych ramach wynikają z fizyko-chemicznych praw kinetyki, czynności jednostkowych albo z organizacji tych czynności.

Zasada I

Każdy proces fizyczny czy chemiczny zachodzi tym szybciej im stan układu jest bardzo odległy od stanu równowagi (tj. wartość ujemna potencjału termodynamicznego układu jest możliwie największa). Gdy o sumarycznej prędkości procesu decyduje szybkość przemiany chemicznej to dużej szybkości reakcji będą sprzyjały duże stężenia substratów różne od ich stężeń składu odpowiadającemu stanu równowagi. Gdy o sumarycznej szybkości decyduje dyfuzja należy utrzymać możliwie duże różnice stężeń dyfundujących reagentów.

Np. reakcja syntezy amoniaku N₂ + 3H₂ = 2NH₃ 92 kJ/mol

Stała równowagi
zależy tez od ciśnienia, nie tylko od temperatury (temp. ↑ cieśn. ↑)

Wynika to z różnic między gazami doskonałymi i rzeczywistymi pod dużymi ciśnieniami. Synteza amoniaku ciśnienie od 300-1000atm. Przebiega wobec krystalizatora (Fe) w temp. 500^oC. Surowiec do katalizatora to magnetyt (Fe₂O₃).

Wpływ ciśnienia na syntezie amoniaku

α _r - równowagowy stopień przemiany.

Optymalny stosunek to 3:1, bo max wydajność. Wartość α _r zależy od ciśnienia

300 atm. -27% wydajności jest teoretyczna

W warunkach rzeczywistych syntezy amoniaku nie osiąga się. Wartości teoretyczne stężeń substratów maleją, szybkość reakcji spada. α _rzecz wynosi 16-18 % w warunkach standardowych.

Wydajność amoniaku t=500^oC p=300atm

Zasada II

Jest przypadkiem szczególnym tej pierwszej. Jest stosowana, gdy położenie stanu równowagi jest niekorzystne(tj. w stanie równowagi mała część substratu przechodzi w produkt). Tylko część substratu przereaguje w produkt. Zasada ta stosuje się, gdy produkt można łatwo wyodrębnić z mieszaniny reagentów.

W miarę zbliżania do stanu równowagi szybkość reakcji maleje(maleją stężenia substratów). Opłaca się przeprowadzić proces, gdy jest jeszcze stosunkowo duże stężenie substratu. Wtedy α _rzecz 16-18%. Wyprowadzać produkty z substratami z reaktora i wyodrębnić produkt z mieszaniny gazów poreakcyjnych. Następnie zawrócić mieszaninę do reaktora i uzupełnić ją substratem. Taki obieg kołowy substancji daje:

- utrzymanie układu w dużym oddaleniu od stanu równowagi, co zapewnia ciągła, dużą szybkość procesu

- zapewnienie dużej wydajności z jednostki objętości aparatury

1,2,3,4 -chłodnice, 5- wymiennik ciepła

Zasada III- maksimum temperatury

Gdy o szybkości całego procesu decyduje szybkości reakcji chemicznej, tzn. szybkość reakcji znacznie wzrasta ze wzrostem temperatury, wtedy trzeba dążyć do reakcji procesu technologicznego w wysokiej temperaturze (z uwzględnianiem ograniczeń wynikających z warunków równowagowych, doboru tworzyw na aparaturę i występowanie reakcji ubocznych). Gdy o sumarycznej szybkości procesu decyduje szybkość dyfuzji to należy stosować zasady:

1. Zasada największego rozwinięcia powierzchni zetknięcia się faz.

Stosuje się w układzie 2 i wielofazowych, gdy o sumarycznej szybkości procesu decyduje dyfuzja reagentów z jednej fazy do drugiej (np. z gazów do cieczy). Wtedy ilość dyfundujących reagentów jest proporcjonalna do powierzchni międzyfazowej, przez którą odbywa się wymian mas.

2. Zasada ciągłości pracy - wynika z zasady racjonalnej organizacji procesu.

Przy czynnościach okresowych (tj. załadowanie aparatury, doprowadzenie do optymalnych warunków i parametrów- ciśnienie i temperatura, opróżnienie aparatury oraz oczyszczenie przed następnym etapem). Ciągłość pracy eliminuje te czynności, a więc wstępne i końcowe - otrzymuje się większą produkcję z jednostki objętości aparatury. Bardziej jednolity produkt, stabilnie zachodzące procesy.

