Inżynieria Chemiczna Transport masy i ciepła

Inżynieria Chemiczna Transport masy i ciepła

dr hab. inż. Agnieszka Gubernat gubernat@agh.edu.pl

p.1.21; budynek B8

PALIWA,

WŁAŚCIWOŚCI PALIW,

SPALANIE

PALIWA PRZEMYSŁOWE (CHEMICZNE ŹRÓDŁA ENERGII) Materiały palne, które w ocenie techniczno-ekonomicznej

mogą być źródłem energii.

STAŁE naturalne:

drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny,

antracyt, sztuczne:

węgiel drzewny, koks, półkoks

GAZOWE naturalne:

gazy ziemne sztuczne:

gaz koksowniczy, gaz czadnicowy gaz wielkopiecowy

CIEKŁE naturalne:

ropa i produkty destylacji,

sztuczne:

smoła węglowa i produkty destylacji,

PALIWA PRZEMYSŁOWE

występują w takich ilościach, że ich

techniczne użycie może być zapewnione przez

długi czas,

wykazują należyty stosunek pomiędzy kosztem wydobycia lub

jego otrzymywania a ciepłem wywiązywanym

przy jego spalaniu,

PALIWA NATURALNE

PALIWA NATURALNE – powstały w wyniku metamorfozy

substancji organicznych zawierających w swym składzie węgiel, wodór, tlen i azot.

HUMOLIT – produkty metamorfozy roślin np. tofr, węgiel kamienny, (łc. humus ‘ziemia’ + gr. lihtos ‘kamień’)

SAPROPELIT – produkty metamorfozy zwierząt np. ropa naftowa, gaz ziemny

PALIWA NATURALNE

RECESYJNE KOPALNE

ROŚLINNE ZWIERZĘCE SAPROPELITY HUMOLITY

TO RF

WĘGIEL BRUNATNY WĘGIEL KAMIENNY ANTRACYT ROPA GAZ

ZI EMN Y

PALIWA SZTUCZNE

Są wytwarzane:

1) Bez wprowadzenia zmian chemicznych, tylko przez nadanie innej formy zewnętrznej np. brykiety,

2) W celu wytworzenia paliwa, które w naturze nie występuje (koksowanie, odgazowanie),

3) Przez całkowitą zmianę paliwa stałego na gazowe,

4) Przez przeróbkę (destylację) ciekłego paliwa naturalnego (ropy naftowej) lub sztucznego (smoły węglowej),

DESTYLACJA - rozdzielanie ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej poprzez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników. Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Proces wykorzystuje różną lotność względną składników mieszaniny.

PALIWA CIEKŁE

ropa i produkty destylacji,

smoła węglowa i produkty destylacji,

Niewielkie ilości paliw ciekłych otrzymuje się również z gazu ziemnego, węgla brunatnego i łupków bitumicznych.

Paliwami ciekłymi stosowanymi w przemyśle są oleje mineralne, smoły węglowe i mazut.

Podstawowymi składnikami tych paliw są węglowodory.

Ilościowy stosunek węgla do wodoru jest w różnych paliwach różny i ma wpływ na wartość opałową i warunki spalania paliwa.

Rodzaj oleju opałowego Stosunek H/C Olej opałowy mineralny KL 0,165-0,153

Olej opałowy mineralny L 0,155-0,145 Olej opałowy mineralny M 0,145-0,135 Olej opałowy mineralny S 0,135-0,115 Olej opałowy mineralny S 0,090-0,070 Olej smołowy z węgla kamiennego 0,135-0,125 Olej smołowy z węgla brunatnego 0,135-0,125 Olej smołowy z łupków 0,147-0,140

PALIWA CIEKŁE

Przed spaleniem paliwa ciekłe należy rozpylić i podgrzać.

Oleje opałowe powstałe podczas destylacji ropy naftowej Zawierają głównie węglowodory parafinowe i naftenowe, natomiast w olejach smołowych przeważają węglowodory aromatyczne.

Szerokie zastosowanie ma mazut powstały w procesie destylacji ropy naftowej.

Mazut w temperaturze pokojowej 20^oC jest smarem (b. lepką cieczą)

i przed spaleniem należy go podgrzać. Q_w wynosi 42000 kJ/kg.

Otrzymywanie oleju opałowego z ropy naftowej polega na destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym i krakingu,

celem zwiększenia wydajności benzyny.

Olej opałowy ze smoły węglowej otrzymuje się przez ciągłą

destylację smoły pod ciśnieniem atmosferycznym z dodatkiem przegrzanej pary wodnej wg metody Ab-der-Halden.

ROPA NAFTOWA

DESTYLACJA

Odsiarczanie lub rafinacja kwasowa

Odsiarczanie

Benzyna

surowa Nafta surowa

Olej gazowy napędowy

Mazut KRAKING

BENZYNA (ok. 25%)

NAFTA

Polimeryzacja

gazy

Odsiarczanie, Rafinacja ziemią

lub dodatek inhibitora

Gaz krakingowy

Gazy skroplone

Olej opałowy (destylat) Olej opałowy krakingowy

Polibenzyna

Benzyna krakingowa

destylat ciśnieniowy

Gazolina

SCHEMAT PRZERÓBKI ROPY NAFTOWEJ

Benzol – otrzymywany podczas odgazowania węgla kamiennego. W swoim składzie zawiera głównie benzen, toluen i ksylen oraz, w mniejszych ilościach tiofen, pirydynę i fenol.

Gazolina – gaz ziemny (naftowy) zawiera obok metanu również ciężkie węglowodory, które w normalnych warunkach są cieczami i które można wydzielić za pomocą sprężania. Główne składniki gazoliny to pentan i heksan.

