1. No category

CHEM-A2100 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit 2015
3. kotilasku
Kotilaskun prosessi liittyy kuparin pyrometallurgiseen valmistukseen. Rikasteesta sulatettu
kuparikivi (kupari- ja rautasulfideja) konvertoidaan Peirce-Smith –konvertterissa
raakakupariksi. Pääreaktio on kuparisulfidin Cu2 reaktio metalliseksi kupariksi. Reaktio on
eksoterminen ja jäähdyttämiseen käytetään kupariromua. Romun tai muun materiaalin lisäys
ei kuitenkaan saa johtaa siihen, että konvertterin lämpötila laskee. Energiataseen laskeminen
on edellytys sille, että tiedetään oikea määrä romua, joka panostetaan.
Kuparin konvertointi tapahtuu kahdessa erillisessä vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa
tapahtuu kuonan muodostuminen. Kuparikiven FeS hapettuu oksidiksi FeO, joka muodostaa
fajaliittikuonaa kvartsin SiO2 kanssa. Tämä reaktio on eksoterminen. FeS hapettuu reaktion
(1) mukaan
FeS(l)
1.5O2(g) -> FeO(l)
SO2(g)
(1)
Reaktiossa (1) muodostunut sula FeO reagoi kiinteän kvartsin kanssa ja muodostaa fajaliittia
2FeO•SiO2 Fajaliitin muodostumisreaktio (2) on myös eksoterminen.
2FeO(l)
SiO2(s) -> 2FeO•SiO2(l)
(2)
Toisessa vaiheessa kuparisulfidi hapettuu metalliseksi kupariksi. Tämäkin vaihe on
eksoterminen, mutta ei niin voimakas kuin kuonanmuodostusvaihe. Kuparisulfidi hapettuu
reaktion (3) mukaan.
Cu2S(l)
O2(g) -> 2Cu(l)
SO2(g)
(3)
HSC:n Heat and Material Balance –moduli laskee lämmön lisätarpeen tai jäähdytyksen
tarpeen, kun prosessia ajetaan. Systeemin reunaehtoina ovat määritellyt ainetaseet. Moduli ei
laske tilannetta termodynaamisessa tasapainossa. Modulin syöttötietoina on aina IN1, OUT1
ja BAL laskentataulukot. IN ja OUT taulukoita voi olla useitakin saman systeemin eri
yksikköprosesseille tai tasealueille. IN1-taulukkoon syötetään prosessin lähtöaineet, niiden
määrät ja lämpötilat, OUT1-taulukkoon tuotteiden vastaavat tiedot. BAL-taulukko laskee
automaattisesti lämpötaseen eron. BAL-taulukkoa ei ole tarvetta muuttaa (eikä saakaan).
Koska moduli luo automaattisesti nimet IN- ja OUT-taulukoille, niiden nimiä ei saa muuttaa.
Yksinkertaisimmillaan laskenta tehdään seuraavasti:
1. IN1-taulukkoon syötetään lähtöaineet, niiden määrät (kmol tai kg) ja lämpötilat.
2. OUT1- taulukkoon syötetään tuotteet, niiden määrät (kmol tai kg) ja lämpötilat.
3. Alareunan BALANCE-rivi päivittyy aina kun syötteen tai tuotteen arvoja muutetaan.
Rivin viimeisenä on systeemin lämpötase eli tuotteiden lämpömäärä lähtöaineiden
lämpömäärä, negatiivinen luku tarkoittaa lämmön tuottoa.
Kotilaskussa lasketaan systeemin aine- ja lämpötase kahdessa vaiheessa:
I. Määritetään systeemin lämmön tuotto kun sulaan kiveen puhalletaan kylmää ilmaa.
II.
Lasketaan konvertteripanoksen jäähdytysromun tarve.
Työn vaiheista kolme ensimmäistä voi laskea vaikka Excelillä. Kohdat ja on laskettava
HSC:llä.
