Klausur 2021_09_06 Flashcards
1a)
i. Erläutern Sie den Begriff „gediegen“.
ii. Nennen Sie ein Beispiel für ein Element, welches gediegen vorkommt.
i. Metalle liegen in metallischer Form vor
ii. Sehr edle Metalle wie Au, Ag, Pt, Cu
1b)
Ordnen Sie die Elemente Al, Cu, Mg, Ti und Zn entsprechend ihrer Dichte und
Schmelzpunkte mit > bzw. < Zeichen.
Dichte: Mg < Al < Ti < Zn < Cu
Schmelztemperatur: Zn < Mg < Al < Cu < Ti
1c)
Die Reduktion von sulfidisch vorliegenden Metallen ist oft unwirtschaftlich.
i. Welcher Zusatzschritt wird häufig vor der eigentlichen Reduktionsstufe gewählt?
ii. Geben Sie eine kurze Erläuterung des Prozessschrittes.
iii. Geben Sie eine Reaktionsgleichung von Bleisulfid für diesen Prozess an.
i. Rösten
ii. Überführung von sulfidischen Metallen zu ihrer oxidischen Form
iii. PbS + 3/2 O2 = PbO + SO2
1d)
Nennen Sie drei in der Metallurgie häufig genutzte Reduktionsmittel.
C, CO und H2
1e)
In der Graphik ist das Ellingham-Diagramm für Oxidationsreaktionen von Metallen abgebildet.
i. Welche Achsenbeschriftung trägt die X- und Y- Achse?
ii. Ordnen Sie die Linien 1, 2 und 3 den Elementen Cu, Al und C zu.
iii. Wieso macht die Gerade für Zink bei ca. 900 °C einen Knick? Warum ist
die Steigung der Geraden nach dem Knick größer?
i. siehe Bild
ii. siehe Bild
iii. Zink wechselt bei ca. 907Grad Celsius in der gasförmigen Zustand und erfährt einen Zuwachs der Entropie ==> stärkere Steigung im Diagramm
1f)
Bei Sekundärrohstoffen ist eine Trennung von eisenreichem und eisenarmem
Material notwendig. Mit welchem Aggregat lässt sich Eisen größtenteils aus einer
gegebenen Schrottmischung abtrennen?
Magnetscheider
1g)
Nennen Sie 2 Gründe, warum einige Erze vor der metallurgischen Verarbeitung
aufkonzentriert werden müssen.
- Gehalt an Wertmetallen zu gering, für Direktgewinnung aus Erz (unwirtschaftlich)
- Unnötige Energie- und Metallverluste in der weiteren Verarbeitung durch taubes Gestein (Gangart)
2a)
i. Vervollständigen Sie das unten gegebene Fließbild der pyrometallurgischen
Kupfergewinnung, ausgehend vom Kupferkonzentrat zum Kathodenkupfer.
ii. Nennen Sie auch die erreichbaren Kupfergehalte in den
Hauptzwischenprodukten (im Fließbild mit einem „x“ markiert).
Hinweis: Gelbe Felder: Prozessschritte, Weiße Felder: Zwischenprodukte;
Benutzen Sie die Zahlen in den Kästchen des Diagramms, um Ihre Antwort
anzugeben.
2 b)
i. Welches unerwünschte nicht-metallische Element soll aus dem
Kupferkonzentrat im Schwebeschmelz-Ofen entfernt werden?
ii. In welcher Verbindung wird es aus dem Ofen ausgetragen?
iii. Was wird daraus hergestellt?
i. Schwefel
ii. SO2-Abgas
iii. Schwefelsäure
2 c)
i. In welchem Prozessschritt der pyrometallurgische Kupferherstellung wird
ein Elektrolichtbogenofen eingesetzt?
ii. Geben Sie das Einsatzmaterial an.
iii. Was sind die zwei Hauptziele dieses Lichtbogenofenprozesses?
i. Beim Schlackenarmschmelzen
ii. Schlacke aus dem Schwebeschmelzofen
iii. Gewinnung des Kupfers in der Schlacke und Herstellung einer verkaufsfähigen Schlacke (für Deich- Damm- und Straßenbau)
2d)
i. Wozu dient die erste Stufe der pyrometallurgischen Kupferraffination?
ii. Wie wird der zugrundeliegende Reaktionsmechanismus genannt?
iii. Geben Sie eine Beispielreaktion hierfür an.
i. Einbringen von Sauerstoff, in die Schmelze, um selektive Oxidation der Begleitelemente zu ermöglichen
ii. selektive Oxidation
iii. OCu + FeCu ==> FeOSchlacke
2 e) Es fallen unterschiedliche Arten von Kupferschrotten an.
i. Welche Reststoffen lassen sich in den Prozessschritten „Reduktion“,
“Konvertieren“ und „pyrometallurgische Raffination“ der abgebildeten
Sekundärroute einbringen? Geben Sie jeweils ein Beispiel für Kupferschrotte
an
2 f)
In der Raffinationselektrolyse von Kupfer ist Silber im Elektrolyten unerwünscht.
