Kordamisküsimused 1 (0)

Keemiatehnoloogiad ja bilansid Kordumisteemat 1. Tahkete lähteainete kaevandamine. Seoses   maardlate   iseloomuga   ja   lähteainete   füüsikaliste   omadustega   kasutatakse   erinevat mineraalide kaevandamise meetodit:  • Maapealne ehk lahtine kaevandamine  Üks levinud meetoditest maapealsel kaevandamisel on pinnase eemaldamine pikkade vaaludena, millele   järgneb   väärtusliku   mineraali   eraldamine.   Iga   järgneva   vaalu   kaevamisel   eemaldatud aheraine paigutatakse eelmisest vaalust eemaldatud materjali kaevesse. Selline paralleelselt toimuv protsess  kestab  nii  kaua,   kuni  pinnaskihi   paksus  muutub  liiga  mahukaks  või  lihtsalt   maavarud lõppevad. Teine väga levinud maapealne kaevandamisviis on karjäärkaevandamine. Sel puhul eemaldatakse pinnas   ning   paigutatakse   see   väljapoole   kaevandusala.   Pärast   mineraali   ammutamist   täidetakse kaevandused   kaevandamise   käigus   tekkinud   kivimmaterjali   ja   pinnasega.   Sellisel   meetodil   on võimalik kätte saada 90% või rohkem maardlas leiduvast maagist. • Maa-alune kaevandamine  Maa-alust kaevandamist kasutatakse olukorras, kus maavara paikneb sügaval maapõues ning selleni jõudmiseks tuleb rajada tunnelite ning kaevekäikude süsteem. •   kamberkaevandamine,   mille   puhul   eemaldatakse   teatud   sektor   lasundist,   kuid   alles   jäetakse kandeplokid (kaevandamata mineraal), mis takistavad ruumi kokku varisemist. Selle meetodi puhul tuleb arvestada, et osa varust jääb kättesaamatuks, aga maapinda ei langetata.  • laava(longwall mining) kaevandamine, mille puhul on õhemad mineraali lasundid kuni mitme kilomeetri   pikkused   ning   kuni   paarisaja   meetri   laiused,   kus   söe   eemaldamiseks   kasutatakse purustajaid   või   koorijaid.   Varingute   vältimiseks   toestatakse   kaevanduskäigud   mehhaaniliste tugedega. Selle meetodi korral eemaldatakse lasundist üle 80% seal leiduvatest mineraalivarudest. Maapind langetatakse peale kaevandamist kuni 2m. • Maa-alune veeldamine (gaasistamine)


