Hochofenprozess - Aufgaben und Übungen

Welche der folgenden Aussagen sind richtig?

1) Was versteht man unter dem Hochofen-Prozess?

a) Der Hochofenprozess ist ein wichtiges technisches Verfahren zur Roheisenerzeugung. Der Hochofenprozess wird heutzutage hauptsächlich genutzt, um aus Eisenerz Eisen zu gewinnen (das Eisen wird durch Reduktion von Eisenoxid erhalten). Reduktionsmittel ist dabei Kohlenstoffmonoxid, dass aus der Verbrennung von Koks erzeugt wird. Das Roheisen besteht dabei zu 90 % aus Eisen.

b) Der Hochofenprozess ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von Silicium. Der Hochofenprozess wird heutzutage, hauptsächlich genutzt um aus Quarzsand Silicium zu gewinnen (das Silicium wird durch Reduktion von Siliciumoxid erhalten). Reduktionsmittel ist dabei Wasserstoff, dass ständig hinzugeführt werden muss.

2) Wie ist grundsätzlich ein Hochofen aufgebaut?

a) Ein Hochofen ist im Prinzip nach der sogenannten "Schachtofenbauweise" aufgebaut. Dabei wird der Hochofen von oben beschickt mit dem Rohmaterial Eisenoxid und dem Koks als Reduktionsmittel (und Energieträger). Der Hochofenprozess im Hochofen ist ein kontinuierlicher Prozess und wird durch die unten am Hochofen eingeblasener heißer Luft in Gang gehalten. Die zugeführte Luft hat dabei zwei Funktionen, einmal die Versorgung mit Sauerstoff, der mit Koks zu Kohlenstoffmonooxid reagiert. Zum anderen sorgt die zugeführte Luft auch zu einer Verwirbelung /Vermischung der Rohstoffe im Hochofen und sorgt somit für den hohen Wirkungsgrad eines Hochofenprozesses

b) Im Grundsatz ist ein Hochofen ein ca. 20 - 30 Meter hoher Turm, der nach der sogenannten Schachtofenbauweise entwickelt worden ist. Dabei werden die einzelnen "Zonen" des Hochofens abwechseln mit Eisenoxid und Koks beschickt. Von oben wird in einem kontinuierlichen Prozess Luftsauerstoff zugeführt ("Gegenstromprinzip"), dass mit dem Koks zu Kohlenstoffmonooxid reagiert. Aufgrund seiner hohen Dichte "schwimmt" das gebildete Roheisen oberhalb der Schlacke und kann nun abgeschöpft werden. Die notwendige Temperatur zum Schmelzen des Eisenoxids wird durch äußeres Beheizen der Hochofenwand gewährleistet

3) Welche Reaktionen laufen während des Hochofenprozesses ab. Was ist der erste Schritt des Hochofenprozesses?

a) Im ersten Schritt reagiert der eingeblasene Luftsauerstoff mit dem Koks (Kohlenstoff) in einer endothermen Reaktion zu Kohlenstoffdioxid. Da das Kohlenstoffdioxid gasförmig ist, steigt es im Hochofen nach oben und reduziert in den einzelnen Zonen das Eisenoxid

b) Im ersten Schritt reagiert der eingeblasene Luftsauerstoff mit dem Koks (Kohlenstoff) in einer exothermen Reaktion zu Kohlenstoffdioxid. Aufgrund der hohen Temperaturen im Hochofen (bis zu 2.000°C) "reagiert" das entstandene Kohlenstoffdioxid in einer endothermen Reaktion mit Koks zu Kohlenstoffmonooxid.

