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热量衡算示例

热量衡算示例。

求车间生产能力为11万吨/年P 2O 5萃取磷酸(32%P 2O 5)过程的小时热量平衡(采用真空冷却)。

小时消耗量为:磷精矿36.7吨;100%H 2SO 433.5吨;真空蒸发器进口循环料浆1412吨,出口1406吨;返回淡磷酸`145.2吨。

抽出235吨/小时料浆去过滤。

萃取槽加入稀释到56%,冷却到40℃的硫酸。

淡磷酸含29.2%P 2O 5,循环料浆的液相含32%P 2O 5。

向萃取槽加入5000米3/小时空气以便排出逸出的气体。

周围空间的热损失,根据实际数据约取支出热量的 1.8%。

入萃取槽淡磷酸的温度55℃。

空气温度20℃。

排出气体温度40℃。

排出料浆温度69℃。

(注意:磷精矿的小时消耗量为实际耗量,即由物料衡算100kg 磷矿生产的P 2O 5量和每年的P 2O 5产量进行折算;其理论耗量,是由Ca 5F(PO 4)3的理论P 2O 5含量求得Ca 5F(PO 4)3的消耗量,再以任务书中所给的原料磷精矿中P 2O 5含量换算成Ca 5F(PO 4)3的含量,进行原料磷精矿耗量的计算,理论耗量未考虑磷的损失和收率等)。

1、 收入热量:总的热量由下列物料带入的热量确定:磷矿粉(Q 磷矿),硫酸(Q 硫酸),淡磷酸(Q 淡磷酸),以及反应热(Q 反应)和萃取槽中硫酸稀释热(Q稀释)。

另外,还有空气(Q 空气)和循环料浆(Q 循环料浆)带入的热量。

即:Q 进=Q 磷矿+Q 硫酸+Q 淡磷酸+Q 反应+Q 稀释+Q 空气+Q 循环料浆(注意:因为采用真空冷却时需要将反应槽中的料浆泵入真空冷却器,冷却后再返回反应槽,所以只有采用真空冷却时才需要考虑Q 循环料浆)下面分别求每一项带入的热量: Q 磷矿=36700×0.783×17.6=505755(KJ)≈505×106J(0.783——磷精矿比热,KJ/kg ·K;17.6——夏季月平均温度,即车间热负荷最大期间的温度℃Q 硫酸=59800×2.470×40=5908747(KJ)≈5908.7×106J (式中:2.470——40℃时56%H 2SO 4的比热,KJ/kg ·K)H 2SO 4的比热可以查手册。

当硫酸浓度Cs=81-100(%),温度t=20-250℃范围,硫酸溶液的平均热容为(H 2SO 4比热数学模型):C t =(B 0+B 1*Cs+B 2*Cs 2+B 3*t+B 4*t 2+B 5*Cs*t+B 6*Cs 2*t)*4.19/t 式中系数:B 0=-38.2471158,B 1=0.8799812,B 2=-0.0050389,B 3=1.4884802,B 4=0.0002962,B 5=-0.0201982,B 6=0.0000868(注意:计算时Cs 为百分数,即不带入%)。

Q 淡磷酸=145200×3.036×55=24245496(KJ)≈24245.5×106J[式中:3.036——29.2%P 2O 5磷酸溶液的比热KJ/kg ·K ,可以查曲线或按以下经验公式计算:C=4.2324-0.02968×40.3=3.036(KJ/kg ·K),式中:40.3为淡磷酸含H 3PO 4重量%]硫酸与磷精矿的反应热(磷精矿中的全部P 2O 5都按氟磷灰石计): Ca 5F(PO 4)3+5H 2SO 4+10H 2O=5CaSO 4·2H 2O+3H 3PO 4+HF+q 2 根据盖斯定律q 2=(5×2022.6+3×1278.2+269.6)-(6828.7+5×839.5+10×286.4)=327(KJ/mol)上式中反应物和生成物的生成热(KJ/mol ): CaSO 4.2H 2O( 固体):2022.6; H 3PO 4(溶液):1278.2; Ca 5F(PO 4)3(固体):6828.7; H 2SO 4(溶液):839.5; H 2O (液体):286.4; HF (气体):269.6 由此可得:)(21701627504100032798.093.036700KJ Q =⨯⨯⨯⨯=反应≈21701.6×106J 式中:0.93——磷精矿中氟磷灰石含量,单位分数,(即:磷精矿中P 2O 5的含量÷3P 2O 5分子量×2Ca 5F(PO 4)3分子量);0.98——氟磷灰石的分解率,单位分数; 504——氟磷灰石的分子量。

