Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 1

Samankaltaiset tiedostot
Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 1

Korkealämpötilakemia

Ellinghamin diagrammit

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Korkealämpötilakemia

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Korkealämpötilakemia

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

Sähkökemian perusteita, osa 1

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Korkealämpötilakemia

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Sähkökemialliset tarkastelut HSC:llä

Tärkeitä tasapainopisteitä

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

17VV VV Veden lämpötila 14,2 12,7 14,2 13,9 C Esikäsittely, suodatus (0,45 µm) ok ok ok ok L. ph 7,1 6,9 7,1 7,1 RA2000¹ L

17VV VV 01021

Korkealämpötilakemia

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

luku2 Kappale 2 Hapettumis pelkistymisreaktioiden ennustaminen ja tasapainottaminen

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

2. Reaktioyhtälö 3) CH 3 CH 2 COCH 3 + O 2 CO 2 + H 2 O

derivaatta pisteessä (YOS11) a) Näytä, että a n+1 > a n, kun n = 1, 2, 3,.

Ni-OHJELMA. OLIVIININ KOOSTUMUKSEN LASKEMISESTA.

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Torstai klo Termodynamiikan käsitteitä

Liitetaulukko 1/11. Tutkittujen materiaalien kokonaispitoisuudet KOTIMAINEN MB-JÄTE <1MM SAKSAN MB- JÄTE <1MM POHJAKUONA <10MM

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

Korkealämpötilakemia

OUTOKUMPU. ;.,,, r 4 x 4 i ALE 0 K MALMINETSINTK RAPORTTI NAYTE 10-JH/ /78. KOBALTIITIN JA ARSEENIKIISUN KOKOOMUS

Korkealämpötilakemia

* FINAS -akkreditoitu menetelmä. Mittausepävarmuus ilmoitetaan tarvittaessa. Akkreditointi ei koske lausuntoa.

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Faasipiirrokset, osa 1: Laatiminen sekä 1-komponenttipiirrosten tulkinta

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Korkealämpötilakemia

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

MINERAALI- TUOTTEET Kierrätys ja Mineraalituotteet

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Korkealämpötilakemia

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

1 Aritmeettiset ja geometriset jonot

Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

MAK tentti Vastaa 5:een kysymykseen

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Lapin alueen yritysten uudet teräsmateriaalit Raimo Ruoppa

Lumijoki 1, silta 14VV Lumijärvi 14VV Lämpötila 0,6 0,2 0,1 0,8 2,2 C Suodatus (alkuaineet), KT ok ok ok ok ok Kenttät.

Resurssiviisaus on bisnestä ja huikeita mahdollisuuksia? Kenneth Ekman CrisolteQ Oy April 2013

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Matemaattinen Analyysi

k-kantaisen eksponenttifunktion ominaisuuksia

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

Dislokaatiot - pikauusinta

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Pyramidi 9 Trigonometriset funktiot ja lukujonot HK1-1. Dsin3 x. 3cos3x. Dsinx. u( x) sinx ja u ( x) cosx. Dsin. Dsin

a) Puhdas aine ja seos b) Vahva happo Syövyttävä happo c) Emäs Emäksinen vesiliuos d) Amorfinen aine Kiteisen aineen

Firan vesilaitos. Laitosanalyysit. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

MAA02. A-osa. 1. Ratkaise. a) x 2 + 6x = 0 b) (x + 4)(x 4) = 9 a) 3x 6x

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

EPÄORGAANINEN KEMIA HARJOITUKSIA. Jaksollinen järjestelmä

Ylioppilastutkintolautakunta S t u d e n t e x a m e n s n ä m n d e n

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

2CHEM-A1210 Kemiallinen reaktio Kevät 2017 Laskuharjoitus 7.

Ravinteet. Mansikan lannoitus ja kastelu -koulutus Raija Kumpula

Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

Reaktiosarjat

1.1. YHDISTETTY FUNKTIO

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Juuri 2 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN VALINTAKOE

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Tiukentuneet määräykset

1. Lineaarinen optimointi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 4. Potenssifunktio Eksponenttifunktio Logaritmifunktio

määrittelyjoukko. log x piirretään tangentti pisteeseen, jossa käyrä leikkaa y-akselin. Määritä millä korkeudella tangentti leikkaa y-akselin.

2 arvo muuttujan arvolla

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

vi) Oheinen käyrä kuvaa reaktiosysteemin energian muutosta reaktion (1) etenemisen funktiona.