UMIAR TECHNOLOGICZNY

Przy stosowaniu zasad trzech wyżej wymienionych zagadnień może zaistnieć wystąpienie sprzecznych czynników np. zasada max temperatury dla reakcji odwracalnej, egzotermicznej (gdzie temperatura nie może być zbyt wysoka) lub zasada max rozwinięcia powierzchni w egzotermicznej absorpcji gazów w cieczy (wraz ze wzrostem temp. maleje rozpuszczalność gazów w cieczy)

We wszystkich przypadkach analogicznych do przykładów należy szukać warunków optymalnych stanowiących kompromis pomiędzy czynnikami sprzecznymi. O wyborze i stosowaniu tych zasad decyduje wynik ekonomiczny analizy zagadnienia.

SUROWCE

Surowce- jeden z zasadniczych elementów procesu technologicznego, od którego zależy technologia wytwarzania, jakość produktu oraz ekonomiczna strona procesu.

Proces technologiczny- zespół tych operacji, którym poddawany jest surowiec dla uzyskania żądanego produktu.

Przykład surowca:

- gaz do syntezy kiedyś otrzymywano z węgla zawartego w koksie (przed wojną), od lat 50-60- zrezygnowano z węgla- surowca podstawowego na korzyść gazu ziemnego (metan). Gaz jest łatwo dostępny i tańszy. CH₄ + H₂O = CO + 3H₂, zmiana surowca spowodowała zmianę technologii.

Rozróżniamy surowce:

1. Podstawowe- ich składniki wchodzą do produktu głównego

2. Pomocnicze- składniki ich nie wchodzą do produktu głównego, ale bez ich udziału proces nie może zajść.

Np. 2NaCl + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaCl, NH₃- surowiec pomocniczy, bez niego proces niemożliwy.

Znaczenie surowców zależy od poziomu rozwoju techniki w danym okresie czasu, np. kilkadziesiąt lat wstecz uran był uciążliwym odpadem przy produkcji radu, teraz jest podstawą rozwoju w technice atomowej, również metale ziem rzadkich- teraz stosujemy w technice półprzewodników.

Wykorzystanie różnych pierwiastków i związków jako surowców zależy od ich znaczenia dla gospodarki narodowej oraz łatwości wydobycia. Wskaźniki te są względne i ulegają zmianie w czasie. O możliwości ich przemysłowego wykorzystania decydują nie rozpowszechnienie w skorupie ziemskiej, lecz lokalne nagromadzenie w rudach i łatwość wydobycia rud.

Np.

Ołów, miedź - powszechnie stosowane, zawartość w skorupie mniejsze niż 0,01% natomiast z rud otrzymuje się kilkanaście procent.

Glin- trzeci pierwiastek w skorupie ziemskiej (7,5%) po tlenie i krzemie. W skałach (glinokrzemiany-powyżej 20%). Rudy te nie zostały dotąd wykorzystane, bo brak metody wydobycia tego metalu. Obecnie otrzymuje się go z boksytu.

Tytan - dziesiąty w skorupie ziemskiej (0,6%), bardzo rozproszony, więc jest pierwiastkiem rzadkim, w rudach bardzo mało

Węgiel - mimo, iż jest go 0,4% to jest skoncentrowany w dostępnych złożach

Podstawowe surowce przemysłu chemicznego:

-powietrze (azot, tlen)

-woda (H₂, O₂)

-siarka rodzima, siarczki metali

-surowce solne (NaCl, KCl, MgCl₂, CaCO₃)

-węgiel, ropa, gaz ziemny (energochemiczne)

Z tych surowców wytwarzane jest wiele produktów: kwasy (azotowy, siarkowy, fosforowy), sole tych kwasów to nawozy sztuczne, soda, chlor i inne.

Surowce organiczne pochodzenia:

-mineralne

-roślinne

-zwierzęce

Według stanu skupienia:

-stałe (węgiel)

-ciekłe (ropa)

-gazowe (gaz)

Surowce odnawialne (ruda itp.) i nieodnawialna (energochemiczne- raz tylko spalane).