Mieszanina najlżejszych ciekłych węglowodorów alifatycznych, uzyskiwana podczas rafinacji lub krakingu ropy naftowej albo w procesie nasycania benzyn gazem ziemnym. Używana jako rozpuszczalnik kauczuku, tłuszczów i żywic; dodatek poprawiający liczbę oktanową benzyny

Gazol – w gazolinie obok pentanu i heksanu występuje również etan, propan i butan, które można wyróżnić poprzez częściową destylację gazoliny i sprężanie, powstanie wówczas gazol.

Mieszanina węglowodorów złożona z butanu, izobutanu i propanu, oddzielana od gazu ziemnego lub rafineryjnego; stosowany jako paliwo oraz surowiec w przemyśle chemicznym; gaz płynny.

Olej gazowy (olej napędowy; „ropa”) – jest używany do napędu silników wysokoprężnych (Diesla),

INNE PALIWA CIEKŁE

RODZAJE SMOŁY SUROWEJ

• smoła pogazowa – smoła węglowa wysokotemperaturowa, koksownicza

(dawniej również gazownicza), czarna, mazista – powstaje przy odgazowaniu węgla kamiennego w temperaturze ok. 1000°C

• smoła generatorowa – smoła węglowa średniotemperaturowa, z niektórych metod zgazowania węgla, brunatno – czarna, oleista – powstaje przy

odgazowaniu węgla kamiennego w temperaturze ok. 700–800°C

• smoła wytlewna (prasmoła) – smoła niskotemperaturowa (uzyskiwana w temperaturach ok. 500–600°C lub nieco niższych, czasem nieco wyższych) o składzie zróżnicowanym w zależności od surowca:

• z węgla kamiennego – główny produkt niskotemperaturowego

odgazowania węgla kamiennego (preferowane są węgle młodsze mające więcej części lotnych); od smoły wysokotemperaturowej różni się m.in.

mniejszą zawartością węglowodorów aromatycznych, a większą alifatycznych

• z węgla brunatnego – zwykle o stosunkowo dużej zawartości węglowodorów nienasyconych, wyższych fenoli i parafin

• z łupków bitumicznych – prasmoła łupkowa przypomina ropę naftową o dużej zawartości frakcji olejowych (i bywa przerabiana analogicznie jak ropa)

• z drewna – smoła drzewna, czasem zwana dziegciem,

PALIWA GAZOWE gazy ziemne

sztuczne: gaz koksowniczy, gaz czadnicowy, gaz wielkopiecowy

Gazy ziemne

Dzielimy na suche i mokre. Gazy ziemne suche zawierają ok. 98%

CH₄ czyli metanu. Gazy mokre zawierają domieszkę cięższych węglowodorów grupy parafinowej. Składniki te oddziela się od mokrego gazu i otrzymuje tzw. gazolinę. Wartość opałowa gazu ziemnego wynosi od 27450 do 35600 kJ/m³. Mimo dużej wartości opałowej gaz ziemny posiada niższą temperaturę spalania od gazu koksowniczego. Wynika to z dużego zapotrzebowania powietrza do spalania i związanej z tym większej objętości powstałych spalin. Gazy suche spalają się płomieniem nieświecącym, co ma niekorzystny wpływ na wymianę ciepła. Dlatego podczas spalania gaz ziemny miesza się z olejem opałowym proces ten nazywa się karburyzacją.

WŁAŚCIWOŚCI PALIW

Temperatura zapalności paliw – wówczas ciepło wydzielone z reakcji utleniania w jednostce czasu jest równe ciepłu odprowadzonemu do otoczenia.

Paliwo temperatura zapalności ^o C

drewno 200-240

węgiel kamienny 400-450

koks 500-550

paliwa gazowe ok. 700

ropa ok. 380

Granica zapalności – procent objętościowy paliwa w mieszance z powietrzem, w którym następuje zapłon

Wodór od 4 do 80%

CO od 12,5 do 74,2%

CH₄ od 2,5 do 15,4%

C₂H₂ od 1,5 do 82%

nafta od 1,1 do 7%

SPALANIE PALIW

Spalanie – proces łączenia się pierwiastków palnym z tlenem z kontrolowaną szybkością reakcji. Jest to inaczej szybko przebiegający proces utleniania.

Pierwiastkami palnymi w paliwach są węgiel, wodór i siarka. Paliwo składa się z substancji palnej i balastu. Substancjami niepalnymi w paliwach stałych i ciekłych są wilgoć i popiół, natomiast w paliwach gazowych – azot, dwutlenek węgla i para wodna.

Reakcje spalania całkowitego i zupełnego:

C+O₂ = CO₂ H₂ +1/2O₂ = H₂O

S+O₂ = SO₂ Do obliczeń spalania (stechiometrii) bierzemy:

 1 kg paliwa ciekłego lub stałego,

 1 m³ paliwa gazowego,

Warunki:

p_o = 1000 hPa lub 750 mmHg T_o = 273 K gęstość powietrza ρ=1,27 kg/m³

SPALANIE PALIW Spalanie zupełne

spalanie na produkty niepalne. Gazowe produkty utleniania składników palnych paliw, w spalinach występują zwykle na najwyższym stopniu utlenienia lub są to najtrwalsze związki np.

S+O₂=SO₂ a nie SO₃

Spalanie całkowite

spalanie, gdy w produktach spalania nie ma stałych składników palnych (dym, węgiel w popiele, koksik lub sadza); Cała masa paliwa ulegnie utlenieniu;

Spalanie niezupełne i niecałkowite

spalanie, gdy w produktach spalania pojawia się dym, węgiel w popiele, koksik lub sadza a produkty utleniania nie są najtrwalszymi związkami. Występuje zwykle podobnie jak spalanie niezupełne przy ograniczonym dostępie tlenu.

