Konfektionierung von Rohstoffgemengen der Glasindustrie mit dem Ziel einer Steigerung der Umsatzgeschwindigkeit

Nießen, Vera; Roos, Christian Hans-Georg; Deubener, Joachim; Conradt, Reinhard

doi:10.18154/RWTH-2017-10531

Konfektionierung von Rohstoffgemengen der Glasindustrie mit dem Ziel einer Steigerung der Umsatzgeschwindigkeit

Nießen, Vera^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Vera Maria Nießen, Master of Science RWTH

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Conradt, Reinhard (Thesis advisor) ; Deubener, Joachim (Thesis advisor) ; Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10531
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/710895/files/710895.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Behälterglas (frei) ; Doppelkarbonat (frei) ; Gemenge (frei) ; Glas (frei) ; Rohstoffoptimierung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Konfektionierung von Rohstoffen erfolgt meist mit dem Ziel einer Umsatzsteigerung dieser zur Glasschmelze. Dieser Arbeit liegt die Idee zugrunde, ein Gemenge mit schnellerer Umsatzgeschwindigkeit zu erzeugen, basierend auf dem Ansatz von Niggli aus dem Jahr 1913 und der Beobachtung, dass die gesamte Menge an Kalkstein und Dolomit in Kombination mit Soda zu einer niedrigviskosen Salzschmelze unterhalb von 950 °C reagiert. Die Bildung dieses Doppelcarbonates tritt auch in einem konventionellen Gemenge auf, wobei dies nur eine Nebenreaktion ist. Die Bildung dieses Doppelcarbonates kann auf verschiedene Art und Weisen realisiert werden: Zum einen mittels Einbringung des Doppelcarbonates als neuen, optimierten Rohstoff oder zum anderen über die Vorbehandlung von Rohstoffen anhand einer segmentierten Strategie. In dieser Arbeit liegt der Hauptaugenmerk auf der Herstellung mittels Schmelzroute. Dieses so neugenerierte Doppelcarbonat wird aus thermodynamischer und kinetischer Sicht charakterisiert. Hierbei gilt es die anhand von theoretischen Daten exotherme Bildung des Doppelcarbonates auch experimentell zu verifizieren. Mittels der thermodynamischen Analyse zeigt sich, dass zur Herstellung von 1 t Glas sowohl für ein Referenzgemenge als auch für ein optimiertes Gemenge die Nutzwärme Hex im Intervall 610 ± 3 kWh/t liegt. Das ± ergibt sich dabei aus der Unsicherheit, mit der die Bildungsenthalpien realer Rohstoffe berechnet werden können. Insbesondere das H° eines realen Dolomits, der im Referenzgemenge, nicht aber im Gemenge versetzt mit Doppelcarbonat vorkommt, kann um ± 1-2 % schwanken. Anhand von kinetischen Berechnungen und Experimenten wird die Reaktionsordnung der CO2-Freisetzung des neuen Doppelcarbonates auf ~1 bestimmt. Der konventionelle Rohstoff ist im Gegensatz zum optimierten Rohstoff schneller in der Umsetzung, wobei sich dieser zum reaktionshemmenden Calciumoxid zersetzt. Ein Doppelcarbonat hingegen reagiert zu einer carbonatischen Schmelze. Die Umsetzung zur Schmelze nimmt einen Bruchteil an Zeit mehr in Anspruch, als die zuvor genannte Zersetzung, beschleunigt dafür jedoch die Weiterreaktion mit den übrigen Reaktanden. Dieser neue Rohstoff wird experimentell zunächst mittels Röntgenbeugung und Röntgenfluoreszenz charakterisiert und im Weiteren dann mittels einer Up-Scaling-Methode in einem Probenmaßstab von mg bis hin zum 10 kg Bereich als Teil eines Gemenges untersucht. Als Ergebnis kann eine signifikante Umsatzsteigerung verzeichnet werden. Hierbei kann ein Gemenge industrieller Zusammensetzung versetzt mit diesem Doppelcarbonat eine Zeitersparnis von 10 % erreichen. Weiterhin hat sich gezeigt, dass ein Gemenge mit Doppelcarbonat bereits 60 K unterhalb der Temperatur eines konventionellen Gemenges vollständig erschmolzen ist.

The failoring of raw materials is driven by the intention to increase the conversion rate of those to a glass melt. In the current work the development rests on an earlier finding by Niggli 1913, and on the observation that the entire amount of limestone and dolomite in a batch can be liquefied by a reaction with soda ash to a salt-like low-viscosity melt below 950 °C. The optimized carbonate can be realized in different ways, e.g., by introducing double carbonate as a novel raw material from the start, or by segmented batching strategies. The new raw material is manufactured by melting sodium carbonate and limestone. This generated double carbonate is characterized thermodynamically newly and kinetically. First, with the help of data out of literature, the exothermal formation of the double carbonate could be verified. As another result of the thermodynamical analysis, it can be shown that for the production of 1 t of glass for a reference batch as well as for a batch including the double carbonate the specific heat Hex is about 610 ± 3 kWh/t. The ± is based on the uncertainties of the calculation of the enthalpy of formation for the different raw materials. Particularly the H° of a natural Dolomite, which is used in the reference batch not in the batch with double carbonate, can deviate ± 1-2 %. Another interesting question is the rate determining mechanism of this accelerated batch melting, which can be identified with measurement to get the reaction order of the CO2-release of the double carbonate as about ~1. The formation of the double carbonate is an exothermic reaction. In comparison the conversion of a conventional limestone is faster than a double carbonate, but the limestone decomposes to calcium oxide, which constrains the following reactions. However, the double carbonate reacts to a salt-like carbonate melt. The conversion to a salt-like melt needs a few seconds more of time, but in general the reaction with the other raw materials to a glass melt is accelerated. The double carbonate is characterized by using X-ray diffraction and is then tested in a batch by using an up-scaling method from mg to kg range. A significant acceleration is seen at scales stretching from the grain-to-grain to the 10 kg range. As a result it can be reported that a significant increase of the conversion rate can be realized. Therefore a batch with double carbonate melts about 60 K lower than a batch of conventional raw materials, and within 10 % less time.

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