Przeważają surowce mineralne: kopalniane wydobywane z ziemi, wyróżniamy: rudy (skupienia minerałów) zawierających metale oraz towarzyszące im domieszki-skały płonne, niezawierające metalu(np. siarka) i palne (węgiel, drewno, torf itd.). Rudy polimetali mają kilka metali np. siarczki kilku metali nieżelaznych(cynk, srebro, miedź, ołów).

Ilość surowców wydobywanych wzrasta, ponieważ ludzi przybywa, wzrasta poziom życia ludzi i zapotrzebowanie na surowce rośnie.

100 lat temu na 1 człowieka 50 ton/rok, teraz 300 ton/rok na osobę.

Surowców z dużą zawartością związków użytecznych już nie ma. Teraz w surowcach jest mniejsza zawartość użytecznych związków (niekiedy ok. 1%). W związku z tym trzeba wydobywać ich więcej.

Wobec wyczerpywania się pokładów wysokoprocentowych wydobywa się niskoprocentowe. Są odpowiednie metody wzbogacanie i wyodrębniania tych związków na miejscu wydobycia. Używanie surowców wzbogaconych oszczędza ilości zużywanej energii do transportu.

Związek może się składać z różnych materiałów różnej wielkości. Należy wydzielić produkt bogaty w jeden minerał użyteczny - koncentrat.

Produkt przejściowy-produkt zawierający kilka minerałów

Wzbogacanie-zwiększenie zawartości danego składnika użytecznego

Sposoby wzbogacania. Materiał musi spełniać warunki:

1.Materiał musi być dostatecznie rozdrobniony (zależne od metody wzbogacanie)

2.Skład rud materiału surowego powinien różnić się składem chemicznym, fizycznym, magnetycznym, elektrycznym lub innym. Im większe różnice we własnościach tym łatwiej rozdzielić i wzbogacać. We wzbogacaniu wykorzystuje się różnice fizyko-chemiczne. Np. różnice twardości(odporność na ścieranie), gęstości materiałów, prędkości opadania ziaren w różnych ośrodkach, stopnia zwilżalności przez wodę przy flotacji magnetycznej.

Sposoby wzbogacania:

-mechaniczne: sortowanie(przesiewanie), oddzielanie, grawitacyjne, seperacja elektromagnetyczna i elektrostatyczna, flotacja. Często stosuje się kilka metod naraz (np. przesiewanie + elektromagnetyzm).

SORTOWANIE-według wielkości ich ziarna, stosowana, gdy materiał składa się z trwałych mechanicznie ziaren towarzyszących rudzie skały i nietrwałych ziaren minerałów (łatwiej ulegają rozdrobieniu niż trwałe- twarde), podczas przesiewania przechodzą przez otworki sita, np. fosforyt od skały płonnej.

ODDZIELANIE GRAWITACYJNE- różna prędkość opadania cząsteczek o różnej wielkości i gęstości w strumieniach cieczy lub gazu (opadanie mokre i suche) np. w wytwórniach soli mineralnej.

WZBOGACANIE ELKTROMAGNETYCZNE - stosowane do udzielania materiałów magnetycznych ( np. magnetyt Fe₃O₄, czy chromitu FeCr₂O₄) od skały płonnej niemagnetycznej.

WZBOGACANIE ELEKTROSTSTYCZNE- do materiału o różnej przewodności elektrycznej. Zasad podobna jak wyżej na rysunku. Zamiast elektromagnesu występuje elektroda ujemna połączona z ujemnym biegunem prostownika. Cząsteczki wykazujące przewodność ładują się ujemnie i są odpychane do pojemnika, dielektryki do pojemnika pod taśmą. Można w te sposób oddzielić rudę przewodzącą od skały( dielektryka).