CIEPŁO SPALANIA (Q_C)

Jest to ilość ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa przy założeniu, że spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a para wodna pochodząca z wilgoci paliwa i spalania wodoru ulega skropleniu.

Jest ono większe od wartości opałowej o ciepło kondensacji całkowitej ilości wody zawartej w spalinach. Nazywane jest także Górną wartością opałową.

WARTOŚĆ OPAŁOWA (Q_w)

Jest to ilość ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa przy założeniu, że spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a para wodna pochodząca z wilgoci paliwa i spalania wodoru znajduje się w postaci pary.

Zatem ciepło spalania będzie równe:

0

w c

Q = Q − r W

^gdzie:

r₀ – 2500 kJ/kg,

gdzie:

Q_w – wartość opałowa kJ/kg lub kJ/m³,

W – całkowita ilość pary wodnej powstałej przy spalaniu jednostki paliwa,

0

c w

Q = Q + r W

ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA DO SPALANIA Obliczenia ilości i składu spalin

Ilość tlenu dostarczona do spalania 1kg paliwa (stałego lub ciekłego) lub 1m³ paliwa gazowego zgodnie ze stechiometrycznymi równaniami spalania nazywa się

TLENEM TEORETYCZNYM.

Dla paliwa gazowego:

POWIETRZE TEORETYCZNE – teoretyczna ilość powietrza do spalania

3

2 2

3

%

% %

% m

0, 5 0, 5

100 100 4 100 100 m

m n

t

C H

H O

CO n

O = + + Σ    m +    −      

𝑂𝑂_𝑡𝑡 = 22,71 �𝐶𝐶^𝑟𝑟 12 +

𝐻𝐻^𝑟𝑟 4 +

𝑆𝑆^𝑟𝑟 32 −

𝑂𝑂^𝑟𝑟

32� � 𝑚𝑚³

𝑘𝑘𝑘𝑘�

3 3

t 3

100 m m

=4,76 O lub

21 kg m

o t

V O    

=    

   

Liczba nadmiaru powietrza:

Ilość powietrza do spalania: Ilość powietrza wilgotnego do spalania:

gdzie: x – zawartość wilgoci w [g H₂O/kg powietrza]

Gdy:

λ>1,0 spalanie z nadmiarem powietrza (duża ilość spalin, obniżenie temperatury spalania)

λ=1,0 spalanie teoretyczne

λ<1,0 spalanie z niedomiarem powietrza

PALENISKO RODZAJ PALIWA WSPÓŁCZYNNIK λ

ruszt płaski w. kamienny 1,6-2,2

ruszt mechaniczny w. kamienny 1,4-1,6

pyłowe pył węglowy 1,05-1,2

Palniki gazowe gaz 1,05-1,2

Palniki olejowe paliwa ciekłe 1,1-1,2

= O

rzecz c

o t

V

V O

λ = λ

V = ⋅ λ V

o

V = ⋅ λ V

o

( ^{1 0, 0016} + x )

ILOŚĆ I SKŁAD SPALIN

Ilość wilgotnych spalin rzeczywistych powstałych przy spalaniu paliwa ciekłego lub stałego

λ>1,0

Dla paliw gazowych

(posługujemy się odpowiednimi równaniami stechiometrycznymi):

Dla paliw stałych i ciekłych:

( ) ³

2 6

2 2 4 2 2 2 4 2

o 3

%

% % % % % % %N m

3 3 4 5 + +0,79V+0,21 -1 V

100 100 100 100 100 100 100 100 m

sp

C H

CO CO H CH C H C H

V = + + + + + + λ ^ ^

 

𝑉𝑉_{𝑠𝑠𝑠𝑠} = 𝑉𝑉_{𝐶𝐶𝑂𝑂2} + 𝑉𝑉_{𝑆𝑆𝑂𝑂2} + 𝑉𝑉_{𝐻𝐻2𝑂𝑂} + 𝑉𝑉_𝑁𝑁2 + 𝑉𝑉_𝑂𝑂2 �𝑚𝑚³ 𝑚𝑚³�

𝑉𝑉_{𝑠𝑠𝑠𝑠} = 22,71 �𝐶𝐶^𝑟𝑟 12 +

𝐻𝐻^𝑟𝑟 4 +

𝑆𝑆^𝑟𝑟 32 +

𝑁𝑁^𝑟𝑟 28 +

𝑊𝑊_𝑐𝑐

18� + 0,79𝑉𝑉^𝑜𝑜 + 0,21(𝜆𝜆 − 1)𝑉𝑉_𝑜𝑜 �𝑚𝑚³ 𝑘𝑘𝑘𝑘�

WARTOŚĆ OPAŁOWA

Do przybliżonych obliczeń WARTOŚCI OPAŁOWEJ (paliwa stałe) służy 1. wzór Dulonga:

2. wzór VDI

dla paliw gazowych:

Najdokładniejsze wyniki można uzyskać przez doświadczalne wyznaczenie ciepła spalania w tzw. BOMBIE KALORYMETRYCZNEJ.

