MAK tentti Vastaa 5:een kysymykseen

Transkriptio

1

2

3 MAK tentti Vastaa 5:een kysymykseen 1. Onko vedyn käyttö pelkistimenä järkevä vaihtoehto molybdenin valmistukseen molybdenioksidista, MoO C:ssa vakiopaineessa (1 bar)? Päättele pelkistyksessä syntyvän kaasun vesihöyry-vety suhteesta. Pelkistysreaktio on MoO2(s) + 2H2(g) = Mo(s) + 2H2O(g) Tarvittavat termodynaamiset tiedot: DfG (T); kj/mol MoO2(s) T H2O(g) T 2. Raudan muodostuminen rautamasuunissa tapahtuu pääasiassa epäsuoran kaasupelkistyksen kautta reaktion CO(g) + `FeO`(s) = Fe(s) + CO2(g) mukaisesti. Mikä on a) pelkistysvyöhykkeestä poistuvan kaasun koostumus, kun lämpötilan oletetaan olevan 1000 C, paineen 1 bar (atm) ja kun kaasun oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi koostuvan pelkästään hiilen oksideista (CO, CO2). b) tuottaako vai kuluttaako reaktio lämpöä? DfG = DfH - T*DfS FeO (vystiitti) T J/mol CO(g) T J/mol CO2(g) T J/mol 3. Mitä kemiallisesti erilaisia menetelmiä on (metallurgisissa prosesseissa) käytettävissä metallin valmistamiseksi metalliyhdisteistä? Kirjoita reaktioyhtälöt. 4. Minkälainen reaktori on Peirce-Smith konvertteri, LD-konvertteri (BOF, päältäpuhalluskonv.) ja AODkonvertteri. Mihin niitä käytetään ja mitkä ovat ko. reaktorien ja niissä toteutettavien prosessien olennaiset erot? 5. Kuparin valmistus lyhyesti: esitä vaiheet/prosessit, joiden kautta päästään sulfidisesta malmista raffinoituun kupariin. Saat itse valita prosessiketjun! file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (1 of 7) :11:01

4 6. Selitä lyhyesti a) miksi rauta kuonautuu sulfidisten kuparirikasteiden hapettavissa sulatusmenetelmissä kuparin rikastuessa pääosin kiveen ja b) miksi konvertoinnin rikkaaksipuhallusvaiheessa kuparisulfidi kupari hapettuu kupariksi eikä kuparikoksidiksi 7. Päättele oheisen standardipotentiaalitaulukon perusteella voidaanko kupari, ja rauta sementoida sinkkipölyllä vesiliuoksesta; b) minkälaisia mahdollisuuksia oheistetut tiedot (kuvat ja liukoisuustulot) avaavat vesiliuoksissa esiintyvien ionien Zn2+, Cu2+, ja Fe2+ erottamiseksi toisistaan? Karbonaattien liukoisuustuloja /pks: CuCO3(s) ; FeCO3(s) ; ZnCO3(s) (kuva puuttuu) Mak Tentti Vastaa 4:ään tehtävään, joista yksi on tehtävä 1 (ei korvattava). 1. Kuparin valmistus hydrometallurgisesti malmista, jonka koostumus on seuraava: Cu4FeS5(borniitti) 1.2% CuS (kalkosiitti) - 2%, sfaleriitti ZnS 1%. 2PbS.Sb2S3 (jamesiitti) 1.3 % FeS2 7%loput silikaattista sivukiveä. Suunnittele prosessi puhtaan kuparin valmistukseen saakka! Käytä vapaasti mielikuvistusta, kunhan se pysyy järkevissä rajoissa. Saat käyttää HSC:tä liuotuksen, liuospuhdistuksen ja kuparin pelkistyksen suunnitteluun (mikroluokka tai MTG:n laboratorio), mutta prosessin voi järkeillä ilmankin ottasen huomioon jaetun aineiston, metallien suhteellisen keskinäisen jalousasteen ja sinkkirikasteen jalostuksen HSC.-käsittelyn kokemukset! 2. Romun käyttö terästen valmistuksessa? Miten, miksi, mikä rooli erityyppisissä prosesseissa? 3. Kuonat, mitä ne ovat, mikä rooli millä on metallurgisisa prosesseissa? 4. Miten etenee oheisen lyijyrikasteen hapettava sulatus lämpötilassa 1250 C, jota ohjaa sulfididen hapetusreaktiona reaktiopotentiaali (DRG) eli saadaanko muut sulfidit ilmalla asteittain hapettaen kuonattua ennen lyijyä? Voit laskea myös HSC:llä Gas N2(g) O2(g) SO2(g) Concentrate kg DRG /kj PbS 28.3 file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (2 of 7) :11:01