Wie kann eine Silberfällung erreicht werden, sollte Silber anodisch in Lösung
gegangen sein?
reduzieren des elektrischen Potenzials der Elektrolyse (Vermutung)
2 g)
Wo reichern sich die Elemente Au, Fe und Cu bei der Raffinationselektrolyse an?
Au: Anodenschlamm
Fe: Elektrolyt
Cu: Kathode
2 h)
Eine Kupfer-Raffinationselektrolyse besteht aus 2 000 in Reihe geschalteten
Elektrolysezellen. In einer Zelle sind jeweils 36 Anoden und 35 Kathoden
untergebracht. Die kathodische Stromausbeute beträgt 95 %. Jede Zelle fasst
ein Elektrolytvolumen von 1,5 m3 mit einer Kupferkonzentration von 40 g/l.
Bestimmen Sie die maximal zulässige Menge an gelöstem Silber in g im
gesamten Elektrolyten pro Zelle, sodass es zu keiner kathodischen
Silberabscheidung kommt. Nehmen Sie an, dass die Elektrolyse nur mit einer
Elektrolyttemperatur von 25 °C betrieben wird.
(3 Punkte)
MCu=63,55 g/mol, MAg=107,87 g/mol
Standartpotentiale: Cu/Cu2+ = 0,34 V, Ag/Ag+= 0,80 V
R= 8,314 J/(mol*K), F=96485 C/mol
Hinweis: Geben Sie jede genutzte Formel sowie die entsprechenden Einheiten an.
3a)
Aus welchen vier oxidischen Hautphasen setzt sich Bauxit typischerweise
zusammen?
Al2O3
SiO2
Fe2O3
TiO2
3b) Der Bauxitaufschluss im Rohrreaktor ist schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt.
i. Erstellen auf dieser Basis eine zeichnerische Wärmebilanz des Rohrreaktors.
ii.Berechnen Sie anhand der in der Abbildung gegebenen Werte, welche
Energiemenge pro Tonne Al2O3 durch die Salzschmelze zugeführt werden
muss. Nehmen Sie dafür an, dass die Bauxit-Lösung nur aus Wasser besteht.
3 c)
Benennen Sie in der folgenden Darstellung die Elemente einer
Schmelzflusselektrolysezelle. Benutzen Sie dafür die Zahlen in den Kästchen
des Diagramms, um Ihre Antwort anzugeben.
3 d)
Feste Einschlüsse in Aluminiumschmelzen werden abhängig von ihrer
Entstehung in endogene und exogene Einschlüsse unterteilt.
i. Erklären Sie die Bildung beider Einschlussarten.
ii. Nennen Sie jeweils ein Beispiel.
i.
Endogene Einschlüsse: Verunreinigungen in fester Form die während des Schmelzens und Flüssighaltens entstehen können
Exogene Einschlüsse: Verunreinigungen in fester Form die von außen in die Schmelze gelangen
ii.
Bsp. endogener Einschluss: Al2O3, MgO
Bsp. exogene Einschlüsse: Karbide aus der Elektrolysezelle
3 e) Nennen Sie zwei Vorteile der sekundären Aluminiumerzeugung (Recycling)
i. mit Bezug auf einen konkreten Prozessschritt
ii. mit Bezug auf Menge der Rückstände
i. deutlich geringerer Energiebedarf gegenüber der Elektrolyse
ii. Viel weniger Rückstände bei Produktion von Sekundäraluminium
RückständePrimär=2t pro tPrimäraluminium
RückständeSekundär<100kg pro tSekundäraluminium
3f)
Warum ist im kippbaren Drehtrommelofen (KDTO) ein niedrigerer spezifischer
Salzverbrauch möglich?
Durch die Kippfunktion lässt sich eine breiartige Schlacke entnehmen entgegensatz zum Drehtrommelofen in dem die Schlacke durch erhöhter Salzzugabe, für den Abstich, flüssig gehalten werden muss
3 g)
i. Nennen Sie die vier wesentlichen Prozessschritte zur Aufbereitung von
Salzschlacken des Aluminiumrecyclings.
ii. In welchem Schritt wird die metallische Restfraktion ausgetragen und in
welchem der oxidische Rückstand?
i.
Brecher/Sieb,
Laugung,
Eindicker/Filter,
Zentrifuge/Trockner
ii.
metallische Restfraktion austragen: Brechen/Sieben
oxidischen Rückstand austragen: Eindicker/Filter
4 a)
Warum werden die Einsatzstoffe der Zink-Primärgewinnung geröstet?