𝑄𝑄_𝑤𝑤 = 32800𝐶𝐶^𝑟𝑟 + 142770 �𝐻𝐻^𝑟𝑟 − 𝑂𝑂^𝑟𝑟

8 � + 9290𝑆𝑆^𝑟𝑟 − 2500(𝑊𝑊_𝑐𝑐 + 9𝐻𝐻^𝑟𝑟) �𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘�

𝑄𝑄_𝑤𝑤 = 33900𝐶𝐶^𝑟𝑟 + 144030 �𝐻𝐻^𝑟𝑟 − 𝑂𝑂^𝑟𝑟

8 � + 10400𝑆𝑆^𝑟𝑟 − 2500(𝑊𝑊_𝑐𝑐 + 9𝐻𝐻^𝑟𝑟) �𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘�

𝑄𝑄_𝑤𝑤 = 12470%𝐶𝐶𝑂𝑂

100 + 10620

%𝐻𝐻₂

100 + 35330

%𝐶𝐶𝐻𝐻₄

100 + 63500

%𝐶𝐶₂𝐻𝐻₆

100 + 59170

%𝐶𝐶₂𝐻𝐻₄ 100 + 56200%𝐶𝐶₂𝐻𝐻₂

100 � 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑚𝑚³�

TEMPERATURA SPALANIA

Jeżeli założymy, że całe ciepło zawarte w paliwie zostało wydzielone i nic z tego ciepła nie odpłynęło w postaci ciepła promieniowania. W tych warunkach osiągnięta temperatura nazywa się TEMPERATURĄ SPALANIA .

Rozróżnia się:

Kalorymetryczną temperaturę spalania – najwyższa temperatura spalin powstałych w wyniku adiabatycznego i izobarycznego spalania paliwa z teoretyczną ilością powietrza. Spalanie musi być zupełne i całkowite,

Rodzaj paliwa Kalorymetryczna temperatura spalania ^oC

w. kamienny 2020

koks 2300

gaz koksowniczy 2100

gaz ziemny 2040

gaz wielkopiecowy 1475

TEMPERATURA SPALANIA

Temperatura teoretyczna (początkową) - najwyższa temperatura spalin powstałych w wyniku adiabatycznego i izobarycznego spalania paliwa z rzeczywistym nadmiarem powietrza,

Temperatura rzeczywista (temp. płomienia) – temperatura w danym miejscu i czasie (x, y, z i τ). Uwzględnia wypromieniowanie ciepła do przestrzeni roboczej paleniska.

gdzie:

t_o – temperatura otoczenia, η – sprawność paleniska,

ε – współczynnik promieniowania,

𝑡𝑡 = 𝑄𝑄

_𝑤𝑤

𝐶𝐶

_𝑠𝑠

(1 + 𝜆𝜆𝑉𝑉

_𝑡𝑡

) + 𝑡𝑡

^𝑂𝑂

[𝑑𝑑𝑑𝑑𝑘𝑘]

𝑡𝑡 = 𝑛𝑛 ∙ 𝑄𝑄

_𝑤𝑤

∙ (1 − 𝜀𝜀)

𝐶𝐶

_𝑠𝑠

(1 + 𝜆𝜆𝑉𝑉

_𝑡𝑡

) + 𝑡𝑡

^𝑂𝑂

[𝑑𝑑𝑑𝑑𝑘𝑘]

KONTROLA SPALANIA

Służy określeniu energetycznych i ekonomicznych efektów procesu spalania oraz określeniu wielkości strat występujących w procesie spalania.

Wykonuje się ją w oparciu o analizę składu paliwa i składu produktów spalania – spalin. Rozróżnia się następujące straty:

Niecałkowitego spalania,

Niezupełnego spalania,

Straty kominowe. Jest to największa pozycja wśród strat ciepła. Zależą od temperatury spalin odlotowych, od ich ilości oraz od współczynnika nadmiaru powietrza (wzrasta z nadmiarem powietrza, maleje ze wzrostem zawartości CO₂)

gdzie:

C_NC – niespalony węgiel pierwiastkowy (sadza), [CO] – % objętościowy CO w spalinach,

C_sp – średnie ciepło właściwe spalin, t_k – temperatura w kominie,

t_o – temperatura otoczenia,

ODNAWIALNE I

NIEKONWENCJONALNE

ŹRÓDŁA ENERGII

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII Czyli nie podgalające zużyciu, np.:

• promieniowanie słoneczne,

• wiatry,

• biomasa,

• woda w postaci fal, pływów, spływu rzek,

• energia geotermiczna.

Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej:

• drewno o niskiej jakości technologicznej oraz odpadowe,

• odchody zwierząt,

• osady ściekowe

• słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej,

• wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych,

• odpady organiczne np. wysłodki buraczane, łodygi kukurydzy, trawy, lucerny,

• oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce.

REAKTORY TERMICZNE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ piece; suszarnie; autoklawy

Dawniej wykorzystywano konwencjonalne źródła energii cieplnej – paliwa stałe, ciekłe i gazowe.

Obecnie wykorzystywane są również inne źródła ciepła:

• rezystancyjne,

• laserowe,

• słoneczne,

• plazmowe,

• detonacyjne,

• łuk elektryczny,

• mikrofale,

PIECE

Cechą wspólną reaktorów jest to, że potrzebują chemicznych źródeł energii (spalanie paliw) - przekazywanie ciepła za pośrednictwem spalin.

Wielkość pieca zależy od tego co jest wypalane, badane,

tak aby pole temperaturowe było odpowiednio szerokie.

CERAMICZNY PIEC OBROTOWY

Wielkość pieca zależy od metody przygotowania wsadu, ma 30 - 60 m przy metodzie suchej przygotowania wsadu i 80 - 150 m przy metodzie mokrej. Ma około 2,5 - 3,5m średnicy i nachylony jest do poziomu po kątem 2° - 5° tak, że podczas jego obrotów (około 2 - 5 na minutę) materiał przesuwał się stopniowo od zasypu do wylotu znajdującego się przy niżej położonym końcu. Surowce przesuwają się zwykle z taką szybkością, że cały proces trwa 2 - 3 godziny.