4) Betrachten wir uns die Reaktion von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Was kann über diese Reaktion sagen?

a) Das entstandene Kohlenstoffdioxid reagiert in einer endothermen Reaktion mit Koks zu Kohlenstoffmonooxid (Reaktionsenthalpie:173 kJ/mol). Diese Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion (sogenannte Boudouard-Gleichgewicht). Bei Temperaturen bis ca. 800 °C liegt das Gleichgewicht auf der von Kohlenstoffdioxid, bei höheren Temperaturen auf Seite von Kohlenstoffmonoxid: CO2 + C 2 CO (es handelt sich hierbei um eine Komproportionierungsreaktion)

b) Die Reaktion von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid ist eine exotherme Reaktion (Reaktionsenthalpie:173 kJ/mol). Die Reaktion lauft aufgrund dieser thermodynamischen Voraussetzung vollständig ab. Das CO2 reagiert dabei vollständig zu CO. CO2 + C 2 CO. Bei dieser Redoxreaktion handelt es sich um eine sogenannten Synproportionierung.

5) Welcher Schritt folgt im Hochofenprozess nach der Bildung des Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid?

a) Nachdem das Kohlenstoffmonooxid gebildet wurde, reagiert es mit dem restlichen Koks in einer stark exothermen Reaktion zu Kohlenstoffdioxid. Diese Reaktion liefert die Energie, die notwendig ist, um Eisenoxid thermisch zu zersetzen. Bei der thermischen Zersetzung von Eisenoxid bildet sich Eisen und Sauerstoff

b) Das Kohlenstoffmonooxid ist das Reduktionsmittel im Hochofenprozess und reduziert in einer exothermen das Eisenoxid, wobei Roheisen entsteht. Neben dem Kohlenstoffmonooxid fungiert auch Kohlenstoff (Koks) als Reduktionsmittel (diese Reduktion läuft an den Schichtgrenzen ab). Die Reduktion des Eisenoxids verläuft dabei über mehrere Zwischenstufen, die in den unterschiedlichen Zonen des Hochofens ablaufen

6) Was passiert mit entstandenen Roheisen (durch die Reduktion von Eisenoxid)?

a) Das durch die Reduktion entstehende Roheisen ist (aufgrund der hohen Temperaturen) flüssig und sammelt sich im unteren Bereich des Hochofens an, wo es entnommen werden kann (auch als "abgestochen" bezeichnet). Dies liegt daran, dass die Schlacke (aus Nebenprodukten entstanden) schwimmt auf dem Roheisen, da die Schlacke eine geringere Dichte als das Roheisen hat. Die Schlacke hat aber auch eine wichtige Funktion, da sie die Oxidation des Roheisensverhindet (Bildung einer Schutzschicht)

b) Das entstandene Roheisen schwimmt auf einer sogenannten Schlacke (die durch Nebenprodukte entstanden ist, beispielsweise Siliuciumoxid). Aufgrund der höheren Dichte des flüssigen Roheisens schwimmt das Roheisen auf der Schlacke und kann so "abgeschöpft" werden

7) Warum sind beim Hochofenprozess so hohe Temperaturen notwendig?

a) Der Hochofenprozess erfordert hohe Temperaturen (bis zu 2.000°), zum einen um das notwenige Reduktionsmittel Kohlenstoffmonooxid zu erhalten (). Bei niedrigeren Temperaturen liegt Kohlenstoffdioxid vor, dass als Reduktionsmittel ungeeignet ist. Bei Temperatur bis ca. 800 °C liegt das Gleichgewicht (Kohlenstoffmonoxid - Kohlenstoffdioxid) auf Seite von Kohlenstoffdioxid. Darüber hinaus sorgt die hohe Temperatur, dass das Eisenoxid schmelzen und die Reduktion des Eisens so "effizient" stattfinden kann

b) Der Hochofenprozess benötigt auch zwei Gründen hohe Temperaturen. Zum einen sind hohe Temperaturen notwendig, um das Eisenoxid zu schmelzen, damit es ausreichend mit Kohlenstoffdioxid reagieren kann. Zum anderen ist die hohe Temperatur notwendig, damit die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid in hoher Ausbeute abläuft. Bei hohen Temperaturen läuft die Reaktion mit einer Ausbeute von 100% ab.

Test – Hochofen-Prozess

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