Da die Zinkblende in schwefelsäure relativ unlöslich ist wird eine Röstung durchgeführt
4 b)
Mit welchem Wertmetall liegt Zn fast immer vergesellschaftet vor?
Blei
4 c)
i. Mit welchem Element wird Zink hauptsächlich legiert?
ii. Wie wird diese Legierung, für die ca. ein Viertel der Zinkproduktionsmenge
eingesetzt wird, genannt?
i. Kupfer
ii. Messing
4 d)
Wie lautet die Röstreaktionsgleichung zum Totrösten von ZnS? Beschriften Sie
normgerecht die Aggregatzustände der zinkhaltigen Produkte und Edukte.
<2ZnS> + {3O2} = <2ZnO> + {2SO2}
Röstung findet im Wirbelschichtofen statt
4 e) Geben Sie die gesuchten Antworten zu den unten angegebenen Stichpunkten in
Bezug zur Neutrallaugung .
(Zinkhaltiger) Input der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 1:
• 2:
Aufgaben der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 3:
• 4:
Benötigte Chemikalien (1 Nennung; 0,25 Punkte):
• 5:
Produkte (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 6:
• 7:
(Zinkhaltiger) Input der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 1: Röstgut (ZnO)
• 2: Sekundärmaterial aus dem Wälzprozess
Aufgaben der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 3: Lösen von Zink in der Lauge soll später in die Gewinnungselektrolyse einfließen
• 4: Entfernen von Verunreinigungen wie z.B. Eisen
Benötigte Chemikalien (1 Nennung; 0,25 Punkte):
• 5: MnO2 zur Entfernung von Eisen
Produkte (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 6: Neutrallauge
• 7: Neutrallaugerückstand
4 f) Diskutieren Sie den Einfluss von Stromdichte und Temperatur auf die
Abscheidung von H2 an der Kathode.
Stromdichte: zunehmende Stromdichte erhöht die H2-Überspannung und hat geringere H2 Ausscheidungen zur folge
Temperatur: höhere Temperaturen behindern die Zn-Abscheidung und erniedrigen die H2-Überspannung wodurch mehr H2 abgeschieden wird
4 g)
Beschreiben Sie kurz die chemisch / physikalischen Vorgänge, die zu einer
Zinkanreicherung beim Wälzprozess führen.
höherer Dampfdruck bestimmter Elemente und ihrer Verbindungen ermöglichen die Verflüchtigung dieser Elemente/Verbindungen Bsp. Zink, Zinkclorid
reduktion von ZnO mit C, legt das Zn frei wodurch es verdampfen kann
5 a)
i. Nennen Sie die beiden Titanerze, die hauptsächlich für die Titanproduktion
genutzt werden.
ii. Wie lautet die chemische Formel dieser beiden Erze?
iii. Wie hoch ist in etwa deren TiO2-Gehalt?
i. Rutil und Ilmenit
ii. Rutil TiO2, Ilmenit FeO ∙ TiO2
iii. Rutil 92 - 98%, Ilmenit 37 - 62%
5 b)
i. In welchem Aggregat findet die pyrometallurgische Anreicherung von
Ilmeniterzen statt?
ii. Wie hoch ist der TiO2-Gehalt im angereicherten Erz?
iii. Welches flüssige Nebenprodukt wird im Prozess gewonnen?
i. Lichtbogenofen/Elektroofen
ii. TiO2-Schlacke enthält ca. 70%-75% TiO2
iii. Roheisen
5 c)
Nennen Sie drei metallurgische Öfen, in denen Titan umgeschmolzen werden
kann.
- Vakuumlichtbogenofen
- Elektronenstrahlofen
- Vakuuminduktionsofen
5 d)
Vervollständigen Sie die schematische Darstellung des Kroll-Verfahrens. Achten
Sie dabei auf die korrekte Beschriftung sowohl der Prozessschritte als auch der
nicht beschrifteten Pfeile. Benutzen Sie die Zahlen in den Kästchen des
Diagramms, um Ihre Antwort anzugeben
5 e)
In einem Vakuumschmelzverfahren wird bei 1750°C reines Titan
umgeschmolzen.
Berechnen Sie, wieviel ppm Sauerstoff die Schmelze aufnimmt, wenn in der
Gasatmosphäre ein Sauerstoffpartialdruck von 1,3 ∗ 10−23 𝑏𝑎𝑟 eingestellt wird.
Nehmen Sie an, dass der Sauerstoff in der Titanschmelze ideal gelöst als TiO
vorliegt.
Gegeben:
Bildungsenthalpie TiO: ΔG°b,1750°C = -357 kJ/mol
R= 8,314 J/K/mol
MTi= 47,9 g/mol
MO= 15,9 g/mol
Tipp: Stellen Sie zunächst die Reaktionsgleichung für die Aufnahme von
Sauerstoff in die Schmelze auf.