CERAMICZNY PIEC OBROTOWY

Piece obrotowe w Polsce opalane są głównie pyłem węglowym przygotowanym z miału węglowego wysuszonego i zmielonego w specjalnych młynach. Gorące spaliny przemieszczają się wzdłuż pieca i ochładzają się, nagrzewając przesuwający się w przeciwną stronę wsad. Najwyższą temperaturę osiąga się w najniższej części pieca.

I strefa suszenia obejmuje około 24% długości pieca. Temperatura 100°C.

II strefa podgrzewania obejmuje około 40% długości pieca ulega ogrzaniu do ok. 700°C. W strefie tej odbywa się także rozkład materiałów ilastych (500°-600°C) przebiegający z wydzieleniem wody związanej chemicznie. Temperatura ok. 700°C powoduje endotermiczny rozkład węglanu wapniowego z jednoczesnym powstaniem związków tlenku wapnia z powstałymi przy rozpadzie gliny tlenkami kwasowymi.

CERAMICZNY PIEC OBROTOWY

III strefa rozkładu węglanów obejmująca 28-30% długości pieca i zwanej często strefą kalcynacji. Koniec strefy kalcynacji przypada na temperaturę materiału nieco ponad 1200°C, w której zaczyna pojawiać się faza ciekła. Od tego momentu zaczyna się faza spiekania. Pojawienie się fazy ciekłej powoduje szybką reakcję pozostałego tlenku wapnia (CaO) i szybkie ukształtowanie się ostatecznego składu klinkieru.

IV strefa spiekania jest krótka i obejmuje zaledwie 9-10%

długości pieca. W jej obrębie temperatura najpierw wzrasta z 1250°C do 1450°C, a następnie maleje do 1200°C. Ze strefy spiekania klinkier o temperaturze 1000°-1200°C przechodzi do urządzeń chłodzących, dzięki którym jego temperatura zostaje obniżona do ok. 100°C.

WANNA SZKLARSKA

Piec do wytopu szkła wykorzystywany w hutach szkła, w którym pod wpływem ogrzewania do temperatury topnienia, w obecności topników (i ewentualnie pigmentów przy produkcji szkła barwionego) następuje stopienie surowców i uzyskanie płynnej masy szklarskiej.

WANNA SZKLARSKA

W palnikach wanny szklarskiej spalane jest w ciągu godziny 4.000 m³ gazu ziemnego, zapotrzebowanie roczne domu dwurodzinnego, aby w temperaturze ok. 1550°C wytworzyć jednorodną masę szklaną.

W części topliwej pieca o szerokości ok. 12 m i długości 60 m znajduje się do 1.700 ton stopionego szkła. W piecu tym masa szklana przepływa przez różne strefy. Pierwszą z nich jest strefa topienia, gdzie odbywa się topienie zestawu. W strefie klarowania następuje proces klarowania szkła, to znaczy usuwania pęcherzy gazowych znajdujących się w masie szklanej. Na końcu szkło przechodzi przez strefę studzenia lub także kondycjonowania (ujednorodniania), w której masa szklana jest studzona do temperatury wymaganej dla procesu formowania (kondycjonowanie termiczne).

KLASYFIKACJA SUSZARNII

NATURALNE SZTUCZNE

O PRACY CIĄGŁEJ O PRACY OKRESOWEJ

OBROTOWE

KONWEJEROWE TUNELOWE

KOMOROWE

DO SUROWCÓW

DO PÓŁFABRYKATÓW

OGRZEWANE SPALINAMI

OGRZEWANE GORĄCYM POWIETRZEM OGRZEWANE ELEKTRYCZNIE

SUSZARNIE NATURALNE

rzadko stosowane, głównie w manufakturze ceramicznej proces suszenia bardzo długi

SUSZARNIE PÓŁSZTUCZNE

hale produkcyjne, wyroby stawia się w sąsiedztwie reaktorów grzejnych. Temperatura nie przekracza 35^oC, wilgotność względna jest zwykle duża. Suszenie zachodzi zwykle powoli.

SUSZARNIE SZTUCZNE KOMOROWE

pracują w sposób okresowy, są to zamknięte przestrzenie, więc można w nich regulować warunki suszenia wg założonych warunków technologicznych. Mogą być zasilane gorącym powietrzem, spalinami, mogą mieć grzejniki parowe i wodne.

SUSZARNIE SZTUCZNE KOMOROWE

typu Kellera, typu Dannenberga – suszarnia cyrkulacyjna,

typu Szemetyłły – suszarnia recyrkulacyjna – wymuszony przepływ medium suszącego,

W tym przypadku medium suszące jest w ruchu a wyroby w spoczynku.

SUSZARNIE O PRACY CIĄGŁEJ - TUNELOWE

W suszarni tunelowej materiał suszony ułożony jest na wózkach i w czasie cyklu suszenia stopniowo przesuwa się przez suszarnię. Wyroby przechodzą odpowiednio strefę wilgotnego powietrza, prawie bez utraty wody, w dalszej części, w miarę podwyższenia temperatury powietrza, następuje powiększanie ilości oddawanej wody.

W ten sposób zachodzi „samoregulacja”

procesu suszenia, charakterystyczna dla suszarni przeciwprądowych.

Suszarnie o bardzo szerokim zastosowaniu.