FLOTACJA-najbardziej powszechna metoda na wielką skalę. W ośrodku wodnym to wzbogacenie rozdrobnionych kopalin użytecznych (ziarna 0,1-0,3mm) wykorzystujące różne zjawiska zwilżalności przez wodę ziaren ciał stałych. W urządzeniu gdzie jest intensywne mieszanie rozdrobnionych kopalin z wodą z dodatkiem odczynników flotacyjnych zwiększających lub zmniejszających zwilżalność ziaren i wytworzenie piany unoszącej się na powierzchni wody. Ziarna o małej zwilżalności przyczepiają się do piany i są unoszone do odstojników koncentratu, Łatwozwilżalne opadają na dno zbiornika. Zawartość składnika użytecznego jest przez to 20-30 razy większa niż w kopalinie. Większe stopnie wzbogacenia osiąga się przez flotację wielokrotną. Wskaźnikiem zwilżalności jest wielkość kąta zwilżania feta θ na stałej powierzchni wzdłuż obwodu zwilżanego tj. wzdłuż granicy rozdziału faz ciało stałe-ciecz-gaz.

Ciecz tworzy z niezwilżalną cząsteczką (1) kąt rozwarty θ a ze zwilżaną (2) kąt ostry θ. Siły napięcia powierzchniowego dążą do wyrównania poziomu cieczy, więc niezwilżona (hydrofobowa) cząsteczka jest wypychana z cieczy na powierzchnię a zwilżalna (hydrofilowa) tonie. Im drobniejsze cząstki tym większy ich stosunek powierzchni do objętości (masy), tym silniejszy jest wpływ zwilżania, dlatego flotację prowadzi się dla materiałów bardzo rozdrobnionych (0,1-0,3 mm).

Do przyspieszenia flotacji stosuje się sposoby techniczne, przez zawiesinę materiału w wodzie przepuszcza się drobne pęcherzyki powietrza. Te pęcherzyki unosząc się porywają ze sobą cząstki hydrofobowe i na powierzchni cieczy tworzy się warstwa zmineralizowanej piany wypełnianej cząstkami materiału hydrofobowego natomiast inne cząstki opadają na dno.

W celu polepszenia flotacji dodaje się:

1. Dla zwiększenia trwałości pęcherzyków powietrza środki pianotwórcze (środki powierzchniowoczynne tworzące warstewki adsorpcyjne na powierzchni pęcherzyków)

2. Dla zwiększenia hydrofobowości cząstki minerałów dodaje się tzw. kolektory (odczynniki zbierające) - są to substancje, które są adsorbowane prze jeden rodzaj minerałów. Kolektory: kwas oleinowy, kwasy naftenowe, ksantogeniany i inne substancje organiczne o złożonej niesymetrycznie budowie, tzn. o niewielkiej części polarnej i znacznej części niepolarnej. Podczas adsorpcji grupy polarne selektywnie przylegają do powierzchni minerału, nie polarne tworzą powłokę hydrofobową.

Dla zwiększenia hydrofilowości dodaje się depresory (substancje utrudniające wypływanie) np. są to różne elektrolity zdolne do zwiększania zwilżalności tylko określonych minerałów.

Aktywatory - substancje eliminujące działanie depresorów (stosuje się ja przy wtórnej flotacji by rozdzielić minerały, które opadły na dno w pierwszej flotacji).

Zużycie wszystkich odczynników jest niewielkie ok. 100g na 1 tonę urobku kopalnianego.

Do flotownika dodaje się rudę, wodę i chem oraz powietrze. Materiały hydrofobowe unoszą się do góry i są odprowadzane, inne są odprowadzane jako odpad. Odpad dalej do następnej maszyny flotującej.

Zasoby mineralnych surowców chemicznych w Polsce. Wyróżniamy trzy grupy surowców mineralnych:

1.Węgiel kamienny, brunatny, siarka, sól kamienna, rudy miedzi, cynku, ołowiu, srebra, surowce skalne.

Są to surowce, których zasoby są znaczne i ważne eksportowo, strategicznie teraz i na przeszłość dla gospodarki.

2. Te, dla własnych potrzeb: gaz ziemny, rudy żelaza i tytanu, których duże zasoby odkryto w pn-wschodniej części kraju, jeszcze nie eksploatowane.

3. Grupa deficytowa: pokrywana importem ropa naftowa, część surowców mineralnych do nawozów sztucznych (np. fosforyt), większość uszlachetniaczy stali (chrom, nikiel).

Obecnie bada się budowę skorupy do 10 km, wierceniami 6 km, eksploatacja do3 km.