Kui mineraalid lahustuvad vees või on termolabiilsed, siis nende saamiseks saab kasutada maa- aluse   veeldamise   meetodeid,   näiteks   söögisoola   või   väävli   saamiseks   Frashi   meetodil.   Sageli pumbatakse   läbi   spetsiaalsete   puuraukude   kaevanduskäikudesse   vett,   et   kivisoolaladestusi lahustada. Seejärel pumbatakse soolvesi välja ja kuumutatakse vedeliku aurustumiseni. Selline sool on   ühtlase   puhtusastmega,   kvaliteetne,   kõrge   NaCl   sisaldusega.   Samasugust   tehnoloogiat kasutatakse KCl ja  muude soolade  saamiseks. Termolabiilsete  ainete, näiteks väävli, saamiseks modifitseeritatakse tehnoloogiat auru või kuuma vee kasutamisega. 2. Fraschi meetod. Fraschi   meetod   on   meetod   väävli   väljavõtmiseks   maa-alustest   hoiustest.  Fraschi   protsessis ülekuumendatud   vesi   pumbatakse   väävli   ladestusse;   väävel   sulab   ja   ekstraheeritakse.   Fraschi protsessis viiakse väävlisadestusse kolm kontsentrilist toru. Ülekuumutatud vesi (165 ° C, 2,5-3 MPa) süstitakse hoiule välimise toru kaudu. Väävel (st 115 ° C) sulab ja voolab keskmisse torusse. Ainuüksi veesurve ei suuda sulanud väävli suurema tiheduse tõttu väävlit pinnale sundida, nii et sisemise toru kaudu sisestatakse väävli vahustamiseks kuum õhk, mis muudab selle vähem tihedaks ja surub selle pinnale. Fraschi protsessi saab kasutada 50–800 meetri sügavuste maardlate jaoks. Fraschi protsess võimaldab toota ülipuhast väävlit. 3. Flotatsioonne rikastamine. Põhineb mineraalide erineval märgumisel või raskustel. Pindpinevuse tõttu märguv osake tõmbub vedelikku,   mittemärguv   osake   tõugatakse   vedeliku   pinnale.   Floteerimisel   suunatakse   läbi peenestatud maagi pulbi, kuhu on lisatud mitmesuguseid floteerimisreagente, õhumullikesi, mis haaravad kaasa mittemärguvad osakesed ja tõstavad need pinnale vahukihti, märguvad osakesed jäävad pulpi ja sadestuvad välja. Sülviniit peenestatakse, moodustub pulp, kuhu lisatakse tallõli, et muuta KCl kristallid hüdrofoobseks. Õhumullid nakkuvad KCl kristallide külge ning floteerivad KCl pinnale. Mõlemad fraktsioonid tsentrifuugitakse, saadakse kook tahke aine sisaldusega 92- 99%.   Igas  tootmisetapis   tekib   jääke   ning  maavara   kadusid,   nii   ka   rikastamisel.   Lisaks   kulutab selline   iga-aastane   miljonite   tonnide   kasutuskõlbmatute   jääkide   transport   rikastusvabrikuni lisaenergiat ja on ka seetõttu majanduslikult kulukam. Selle tõttu tekivad rikastamisvabriku juurde tohutud jäätmemäed ehk rikastamise käigus kaevisest eraldatud materjali panilad. Eestis kasutatakse flotatsioonset rikastamist põlevkivi ja lubjakivi eraldamise protsessis. See meetod põhineb asjaolul, et põlevkivi on lubjakivist tunduvalt kergem. 


4. Puurkaevude puurimise tehnoloogiad. Tänapäeval   kasutatakse   kaevude   puurimiseks   enamjaolt   puurmasinaid.   Tänu   puurmasinale suudetakse luua sügavam puurkaev, mis tagab stabiilse ligipääsu ammutatavale kihile. Vee ja nafta saamise tehnoloogiad on sarnased. Puurauk on suhteliselt väikese läbimõõduga (10–15 cm) kanal, mis  on  puuritud  vedela  mineraali  võtmiseks  sügavamatest  põhjakihtidest.  Tema  sügavus sõltub maardla geoloogiast ja võiks olla mõni kilomeeter. Tavapärane puurauk on vertikaalne, mis on seega kontaktis vaid kitsa läbilõikega kogu maardlast. Sellise kaevu tootlus sõltub nafta imbumisest läbi mikroskoopiliste pooride pika maa tagant. Ja seoses sellega surve, mis naftat või vett pinnale surub, aja jooksul alaneb ja maardla tootlikkus väheneb. Selle hoidmiseks võib pumbata kihi juurde vett, kemikaale, süsinikdioksiidi või muid gaase, näiteks lämmastikku. Tootlikkus selles protsessis võib tõusta kuni 30%. Juba 15-20 aastat on olnud võimalik puurida puurkanalit ka horisontaalselt, praktiliselt   maakoorega   paralleelselt.   Nii   on   puuraugu   kontakt   naftaga   mõõdetav   kilomeetrites, mitte meetrites, mistõttu saab rajada vähem puurauke ja tugevasti suurendada maardla efektiivsust.