SUSZARNIE O PRACY CIĄGŁEJ - KONWEJEROWE

Zwane łańcuchowymi, szafkowymi lub szalkowymi. Suszenie półfabrykatów w ceramice szlachetnej, budowlanej, rur kamionkowych. Skonstruowane są jako komory, w których wędrują dwa równoległe łańcuchy bez końca, do łańcuchów tych podwiesza się półki, na których unoszone są wyroby.

SUSZARNIE O PRACY CIĄGŁEJ - BĘBNOWE

Przeznaczone do suszenia wyrobów sypkich (piasek, glina, wapień, kreda), mogą działać współprądowo i przeciwprądowo.

W celu wywołania mieszania wsadu i zwiększenia powierzchni jego kontaktu z gazami suszącymi, w bębnie (d=1-3m) znajdują się różnego typu półki i przegrody.

SUSZARNIE ROZPYŁOWE

Przeznaczone są do granulowania mas ceramicznych, służących do formowania wyrobów np. płytek ceramicznych. Zapewniają, przy dobrze dobranych parametrach suszenia stałość wielkości granul, oraz stałość ich wilgotności i temperatury.

Rozpylana gęstwa powinna mieć jak najmniejszą wilgotność, wtedy wydajność suszarni jest duża, zwykle gęstwa jest sztucznie upłynniana. Rozpylanie gęstwy odbywa się za pomocą:

1) Rozpylacza dyskowego (wirujące talerze) 2) Rozpylacza dyszowego (ciśnieniowego)

3) Rozpylacza pneumatycznego (dwustrumieniowego) 4) Rozpylacza odśrodkowego

5) Rozpylacza ultradźwiękowego

Rozpylona na krople gęstwa wpada w strumień medium suszącego o bardzo wysokiej temperaturze (∼550^oC), tam krople są suszone i opadają do zbiornika. Uzyskuje się granulaty o średnicach od 50-300 µm.

SUSZARNIE ROZPYŁOWE

MIKROFALE

Mikrofale – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi, zaliczane są do fal radiowych.

λ = 10

⁻⁴

÷ 0,1 m

Istnienie fal elektromagnetycznych, którymi są też mikrofale, przewidział jako wniosek z równań odkrytych przez siebie James Clerk Maxwell w 1864 roku. Doświadczenia, przeprowadzone przez H. Hertza, pokazują istnienie fal elektromagnetycznych, wysyłane i odbierane w tych doświadczeniach fale były w zakresie UHF zaliczanym do mikrofal. Rozwój techniki i teorii mikrofal nastąpił dopiero w latach 30 XX w okresie prac nad radarami.

MIKROFALE

Mikrofale wprawiają cząsteczki wody znajdujące się w nagrzewanym ciele w drgania rotacyjne. Energia drgających cząsteczek wody, w wyniku silnego tłumienia drgań rozprasza się i jest przekazywana cząsteczkom podgrzewanego ciała – tym samym rośnie jego energia termiczna, a zatem i temperatura.

Zjawisko to odkrył przypadkowo amerykański inżynier Percy Spencer podczas badań nad wytwarzaniem fal elektromagnetycznych stosowanych w urządzeniach radarowych.

Sprzężenie częstości mikrofal z określonym ciężarem w materiale.

ZASTOSOWANIE: mokra chemia, suszenie, spiekanie

GŁÓWNE CECHY MATERIAŁOWE, KTÓRE WPŁYWAJĄ NA PODGRZEWANIE PRZEZ MIKROFALE:

1) Jak silna jest absorpcja promieniowania mikrofalowego dla danego materiału. Przykładowo, woda ma bardzo dużą absorpcję, większą niż ceramika ale mniejszą niż metale.

2) Jak duże jest ciepło właściwe substancji.

3) Jakie jest przewodnictwo cieplne danego materiału.

Talerza metalowego w ogóle nie powinno się umieszczać w mikrofalówce, gdyż metal ma ogromną koncentrację swobodnych nośników ładunku (elektronów), które mocno pochłaniają energię mikrofal i bardzo podgrzewają talerz. To może doprowadzić do iskrzenia czy pożaru wewnątrz urządzenia.

MIKROFALOWE SPIEKANIE CERAMIKI

Stosowane są zwykle fale elektromagnetyczne o częstotliwości 2,45 GHz co odpowiada długości fali 122 mm. Z powodzeniem spiekane są takie materiały jak: BaTiO₃; Al₂O₃; MgO czy B₄C.

Im większa głębokość wnikania tym materiał jest bardziej transparentny dla mikrofal. Głębokość wnikania maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Spiekanie Al₂O₃ prowadzi się w temperaturze 950°C/1h;

częstotliwość mikrofal 28 GHz.

Materiał Temperatura [°C] Głębokość wnikania

Al₂O₃ 20 14,9 m

Al₂O₃ 1050 410 mm

SiC 20 40 mm

SiC 695 4 mm

TiB₂ 20 4,5 mm

ZrO₂ 20 8 m

ZrO₂ 1200 850 mm

SPIEKANIE MIKROFALOWE „microwave sintering”

• mniejszy nakład energii,

• intensyfikacja procesów dyfuzyjnych transportu masy,

• redukcja czasu spiekania; szybszy przepływ ciepła,

• generalnie spieki posiadają wyższą gęstość i właściwy rozkład wielkości ziaren oraz charakteryzują się lepszymi fizyko- chemicznymi właściwościami,

ŁUK ELEKTRYCZNY

Ciągłe wyładowanie elektryczne zazwyczaj w gazie pod ciśnieniem normalnym (atmosferycznym) lub wyższym. Cechą charakterystyczną jest bardzo mały wewnętrzny opór elektryczny. Wyładowanie zachodzi pomiędzy dwiema elektrodami z materiału przewodzącego prąd elektryczny lub między stykami łącznika elektrycznego mechanizmowego w trakcie wyłączania prądu elektrycznego.