Pellettien pienpolton haasteet TUOTEPÄÄLLIKKÖ HEIKKI ORAVAINEN VTT EXPERT SERVICES OY

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Transkriptio:

Kellogg-diagrammit Ilmiömallinnus rosessimetallurgiassa Syksy Teema - Luento Eetu-Pekka Heikkinen, Tavoite Oia tulkitsemaan ja laatimaan ns. Kellogg-diagrammeja eli vallitsevuusaluekaavioita Eetu-Pekka Heikkinen,

Tasaainoiirrokset Tasaaino- eli stabiilisuusiirrokset Kuvaavat graafisesti eri faasien keskinäisiä stabiilisuuksia olosuhteiden funktiona Miten yhdisteiden stabiilisuutta voidaan tarkastella? Kuvaajien taustalla: G, H, S, C = f(t,,x i ) Noea menetelmä tasaainotilaisten systeemien tarkasteluun Reaktioiden sontaanisuus? Faasit ja niiden koostumukset tietyissä olosuhteissa? Eetu-Pekka Heikkinen, Tasaainoiirrokset Koostumus-lämötila-iirrokset Tasaaino- tai faasiiirrokset Potentiaali-otentiaali-iirrokset Vallitsevuusaluekaaviot (Kellogg) Vaaaenergiaiirrokset (Ellingham) E-H-iirrokset (Pourbaix) Eetu-Pekka Heikkinen,

Vallitsevuusaluekaaviot (Kellogg-diagrammit) Kuvaavat yhdisteiden välisiä stabiilisuuksia kolmen komonentin systeemeissä, joissa yksi komonenteista (yleensä jokin metalli) muodostaa yhdisteitä kahden muun komonentin (yleensä eämetalleja) kanssa Akseleina Kahden (jälkimmäisen) komonentin tai niiden muodostamien yhdisteiden aktiivisuudet tai osaaineet (lämötila on vakio) Toinen em. aktiivisuuksista sekä lämötila (toinen aktiivisuuksista on vakio) Eetu-Pekka Heikkinen, Vallitsevuusaluekaaviot (Kellogg-diagrammit) log SO (g) 4 3 Rikittävämmät olosuhteet Kaliumin haetusaste kasvaa ja erilaisia sulfideja muodostuu K-O -S Phase Stability Diagram at 5. K S4 O6 Haettavat ja rikittävät olosuhteet Sulfaattien muodostuminen (sis. O ja S) K S O8 K S5 - K SO4 - -3 K S K K O K O KO KO3 Haettavammat olosuhteet Kaliumin haetusaste kasvaa ja erilaisia oksideja muodostuu -6-3 File: C:\HSC4 \KOS5.i - 3 5 log O (g) Eetu-Pekka Heikkinen, 3

Esimerkkejä Kelloggdiagrammeista log CO(g) 7. Ni-C -O Phase Stability Diagram at. C 6.8 6.6 6.4 Ni3C Ni + O + CO NiCO3 (O ja CO molemmat mukana reaktiossa) Akselikomonentit ovat samalla uolella reaktioyhtälöä Laskeva suora NiCO3 6. 6. Ni NiO + CO NiCO3 (O ei mukana reaktiossa) 5.8 Ni + O NiO (CO ei mukana reaktiossa) NiO 5.6 -. -.6 File: D:\HSC4\NiCO.is -. -.8 -.4 -. -9.6 log O(g) Eetu-Pekka Heikkinen, Esimerkkejä Kelloggdiagrammeista log CO(g) 6. 5.8 5.6 5.4 5. 5. 4.8 4.6 4.4 4. 4. 3.8 3.6 Ni3C 3.4 -. -.6 -. File: D:\HSC4\NiCO.is Ni-C -O Phase Stability Diagram at. C Ni NiCO3 -.8 -.4 NiO + O + CO NiCO3 (CO ei voi olla mukana reaktiossa!) NiO -. -9.6 log O(g) Eetu-Pekka Heikkinen, 4