5. Vedelkütuste tootmine õliliivadest. Bituumeni eraldamiseks õliliivast kasutatakse ekstraktsiooni kuuma veega. Esimeses separaatoris tõuseb kuum, vahune bituumen pinnale ning kooritakse pealt ära. Liiv settib põhja ning eraldatakse hüdrauliliselt settetiiki. Seal eraldunud vesi retsirkuleeritakse. Esmasest separaatorist eraldub ka veel nn. “keskfraktsioon”, mis sisaldab vett, savi-ja liivaosakesi ja bituumenit. See fraktsioon läheb flotaatorisse, kus teda aereeritakse õhuga. Pinnale tõuseb täiendav kogus bituumeni “vahtu”, mis koos põhiseparaatorist tulnud bituumse fraktsiooniga läheb tsentrifuugimisele. Tsentrifuugist väljub jääkvesi (reovesi) ning bituumeni lahus, mis destillatsioonil lahutatakse bituumeniks (produkt) ja vedelaks nafta fraktsiooniks. Keskkonnaprobleemideks on maapealsed kaevandused, karjäärid ning võimalik vee reostus.  6. Looduslikud maagaasid Maagaas on gaasilise süsivesinike segu, mis on tekkinud organiliste aine lagunemise protsessis ja asub   maakoore   kihtides.   Tekkimise   järgi   jaotatakse   maagaasi   biokeemiliseks,   vulkaaniliseks, metamorfoosseks, atmosfääriliseks, keemiliseks, radioaktiivseks ja termotuumseks. Ta leidub kas koos   naftaga   naftamaardlates   või   eraldi   gaasimaardlates.   Suurema   osa   maagaasist   moodustab metaan.   Tema   kontsentratsioon   maagaasis   –   70   –   98%.   Kildagaas   on   kiltkivi   tillukestesse pooridesse ja pragudesse kogunenud maagaas. Kildagaasi tootmine seab ohtu joogiveevarud. 


7. Atmosfääri gaasid: nende veeldamine Lämmastikku   ja   hapnikku   toodetakse   õhu   veeldamisel   jahutamise   tulemusena   kuni   N2 keemistemperatuurini (-195.8 ° C). Õhku saab veeldada, kasutades korduvaid komprimeerimisi- paisumisi, vahepealset vesijahutust ja jahutades ette komprimeeritud gaasi enne paisumist. Sel juhul ei ületa vajalik rõhk 3-12 at. Ainult ühekordne komprimeerimine nõuaks rõhkusid > 30-40 at. Seejärel lahutatakse vedel õhk rektifikatsiooni kolonnis kergemini lenduvaks lämmastikuks (kt. (– 195,8 kraadi) ja raskemini lenduvaks hapnikuks (kt. (- 183 kraadi). 8. Keemilised reaktsioonid ja nende kineetika. Praktiliselt igas keemiatehnoloogia protsessis toimuvad erinevad keemilised reaktsioonid, näiteks üldkujul: 𝑨  + 𝑩 → 𝑪 + D Reaktsioone võib klassifitseerida paljude tunnuste põhjal.    Faaside   oleku   järgi:   nad   võivad   olla   homogeensed   või   heterogeensed,   vedel-   ja   gaasi-   ja tahkefaasilised.    Kaasneva   energeetilise   efekti   põhjal   –   eksotermilised   (soojus   eraldub)   või   endotermilised (toimub soojuse neeldumine).    Reaktsiooni   mehhanismi   järgi   -   pöörduvad   (tasakaalulised)   või   pöördumatud;   ahel-   või astmelised; mono- või mitmemolekulaarsed.   Reaktsiooni initsieerimise alusel – katalüütilised, termo-, foto ja elektrokeemilised.   Keemilise muutuse iseloomu põhjal – lagunemis-, asendus-, liitumisreaktsioonid.   Konkureerivate reaktsioonide alusel – kõrval- ja paralleelsed reaktsioonid Keemilise reaktsiooni kulgemist ajas uurib keemiline kineetika, mis tegeleb keemiliste protsesside kiiruste ja kulgemise uurimisega. 9. Reaktsiooni kiirus ja reaktsiooni tingimused Reaktsiooni   tõeline   kiirus   näitab,   kuidas   muutub   reageeriva   aine   või   produkti   kontsentratsioon antud ajahetkel. Teda saab väljendada järgmiselt:  v= ±dC d t kus v – reaktsiooni kiirus dC –aine kontsentratsiooni muutus dt – antud ajavahemik.