Łuk elektryczny ma szerokie zastosowanie w technice, stosowany jest do wytwarzania światła w lampach łukowych.

Używa się go w syntezie chemicznej i przy spawaniu elektrycznym, w hutniczych piecach łukowych.

Piec łukowy – piec elektryczny, w którym wsad nagrzewany jest łukiem elektrycznym osiągającym temperaturę do kilkunastu tysięcy stopni Celsjusza, co umożliwia nagrzewanie roztapianego wsadu do temperatur od 1400 do 2000°C.

Rozróżnia się:

• piece łukowe pośrednie – w których łuk płonie ponad wsadem między elektrodami, ciepło zaś przenosi się do wsadu przez promieniowanie (bezpośrednio lub odbite od ścian komory),

• piece łukowe bezpośrednie – w których łuk płonie między elektrodami, a wsadem.

Piece łukowe stosuje się do produkcji karbidu, w hutnictwie do wytwarzania

między innymi dodatków stopowych trudnotopliwych

i wymagających wysokiej

temperatury

do redukcji rudy metali.

PLAZMA

W obszarze łuku elektrycznego gaz jest silnie zjonizowany, stanowi plazmę. Jej temperatura zależy od natężenia prądu, rodzaju elektrod, rodzaju i ciśnienia gazu. Pod ciśnieniem atmosferycznym i przy przepływie prądu 1 A wynosi ona 5000–6000 K (ok.

4720–5720°C).

Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

SPARK PLAZMA SINTERING

Pierwsze laboratoryjne próby wykonania urządzenia do spiekania wykorzystującego impulsy energii elektrycznej odbyły się w 1933 r. w Stanach Zjednoczonych. W 1950 r. prace nad metodą o nazwie Spark Sintering (co w luźnym tłumaczeniu można rozumieć jako spiekanie za pomocą wyładowań prądowych) rozpoczął Lenel. Następnie w latach 1960–1970 wiodące osiągnięcia dotyczące rozwoju tej technologii uzyskali naukowcy z Lockheed Missile and Space Company w Californii oraz Inoue z Japonii. Aparatura drugiej generacji powstała pod koniec lat 80 i na początku lat 90. W tamtym czasie metoda nazywana była Plasma Activated Sintering (PAS) i umożliwiała stosowanie maksymalnej siły nacisku prasowania 50 kN i generatora prądu stałego dającego natężenie prądu 800 A.

Obecnie mamy do czynienia z trzecią generacją urządzeń do SPS oferujących generatory prądu stałego o natężeniu do 60 000 A i sile nacisku prasowania do 3 000 kN.

SPARK PLAZMA SINTERING

Metoda bazuje na prawie Joule’a, które mówi, że ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny (czyli również naszą konsolidowaną próbkę znajdującą się w aparaturze SPS), jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu. Prawo to wyraża zasadę zachowania energii dla przypadku, gdy energia elektryczna jest zamieniana na energię cieplną.

W metodzie SPS efekt ten jest wykorzystywany zamiany energii elektrycznej w energię wewnętrzną. Temperatura punktowo pomiędzy cząstkami proszku może sięgać wartości nawet 10000°C, powodując miejscowe ich nadtapianie i intensyfikację międzycząsteczkowego łączenia.

SPARK PLAZMA SINTERING

Jeden z proponowanych opisów mechanizmów procesu spiekania zachodzących pomiędzy cząstkami w trakcie stosowania metody SPS dzieli proces na następujące etapy:

1) aktywacja i oczyszczenie powierzchni cząstek proszków;

2) formowanie „szyjek” pomiędzy cząstkami;

3) wzrost powstałych „szyjek”;

4) zagęszczenie materiału w wyniku jego plastycznej deformacji.

SPARK PLAZMA SINTERING - ZALETY

• W metodzie SPS tlenkowe powierzchnie cząstek proszków są znacznie łatwiej redukowane (głównie przez występującą punktowo wysoką temperaturę, która powoduje ich odparowanie).

• Również szybciej (tzn. w niższych temperaturach) następuje zjawisko aktywacji spiekania w porównaniu z tradycyjnymi procesami spiekania. Pozwala to m.in. na przeprowadzanie procesu w temperaturze niższej o 200 do 500°C niż dla klasycznych metod.

• Te wszystkie wyżej wymienione efekty pozwalają ponadto na bardzo szybkie przeprowadzenie całego procesu. Nagrzewanie materiału wraz z jego izotermicznym spiekaniem dla tej metody zawiera się zwykle w zakresie od 5 do 20 minut.

• Na dodatek w procesie SPS można stosować znaczne szybkości nagrzewania materiału sięgające nawet 1000°C/min. Pozwala to na spiekanie nanokrystalicznych proszków bez efektu rozrostu ziaren.

DETONACJA

Wybuch (fala reakcji chemicznych) rozprzestrzeniający się w materiale wybuchowym z prędkością ponaddźwiękową, a najczęściej z wysoką prędkością hiperdźwiękową (z reguły wynosi kilka km/s do max. 10 km/s ; w gazach 1,8 - 3 km/s , w ciałach stałych 4 - 10,3 km/s), powodujący powstanie w otaczającym go ośrodku fali uderzeniowej. Na jej czole występuje bardzo wysokie ciśnienie (do ok.

50 GPa) i temperatura (do ok. 5800°C).

Gdy wybuch przebiega z prędkością

powyżej 400 m/s, ale poniżej maksymalnej prędkości możliwej dla danego

materiału wybuchowego, wówczas nazywa się go eksplozją, natomiast gdy wybuch przebiega z prędkością poniżej 400 m/s wówczas

nazywa się go deflagracją.

