Technologia chemiczna. Przemysł nieorganiczny

Opis

Nowoczesna technologia chemiczna z zastosowaniami praktycznymi!

Nowoczesna, kompleksowa publikacja omawiająca zasady organizacji i prowadzenia procesów technologicznych w przemyśle chemicznym i innych dziedzinach produkcji.

Wstępne rozdziały obejmują wybrane wiadomości z zakresu statyki i kinetyki chemicznej, termochemii i elektrochemii przeznaczone dla osób rozpoczynających edukację z dziedziny produkcji przemysłowej.

W części II omówiono:

- wielkości charakteryzujące przebieg procesów chemicznych zachodzących w instalacjach przemysłowych,
- zasady sporządzania bilansów technologicznych,
- podstawy mechanizmów i makrokinetyki procesów w reaktorach chemicznych,
- charakterystyki podstawowych modeli reaktorów chemicznych,
- przykłady działania reaktorów w złożonych układach technologicznych,
- zasady racjonalnej gospodarki surowcami i energią w procesach produkcyjnych,
- zasoby głównych surowców przemysłowych i produkcja wybranych gałęzi przemysłu,
- problemy oddziaływania obiektów przemysłowych na środowisko.

W dalszej części zaprezentowano rzeczywiste przykłady organizowania procesów technologicznych w wybranych działach przemysłu nieorganicznego, ceramicznego, metalurgicznego oraz przy wytwarzaniu gazów syntezowych i niektórych materiałów budowlanych. Kolejne rozdziały poświęcono m.in. produkcji kwasu siarkowego, związków azotowych i sody, procesom metalurgicznym, elektroplazmowym oraz ceramicznym. W książce nie zabrakło również omówienia metod technologicznych służących ochronie środowiska przed skutkami technicznej działalności człowieka oraz podsumowania technik stosowanych przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków.

Podręcznik przeznaczony jest dla studentów pierwszych lat kierunków chemia, technologia chemiczna, inżynieria chemiczna na uczelniach technicznych. Informacje w nim zawarte z pewnością przydadzą się także pracownikom placówek badawczych i projektowych prowadzących prace w dziedzinie technologii chemicznej.

Spis treści

Wstęp

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. Zależność 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 zależności pochodne / 32
3.6.1. Równanie kinetyczne / 32
3.6.2. Zależność 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. Zależności 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. Zagrożenia 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 CO2 / 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 SO2 do SO3 / 201
10.6. Organizacja procesu w reaktorze do utleniania SO2 / 203
10.7. Katalityczne reaktory do utleniania SO2 / 208
10.8. Instalacja do absorpcji SO3 / 211
10.9. Nowe rozwiązania w przemyśle kwasu siarkowego (VI) / 216
10.9.1. Ograniczanie emisji SO2 / 216
10.9.2. Utlenianie SO2 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 złożu 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 zagrożeniom 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 złoża towarzyszących miedzi / 328
15.3. Cynk / 329
15.3.1. Utleniające prażenie blendy cynkowej / 330
15.3.2. Piece fluidalne do utleniającego prażenia 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 łuku 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 CO2 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 podwyższonej temperaturze / 453
19.4.2. Żelowanie mas lejnych w zmiennej temperaturze / 453
19.4.3. Hydrolityczne zestalenie / 453
19.4.4. Wodne formowanie wtryskowe / 454
19.4.5. Odlewanie żelowe / 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 wiążące. wapno i cement / 478
20.1. Rodzaje materiałów wiążących 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