WMN rok akademicki:

Metalurgia, rok III 2015/2016

data wykonania ćwiczenia:

25.11.2015

data oddania sprawozdania:

20.01.2016

Ćwiczenie 2

„Kalcynacja wodorotlenku glinowego Al(OH)3”

Zespół :

Justyna Juszkiewicz

Paulina Piętak

Monika Plucik

1. Wstęp teoretyczny.

Kalcynacja polega na wypaleniu wodorotlenku glinowego Al(OH)3 w celu odwodnienia go.

W wyniku kalcynacji otrzymuje się jako produkt końcowy bezwodny tlenek glinowy Al2O3. Proces odbywa się w piecach obrotowych opalanych mazutem lub gazem czadnicowym przy temperaturze 1200 - 1250 [^o C]. Możliwe jest także stosowanie pieców fluidyzacyjnych. Tak wysoka temperatura kalcynacji jest niezbędna, aby otrzymać niehigroskopijny tlenek glinowy, to jest odmianę alfa - Al2O3 (korund), który nie pochłania wilgoci z powietrza, a więc nadaje się do magazynowania jak również do elektrolizy.

Podczas procesu kalcynacji wytwarza się znaczna ilość pyłu unoszonego z pieca z gazami odlotowymi, dlatego piec łączy się z urządzeniami elektrycznego oczyszczania gazów. Wychwycony pył zawraca się do pieca.

2. Cel ćwiczenia.

Zapoznanie z etapami kalcynacji (dehydratacji) wodorotlenku glinowego Al(OH)3, w celu otrzymania bezwodnego Al2O3 do procesu elektrolizy.

3. Część eksperymentalna.

Odważamy około 1g wodorotlenku następnie umieszczamy na szalce wagi torsyjnej. Opuszczamy wagę wraz z próbką do przestrzeni grzewczej pieca. Kolejnym etapem jest grzanie pieca i równoczesna rejestracja przez komputer zmiany masy próbki i temperatury w czasie (temperatura próbki zmienia się z szybkością grzania pieca [°C/min]).

Al(OH)₃ = Al₂O₃·3H₂O → Al₂O₃·H₂O → γ-Al₂O₃ → α-Al₂O₃

4. Obliczenia

Tabela 1.Wyniki i obliczenia dla: Al2O3*3H2O = Al2O3*H2O + 2H2O(g)

T	deltaH	deltaS	deltaG	K	Log(K)
C	kJ	J/K	kJ
50	103,715	310,558	3,358	0,287	-0,543
100	102,963	308,405	-12,118	49,7	1,697
150	101,841	305,595	-27,471	2460	3,391
200	100,268	302,091	-42,666	51400	4,711
250	98,187	297,919	-57,669	574000	5,759
300	95,557	293,125	-72,448	4010000	6,603
350	92,338	287,748	-86,972	19500000	7,291
400	88,489	281,814	-101,213	71500000	7,855
450	83,982	275,361	-115,145	208000000	8,318
500	78,79	268,423	-128,741	500000000	8,699
550	72,885	261,027	-141,979	1020000000	9,01
600	66,242	253,197	-154,837	1840000000	9,264
650	58,835	244,951	-167,292	2930000000	9,467

Temperatura inwersji:

y = -0,2854x + 14,888

Wykres 1. Zależność delty G od temperatury.

Tabela 2. Wyniki i obliczenia dla: Al2O3*H2O=Al2O3+H2O(g)

T	deltaH	deltaS	deltaG	K	Log(K)
C	kJ	J/K	kJ
150	82,069	169,92	10,167	0,0556	-0,543
200	81,859	169,455	1,681	0,652	1,697
250	81,481	168,698	-6,774	4,75	3,391
300	80,951	167,733	-15,185	24,2	4,711
350	80,288	166,625	-23,545	94,1	5,759
400	79,508	165,422	-31,846	296	6,603
450	78,632	164,168	-40,086	787	7,291
500	77,685	162,902	-48,263	1820	7,855
550	76,685	161,649	-56,376	3780	8,318
600	75,636	160,412	-64,428	7160	8,699
650	74,554	159,207	-72,418	12500	9,01
700	73,461	158,054	-80,349	20600	9,264
750	72,377	156,967	-88,225	32000	9,467
800	71,322	155,961	-96,047	47400	-0,543
850	70,32	155,048	-103,822	67400	1,697
900	69,391	154,238	-111,554	92800	3,391

Temperatura inwersji:

y = -0,1617x + 33,295

Wykres 2. Zależność delty G od temperatury.

