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Erstellung eines Projektkonzepts und Prozessanalyse
basierend auf thermodynamischen Berechnungen und Messungen

1. Prozesskonzept

In einem Laborofen wird CuFeS2 bei 1250 °C oxidiert. Ziel ist die Bildung einer Matte-Phase, die hauptsächlich aus Cu und Cu2 S besteht, während sich Eisen in eine Schlackenphase auflöst, die hauptsächlich aus CaO, FeO und SiO2 besteht. CuFeS2 im Einsatzmaterial löst sich in der Matte-Phase auf. O2 aus Luftdüsen reagiert mit CuFeS2 , FeS und Cu2 S, hauptsächlich in der Matte-Phase. |  |

2. Abschätzung des Prozessablaufs auf Basis thermodynamischer Berechnungen

Mithilfe thermodynamischer Berechnungen wird ermittelt, welche O2-Menge mit CuFeS2 reagieren soll, damit die maximale Kupfermenge in der Steinphase zustande kommen kann. Die Abbildung rechts zeigt die Berechnungsergebnisse für einen CuFeS2-Einsatz von 40 kg/h. Wie die Abbildung rechts zeigt, kann eine maximale Cu(l)-Bildung und eine minimale Cu2O(l)- und FeS(l)-Bildung erreicht werden, wenn die eingestzte O2-Menge von 17,5 kg vollständig mit CuFeS2 von 40 [kg] reagiert. Die O2-Menge von 17,5 kg/h entspricht einem Luftdurchsatz von 58,3 Nm³/h. Wird die eingesetzte O2-Menge im Ofen mit CuFeS2 vollständig reagiert, ist im Abgas kein O2 mehr nachweisbar. |  |

3. Versuchsdurchführung, Bestimmung der Produktzusammensetzung durch Variation der Luftzufuhr

Wieie aus den Messungen im nahezu stationären Zustand des Prozesses hervorgeht, wird die maximale Cu(l)-Bildung bei einem Luftdurchsatz von 72 [Nm³/h] erreicht. Dies entspricht einem O2 -Durchsatz von 21,3 [kg/h]. Gleichzeitig wird eine O2 -Konzentration im Abgas von 4,1 % gemessen. Die Menge der zu erwartenden Falschluft im Abgas ist wahrscheinlich unwesentlich, da im Ofen ein Überdruck von 0,1 [bar] herrscht. Es ist wahrscheinlicher, dass eine O2-Menge von 3,8 [kg/h] (3,8 = 21,3 – 7,5) den Ofen ohne Reaktion verlässt. Dies entspricht einem Luftdurchsatz von 12,7 [Nm²/h]. |  |
Exhaust | Vol.% at 600 [C]
N2 | 81.5
O2 | 4.1
SO2 | 13.9
Sum | 99.5

4. Vergleich der Ergebnissen der thermodynamischen Berechnungen mit den Messungen

Die folgenden Tabellen zeigen die Elementzusammensetzung der Schlacke nach den thermodynamischen Berechnungen und den Bereich der gemessenen Werte.

Slag Masse: berechnet 103[kg], gemessen ~100[kg]
| Slag [% Masse kg]
berechnet | Messbereich
Cu | 0.95 | 0.6 ~ 4.5
Fe | 33.54 | 31 ~ 34
S | 0.12 | 0.1 ~0.6
|  | Matte Masse: berechnet 13.6[kg], gemessen 12 ~ 14[kg]
| Matte [% Masse kg]
berechnet | Messbereich
Cu | 99.06 | 96 ~ 99
Fe | 0.06 | 0.01 ~ 0.15
S | 0.88 | 0.05 ~ 3.3

5. Zusammenfassung

Durch thermodynamische Berechnungen lassen sich die Produktzusammensetzung in Hochtemperaturreaktoren recht genau abschätzen.

Für eine Prozessanalyse ist die substanzielle Zusammensetzung der Einsatzmaterials sehr hilfreich.
So lässt sich abschätzen, welcher Anteil der im Reaktor eingesetzten Gase reagiert.

Auch für eine zuverlässige Wärmebilanz muss die substanzielle Zusammensetzung des Einsatzmaterials bekannt sein.

Oftmals liegen uns nur die Daten der elementare Zusammensetzung eines Einsatzmaterials vor.
Die substanzielle Zusammensetzung eines Einsatzmaterials kann ebenfalls durch thermodynamische Berechnungen bestimmt werden (manchmal nur grob, oft aber recht genau).
Einige der bisher bekannten Methoden zur Bestimmung der substanzielle Zusammensetzung basieren auf der Elementaranalyse eines Materials.

Oftmals hilft auch eine einfache stöchiometrische Berechnung, die substanzielle Zusammensetzung eines Einsatzmaterials zu bestimmen.