Przemysł korzysta tylko z kilku surowców (mimo, że wydobywanych jest dużo więcej).

Zasoby mineralnych surowców chemicznych w Polsce.

	Zasoby	złóż mineralnych
kopalnia	ogółem	W tym zagospodarowanych	Lata eksploatacji
Węgiel kamienny Ropa naftowa Gaz ziemny Metan (pokł.wegla) Siarka Sól kamienna Kamień wapienny	60,183 4,5 146 km^3 59 km^3 741 80 mld 445mln 17 mld 109	24,091 4,1 118 km^3 9 km^3 404 8,521 mld 5,471 mld	500 lat 20 lat 40-50 lat 400 lat 20 000 lat 2200 lat

Polska najbardziej jest zasobna w surowce mineralne.

GAZ ZIEMNY

W latach 60 poszukiwania surowca dla potrzeb przemysłu dotyczyły ropy i gazu. Znaleziono siarkę a także nowe złoża gazu ziemnego zaspokajające potrzeby przemysłu.

Podstawowe ilości gazu ziemnego: przedgórze i Karpaty (ok. 75%krajowych zasobów do inwestowania i eksploatacji). Odkryto gaz w rejonie niżu Polskiego(mniej udokumentowane)różniące się składem (rejon Ostraw Wielkopolskiego). Są dwa główne źródła różniące się składem. Gaz z gór jest bardzo bogatszy w metan, ale tle a niżu zawiera hel (bardzo cenny i rzadko spotykany).

Skład gazu z rejonu:

Skład chemiczny %	Przedgórze Polskie Lubaczów	Niż Polski Tarchały koło Ostrowa Wlkp.
Metan CH4 Węglowodory C2H6-C4H10 Azot Wodór Hel	91-98 1 8 brak brak	35-85 0,4-2 23-56 0,1-0,5 0,15

Gaz z przedgórza ciśnienie: 3-8 MPa

Gaz z niżu ciśnienie: 14-15 MPa

Gaz ziemny tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową. W Polsce są dwa rodzaje gazu. Granica wybuchowości gazu:

-dolna 5% CH₄ w mieszaninie

-górna 14% -II-

Dolna i górna-poniżej 5% i powyżej 14% CH₄ nie jest wybuchowy z powietrzem.

Krajowy gaz ziemny jest wolny od Si CO₂, zawiera znaczne ilości N₂. Gaz wydobywany z Karpat jest gotowym surowcem chemicznym. Gaz z Rosji zawiera związki siarki i trzeba go odsiarczą, ponieważ jest ona trucizną. Gaz z niżu Polskiego wymaga odazotowania oraz odzysku helu. Niektóre gazy ziemne (np. Francji) zawierają H₂S a z Kanady ok. 57% H₂S. Na ogół w gazie są związki siarki.

Procentowy udział w zużyciu energii na skalę przemysłową a Polsce (małe): gaz ziemny - 9 %, ropa -14 %, węgiel - 77 %. W Holandii gaz - 42 %.

W bilansie paliw są trzy rodzaje gazów:

-ziemny, wysokometanowy ( z południowych rejonów), to 81,4% udziału w bilansie, ciepło spalania 39MJ/m³.

-ziemny zazotowany, udział 18,3 %, wartość ciepła spalania 28 MJ/m³

-koksowy, udział 0,3%, ciepło spalania 19 MJ/m³

Praktycznie są więc dwa rodzaje gazów.

Udział gazu używanego do przemysłu to ok. 56 %, reszta to inne potrzeby, np. energetyka.

Globalne zużycie gazu w ciągu ostatnich lat: od 10-14 mld m³ gazu. W tym 56 % zużycie jako surowca dla przemysłu chemicznego.

Gaz ziemny nie zanieczyszcza powietrza.

Przez najbliższe lata: 2010rok, ok. 22 mld m³ z tego 40 % dla przemysłu chemicznego, 30 % na energetykę.

Polskie zasoby 146 mld m³. Możliwości wydobywcze to 4 mld Nm³ gazu na rok, czyli ok. 34% (66% to import z Rosji)

Ceny gazu ok. 130 $ za 1000 m³ w Polsce. Jest zgodność drogi w porównaniu z innymi państwami.