Wykres 3. Zalezności ∆m=f(T)

Z powyższego wykresu możemy odczytać temperatury przemian które wynoszą:

- dla przemiany pierwszej 240 ℃

- dla przemiany drugiej 448 ℃

- dla przemiany trzeciej 778

Wykres 4.Opisujący zależność Δm=f(t)

Δm1 = 0,767-0,575 = 0,192 g

Δm2 = 0,575-0,505 = 0,070 g

Obliczenie utraty wody w poszczególnych procesach:

m0 = 0,764g

Utrata wody w pierwszym etapie

mH2O = 0,764-0,194 = 0,570 g

Utrata wody w drugim etapie

m(1)H2O = 0,575- 0,505 = 0,070 g

Łączna masa wody wydzielona w procesie

mH2O+ m(1)H2O=0,64g

Ilość straty wody wyrażona w molach (całkowita)

18 g------1mol

0,64 g-----x

x = 0,0356 mol

strata wody w I etapie

0,0356 mol------0,64g

x mol------0,57g

x=0,0317mol

strata wody w II etap

0,0356mol-0,0317mol=0,0039mol

Szybkośc V dehydratacji wodorotlenku jest największa w zakresie temperatury od 240 - 448
. Obliczona została w następujący sposób:

5. Wnioski

Konrad Stochel

a) W niskich temperaturach następuje wstępne odparowanie wody zawartej w próbce

b)W drugim etapie przy wyższych temperaturach (240~448
), który jest zdecydowanie

najszybszy i w którym ilość usuniętej wody jest największa zachodzi reakcja

Al₂O₃ * 3H₂O
Al₂O₃ * H₂O + 2H₂O

c)W trzecim etapie, przy najwyższych temperaturach odparowaniu ulega reszta wody, lecz

jej ilość jest bardzo mała.

d) Temperatura inwersji dla reakcji z trzema cząsteczkami wody, jest znacznie niższa od

temperatury inwersji dla reakcji z jedną cząsteczką wody.

Michał Badziński

Z wykresu ∆m=f(T) możemy odczytać że podczas pierwszej przemiany do temperatury 240
ilość wody odparowanej jest bardzo mała wynosi 0,002 [g], uważam że jest to związane z niską temperaturą która ogranicza reakcję dehydratacji wodorotlenku glinowego. Podczas kolejnej drugiej przemiany która zaszła od 240 do 448
ilość wody usuniętej w trakcie reakcji kalcynacji jest największa jest to 0,098 [g] wody. Również prędkość dehydratacji podczas tej przemiany jest najwyższa wynosi -0,0094 [mg/min].W trakcie trzeciej przemiany w wysokich temperaturach od 448-778
ubytek wody wynosi

0,035 [g] jest to pozostałość która nie odparowała podczas dwóch poprzednich przemian, ilość H₂O jest wyższa niż podczas pierwszej przemiany związane to jest z znacząco wyższymi temperaturami w których dehydratacja przebiega lepiej.

Podsumowując najlepsze warunki dla kalcynacji wodorotlenku glinowego to temperatury w których zachodzi druga przemiana podczas tego doświadczenia to 240-448
. Ilość wody jak i szybkość jej usunięcia są najkorzystniejsze.

Katarzyna Ciećko

Zmiany w masie próbki następują jedynie w trakcie przechodzenia z jednego zakresu temperaturowego w drugi. Proces kalcynacji przebiega więc w poszczególnych etapach, w których następuje uwalnianie wody. Z wykresu opisującego zależność masy od czasu możemy odczytać temperatury tych przemian. W pierwszym etapie, jak widać z obliczeń, uwalniane jest najmniejsza ilość wody, co świadczy o tym, że jest to wstępne odparowywanie cieczy. W drugim etapie (240-448) uwalniana jest największa ilość wody, co świadczy o tym, że w przemianie tej uwalniane są 2 mole H₂O. Końcowy etap prowadzi już do uzyskania krystalicznego wodorotlenku glinowego, w przedziale tym uwalnia się jedną cząsteczka wody. Temperatura inwersji dla reakcji z jedną cząsteczką wody jest znacznie wyższa (205,9⁰C) od temperatury inwersji dla przemiany z trzema cząsteczkami (52,16⁰C).

Kacper Bojda

Zmiany masy próbek można zauważyć przy zmian progów temperaturowych dla kolejnych reakcji (wzrost i spadek natężenia procesu kalcynacji). Można zaobserwować, że odparowanie wody w próbce nie jest równomierne. Odparowywanie rośnie aż do temp. gdzie zachodzi reakcja Al₂O3*3H₂O->Al₂O₃*H₂O+2H₂O (240-448^oC) gdzie następuje szczytowanie procesu kalcynacji (jak i największa odparowana masa wody) po czym się zmniejsza. Można porównać temperaturę inwersji reakcji z jedną cząsteczką wody (205,9^oC) do reakcji z trzema cząsteczkami (52,16^oC) co przedstawia, że przykład pierwszy ma dużo większą obliczoną eksperymentalnie temperaturę inwersji.

900°C

520°C

225°C

---