1 / 30

Kellogg-diagrammit

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 1 - Luento 1. Tavoite. Oppia tulkitsemaan ja laatimaan ns. Kellogg-diagrammeja eli vallitsevuusaluekaavioita Aluksi tutustutaan yleisesti tasapainopiirroksiin. Tasapainopiirrokset.

selma
Download Presentation

Kellogg-diagrammit

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Kellogg-diagrammit Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 1 - Luento 1

  2. Tavoite • Oppia tulkitsemaan ja laatimaan ns. Kellogg-diagrammeja eli vallitsevuusaluekaavioita • Aluksi tutustutaan yleisesti tasapainopiirroksiin

  3. Tasapainopiirrokset • Tasapaino- eli stabiilisuuspiirrokset • Kuvaavat graafisesti eri faasien keskinäisiä stabiilisuuksia olosuhteiden funktiona  Miten yhdisteiden stabiilisuutta voidaan tarkastella?  Kuvaajien taustalla: G, H, S, Cp = f(T,p,Xi) • Nopea menetelmä tasapainotilaisten systeemien tarkasteluun • Reaktioiden spontaanisuus? • Faasit ja niiden koostumukset tietyissä olosuhteissa?

  4. Tasapainopiirrokset = Tasapainotarkastelujen graafinen esitystapa • Tasapainon määritys käyttäen valittuja suureita muuttujina (lukuisia laskentapisteitä) • Tuloksena saadaan stabiilit faasit ja niiden koostumukset eri laskentapisteissä • Tulokset esitetään valitsemalla akselisuureet ... • Vaihtoehtoina laskennan lähtöarvoina käytetyt suureet sekä laskennan tuloksena saadut arvot • Ekstensiivisuureet: S, V, ni, nj, ... • Vastaavat potentiaalit: T, P, i, j, ... • Valittujen suureiden oltava toisistaan riippumattomia • ... ja esittämällä eri faasien stabiilisuusalueet valittujen akselisuureiden funktiona

  5. Tasapainopiirrokset • Koostumus-lämpötila-piirrokset • ”Tasapaino- tai faasipiirrokset” • Potentiaali-potentiaali-piirrokset • Vallitsevuusaluekaaviot (Kellogg) • Vapaaenergiapiirrokset (Ellingham) • E-pH-piirrokset (Pourbaix)

  6. Tasapainopiirrokset • Käytännössä kyse on Gibbsin vapaaenergia -kuvaajien projektioista Kuvat: K. Hack - FactSage -koulutusmateriaali.

  7. Vallitsevuusaluekaaviot(Kellogg-diagrammit) • Kuvaavat yhdisteiden välisiä stabiilisuuksia kolmen komponentin systeemeissä, joissa yksi komponenteista (yleensä jokin metalli) muodostaa yhdisteitä kahden muun komponentin (yleensä epämetalleja) kanssa • Akseleina • Kahden (jälkimmäisen) komponentin tai niiden muodostamien yhdisteiden aktiivisuudet tai osapaineet (lämpötila on vakio) • Toinen em. aktiivisuuksista sekä lämpötila (toinen aktiivisuuksista on vakio)

  8. Vallitsevuusaluekaaviot(Kellogg-diagrammit) Hapettavat ja rikittävät olosuhteet  Sulfaattien muodostuminen (sis. O ja S) Rikittävämmät olosuhteet  Kaliumin hapetusaste kasvaa ja erilaisia sulfideja muodostuu Hapettavammat olosuhteet  Kaliumin hapetusaste kasvaa ja erilaisia oksideja muodostuu

  9. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista 2 Ni + O2 + 2 CO2 2 NiCO3 (O2 ja CO2 molemmat mukana reaktiossa) ’Akselikomponentit’ ovat samalla puolella reaktioyhtälöä  Laskeva suora NiO + CO2 NiCO3 (O2 ei mukana reaktiossa) 2 Ni + O2 2 NiO (CO2 ei mukana reaktiossa)

  10. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista 2 NiO + O2 + 2 CO  2 NiCO3 (CO2 ei voi olla mukana reaktiossa!)