Reaktsiooni   kulgemise   tingimused:   kuumutamine,   süütamine,   valgustamine,   elektrivoolu läbijuhtimine. 10.  Le’ Chatelier printsiip Vastavalt Le Chatelier' printsiibile:  a)   temperatuuri   tõstmisel   nihkub   tasakaal   endotermilise   reaktsiooni   suunas,   temperatuuri alandamisel eksotermilise reaktsiooni suunas;  b) rõhu tõstmisel nihkub tasakaal gaasiliste ainete moolide arvu (st. ruumala) vähenemise suunas, rõhu alandamisel vastupidi;  c)   reaktsioonis   osaleva   aine   lisamisel   nihkub   tasakaal   selle   aine   kontsentratsiooni   vähenemise suunas, aine eemaldamisel tema tekke suunas. Kokkuvõtlikult väljendatakse printsiipi järgnevalt: kui keemilise tasakaalu korral muutub mingi osapoole kontsentratsioon, temperatuur, ruumala või (kogu) rõhk, siis keemilise reaktsiooni tasakaal on vastassuunaline selle teguri muutusele. 11. Ammoniaagi süntees Ammoniaagi   tootmine   koosneb   6 astmest:   Sünteesgaasi tootmine   Gaasi puhastus   Komprimeerimine   Katalüütiline reaktsioon   Ammoniaagi eraldus    Ära   reageerimata   gaasisegu retsirkulatsioon Protsess toimub õhulämmastiku ja vesiniku vahel 1:3, temperatuuril 450-500 °C, rõhul 200 atm katalüütiliselt.   Seejärel   saadus   jahutatakse   ja   eraldatakse   vedel   ammoniaak,   ülejäänud   gaas suunatakse tagasi protsessi. Kolonni ülemises osas asub restil katalüsaatori kiht. Kolonni alumises osas on soojusvaheti. Gaasi liikumine kolonnis on organiseeritud selliselt, et kindlustada optimaalne temperatuur   (~   500°C)   katalüsaatori   kihis.   See   saavutatakse   soojusvahetuse   abil   värske   ja reageerinud   gaasi   vahel.   Värske   sünteesgaas   antakse   kolonni   ülemisse   ossa,   kus   liigub   alla katalüsaatori karbi ja kolonni siseseina vahel ning siseneb allosas oleva torukimp-tüüpi soojusvaheti torudevahelisse   ruumi.   Ülessoojenenud   gaasisegu   suunatakse   seejärel   katalüsaatori   kihis   asuva tsentraalse toru kaudu üles katalüsaatorikarbi peale, kust ta liigub alla, läbides katalüsaatorikihi ning


rikastudes tekkiva NH3 poolest. Seejärel läbib äratöötanud gaas soojusvaheti torudesisese ruumi ning   väljub   reaktorist.  Ammoniaak   mõjub   ärritavalt   silmadele   ja   limaskestale,   kutsudes   esile pisaratevoolu ja köha, veeldatud kujul võib tekitada ka külmakahjustusi ning on söövitava toimega. Ammoniaaki  kasutavate  ettevõtete  ümbruses on  ohtlik  elada,  sest õnnetuste  korral  ohustab  see ümbruskonda.  12. Tsemendi tootmine. On vaja kahte tüüpi toorainet: üks rikas kaltsiumi poolest nagu lubjakivi ja teine rikas räni ja savimineraalide poolest nagu savi. Nad segatakse kokku proportsioonis ca 75% lubjakivi ja ca 25% savi. Kipsi (4-5%) lisatakse hiljem, klinkri tsemendi tardumise aeglustamiseks. Vastavalt toodud klinkrimineraalide %-dele reguleeritakse lubjakivi ja savi vahekorda. Klinkrit saab toota nii märjal kui ka kuival meetodil. Uutes tehastes on tavaliselt kasutusel kuiv protsess väiksema soojuse kulu ja parema   automatiseerimise   tõttu.   Märg   protsess:   toorsegu   kuiv   purustamine   &   peenendamine, jahvatus   märjas   toru-või   kuulveskis,   klassifitseerimine,   pumpamine   korrektsiooni   basseinidesse ning sealt toruahju. Kuiv protsess: toorsegu jämepurustus haamerveskis, kuivatamine, sõelumine, jahvatus   toruveskis,   õhkseparatsioon   ning   suunamine   toruahju.   Tsemendi   tootmisel   eraldub keskkonda CO2. 13. Lubja tootmine . Kaltsineerimine: CaCO3 ↔ CaO + CO2(g)