Esimerkkejä Kelloggdiagrammeista log CO(g) 7. Ni-C -O Phase Stability Diagram at. C 6.8 6.6 6.4 6. 6. Ni + CO NiCO3 + CO (O ei voi olla mukana reaktiossa!) Nyt akselikomonentit ovat eri uolilla reaktioyhtälöä Nouseva suora Ni NiCO3 Ni3C 5.8 NiO 5.6 3.6 4. File: D:\HSC4\NiCO.is 4.4 4.8 5. 5.6 6. log CO(g) Eetu-Pekka Heikkinen, Esimerkkejä Kelloggdiagrammeista log SO(g) Ni-O -S Phase Stability Diagram at. C 8 6 4 NiS NiSO4 Ni3S4 - Ni Ni3S -6 - - - File: D:\HSC4\NiOS.is -9-8 NiO Ni + O NiO O on ainoa akselikomonentti, joka on mukana reaktiossa Ei ole väliä, onko toinen akselikomonentti CO vai SO Sama suora kuvaa tätä reaktiota -7-6 log O(g) Eetu-Pekka Heikkinen, 5

log (P(CO)) (atm) log (P(CO)) (atm) D:\FactSage\Fe-O-C-73.wmf 7.. D:\FactSage\Fe-O-C-73-x.wmf 7.. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Fe-O-C, 73 K '+' =. atm P(total) isobar - - Fe 5C (s ) CFe 3(s) Fe(s 3) Kellogg-diagrammeihin on mahdollista lisätä isobaarikäyriä. Isobaarit näyttävät alueen, jossa kaasumaisten komonenttien osaaineiden summa vastaa tiettyä annettua kokonaisaineen arvoa (yleensä atm) -3 FeO(s) Fe 3O 4(s) Tämän systeemin kaasukomonentit: CO + CO (+ rautaa sisältävät kaasukomonentit) Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Fe-O-C, 73 K '+' =. atm P(total) isobar - - Fe 5C (s ) CFe 3(s) Fe(s 3). atm atm Samaan kuvaajaan voidaan luonnollisesti sisällyttää useita isobaareja. Tässä kuvaajassa isobaarit on iirretty vastaamaan kokonaisaineita, atm ja atm. -3 FeO(s) Fe 3O 4(s) Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) 6

log (P(CO)) (atm) log (P(CO)) (atm) D:\FactSage\Zn-O-C-73.wmf 7.. D:\FactSage\Zn-O-C73-x.wmf 7.. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Zn-O-C, 73 K '+' =. atm P(total) isobar - Zn(l) Tarkastellaan rosessia, jossa raudan ja sinkin oksideja sisältävää ölyä käsitellään uunissa, jonka atmosfääri koostuu hiilimonoksidista ja hiilidioksidista. - OZn(s) -3 Kuvaajasta nähdään, että ZnO saadaan elkistettyä tietyillä kaasukoostumuksilla, mutta näin syntyvä sinkki on sulaa 73 K:n lämötilassa. Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) Halutaan tietää, missä olosuhteissa sinkki saadaan oistettua ölyistä kaasufaasiin (ja erotettua siitä edelleen omaksi faasikseen). Laaditaan Kelloggdiagrammi, jossa sinkin yhdisteiden stabiilisuusalueet on esitetty tarkastelulämötilassa. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Zn-O-C, 473 K '+' =. atm P(total) isobar Toinen kuvaaja samalle systeemille korkeammassa lämötilassa (473 K) kertoo, että elkistyvä sinkki on nyt kaasumaista. - Zn(g) Ts. ZnO voidaan elkistää kaasufaasiin. - -3 OZn(s) btw: Isobaarit on määritetty kahdelle eri kokonaisaineelle (, atm ja atm) Kuvaaja ei kuitenkaan kerro mitään siitä, missä muodossa rauta esiintyy näissä olosuhteissa. Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) 7

log (P(CO)) (atm) log (P(CO)) (atm) D:\FactSage\Fe-O-C73.wmf 7.. D:\FactSage\Fe-Zn-O-C73.wmf 7.. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Fe-O-C, 473 K '+' = atm P(total) isobar - Fe 5C (s ) CFe 3(s) Fe(s ) Raudan ja sen yhdisteiden stabiilisuusalueiden määrittämiseksi voidaan iirtää toinen Kelloggdiagrammi (Fe-O-Csysteemille samassa lämötilassa). - -3 FeO(s) Fe 3O 4(s) Kaasumaisen sinkin stabiilisuusalue (edellisestä kuvaajasta) kertoo, että näissä olosuhteissa rauta esiintyy joko kiinteänä metallina tai karbidina. Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Fe-Zn-O-C, 473 K < Zn/(Fe+Zn) <.333 - - -3 Fe 5C (s )+Zn(g) CFe 3(s)+Zn(g) Alue, jossa Zn on kaasumainen Fe(s )+Zn(g) Fe(s FeO(s)+OZn(s) )+OZn(s) Systeemistä löytyy yhdiste, joka sisältää sekä rautaa että sinkkiä (sinkkiferriitti). Fe 3O 4(s)+OZn(s) Edelliset tarkastelut eivät kuitenkaan kerro, onko olemassa yhdisteitä, jotka sisältävät sekä rautaa että sinkkiä. (Tarkastelut tehtiin erikseen Fe-O-C- ja Zn-O- C-systeemeille.) On kuitenkin mahdollista iirtää Kellogg-diagrammi, jossa on huomioitu useamman kuin yhden metallin muodostamat yhdisteet. (Tällaiset kuvaajat ovat aika monimutkaisia, kun komonenttien lukumäärää kasvatetaan.) Fe 3O 4(s)+Fe O 4Zn(s) Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) 8

