Prażenie (technologia chemiczna)

Prażenie – ogrzewanie substancji stałych w wysokiej temperaturze, niższej od ich temperatury topnienia, w celu spowodowania przemian fizycznych lub chemicznych.

Dwa piece cementowe z chłodnikami planetarnymi

Rodzaje procesów prażenia

Rozróżnia się prażenie:

utleniające, prowadzone w obecności utleniaczy, np. tlenu z powietrza
redukujące, prowadzone w obecności reduktorów, np. węgla, tlenku węgla
pirolityczne, prowadzone w atmosferze gazu obojętnego bez obecności środków redukujących i utleniających
kalcynujące, rozkładające substancję z wydzieleniem różnych gazów, np. kalcynacja wodorowęglanu sodu:

2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O↑ + CO₂↑.

W chemicznej analizie wagowej i mikroanalizie prażenie osadu, zwykle z udziałem silnych utleniaczy, ma na celu doprowadzenie go do postaci czystego tlenku określonego pierwiastka, na podstawie czego można ustalić zawartość tego pierwiastka w wyjściowej substancji. Na przykład prażenie związków krzemoorganicznych prowadzi się z użyciem kwasu siarkowego, w wyniku czego wszystkie grupy organiczne przyłączone do krzemu przechodzą w tlenki węgla i siarczki, które odparowują, zaś pozostałość stanowi czysta krzemionka. Znając masę wyjściowego związku i ważąc otrzymaną krzemionkę, można ustalić zawartość krzemu w tym związku.

W dużej skali produkcyjnej proces prażenia stosuje się do przetwarzania surowców mineralnych i produktów rolnych i prowadzi w piecach przemysłowych. Można tu wymienić^[1]^[2]:

przeróbkę węgla kamiennego – koksowanie i wytlewanie
kalcynowanie kamienia wapiennego w wapiennikach
przeróbkę rud metali (pirytu, sfalerytu, galmanu, galeny, chalkozynu, chalkopirytu) w piecach zwanych prażakami (znajdujących się w prażalniach)
otrzymywania tłuszczów roślinnych ze zmiażdżonych nasion roślin oleistych w wyniku prażenia z równoczesnym nawilżaniem i mieszaniem (w tak zwanych prażniach)
otrzymywania dekstryn z wysuszonego i zakwaszonego krochmalu.

Prażenie w metalurgii (przykład)

Proces prażenia jest stosowany w metalurgii w różnych etapach złożonego procesu hutniczego, na przykład w czasie operacji wstępnej obróbki surowców mineralnych (rud) oraz w czasie zasadniczego przetwarzania chemicznego.

Przykłady obróbki wstępnej

Aparat Dwighta-Lloyda do prażenia do spieczenia (aglomeracji)^[3]^[4]

Wstępna obróbka surowców może polegać na prażeniu do spieczenia. Jest to proces nadtapiania powierzchniowej części drobnych ziaren rudy (np. zmielonej w czasie wzbogacania), co powoduje ich zlepianie się w pożądanym stopniu. W hutnictwie aluminium wstępne prażenie boksytu powoduje dodatkowo rozkład zawartych w rudzie substancji organicznych, co ułatwia ekstrakcję w procesie Bayera^[3].

Nadtapianie bez aglomeracji jest korzystne również w innych procesach produkcyjnych, na przykład w czasie otrzymywania kwasu fosforowego metodą ekstrakcyjną (wstępne prażenie fosforytów ogranicza przechodzenie do roztworu tlenków żelaza i glinu)^[3].

Prażenie wstępne, na przykład prażenie do spieczenia, jest prowadzone za pomocą, między innymi, taśmowych aparatów spiekalnych Dwighta-Lloyda (taśma spiekalnicza). Konstrukcja tych aparatów jest podobna do konstrukcji rusztów łańcuchowych, w których strumień powietrza przepływa w odwróconym kierunku: z góry w dół. Prażony materiał (lub jego mieszanina z paliwem) ulega zapłonowi po szybkim przesunięciu pod palnikiem; po opuszczeniu taśmy jest sortowany na sitach. Frakcja drobna jest zawracana do strefy prażenia^[3]^[5].

Przykład metalurgii cyny

Kryształ kasyterytu^[6]

Jednym z licznych przykładów zastosowania prażenia w metalurgii jest proces produkcji cyny z rud, w których skład wchodzą tlenki żelaza i innych metali oraz niewielkie ilości kasyterytu (SnO₂, minerał zawierający 79% cyny). Jednym z etapów złożonego technologicznego procesu uzyskiwania cyny metalicznej jest w tym przypadku chlorowanie koncentratów w temperaturze 900–1000 °C i odparowanie chlorków, powstających w wyniku reakcji^[7]:

SnO₂ + MCl₂ + CO = SnCl₂ + MO + CO₂

SnO₂ + Cl₂ + C = SnCl₂ + CO₂

SnO₂ + 2 HCl + CO = SnCl₂ + H₂O + CO₂

Chlorowanie jest selektywne – chlorek żelaza(II) w tych warunkach wchodzi w reakcję:

4 SnO₂ + 6 FeCl₂ = 2 Fe₃O₄ + 2 SnCl₂ + 2 SnCl₄

czyli przyspiesza proces uzyskiwania SnCl₂.