Z gazu ziemnego można uzyskać:

-gaz do syntezy (CO i H₂), konwertując CH₄ parą wodną - uzyskuje się CO i H₂. Następnie z nich, w zależności od parametrów można uzyskać:

-węglowodory wyższe

-paliwa ciekła

-alkohole (metanol)

-aceton, acetylen

-aldehydy

-ketony

Przede wszystkim gaz do syntezy (70 %) jest wykorzystywani do przemysłu chemicznego (otrzymywanie amoniaku, nawozów sztucznych, HNO₃).

Wcześniej gaz do syntezy otrzymywano ze zgazowania węgle. Później już z gazu ziemnego:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (konwersja CH₄)

Otrzymywanie gazu do syntezy:

1. Konwersja CH₄ z parą wodną

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ endotermiczna Q₁= -206kJ/mol

2. Reakcja niepożądana

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂ Q₂= - 163 kJ/mol

3. Konwersja CO z parą wodną na H2

CO + H₂O → CO₂ + H₂ Q3= +41 kJ/mol

4. Półspalanie metanu

CH₄ + 1/2H₂O → CO + H₂ Q₄= +35 kJ/mol

5. Półspalanie CH4 za pomocą powietrza wzbogaconego w O2 ( do gazu do syntezy NH₃)

4CH₄ + 20 H₂O +4 N₂→ 4CO + 8H₂ + 4N₂ Q₅= +140 kJ/mol

4 CO + 4H₂O → 4 CO₂ + 4H₂

razem: 12H₂ : 4N₂

3: 1

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Gaz do syntezy otrzymuje się metodą konwersji CH₄ parą H₂O.

Wszystkie reakcja oprócz 3 przebiegają ze zwiększeniem objętości, więc wpływ ciśnienia jest niekorzystny. Ale przy ciśnieniu 3,3 MPa pozwala na zmniejszenie aparatury i budowę jednostek o większej wydajności, by można było stosować ciśnienie podwyższone. Ujemny wpływ ciśnienia równoważy się nadmiarem pary H₂O (duży), wtedy równowaga rekcji przesunie się w prawo. Ponieważ reakcja endotermiczna to ze wzrostem temperatury równowaga przesunie się w prawo. Na skalę przemysłową trzeba stosować katalizator.

Reakcja endotermiczna 1, bez katalizatora biegnie wolno nawet w bardzo wysokich temperaturach. CH₄ reaguje z parą w temperaturze 1500^oC tylko w ilości od 1 do 3%. W czasie 0,2 sek. Dla osiągnięcia dużej wydajności i korzystnych stanów równowagi stosuje się katalizatory niklowe, umożliwia on osiągnięcie stanu równowagi już w zakresie 700-1000^oC po czasie 2 sekund. Stosowanie katalizatora bardzo przyśpiesz reakcje.

W nowoczesnych procesach przemysłowych katalizatory są zasadnicze. Dobra jakość katalizatora warunkuje korzystne wskaźniki w ekonomiczne i techniczne gabaryty aparatów, pewność ruchu, odpowiednie czasy wymiany katalizatorów wpływa na koszt produktu.

Cechy dobrego katalizatora:

-aktywność - duża, nie może się zmieniać na skutek zatrucia lub przegnania

- wysoka wydajność, uzyskiwanie maksymalnie dużej ilości produktów w możliwie najniższych temperaturach i ciśnieniu

-selektywność, tzn. nie powinien katalizować reakcji mających produkty ubocze

-stabilność (długa żywotność)

-wysoka wytrzymałość mechaniczna

-odpowiednia powierzchnia właściwa i porowatość

Skład katalizatora do konwersji CH₄ z parą:

Ni₂O₃ - 7,5 % SiO₂ - 0,7 % CaO - 1,3 %

Al₂O₃ - 88% MgO - 2% Fe₂O₃ 0,4%

Kształt katalizatora niklowego topierścienie19,19,9 mm. Czas pracy ok. 3-5 lat.

Dopuszczalna zawartość S w gazie poniżej 0,5 ppm H₂S. Można go regenerować parą przegrzaną i H₂ w temperaturze 800^oC. Pracują one w temp 700-800oC - konwersja, do 1100oC -spalanie, w ciśnieniu rzędu 3 MPa. Masa katalizatora 12-13 ton.