Traditsioonilise lubja tootmisel kulub 1,8 t lubjakivi ühe tonni kustutamata lubja kohta. Lubjakivi hakkab   lagunema   650°C   juures   (reaktsioon   täielikult   ei   toimu).   900°C   juures   saab   CO2 partsiaalrõhk (gaasiosarõhk) võrdseks õhurõhuga (1 at) ning lubjakivi tükid hakkavad “keema”. Tööstuses   viiakse   lubjakivi   lagundamine   läbi   temperatuuridel   1200-1300   °C.   Häired   protsessi juhtimises võivad põhjustada kas “alapõlenud” lubja või “ülepõlenud” ehk “surnud” lubja tekke. “Alapõlenud” lubi sisaldab lagunemata CaCO3 tükke, “ülepõlenud” lubjas on tekkinud muutused CaO struktuuris, ta pole enam aktiivne. Keskkonnaprobleem: tolm. 14. Klaasi tootmine. Liiv peab olema peaaegu puhas kvarts.  Aknaklaasi valem : 1,5 mooli Na2O; 1 mool CaO and 5 mooli SiO2 Klaasi tootmise 5 põhifaasi:   Toorsegu ettevalmistus .  Sulatamine. Põhireaktsioonid: Na2CO3 + a SiO2 → Na2O · a SiO2 + CO2  CaCO3 + b SiO2 → CaO · b SiO2 + CO2 500-550°C - orgaanika väljapõlemine  600°C alates lubjakivi ja dolomiidi lagunemine  > 1300°C - vedela faasi teke  1500-1600°C - gaasimullide eraldumine  Vormimine. 1100-1200 kraadi C


 Lõõmutamine.   Poleerimine (lõppviimistlus). Peenestatud ja pestud tooraine komponendid kaalutakse ning segu suunatakse vannahju. Vajalik temperatuur vannis saadakse gaasilise või vedelkütuse põletite abil, mis asuvad võlvi all klaasimassi kohal.   Tõmbemasina   poolses   otsas   viiakse   klaasi   temperatuur   alla,   et   tõsta   viskoossust   ning võimaldada tõmbemasina tööd. Tõmbemasina šahtis liigub tulekindlate (asbest) rullikute abil alt ülespoole metallraam. Selle alumine ots surutakse spetsiaalse ujuki abil sula klaasimassi sisse ning raami ülespoole liikudes haarab ta kaasa klassilehe, mis šahtis jahtub. Leht tõmmatakse tsehhi teisele korrusele ning lõigatakse lõikelaual kindla suurusega lehtedeks.  15. Vesiniku tootmine Vesinikku saab toota neljal erineval viisil:   metaani konversioonil tingimus 800-1000 kraadi C   vedela   või  tahke  kütuse  gaasistamisel   saadud  vesigaasi   CO  konversioonil  tingimus  200-300 kraadi C, katalüsaator  koksigaasi teiste komponentide veeldamisel (peale vesiniku)   vee elektrolüüsil  Originaalses   HABER-BOSCH   protsessis   kasutati   kivisöe   koksistamisel   saadud   koksi,   et   toota vesigaasi   ca   1000  oC   juures.   Tänapäeval   on   vesiniku   tootmise   põhiliseks   meetodiks   metaani konversioon koos CO konversiooniga 16. Väävelhappe tootmine  Claus protsessi võrrand H2S + 1/2O2 = S + H2O Looduslikust gaasist eraldatud H2S on tugevalt toksiline gaas, mida on raske hoida või transportida suurtele kaugustele. Seetõttu kasutatakse tänapäeval CLAUSi seadet, milles viiakse gaasiline H2S üle   elementaarseks   väävliks.   Claus   protsessi   põhimõtte   seisneb   selles,   et   kui   esimeses   astmes tekkinud vaba väävli aur on välja kondenseeritud, siis võib järelejäänud gaasi uuesti segada H2S-ga ja   juhtida   segu   üle   katalüsaatori,   teise   reaktsiooni   tasakaal   nihkub   veel   rohkem   paremale   kuni konversiooniastmeni 94-95% väävli tekke suhtes. Kolmas Clausi protsessi aste annab  juba   konversiooniastmeks   96-   98%.   Keskkonna   risk   on   õhusaaste,   joogivee   reostus   kui   juhtub õnnetus.


