KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI - II

Transkript

1 KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI - II TEMEL KÖMÜR ANALİZLERİ DENEY FÖYÜ Arş. Gör. Gediz UĞUZ OMU KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ SAMSUN

2 1. KÖMÜR HAKKINDA BİLGİLER 1.1. Kömür Tanımı Kömür, bileşiminde başlıca karbon, hidrojen ve oksijen gibi elementlerin değişik bileşimlerde bulunabildiği fosil (organik artıklar) esaslı bir maddedir Kömür Nasıl Oluşur? milyon yıl önce, bitkilerin, ormanların ve hayvan artıklarının bataklıklar altında kalması ile oluşmaya başlamıştır. Bu bitki ve hayvan atıklarının giderek çamur içine gömülmesi üzerindeki toprak basıncını artırmıştır. Oluşan bu basınç ve ısı, kimyasal değişmeyi hızlandırmıştır. Kömürleşme süreci boyunca fosillerin fiziksel özellikleri de değişmiştir. Uzun yıllar sonucu tamamlanan bu kimyasal değişmeler sonunda kömürler oluşmuştur. Bu kömürler kaya tabakaları arasında damar hâlinde oluşurlar Kömürleşme Olayı Nasıl Gerçekleşir? Çoğunlukla bitkisel maddeler ya da bitki parçaları uygun bataklık ortamlarda birikip, çökelir ve jeolojik işlevlerle birlikte yeraltına gömülürler. Yerin altında, bu organik kütleler, gömüldükten sonra, önceleri gömülmenin oluşturduğu basınç şartları, daha sonra da ortamın ısısal şartlarından etkilenirler. Bu etkilenme sonucu bu organik maddenin bünyesinde fiziksel ve kimyasal değişimler meydana gelir. Önceleri turba olarak adlandırılan ve kömürlerin ataları olarak bilinen bu organik maddeler zamanla daha koyu renklere ve daha sert yapıya sahip olurlar. Sıcaklık ve basınç şartlarının bu kütlelere etkimesi sonucu, bu ortamdan, sırasıyla (turbadan-taşkömürü aşamasına kadar) su, su buharı, karbondioksit (CO 2 ), oksijen (O 2 ) ve en ileri aşamalarda hidrojen (H 2 ) (antrasit aşamasında) uzaklaşır. Tabii ki bu süreçte ideal şartlar ve ortamın ısısal şartlarının uzun bir dönem içerisinde (binlerce yıl) baskın olması ve artması gerekmektedir. Yer ısısı her 30 metrede 10 o C artmaktadır. Şüphesiz sıcaklık artışı ideal ve normal şartlar için geçerlidir. Bu şartların dışında (volkanik faaliyet, fay hareketleri, radyoaktif elementlerin bulunduğu ortamlarda) yerin ısısı olağanüstü bir şekilde ve normalden çok fazla bir şekilde artmaktadır. Yerin ısısı arttıkça önceleri "turba" olarak adlandırılan ama kömür sayılmayan bu organik madde, önce linyit daha sonra alt bitümlü kömür, sonra taşkömürü, antrasit ve en sonunda şartlar uygun olursa grafit e dönüşür. Bu ilerleyen olgunlaşma sürecine kömürleşme denmektedir. Kömürler şüphesiz içlerinde kil, silt, kum ve değişik oranlarda inorganik (mineral) madde bulundururlar. Kömürlerin içerisinde bulunan bu inorganik maddeler

3 kömürün kalitesini direkt olarak negatif yönde etkilerler. Bir kömürün kalitesi, kullanıldığı alana göre farklı anlamlar içerebilir Kaliteli Kömürün Özellikleri Siyah ve parlak renkli olmalı, Isıl değeri yüksek olmalı, Nem, kül ve uçucu madde içeriği düşük olmalı, Taş ve tozu az olmalıdır. Siyah ve parlak renkli olmalı, Isıl değeri yüksek olmalı, j Nem, kül ve uçucu madde içeriği düşük olmalı, Taş ve tozu az olmalıdır Kömür Çeşitleri Tablo 1.1: Kömür çeşitleri ve kullanım alanları Kömürler, gerek meydana geliş zamanları, gerekse bileşimlerindeki karbon miktarı yönünden birbirinden ayrılırlar. Meydana geliş zamanları uzun olan kömürlerin, ısıtma değeri de o nispette yüksektir Antrasit: Maden kömürleri arasında en eski ve karbon yönünden en zengin olanıdır. Parlak siyah renkli sert bir kömür olup özgül ağırlığı (yoğunluğu) 1,4 1,7 kg/dm³ dür. Bileşiminde yaklaşık %90 95 arasında karbon bulunur. Yanma ısısı Kcal/kg dır. Kısa alevle yanar. Taş kömürüne göre demir endüstrisine daha uygundur. Çünkü içerisinde fosfor (P) ve kükürt (S) gibi zararlı maddeler yoktur. Dünya üzerinde pek yaygın olmayan bir kömür çeşididir. Meydana geliş tarihi 300 milyon yıl geriye dayanır Taş Kömür: Antrasitten daha yeni bir kömür olup milyon yıllık bir geçmişe sahip olduğu tahmin edilmektedir. Doğal katı yakacakların en önemlisidir. Parlak siyah veya mat renkte olup, özgül ağırlığı yaklaşık 1.3 kg/ dm³ dür. Bileşimindeki Karbon yüzdesi ı bulur. %3 5 oksijen, %11 34 uçucu madde,%15 kadar su ve %5 6 hidrojen bulunur. Yanma ısısı Kcal /kg dır. Hava gazı, kok ve katran elde etmeye elverişlidir. Ateş alma sıcaklığı ºC arasındadır. Uzun alevle yanar.