LASER

Podstawą działania lasera jest emisja wymuszona kwantów energii w ośrodku wzmacniającym (nazywanym również substancją laserującą lub ośrodkiem optycznie czynnym). Działanie lasera polega na wzbudzeniu ośrodka optycznie czynnego a następnie wyzwoleniu energii w postaci kwantu promieniowania spójnego.

Promieniowanie laserowe charakteryzuje się wysokim stopniem spójności, monochromatyczności i ukierunkowania a kąt rozbieżności wiązki zwykle nie przekracza kilku miliradianów. Oprócz możliwości skupienia całej energii promieniowania lasera w nadzwyczaj małym paśmie widma i małym kącie bryłowym, można ten sam efekt uzyskać w odniesieniu do czasu. Istotną cecha lasera jest również to, że w większości jego aplikacji można uzyskać generację promieniowania tylko o określonym stanie polaryzacji.

LASER pochodzi od pierwszych liter angielskiej nazwy:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Światła Wzmocnienie poprzez Wymuszoną Emisję

Promieniowania

LASER

Ogrzewanie przez absorpcję promieniowania laserowego

gdzie:

S – powierzchnia opromieniowania [cm²] W – energia promieniowania [J]

K – przewodność cieplna [W/cm⋅K]

C – energia właściwa [J/cm³⋅K]

ZASTOSOWANIE: Rapid Prototyping

𝜎𝜎𝑇𝑇 = 2

√𝜋𝜋 ∙ 𝑊𝑊

𝑆𝑆√𝜏𝜏 ∙ 1

√𝐾𝐾𝐶𝐶

OGRZEWANIE OPOROWE

Energia elektryczna jest najbardziej wygodnym źródłem energii cieplnej w piecach. Zapewnia całkowitą czystość środowiska, dokładną regulację obróbki cieplnej i pełną automatyzację wypalania.

Ogrzewanie oporowe opiera się na zjawisku wydzielania ciepła przy przepływie prądu przez przewodnik lub półprzewodnik (PRAWO JOULE’A-LENZA).

Ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu.

𝑄𝑄 = 𝑅𝑅𝐼𝐼 ² 𝑡𝑡

OGRZEWANIE OPOROWE

Prawo to jest wyrazem zasady zachowania energii w odniesieniu do przepływu prądu. Wynika z niego, że energia prądu elektrycznego zamienia się w energię wewnętrzną przewodnika.

Moc prądu Zatem:

Ilość wydzielonego ciepła jest równa pracy wykonanej

przez prąd elektryczny w czasie t, stąd:

𝑈𝑈 = 𝐼𝐼𝑅𝑅 𝑃𝑃 = 𝑈𝑈𝐼𝐼 𝑃𝑃 = 𝑅𝑅𝐼𝐼

²

𝑄𝑄 = 𝑊𝑊 = 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 𝑅𝑅𝐼𝐼

²

𝑡𝑡

PIECE OPOROWE

Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych:

Stopy metaliczne:

BAILDONAL, CHRONIX, NIKROTHAL

(70-80%Ni+30-20%Cr+5%Al) max. temp. pracy 1200^oC austenityczne, bezżelazowe

CRONIFER, NIKROTHAL

(Ni-Cr-Fe; Fe-Cr-Ni) max. temp. pracy 1000-1200^oC austenityczne, żelazowe

KHANTAL , ALUCHROM, BAILDONAL

(Fe-Cr-Al-Si) max. temp. pracy 1300-1400^oC ferrytyczne

PIECE OPOROWE

Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych:

Metale wysokotopiące się:

WOLFRAM max. temp. pracy 2500

^o

C MOLIBDEN max. temp. pracy 1900

^o

C

TANTAL max. temp. pracy 2400

^o

C PLATYNA max. temp. pracy 1600

^o

C

Atmosfera ochronna pracy (próżnia, argon).

Elementy metalowe w wysokich temperaturach stają się kruche, dlatego trzeba je podpierać na całej

długości lub nawijać na kształtki ceramiczne.

PIECE OPOROWE

Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych:

Elementy wysokotemperaturowe niemetalowe:

SILIT, GLOBAR, TECORUNDUM

SiC (karborund) temp. pracy 1450-1700^oC, mogą pracować w powietrzu

SUPERKHANTAL, MOSILIT

MoSi₂, temp. pracy 1700-1900^oC nadają się do pracy w powietrzu

CHROMIAN LANTANU, DWUTLENEK CYRKONU LaCrO₃, temp. pracy 1850-2000^oC;

ZrO₂, temp. pracy 2000^oC

również nadają się do pracy w powietrzu

PIECE OPOROWE

Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych:

Elementy wysokotemperaturowe niemetalowe:

WĘGLIK NIOBU

max. temp. pracy 2500-3000^oC, WĘGLIK NIOBU+10% TiC

max. temp. pracy 2500-3000^oC WĘGIEL ELEKTRODOWY; GRAFIT max. temp. pracy 2500-3000^oC

Mogą pracować tylko w atmosferze ochronnej:

próżnia, argon, hel.

PIECE OPOROWE

Ceramiczne elementy grzejne zasilane są przez transformatory, bowiem ze uwagi na ich małą oporność elektryczną płyną przez nie duże prądy rzędu kilkuset amperów, przy napięciach od kilku do kilkudziesięciu woltów.

Ceramiczne elementy rzadko umieszcza się na podpórkach ale w sposób uniemożliwiający kontakt z wyłożeniem w piecu (materiałami ogniotrwałymi),

ze względu na możliwość reakcji.