17. Lämmastikhappe tootmine Ammoniaagi   baasil   toodetud   kommertsiaalse   HNO3   kontsentratsioon   on   piirides   50-68%-ni (viimast loetakse konts. happeks). NH3 (g) + 2 O2 (g) → HNO3 (aq) + H2O (l) Tootmine toimub kolmes astmes.  I astmes temperatuur 800-815 C II aste on kõige aeglasem, temperatuuri tõus aeglustab reaktsioonitoimumise kiirust III aste 3NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO ↑ Keskkonnaprobleem: happevihmad


18. Karbamiidi tootmine Karbamiid on mitmetel põhjustel seotud lämmastiku sobivaim vorm. Tal on ka kõrgeim seotud lämmastiku sisaldus (46%). Teda on lihtne toota graanulites ilma mingi plahvatusohuta. Tootmises kulgevad 2 põhireaktsiooni: I - rõhu all 200 at ja 180-200°C juures karbamaadi teke gaasilisest CO2-st ja vedelast NH3-st  CO2 + 2 NH3 → NH2COONH4 - ΔHH II - karbamaadi lagundamine, endotermiline dehüdreerimine ja karbamiidi teke NH2COONH4 ↔ NH2CONH2 + H2O + ΔHH Toru-torus   reaktori   sisemisse   torusse   antakse   kompressoriga   gaasilist   CO2.   Vedel   ammoniaak antakse pumbaga ülalt reaktori torude vahelisse ruumi, kus ta, liikudes ülalt alla, uhub reaktori siseseinu, kaitstes neid korrosiooni eest ning siseneb alt sisemisse torusse, reageerides CO2-ga. Karbamiid on väga korrodeeriv. Põhiline osa soojust eraldub koos veeauruga. Tekkinud karbamaadi sulam   suunatakse   destillatsiooni   kolonni,   kus   ta   läbib   täidise   kihi   ning   laguneb   karbamiidiks, eraldades veeauru. Karbamiidi lahus tsirkuleerib läbi kolonni alumises osas oleva auruga köetava soojusvaheti,   soojenedes   ette   ning   siseneb   vaakumaurutusaparaati.   CO2/NH3   stöhhiomeetrilise suhte konversiooni aste karbamiidiks on ca 55%, aga kasutades CO2 liiga, saab seda tõsta kuni 85%-ni. Keskkonnamõju: maapinna reostus. 19. Keraamikatööstus Keraamikatoodete hulka kuuluvad:   peenkeraamika: portselan, fajanss jt.   ehituskeraamika: punane tellis, katusekivi, fassaadi tellis, drenaažtorud jt. 


 tulekindel keraamika: šamott, diinas, magnesiit, kromiit jt.   erikeraamika (happekindel, laboratoorne, meditsiiniline jne.) Põhilised toorained: savi, liiv, põldpagu 20. Ehitustellise valmistamine Punane ehitustellis valmistatakse tavalisest sinisavist koos mõningase liiva lisandiga vormimise teel survestades, pressides. Kuivatatakse suitsugaasidega (80 – 130oC) ning põletatakse 900- 1000°C juures.   Põletamise   tagajärjel   savis   olev   raud   oksüdeerub   kolmevalentseks   ning   tellis   omandab punaka värvuse. 21. Mineraalväetised Taimede kasvuks on vaja 3 põhilist toiteelementi:   Lämmastikku (varre ja lehtede arenguks)   Fosforit (kasvu kiirendamiseks ja viljade valmimiseks)   Kaaliumit (suhkru, tärklise, kiudude tekkeks, haiguse vältimiseks) Mineraalväetised jagatakse:   lämmastikväetised (N %)   fosforväetised (P2O5 %)   kaaliväetised (K2O%)   mikroväetised (Zn, Co, Ni, Cu etc.)