4 Dökümcülük sektöründe sabit ve döner alev ocaklarında yakacak olarak kullanılır. Ayrıca kalıp kumlarında katkı maddesi olarak tozu kullanılır. Bu amaçla kullanılacak kömür şu işleme tabi tutulur: Yatağından çıkarılan taşkömürleri yıkanıp yabancı maddelerden arıtıldıktan sonra kurutulur. Daha sonra çeşitli değirmenlerde öğütülerek toz hâline getirilir. Önce taneli kömürler içten içe yandıklarından dolayı depo edilmesinde içten yanmayı önleyici tedbirler alınmalıdır. Yurdumuzun Karadeniz bölgesinde ve özellikle Zonguldak ve yöresinde hâlen işletilmekte olan ocaklarda üretilmektedir Linyit Kahverengi kömür de denilen linyit taşkömüründen daha sonra oluşmuş fakat daha oluşumunu tamamlamamış kömürlerdendir. Bileşiminde fazla miktarda kükürt bulunur. İçerdiği kül ve nem miktarı fazladır. Yanma ısısı çok düşüktür. Bu nedenlerle ergitme işlerinde kullanılmazlar. Tamamına yakını termik santrallerde yakıt olarak kullanılan kömür sıralamasında en alt sırada yer alan bir kömür çeşididir. Yer kabuğunda bolca bulunduğu için başta Almanya, Amerika Birleşik Devletleri gibi gelişmiş ülkelerde sıklıkla kullanılan bir enerji hammaddesidir. Tahminen 60 milyon yıl önce meydana gelmeye başlayan linyitte su ve bu arada birçok yabancı maddede bulunmaktadır. Karbon yüzdesi kadardır. %25 ten çok oksijen ve %5 hidrojen içerir Turba En yakın zamanda oluşan kömürlerdendir. Yanma ısıları çok az olduğu için, ancak çıkarıldıkları yerlerde yakacak olarak kullanılırlar. Bu kömüre daha çok bataklık yerlerde rastlanmaktadır. İçindeki su miktarı yüksektir. Karbon yüzdesi ise 60 ı geçmez. (%60 kadar karbon, %30 dan çok oksijen ve %6 hidrojen içerirler.) Bitüm Karbonlu hidrojenler karışımı veya onların bileşimlerinden ibaret, siyah veya koyu renkli maddelerdir. Ham petrolden elde edilir. İçinde az miktarda kükürt, oksijen, azot ve hidrojen vardır Kömürde Uçucu Madde Uçucu Madde Neye Denir Kömürün oksijensiz ortamlarda ısıtılmasıyla oluşan karbon buharları ile karbondioksit ve su buharı gibi gazların toplamına uçucu madde denir Uçucu Madde Oranı Neye Denir Esas olarak çeşitli hidrokarbonlar olan uçucu maddeler, sabit karbon ile birlikte asıl yanıcı kısmı oluşturur. Isıtılmaya bağlı olarak çıkan gaz ve sıvı maddeler kömürün uçucu maddelerini oluşturmakla birlikte, bu uçucu maddelerin kömür