  11. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Ni + 2 CO2 NiCO3 + CO (O2 ei voi olla mukana reaktiossa!) Nyt ’akselikomponentit’ ovat eri puolilla reaktioyhtälöä  Nouseva suora

  12. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista 2 Ni + O2 2 NiO O2 on ainoa ’akselikomponentti’, joka on mukana reaktiossa  Ei ole väliä, onko toinen ’akselikomponentti’ CO2 vai SO2  Sama suora kuvaa tätä reaktiota

  13. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Kellogg-diagrammeihin on mahdollista lisätä isobaarikäyriä.  Isobaarit näyttävät alueen, jossa kaasumaisten komponenttien osapaineiden summa vastaa tiettyä annettua kokonaispaineen arvoa (yleensä 1 atm) Tämän systeemin kaasukomponentit: CO + CO2 (+ rautaa sisältävät kaasukomponentit)

  14. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Samaan kuvaajaan voidaan luonnollisesti sisällyttää useita isobaareja. Tässä kuvaajassa isobaarit on piirretty vastaamaan kokonaispaineita 0,1 atm ja 1 atm. 1 atm 0.1 atm

  15. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Tarkastellaan prosessia, jossa raudan ja sinkin oksideja sisältävää pölyä käsitellään uunissa, jonka atmosfääri koostuu hiilimonoksidista ja hiilidioksidista. Halutaan tietää, missä olosuhteissa sinkki saadaan poistettua pölyistä kaasufaasiin (ja erotettua siitä edelleen omaksi faasikseen). Laaditaan Kellogg-diagrammi, jossa sinkin yhdisteiden stabiilisuus-alueet on esitetty tarkastelulämpötilassa. Kuvaajasta nähdään, että ZnO saadaan pelkistettyä tietyillä kaasukoostumuksilla, mutta näin syntyvä sinkki on sulaa 1173 K:n lämpötilassa.

  16. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Toinen kuvaaja samalle systeemille korkeammassa lämpötilassa (1473 K) kertoo, että pelkistyvä sinkki on nyt kaasumaista. Ts. ZnO voidaan pelkistää kaasufaasiin. Kuvaaja ei kuitenkaan kerro mitään siitä, missä muodossa rauta esiintyy näissä olosuhteissa. btw: Isobaarit on määritetty kahdelle eri kokonaispaineelle (0,1 atm ja 1 atm)

  17. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Raudan ja sen yhdisteiden stabiilisuusalueiden määrittämiseksi voidaan piirtää toinen Kellogg-diagrammi (Fe-O-C-systeemille samassa lämpötilassa). Kaasumaisen sinkin stabiilisuusalue (edellisestä kuvaajasta) kertoo, että näissä olosuhteissa rauta esiintyy joko kiinteänä metallina tai karbidina.

  18. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista 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.) Alue, jossa Zn on kaasumainen On kuitenkin mahdollista piirtää Kellogg-diagrammi, jossa on huomioitu useamman kuin yhden metallin muodostamat yhdisteet. (Tällaiset kuvaajat ovat aika monimutkaisia, kun komponenttien lukumäärää kasvatetaan.) Systeemistä löytyy yhdiste, joka sisältää sekä rautaa että sinkkiä (sinkkiferriitti).

  19. Esimerkkejä Kellogg-diagrammeista Entä jos uunissa on myös klooria? Alue, jossa sinkki on kaasumainen  Laadittava kuvaaja Fe-Zn-O-C-Cl-systeemille Koska molemmat akselit on jo ’varattu’ (CO ja CO2), on kloorin määrä (ts. osapaine) oletettava kuvaajassa vakioksi. Tässä kuvaajassa on käytetty arvoa 10-6 atm. Alue, jossa myös rauta esiintyy kaasumaisena. Raudan kaasuuntumisen estämiseksi vaaditaan erilaiset olosuhteet, mikäli systeemi sisältää klooria.

  20. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta

  21. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta • Systeemin komponentit: • Mo, MoO2, MoO3 ja MoS2 • Ensimmäinen reaktio: Mo + O2 = MoO2 SO2 ei ole mukana reaktioyhtälössä  pSO2 ei esiinny suoran yhtälössä

  22. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta • Toinen reaktio: MoO2 + ½ O2 = MoO3 SO2 ei ole mukana reaktioyhtälössä  pSO2 ei esiinny suoran yhtälössä

  23. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta • Kolmas reaktio: Mo + 2 SO2 = MoS2 + 2 O2

  24. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta • Neljäs reaktio: MoS2 + 3 O2 = MoO2 + 2 SO2

  25. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta • Viides (viimeinen) reaktio: MoS2 + 3½ O2 = MoO3 + 2 SO2

  26. Esimerkki Kellogg-diagrammin laadinnasta Kellogg-diagrammi laaditaan piirtämällä edellä määritetyt viisi (lineaarista) yhtälöä samaan kuvaajaan. Ilma-atmosfääri: pO2 = 0.21  lg(pO2) = -0.68 Molybdeenin stabiilein muoto on joko MoO3 tai MoS2. MoS2 on kuitenkin stabiili vasta äärimmäisen korkeilla SO2:n osapaineilla (yli 1020 atm)  MoO3 on stabiili muoto ilma-atmosfäärissä

  27. Teema 1Kotitehtävä 1 Deadline: Ti 16.9.2014 (klo 14)

More Related