W schematach technicznych gazu syntezujemy pod ciśnieniem 30 atm., są dwa warianty:

1. Ciepło potrzebne do konwersji metanu z parą H₂O dostarcza się przeponowo przez ogrzewanie rur reakcyjnych spalonym częściowo gazem ziemnym. Piec do konwersji: długie rury zbudowane ze stali żaro i kwasoodpornych, u góry są palniki - część gazu jest spalana, część wprowadzana do konwektora. Rury 9m² wysokości, 0,1 m średnicy są wypełnione katalizatorem.

W procesie do wyprodukowania gazu syntezowanego (3H₂ + N₂) do produkcji 1 tony NH3 zużywa się ok.:

-1000 Nm3 gazu ziemnego, z tego 42 % do ogrzania pieca

-890 Nm3 powietrza, do dopalacza i produkcji jednocześnie 2,1 tony pary nasyconej o ciśnieniu 3,5 MPa (35 atm.)

W Polsce półspalania z mieszaniną (3H₂ + N₂) do produkcji 1 tony NH₃ zużywa się:

-870 Nm³ gazu ziemnego, z czego 11 % na podgrzanie substratów

-480 Nm³ O₂ i 5,2 t pary H₂O

Obydwa procesy są realizowane w polskich zakładach przemysłu chemicznego.

SIARKA

Zawartość siarki to około 1 mld 300 min ton (cała ilość w Polsce).

W roku 1415 pojawił się pierwszy dokument i pierwsze miejsce eksploatacji siarki - Sfoszowice w okolicach Krakowa. W Polsce rozpoczęto wydobywanie w 1422 r., a eksportowano do 1882r (460 lat). Ok. 1880r pojawiła się na rynkach Europy tania siarka sycylijska, upada eksploatacja w Sfaszowicach- likwidacja kopalni. Importowano piryt ( FeS₂). W 1953 roku profesor Pawłoski w Hokszyszowie k. Tarnobrzega odkrył największe złoża siarki rodzimej. W 1960r Polska z importera stała się eksporterem siaki na cały świat.

ENERGIA W PRZYSZŁOŚCI

Obecnie podstawowym surowcem energetycznym są surowce energochemiczne (węgiel, ropa, gaz). Surowcem podstawowy jest węgiel kamienny i brunatny (ok. 95 % na energetykę), węgiel 77 %, gaz 14 %.

Polska pod względem wydobycia zajmuje czwarte miejsce na świecie. Zmniejszyła się ilość wydobywanego węgla do 110-120 mln ton (wcześniej 190 mln ton). Ocenia się, że węgla starczy na 500 do 1000 lat w Polsce. Na świecie 2000-4000 lat. Inne zasoby: ropa i gaz do ok. 2150 roku (ok. 150 lat).

Energia jądrowa

Obecnie w wielu krajach stosuje się energie jądrową ( Francja - przemysł 70 % z energii jądrowej). Na świecie jest ok. 470 elektrowni jądrowych. W niektórych krajach odchodzi się od tego ( Austria - zdemontowane elektrownie jądrowe po wybuch w Czarnobylu; Czech, Temeun -sprzeciwy, ale uruchomiono). W Czechach węgiel jest mocno zasiarczony, nie można go spalać, dlatego stosują energię jądrową. Stosuję się także elektrownie wodne (w Polsce również można było spotkać, obecnie stopniowo się rozwija). W Danii brak. Szwecja - po 2010r wszystkie elektrownie do likwidacji. Australia- przeciwko. Nowa Zelandia - strefa bezatomowa.

W Polsce była elektrownia jądrowa w Żarnowcu, ale ją zlikwidowano po wybuchu w Czarnobylu. Budowy nie ukończono.

Reaktor wytwarza do 200 kg plutonu jako produkt uboczny, którego nie można zniszczyć. Zasoby uranu są ograniczone, mają wystarczyć na kilkadziesiąt lat.

Energia jądrowa jest 3-4 razy droższa niż tradycyjne. Trzeba przerabiać ubogie rudy uranowe w metaliczny uran i wzbogacać uran w aktywny uran. Wszystkie izotopy uranu są promieniotwórcze, ale czynny jest tylko izotop 235 ( w uranie jest go 0,7 %).