5 2/3PbS+O2(g) = 2/3PbO(l) + 2/3SO2(g) -197 ZnS 7.3 2/3ZnS+O2(g) = 2/3ZnO(l) + 2/3SO2(g) FeS /3FeS+O2(g) = 2/3FeO(l) + 2/3SO2(g) Cu2S 1.2 2/3Cu2S+O2(g) = 2/3Cu2O(l) + 2/3SO2(g) -151 Al2O3*2SiO2 8.4 Sulphide melt (led bullion) PbS(l) ZnS(l) (HSC:llä laskettaessa käytettävä muotoa ZnS) FeS(l) Cu2S(l) Slag SiO2(l) PbO(l) ZnO(l) Cu2O(l) Al2O3(l) *2FeO*SiO2(l) Kv-hiekka: SiO Mitä reaktiota tapahtuu oheisen Eh-pH-piirroksen rajoilla 1-4 (kuva uupuu...) Mak Tentti Vastaa 5:een kysymykseen 1. Miten valmistaisit puhdasta kuparia (-99.97% Cu) kalkopyriittisestä malmista, jossa kupari (1-2%) on sitoutunut pääasiassa kalkopyriittiin ja joka sisältää lisäksi jonkin verran rautasulfideja sekä silikaattista sivukiveä. Saat vapaasti valita yksikköprosessit/-operaatiot. Selitä lyhyesti mitä kussakin vaiheessa tapahtuu. 2. Miten valmistaisit niukkaseosteista terästä malmista, jossa rauta on sitoutunut magnetiitiksi (65%) ja jossa loppu on silikaattista sivukiveä. Esitä lyhyesti yksikköprosessit/-operaatiot, joiden kautta teräs valmistetaan. 3. file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (3 of 7) :11:01

6 Osoita laskemalla onnistuuko ZrO2:n a) epäsuora (CO:lla) tai b) suora (C) hiilipelkistys vedyllä 1400 C: ssa yhden atmosfäärin paineessa. Oheinen tieto käytettävissä. substance: ZrO2 CO2(g) CO(g) ZrC DfG (1773K), kj/mol Vihje: Laskeskele epäsuoran ja suoran pelkistyksen tasapainoehdot ja tarkista suoran pelkistyksen osalta olisiko reaktiotuote yhden ilmakehän paineessa todella metallinen Zr. Jos et osaa laskea, selitä mitä ja miten laskisit! Shemaattinen esitys pelkistysprosessista (siis kuva puuttuu...) 4. Selitä lyhyesti a) miksi rauta kuonautuu sulfidisten kuparirikasteiden hapettavissa sulatusmenetelmissä kuparin rikastuessa pääosin kiveen ja b) miksi konvertoinnin rikkaaksipuhallusvaiheessa kuparisulfidi kupari hapettuu kupariksi eikä kuparioksidiksi 5. Hydrometallurginen liuospuhdistus? Miksi? Miten? Esimerkkejä! 6. Mitkä sähkökemialliset reaktiot tapahtuvat oheisen Eh-pH piirroksen rajoilla I,II, III ja IV ja mitä tilannetta kuvaavat kaksi katkoviivalla esitettyä rajaa. (valitettavasti taas kuva puuttuu)... MAK tentti vastaa 2:een kysymykseen 1. Kuparin valmistus malmista puhtaaksi (raffinoiduksi) kupariksi; esitä prosessivaiheet! 2. Malmipohjainen teräksen valmistus (raaka-aineista valuun); esitä prosessivaiheet! 3. Esitä näkemyksesi mitkä ovat mielestäsi Suomen metallurgisen teollisuuden ominaispiirteet! Mak Tentti Vastaa 4:ään tehtävään, joista yksi on tehtävä 1 (ei korvattava). 1. Mieti ja esitä sinkin ja lyijyn valmistusvaihtoehto (yksikköprosessit) malmista, jonka arvomineraali on file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (4 of 7) :11:01