5 ağırlığına olan oranına uçucu madde oranı denir. Kömürleşme derecesi arttıkça uçucu madde oranı artar Kömürlerdeki Uçucu Madde Oranları Kömürlerdeki uçucu madde oranının düşük olması kömürün yanmasını önler, yüksek olması ise havayı kirletir. Genç linyitlerde uçucu madde %50 çıktığı hâlde antrasit gibi yaşlı kömürlerde %10 dan azdır. Taş kömürlerinde uçucu madde miktarı %10 45 arasında değişmektedir. Ortalama olarak bu değer %30 olarak kabul edilebilir. Uçucu madde miktarı fazla olan kömürlerin yanmasında hava karışımı iyi ayarlanmadığı durumlarda ocaklarda ve borularda is oluşur. Uçucu madde miktarı %10 un altında olan kömürlerin tutuşturabilmesi güçleşir Kömürde Karbon Kömürün kalitesini belirleyen bileşim elementlerinin başında karbon gelmektedir. Karbonca en zengin kömürler ekonomik değeri en iyi olan kömürlerdir. En eski kömürler karbonca en zengin kömürlerdir. Antrasit kömürü en eski zamanda oluşan kömür olup aynı zamanda karbonca da en zengin kömürdür. Antrasitlerde karbon miktarı %90 95 arasındadır. Bu oran oluşumu yakın zamanlara yaklaşan kömürlerde daha düşüktür. Taş kömüründeki karbon oranı %80 90, linyitte %65 70 olup, turbo da %60 ı geçmez Linyit ile Taş kömürünün ayırt edilmesi 1) Sırsız bir porselen üzerine taş kömürü ile çizilmiş çizgi kahverengidir. Bu durum, taş kömüründe karbonun fazla olmasından ileri gelir. 2) 3 g toz halindeki linyit ve taş kömürü örnekleri iki ayrı beherde 120 ml su ve 40 ml % 33 lük NaOH ile su banyosunda 15 dakika bekletilerek kaynatılır. İyice çalkalandıktan sonra bekletilir ve süzülür. Süzüntü taş kömüründe renksiz, linyitte ise hümik asitten dolayı kahverengidir. Hümik asit fenol kinon karakterinde bir asittir. Deney İçin Gerekli Malzemeler : NaOH 2 adet 250 ml lik beher Saf su Süzgeç Kağıdı 50 g taş kömürü 50 g linyit Etüv Kül Fırını Kroze Hassas Terazi

6 KÖMÜRÜN KİMYASAL ANALİZİ DENEYSEL VERİLER VE HESAPLAMALAR Analiz İşlem Sıcaklık ( 0 C) / Ekipman / Süre İşlem Denklem Sonuç % % Kaba Nem m0 g kömür alınır. m0= Yaklaşık C de (oda sıcaklığında) sabit tartıma gelinceye dek bekletilir. (1 gün) Kalan miktar (m1) hassas terazide m 1 % Higroskobik Nem Havada kurutulmuş kömürden m0 g kömür alınır. m0= 105±3 0 C de yaklaşık 2-2,5 saat etüvde bekletilir. Örnek tekrar hassas terazide tartılır ve kütlesi kaydedilir. m 1 % Toplam nem % Kaba nem ve % Higroskobik nem miktarı hesaplanır. Toplanır. % Toplam nem = % Kaba Nem + % Higroskobik nem % Kül m0 g kömür alınarak krozeye konulur. m0= 1 g 750±10 0 C de Kül fırınında sabit tartıma gelinceye kadar bekletilir. Desikatörde soğutulur. Kalan miktar (m1) hassas terazide m 1 % Uçucu Madde m0 g kömür alınarak krozeye konulur. m0= 1 g 850±10 0 C de Kül fırınında sabit tartıma gelinceye kadar bekletilir. Desikatörde soğutulur. Uçucu Maddeler uzaklaşır. Kalan miktar (m1) hassas terazide m 1 % Kok m0 g kömür alınarak krozeye konulur. m0= 1 g 850±10 0 C de Kül fırınında sabit tartıma gelinceye kadar bekletilir. Desikatörde soğutulur. Uçucu Maddeler uzaklaşır Kalan miktar (m1) hassas terazide m 1 % Sabit (Bağıl) Karbon % Sabit C = ( % Uçucu madde - % Kül )

7 HAZIRLIK SORULARI 1) Kömür için kaba nem, higroskopik nem, toplam nem, kül, uçucu madde, sabit karbon, kok nedir? Açıklayınız. 2) Koklaşma nedir? Nasıl Yapılır açıklayınız? 3) Kömürün ısıl değerinin analizi nasıl yapılır? Anlatınız. 4) Yakıtın alt ısıl değeri ve üst ısıl değeri nedir? Açıklayınız. 5) Dulong Eşitliğini ve Vondraçek Eşitliği ne için kullanılır? Eşitlikleri yazarak açıklayınız. 6) Kömürün elementel analiz çeşitleri nelerdir? 7) Kömürde kükürt tayini için yapılan Eschka yöntemini açıklayınız. Not: Deney sırasında laboratuvar kurallarına uymak zorunludur. Deneye gelirken föy getirmek zorunludur. Deneye gelirken hesap makinası getirmek zorunludur. Cep telefonları ile deney yapılmayacaktır. Araş. Gör. Gediz UĞUZ