1. Kuparikiven kuparipitoisuus m-% on annettu lähtöarvona, määritä sen perusteella FeS ja
Cu2 osuudet kivessä. Tee vaikka alkuoletus kg kivimäärälle ja laske sen perusteella
sulfidien vastaavat moolimäärät.
Tarkistuksena moolisuhde Cu2S/FeS pitäisi olla noin 2.
2. Määritä yhtälöiden (1)-(3) perusteella kokonaisreaktiot kun rauta- tai kuparisulfidi
hapetetaan stökiömetrisellä määrällä happea. Hapetus tehdään ilmalla, jossa on siis
mukana myös typpeä. Typen lämmittäminen vaatii energiaa vaikka se ei reagoikaan.
Oletetaan, että ilmassa on 21% happea.
Laske ilman N2/O2-suhde
Muodosta reaktioille (1)+(2) ja (3) stökiömetriset kertoimet ottaen huomioon, että
sama määrä typpeä on sekä lähtöaineena että tuotteena.
Muunna ylläolevien reaktioiden kertoimet vastaamaan kg kivimäärää kohdan FeS
ja Cu2 määrien avulla
3. Tee itsellesi taulukko kohtien ja perusteella lähtöaineiden ja tuotteiden moolimääristä
käyttäen lähtöarvona saamaasi panoskokoa. Satojen tonnien panos tarkoittaa satoja tai
tuhansia kilomooleja.
Summaa yhteen kohdan yhtä kilogrammaa kohden laskettujen yhtälöiden kertoimet
(mooleja) ja kerro ne panoksen koolla. Saat tuloksena taulukon, jossa on koko
prosessin syötteiden ja tuotteiden moolimäärät.
4. Laske HSC:n Heat and Material Balance –modulilla lämpötase sulatukselle, eli samaan
aikaan tapahtuvalle kuonanmuodostusvaiheelle ja kuparin hapetusvaiheelle. Käytä
kohdan ainemääriä. Puhallettavan ilman lämpötila sekä kiven ja reaktiotuotteiden
lämpötila on annettu lähtöarvoissa. Kuonan muodostajana käytetyn SiO 2:n lämpötila on
sama kuin ilman lämpötila.
Syötteinä siis FeS, Cu2S, O2 N2 ja SiO2 tuotteina 2FeO*SiO2 SO2 Cu, N2
5. Laske samalla modulilla jäähdytykseen tarvittavan kuparin määrä. Laita lähtöaineisiin
kuparia syötteiden matalassa lämpötilassa ja tuotteisiin sama määrä tuotteiden korkeassa
lämpötilassa. Kuparin kuumentaminen sulamispisteeseen, sulaminen ja sulan kuparin
kuumentaminen tuotteiden lämpötilaan vaatii energiaa.
6. Kuparimäärä on oikea kun BALANCE-rivin lämpötase on nolla.
Jokaiselle osallistujalle on koottu omat lähtöarvot.
Lasku palautetaan Word- tms. tekstitiedostona Moodlen palautuslaatikkoon. Tiedostossa on
oltava seuraavat tiedot:
1. Tekijä
2. Alkuarvot, Cu-%, lämpötilat, panoksen määrä
3. Taulukot kuonanmuodostusreaktion ja kuparin hapetusreaktion kertoimista (kohta
yllä)
4. Taulukko koko panoksen lähtöaineista ja tuotteista (kohta yllä).
5. HSC IN1- ja OUT1-taulukot, eli aineet, määrät, lämpötilat jne. annetulla panoksen
koolla laskettuina. Kuvakaappauskin käy.
6. Paljonko lämpöä vapautuu sulatuksessa annetulla panoskoolla.
7. Montako tonnia kuparia tarvitaan jäähdyttämään panos.
Jos kysyttävää niin
Jari Aromaa
MTE-laitos, Hydrometallurgian ja korroosion tutkimusryhmä
050-4602461