7 Pb-Zn-karbonaattimalmi (cerrusiitti-smithsoniittimalmi 31% PbCO3*xZnCO3 loput silikaattista kiveä (molemmat karbonaatit kalsinoituvat alle 500 C:n lämpötilassa) sinkin ja lyijyn valmistamiseksi. Saat vapaasti valita prosessit (mekaaninen, kemiallinen, pyro, hydro) ja hyvin suppea kuvaus prosessien periaatteesta riittää. Käytä vapaasti mielikuvitusta, utta oman tietosi ja prujun sisätämän tiedon puitteissa! Saat vapaasti käyttää HSC:tä jos se auttaa (MTG:n lab ja Jalkasen huone) 2 Vertaile kvalitatiivisesti polttoaineen tarvetta ja energian kulutusta, kun terästä valmistetaan rautarikasteesta (magnetiittinen rikaste) (rautamasuuni + happikonvertteri) ja kun kuparia valmistetaan kalkopyriittisestä (FeS2/CuFeS2 moolisuhde = 2/1) rikasteesta kuparikiven liekkisulatus + konvertointi menetelmällä. Mistä ko. prosessien energiankulutus mielestäsi koostuu ja miten energiankulutuksen rakenne mielestäsi eroaa toisistaan ko. prosesseissa? Saat vapaasti käyttää HSC:tä jos se auttaa (MTG:n lab ja Jalkasen huone). Oheinen tieto on käytettävissä arvion perustaksi. Käytä mielikuvitustasi! Voit huomatella kaikista epämääräisistä asioista, jotka arvelet vaikuttavan energian kulutukseen ja tarpeeseen! (panosten kuumentamiseen kuluu tietysti energiaa mutta oletetaan ettei se tee ollennaista eroa) 2CuFeS2 + 5O2(g) + SiO2 = 2Cu + *2FeO*SiO2(l) + 4SO2(g) T DH C kj Fe3O4 + 4C = 3Fe(l) + 4CO(g) T DH C kj [C]Fe + O2(g) = 2CO(g) T DH C kj CO(g) + O2(g) = 2CO2(g) (CO-siis hyödynnetään polttamalla T DH C kj FeS2 + 5O2(g) + SiO2 = *2FeO*SiO2(l) + 4SO2(g) T DH C kj file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (5 of 7) :11:01

8 Kuonat, sulfidisten raaka-aineiden sulatusprosesseissa ja raudan valmistusprosesseissa! Mitä ne ovat, mikä rooli millä on ko.metallurgissa prosesseissa? 4. Hydrometallurginen liuospuhdistus? Miksi? Miten? Esimerkkejä! 5. Mitä reaktiota tapahtuu oheisen Eh-pH-piirroksen rajoilla 1-5 Mak Tentti Vastaa 5:een kysymykseen 1. Selitä lyhyesti mihin perustuu sulfidimineraalien selektiivinen vaahdotus? 2. Osoita laskemalla onnistuuko ZrO2:n epäsuora (CO:lla) tai suora (C) hiilipelkistys vedyllä 1400 C:ssa yhden atmosfäärin paineessa. Oheinen tieto käytettävissä. Vihje: Laskeskele epäsuoran ja suoran pelkistyksen tasapainoehdot ja tarkista suoran pelkistyksen osalta olisiko reaktiotuote yhden ilmakehän paineessa todella metallinen Zr. Jos et osaa laskea, selitä mitä ja miten laskisit! substance: ZrO2 CO2(g) CO(g) ZrC DfG kj/mol Mikä on raffinointielektrolyysin (electrolytiv refining t. purification) ja talteenottoelektrolyysin (electrowinning) välinen ero? 4. Miksi alumiinia valmistetaan a) elektrolyyttisesti sulasulatteesta eikä vesiliuoksesta, b) miksi aluminoksidi liuotetaan kryoliittiin eikä pelkistetä suoraan sulasta aluminioksidista, c) mikä merkitys on hiilielektrodien käytöllä alumiini-elektrolyysissä? file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (6 of 7) :11:01

9 5. Raakakuparin termisen raffinoinnin (ilmapuhallus) jälkeen suoritetaan deoksidointi esim. propaanilla C3H8(g) 1100 C:ssa. Kuumeneeko vai jäähtyykö sula kupari, kun propaani puhalletaan 40 C:sena sulaan. Pelkistymisreaktioksi oletetaan 10[O]Cu + C3H8(g)= 3CO2(g) + 4H2O(g): DRH(1373K) = kj CpC3H8(g) = 146 J*mol-1*K-1 Vihje: Oleta, että propaani ensin kuumenee lämpöä kuluttaen 1373K:een ja sitten deoksidoi kuparin! Voidaanko metallista vanadiinia valmistaa vanadiinioksidista hiilipelkistyksellä vakuumiagrekaatissa, jonka tehollinen vakuumi on 10-6 bar (atm) ja käyttölämpötila 1327 C, vai muodostuuko vanadiinikarbidia (VC)? yhdiste DfG VO -101, *T cal/mol CO - 27, *T " VC - 12, *T Vihje: Kirjoita kilpailevat reaktiot. Oleta, että ainoa kaasu reaktorissa on hiilimonoksidi, jonka paine siis alimminllaan on 10-6 bar. 5. Päättele standardipotentiaalitaulukon (Hayes: sivu 332) perusteella voidaanko kupari, koboltti ja mangaani sementoida sinkkipölyllä vesiliuoksesta. 7. Mitkä sähkäökemialliset reaktiot tapahtuvat oheisen Eh-pH piirroksen rajoilla I ja II ja III ja mitä tilannetta kuvaavat kaksi katkoviivalla esitettyä rajaa. (kuva puuttuupi...) file:///c /Documents%20and%20Settings/Jani%20Jansson/Desktop/Tentit/mak37130.htm (7 of 7) :11:01

10

11

12

13