Prażenie (technologia chemiczna)

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

Prażenie w warunkach laboratoryjnych (A – tygiel, B – trójnóg, C – palnik)

Wydobycie rud i prażenie (Georg Engelhard von Löhneyß, 1650)

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]