Przyszłość energii jądrowej stanowi tor, którego jest dużo więcej. ł ½ = 1,4 *10¹⁰ lat, przez 12 przejść przechodzi w nieczynny ołów. Wydziela się energia. Ilość energii produkowanej będzie musiała być zwiększona, ( co 20 lata na świeci podwojenie energii). 5-cio krotnego zwiększenia energii wymaga dwukrotne zwiększenie ludności.

Źródła ekologiczne:

- elektrownie wiatrowe, do napędu turbin, nie wytwarza odpadów, nie zanieczyszcza środowiska

- energia słoneczna, dla krajów o dużym nasłonecznieniu. Duże heliostaty - wklęsłe zwierciadła złożone z tysięcy płaskich lusterek, które nagrzewają wodę w kotłach wytwarzając parę do napędu turbin.

Konwersja fotoelektryczna to metoda na przemianie światła w energię elektryczną za pomocą tysięcy fotokomórek. Elektrownie sol. o mocy 1000 HV wymagałyby powierzchni 10 km ². Obecnie są projekty tzw. elektrowni elektrowoltowniczych do 100 tysięcznych miast wymagających powierzchni 0,25 hektara.

Energia słoneczna stanowi dobrą drogę dla przemysłu energetycznego. Cała ilość ropy i węgla do tej pory wydobywana i spalana jest równa energii, jaką otrzymuje ziemie od słońca w ciągu 50 min.

- drzewa, o dużym rocznym przyroście masy (Norwegia, Francja). 0,5 % powierzchni kraju takim gatunkiem drzewa może zaspokoić energię na rok. Spalanie daje 1% popiołu.

Surowce głownie i pomocnicze produkty główne, uboczne i odpadowe

współprąd przeciwprąd

H₂O

10%NO

60%HNO₃

0,1%NO

SO₂ + 2 NH₄OH = (NH₃)₂SO4 + H₂O

SO₃

Utlenia się do absorbuje w roztwór do nawożenia gleb

temp

temp

przeciwprąd

współprąd

a

b

a

b

długość wymiennika

kg

NH₃

10000

8000

6000

4000

2000

α_r %

%NH₃

20

16

12

8

4

Stężenie NH₃ maleje, ale wydajność rośnie. Ponieważ stężenia substratów są duże na początku -duże oddalanie od stanu równowagi, szybkość reakcji duża, więc wydajność rośnie jak maleją stężenia NH₃, bo jest duże stężenie substratów. Szybkość coraz większa, więc i wydajność większa

4000 8000 120000

szybkość objęt.

mieszalnik

Konwersja CH₄ z parą H₂O

Gaz ziemny

Para H₂O

Podgrzewacz 770 K

Reaktor 1270 K

Dopalacz 1370-1420K

Komora wytryskowa

870 K

Kocioł utylizator

Do konwersji CO z parą wodną

(na katalizatorze żelazowo-chromowym)

do syntezy NH₃

650 K

para procesowa 3,5 MPa

520 K

2,8MPa

3,3 kg p H₂O na 1 Nm³ gazu

2,8 MPa

Ok. 3 MPa

1070 K

1220 K

Podgrzewane powietrze

Kondensat H₂O

H₂ 70,5%

CO 8,6

CO₂ 11,5

CH₄ 9,4

H₂ 56,9%

CO 11,7

CO₂ 8,5

N₂ 22,3

CH₄ 0,3

Tu zmienia się ilość metanu

Półspalanie CH₄

Gaz ziemny

+ para H₂O

Powietrze

+ O₂

Reaktor

(13 ton katalizatora)

1220 K

Komora wtryskowa 870 K

Kondensat H₂O

H₂ 53,2%

CO 13,3%

CO₂ 11,4 %

N₂ 21,5 %

CH₄ 0,2 %

Kocioł utylizator

650 K

Do konwersji, CO z parą H₂O

Produkuje parę H₂O stanowi ok. 75 % zapotrzebowania na parę H₂O

2,8 MPa

870 K

720 K

Reaktor to cylinder z grubościennej blachy wypełniony katalizatorem w ilości 13 ton

---