log (P(CO)) (atm) D:\FactSage\Fe-Zn-O-C-Cl73.wmf 7.. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Fe-Zn-O-C-Cl, 473 K < Zn/(Fe+Zn) <.333, log P(Cl ) = -6 (atm) Fe 5C (s )+Cl Zn(g) - - -3 Alue, jossa sinkki on kaasumainen Cl Fe(g)+Cl Zn(g) Alue, jossa myös rauta esiintyy kaasumaisena. Fe 3O 4(s)+Cl Zn(g) Fe 3O 4(s)+OZn(s) Fe 3O 4(s)+Fe O 4Zn(s) Entä jos uunissa on myös klooria? Laadittava kuvaaja Fe-Zn-O-C-Cl-systeemille Koska molemmat akselit on jo varattu (CO ja CO ), on kloorin määrä (ts. osaaine) oletettava kuvaajassa vakioksi. Tässä kuvaajassa on käytetty arvoa -6 atm. Raudan kaasuuntumisen estämiseksi vaaditaan erilaiset olosuhteet, mikäli systeemi sisältää klooria. Eetu-Pekka Heikkinen, -3 - - log (P(CO )) (atm) Eetu-Pekka Heikkinen, 9

Eetu-Pekka Heikkinen, Eetu-Pekka Heikkinen,

Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Eetu-Pekka Heikkinen, Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Systeemin komonentit: Mo, MoO, MoO 3 ja MoS Ensimmäinen reaktio: Mo + O = MoO a MoO K a Mo O O Gr,9 ln K,986 T lg O 4,7 G 735 r,9 lg K mol 4,575T 4,575 9K mol K SO ei ole mukana reaktioyhtälössä SO ei esiinny suoran yhtälössä 4,7 lg O

Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Toinen reaktio: Mo + ½ O = MoO 3 a MoO 3 K / / a MoO O O Gr,9 lg K 4,575T 3 mol 4,575 9K mol K 5,35 lg / O lg O,7 SO ei ole mukana reaktioyhtälössä SO ei esiinny suoran yhtälössä Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Kolmas reaktio: Mo + SO = MoS + O a K a MoS Mo O SO O SO Gr,9 lg K 4,575T 85756 mol 4,575 9K mol K,83 lg O SO lg O lg SO lg SO lg O,4

Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Neljäs reaktio: MoS + 3 O = MoO + SO K a MoO a SO 3 MoS O SO 3 O Gr,9 lg K 4,575T 8749 mol 4,575 9K mol K 45,5 lg SO 3 O lg SO lg 3 O lg SO 3 lg O,8 Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Viides (viimeinen) reaktio: MoS + 3½ O = MoO 3 + SO K a MoO a 3 SO SO 7/ 7/ MoS O O Gr,9 lg K 4,575T 954 mol 4,575 9K mol K 5,88 lg SO 7 / O lg SO lg 7 / O lg SO,75 lg O 5,4 3

Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Kellogg-diagrammi laaditaan iirtämällä edellä määritetyt viisi (lineaarista) yhtälöä samaan kuvaajaan. log SO(g) 5 Mo-O -S Phase Stability Diagram at 67. C Ilma-atmosfääri: O =. lg( O ) = -.68 5 MoS Molybdeenin stabiilein muoto on joko MoO 3 tai MoS. MoS on kuitenkin stabiili vasta äärimmäisen korkeilla SO :n osaaineilla (yli atm) MoO 3 on stabiili muoto ilmaatmosfäärissä - Mo - -3 - File: C:\HSC\MOOS67.IPS MoO - MoO3 log O(g) Teema Kotitehtävä Deadline: Ma 7.9. (klo ) Eetu-Pekka Heikkinen, 4