萃取槽中H 2SO 4稀释热按下式确定: Q 稀释=G 硫酸×q 2/98=(33500×20976.9)/98 =7170675(KJ )≈7170.7×106J 上式中:G 硫酸——无水硫酸的量;q 2——硫酸的比稀释热(KJ/mol),按下式确定:)/(7983.1747767983.17477611222kmol KJ n n n n q +-+=式中n 1和n 2为硫酸进入萃取槽稀释前后溶液中H 2O/H 2SO 4摩尔比。

n 1=(44×98)/(18×56)=4.28为了确定n 2,必须知道稀释后萃取槽中硫酸的浓度C 2(假定硫酸同其它的液体组分混合以后,才同磷灰石反应)。

此浓度可根据以1000公斤磷精矿为基准的物料衡算数据确定:%5.4%100)442.01(75.0382344)403.01(6.39407159109102=⨯-⨯⨯+-++=C式中:910和715分别为无水硫酸量和56%H 2SO 4带入的水量(公斤); 3940.6和38234.4分别为进入萃取槽的淡磷酸量和循环料浆量(公斤);0. 403和0.442分别为淡磷酸和循环料浆液相中H 3PO 4的浓度(单位分数); 0.75为循环料浆中液相含量(单位分数)。

从而得出:54.1155.498185.952=⨯=n 因而,7983.128.428.4747767983.154.11554.115747762+⨯-++=q =20976.9(KJ/Kmol ) 进入萃取槽空气带入的热量:25304.22)8.023********(8.018233350002029.1004.15000⨯⨯⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=空气Q=320275(KJ )≈320.3×106J(式中:1.004——空气热容,KJ/kg ·K ;1.29——0℃和1.013×105Pa 时的空气密度,kg/m 3; 2333——20℃空气中饱和水蒸气的分压Pa ; 0.8——空气的相对湿度;2530——20℃时水蒸气的焓,KJ/kg )。

来自真空蒸发器去萃取槽的循环料浆带入的热量Q 循环料浆’是总的收入热量和支出热量之差。

所以,萃取槽的总收入热量为:Q 收入=505755+5908747+24245496+21701627+7170675+320275+Q 循环料浆 =59852575+Q 循环料浆2、 支出热量:带走的热量是下列热量总和:送去过滤的料浆(Q 料浆);从萃取槽排出的气体(Q 气体);送真空蒸发器冷却的循环料浆(Q ’循环料浆)和热损失(Q 热损)。

下面分别求每一项带出的热量:69℃时,送去过滤的料浆带走的热量为: Q 料浆=235000×C 料浆×69式中:235000——料浆量,kg ;69——温度,℃ C 料浆——料浆比热,KJ/kg ·K ,其值按下式确定, C 料浆=C 液X 液+C 固X 固(C 液和C 固——料浆中液相和固相的热容,KJ/kg ·K; X 液和X 固——料浆中液相和固相的质量分数)当不考虑杂质时,料浆中的液相就是磷酸溶液,而固相就是石膏。

则:)/(4584.264001600072.164004800)2.4402968.02324.4(k kg KJ C ⋅=⨯+⨯⨯-=料浆 (4.2324-0.02968×44.2)——浓度为32%P 2O 5即44.2%H 3PO 4磷酸的比热; 4800/6400——液/固=3/1时料浆中磷酸的质量分数; 1600/6400——料浆中石膏的质量分数; 1.072——石膏热容)。

从而:Q 料浆=23500×2.4584×69=3986295.6(KJ)≈3986.3×106J40℃时,从萃取槽排出气体带走的热量,以空气和水蒸气计算(HF )和S i F 4的热量,由于其值很小,可忽略不计):6.25684.22)8.0737*******(8.018737350004029.1004.15000⨯⨯⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=气体Q=896950(KJ )≈897.0×106J去真空蒸发器的循环料浆带走的热量为:Q ’循环料浆=×2.4584×69=239517000(KJ)≈239517×106J (——循环料浆量,kg ;2.4584——料浆热容KJ/kg ·K)。

热损失Q 热损,根据实际数据约为各项支出热量的1.8%即6533.9×106J. 则萃取槽总的支出热量为:Q 支出=(3986.3+897.0+239517+6533.9)×106=250934.2×106J 从而可求得进萃取槽循环料浆带入的热量为: Q 循环料浆=(250934.2-59852.6)×106=191081.6×106J 3、 萃取磷酸工段的小时热平衡: 收入 106J/h 支出 106J/h 磷精矿带入:505.8 去过滤料浆带出:3986.3 56%H 2SO 4带入:5908.7 排出废气带出:897.0 淡磷酸带入: 24245.5 循环料浆带出:239517 磷矿分解反应热:21701.7 56%H 2SO 4稀释热:7170.7空气带入:320.3 热损失:6534循环料浆带入:191081.6共收入:250934.3 共支出:250934.3注意:当采用空气冷却时,则不需要计算循环料浆带入、带出的热量,但进入萃取槽的空气量是需要计算的未知数。

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