Development of a new database for thermodynamic modelling of the system Na 2 O-K 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2

Yazhenskikh, Elena; Schneider, Jochen M.

doi:26878

Development of a new database for thermodynamic modelling of the system Na 2 O-K 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 = Entwicklung der neuen Datenbank für die thermodynamische Modellierung des Systems Na2O-K2O-Al2O3-SiO2

Yazhenskikh, Elena (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Elena Yazhenskikh

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangII, 115 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-04-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13099
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60532/files/Yazhenskikh_Elena.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; Datenbank (frei) ; Silicatschmelze (frei) ; Optimierung (frei) ; Modell (frei) ; Lösungsphase (frei) ; Phasendiagramm (frei) ; Phasengleichgewicht (frei) ; Modellierung (frei) ; Solution model (frei) ; phase diagram (frei) ; phase equilibriums (frei) ; thermodynamic modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
pacs: 65 * 82.60.Lf * 81.30.Dz * 07.05.Tp

Kurzfassung
Komplexe silikatische Oxid-Systeme sind in Wissenschaft und Industrie von großer Bedeutung. Bei der Stromerzeugung aus Kohle sind alkalihaltige Systeme von Interesse, da während der Verbrennung korrosive Alkaliverbindungen freigesetzt werden.Thermodynamische Modellrechnungen erlauben die Beschreibung der Systeme und die Voraussage thermodynamischer Eigenschaften auch in Bereichen, in denen experimentelle Untersuchungen nicht oder nur sehr schwer möglich sind. Voraussetzung für Modellrechnungen sind geeignete Datenbanken und Modelle für Lösungsphasen.Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer neuen Datenbank für das quaternäre Oxid-System Na2O-K2O-SiO2-Al2O3. Dieses System dient als Basis-System zur Beschreibung oxidischer Schmelzen und kann mit weiteren schlackerelevanten Oxiden wie z.B. Fe2O3 und den Erdalkalioxiden MgO und CaO erweitert werden.Zur Beschreibung von Lösungsphasen wurde das Assoziate-Modell ausgewählt. Es wurden Startparameter für die Lösungsphase definiert und mittels einer Optimierungsroutine verbessert, um die Phasengleichgewichte im betrachteten System optimal zu beschreiben. Die anzupassenden Lösungsparameter sind die Bildungsenthalpie und -entropie von Lösungskomponenten und Wechselwirkungsparameter zwischen den Lösungskomponenten, die die Abweichung vom idealen Verhalten der Lösung beschreiben. Als Basis für die Optimierung wurden verfügbare experimentelle Daten, z.B. Phasendiagramme und Aktivitäten, verwendet.Die neu erhaltene Datenbank ist mit der FACT Datenbank, aus der die Daten für die reinen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen stammen, voll kompatibel. Dies ermöglicht die gleichzeitige Verwendung beider Datenbanken in einer Modellrechnung.Die Gleichgewichtsrechnungen wurden für die binären Systeme Me2O-SiO2, Me2O-Al2O3 (mit Me = Na, K) und SiO2-Al2O3 und die ternären Systeme K2O-Na2O-SiO2 und Na2O-SiO2-Al2O3 durchgeführt. Die gerechneten Phasendiagramme zeigen jeweils eine sehr gute Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen Daten. Im Gegensatz zu den bisher verfügbaren Datenbanken, die vor allem in Bereichen hoher Alkalikonzentrationen Lücken aufweisen, erlaubt die neue Datenbank die Beschreibung der Systeme im gesamten Konzentrationsbereich. Die Untersuchungen zeigen, daß das Assoziate-Modell nicht nur für flüssige sondern auch für feste Lösungen zu geeigneten Lösungen führt. Dampfdrücke der Alkalien über der quaternären Schmelze und Aktivitäten der Alkalioxide in dieser Schmelze werden deutlich besser berechnet als mit den alten Datenbanken. Die Abweichungen zwischen den experimentellen und den mit der alten Datenbank berechneten Werten von teilweise über zwei Größenordnungen konnten durch die neue Datenbank auf unter eine Größenordnung gesenkt werden.Die Untersuchungen zeigen deutlich, daß die neue Datenbank mit dem verwendeten erweiterten Assoziate-Modell für die Beschreibung komplexer Oxid-Systeme geeignet ist. Durch Einbeziehung komplexer Wechselwirkungen kann die Datenbank für die Berechnung technisch relevanter Multikomponentensysteme erweitert werden.

Complex oxide systems containing silica and alumina (so-called slag) are important in many fields of science and industry. One of the main problems in coal combustion processes is the alkali release. This alkali release leads to an alkali concentration in the flue gas significantly higher than the specifications of the gas turbine manufacture`s. Molten coal ash slag containing high concentration of SiO2, Al2O3, Fe2O3 and alkali and other alkaline-earth oxides has a high potential for alkali retention depending on the alkali oxide activity in the slag. Compared to experimental methods thermodynamic equilibrium modelling is able to generate results within less time at lower costs. In order to perform calculations concerning systems which have a complicated structure and strong interactions between the constituents an adequate thermodynamic model and assessed thermodynamic data are needed. The accuracy of the calculation depends on the reliability of the database and adaptability of the model.The goal of the present work is the development of a new database optimised for the basic quaternary oxide system containing the main slag components SiO2 and Al2O3 and the alkali oxides Na2O and K2O. This system can be considered as a basis for the future addition of further slag-relevant oxides such as Fe2O3 and the alkaline earth oxides CaO and MgO.This complex oxide system was investigated with respect to the thermodynamic description of the liquid solution (slag). The available thermodynamic data were collected, analysed and modified for the purpose of improving the solution database. The associate solution model was adapted to the accepted database FACT.The associate species approach was applied to represent the phase relations in the binary systems Me2O-SiO2, Me2O-Al2O3 (Me = Na, K) and SiO2-Al2O3 and in the ternary systems K2O Na2O-SiO2 and Na2O-Al2O3-SiO2. The phase equilibria calculated using the associate model with the new optimised slag solution data show good agreement with the experimental points. In the literature, the binary systems Me2O-SiO2 and Me2O-Al2O3 (Me = Na, K) were not investigated regarding their phase diagrams in the composition range near the pure alkali oxide. In contrast to the old database, the new dataset allows the description of the whole composition range of the binary systems. The investigations performed show that the associate species approach cannot only be used for the representation of liquid solutions but also for the representation of solid solutions (nepheline and carnegieite) without taking into account the structure of the solid solution.The comparison of measured partial pressures of potassium over the liquid phase and of potassium oxide activities in the quaternary Na2O-K2O-SiO2-Al2O3 melt with calculated values show relatively good agreement although these data have not yet been taken into account for the optimisation. The associate species model can therefore be applied to describe and predict the thermodynamic properties of the considered system (phase diagram and activity data) and extended to multicomponent systems taking into account “multicomponent” interactions as well.

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