Prażenie w technologii kwasu siarkowego

Prażenie pirytu (FeS₂) i innych siarczków metali, na przykład blendy cynkowej (ZnS), jest procesem umożliwiającym otrzymywanie podstawowego półproduktu w technologii kwasu siarkowego: dwutlenku siarki. Reakcje egzotermiczne przebiegają w uproszczeniu następująco^[3]^[4]:

piryt: 4 FeS₂ + 11 O₂ ——> 8 SO₂ + 2 Fe₂O₃; 3 FeS₂ + 8 O₂ ——> 6 SO₂ + Fe₃O₄
blenda: 2 ZnS + 3 O₂ ——> 2 SO₂ + 2 ZnO

Powyżej
Zakład hutniczy w Trail (1929), w którym opracowano i zastosowano pierwsze konstrukcje pieców mechanicznych, stosowanych później (po modernizacjach) w prażalniach cynku na Górnym Śląsku

Po lewej
Piec mechaniczny do prażenia pirytów

Piec zawiesinowy do prażenia blendy cynkowej^[3]^[4]:

1 – zbiornik ZnS, 2 – suszarnia, 3 – młyn, 4 – separator, 5 – cyklony, 6 – zbiornik, 7 – pompa Fullera, 8 – dmuchawa, 9 – piec zawiesinowy, 10 – doprażanie blendy, 11 – odprowadzanie blendy prażonej^[3]^[4]

Piece do prażenia rud siarczkowych (przykłady)^[3]^[4]

Przypisy

↑ piece, prażak. W: Encyklopedia techniki – Metalurgia. Katowice: Wydawnictwo "Śląsk", 1978, s. 461–492, 527. (pol.).
↑ piece. W: "Leksykon naukowo-techniczny z suplementem". T. P-Ż. Warszawa: WNT, 1989, s. 654-657, 728. ISBN 83-204-0969-1.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Siarczki metali i prażenie siarczków metali. W: Józef Kępiński: Technologia chemiczna nieorganiczna. Warszawa: PWN, 1964, s. 71, 250, 252. (pol.).
↑ ^a ^b ^c ^d ^e Józef Zawadzki: Technologia chemiczna nieorganiczna, część druga. Warszawa: Ministerstwo Przemysłu i Handlu, Departament Szkolnictwa Zawodowego, 1949, s. 334–367, seria: Biblioteka Techniczna.
↑ Palenisko z rusztem ruchomym. [w:] Polytechnik, Polska Sp. z o.o. [on-line]. www.polytechnik.com.pl. [dostęp 2014-03-05]. (pol.).
↑ [query=Cassiterite&yt2=Go www.irocks.com - Cassiterite]. [w:] Galleries of Fine Minerals for Sale (zdjęcia minerałów na 'The Arkenstone') [on-line]. old.irocks.com. [dostęp 2015-03-02]. (ang.).
↑ Jan Wypartowicz, Andrzej Łędzki, Paweł Drożdż, Ryszard Stachura: Wykład 9: Metalurgia Metali Nieżelaznych > Metalurgia cyny > Prażenie koncentratów. [w:] Prezentacja ppt [on-line]. AGH. s. 14. [dostęp 2014-03-04]. (pol.).

Linki zewnętrzne

Andrzej Łędzki, Andrzej Michaliszyn, Arkadiusz Klimczyk, „Metalurgia ekstrakcyjna żelaza”. galaxy.uci.agh.edu.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-03-05)]. > „Technologia procesu spiekania”, „Spiekanie rud” na: galaxy.uci.agh.edu.pl (AGH), data dostępu: 2015-08-08

[Metalurgia-1] , prażak. W: Encyklopedia techniki – Metalurgia. Katowice: Wydawnictwo "Śląsk", 1978, s. 461–492, 527. (pol.).

[Leksykon-2] . W: "Leksykon naukowo-techniczny z suplementem". T. P-Ż. Warszawa: WNT, 1989, s. 654-657, 728. ISBN 83-204-0969-1.

[Kepinski-3] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h Siarczki metali i prażenie siarczków metali. W: Józef Kępiński: Technologia chemiczna nieorganiczna. Warszawa: PWN, 1964, s. 71, 250, 252. (pol.).

[Zawadzki-4] Józef Zawadzki: Technologia chemiczna nieorganiczna, część druga. Warszawa: Ministerstwo Przemysłu i Handlu, Departament Szkolnictwa Zawodowego, 1949, s. 334–367, seria: Biblioteka Techniczna.

[ruszt-5] Palenisko z rusztem ruchomym. [w:] Polytechnik, Polska Sp. z o.o. [on-line]. www.polytechnik.com.pl. [dostęp 2014-03-05]. (pol.).

[Hauck-6] [query=Cassiterite&yt2=Go www.irocks.com - Cassiterite]. [w:] Galleries of Fine Minerals for Sale (zdjęcia minerałów na 'The Arkenstone') [on-line]. old.irocks.com. [dostęp 2015-03-02]. (ang.).

[cyna-7] Jan Wypartowicz, Andrzej Łędzki, Paweł Drożdż, Ryszard Stachura: Wykład 9: Metalurgia Metali Nieżelaznych > Metalurgia cyny > Prażenie koncentratów. [w:] Prezentacja ppt [on-line]. AGH. s. 14. [dostęp 2014-03-04]. (pol.).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]