Методика расчета теплового баланса отделения экстракции в производстве дигидратной ЭФК

Цель расчета: определ-е теплоты, вносимой поступающей в экстрактор циркулирующей пульпой.

Исходные данные.

1. Исходные данные, таблица материального баланса и расчеты.

2. Удельные теплоемкости веществ, кДж/(кг×К): апатитовый концентрат – 0,783 [3]; 93 %-ная серная кислота при 40 °С – 1,275 [6]; воздух при 20 °С – 1,004 [3]; фосфогипс – 1,072 [3].

3. Т потоков,°С: апатит – ср. Т в самом жарк. месяце; 93%-ная СК – 40; обор. ФК (27,62% Н₃РО₄) – 70; воздух на входе – 20; газы на выходе – 60; пульпа на фильтрацию и циркулирующая пульпа – 80.

4. Кратность циркуляции пульпы К_Ц = 8.

5. Относительная влажность воздуха – 0,8.

6. Потери теплоты в окружающую среду – 2 % от прихода теплоты.

7. Теплотами испарения воды и HF в виде SiF₄ пренебрегаем вследствие их малости.

8. Отношение Ж/Т в пульпе – 3:1.

9. Массовая доля твердой фазы в пульпе Т=25 %, жидкой Ж=75 %.

10. Гипсовое число Г = 1,6.

11. Расчёты выполнить в МДж

Расчет

1. Составить расчетную схему тепловых потоков экстрактора. На схеме указать все входящие и выходящие тепловые потоки, температуры потоков, искомые величины: Входит: тепло с апатитовым концентратом, с СК, с р-ром разбавления, т-та р-ции, т-та циркулирующей пульпы, тепло с воздухом. Выходит: с фторгазами, с пульпой, потери т-ты в окр. среду. Записать химическую реакцию, протекающую в экстракторе, с численным значением теплового эффекта.

2. Записать усл-е и ур-е ТБ: Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇ = Q₈ + Q₉ + Q₁₀ + Q₁₁, где Q₁ – физ. т-та апатит.концентрата, подав-го на экстр-ю; Q₂ – физ. т-та 93 % СК; Q₃ – физ. т-та р-ра разбавл-я (ОФК); Q₄ – т-та, выдел-я при протек-и экзотерм-й р-ции разлож-я апатит. концентрата; Q₅ – т-та, выдел-ся при разбавл-и 93 % СК в экстр-ре; Q₆ – физ. т-та циркулир-й пульпы;Q₇ –физ. т-та возд., поступ-го в экстр-р; Q₈ – физ. т-та пульпы, идущей на фильтр-ю; Q₉ – физ. т-та газов, покид-х экстр-р; Q₁₀ – физ. т-та циркулир-й пульпы, поступ-й из экстр-ра в вакуум-испаритель для охл-я; Q₁₁ – потери т-ты в окр. среду.

3. Рассчитать физ.т-ту апатит. концентрата Q₁, подав-го на экстр-ю. Принять ср. Т в р-оне г. Череповца в июле, т.е. в период наиболее напряженного теплового режима цеха, t = 17,6 °С

4. Рассчитать физическую теплоту Q₂ 93 % серной кислоты.

5. Рассчитать физическую теплоту Q₃ раствора разбавления (ОФК).

Уд. теплоем-ть р-ра разбавл-я опр-ть; кДж/(кг×К): с = 4,2324 – 0,02969×х (14), где х – конц-я Н₃РО₄,%мас.

6. Рассч. т-ту Q₄, выдел-ся при протек-и экзотерм. р-ции разлож-я апатит. концентрата: Q₄ = (m_ап/M_ап)×K_изв×h_ап×q, где m_ап – масса фторапатита; М_ап – моляр. масса фторапатита; К_изв –коэф-т извлеч-я; h_ап = 1 – сод-е фторапатита в апатит. концентр.; q – тепл. эф-т р-и взаим-я СК с апатит. концентр-м, опр-й по ур-ю р-ции: Ca₅F(PO₄)_{3 (тв)} + 5H₂SO_{4 (р)} +10H₂O _(ж)=5CaSO₄×2H₂O _(тв) + 3H₃PO_{4 (р)} + HF _(г), DH<0.

7. Рассч. т-ту Q₅, выдел-ся при разбавл-и 93 % серной кислоты в экстракторе по формуле: Q₅ = G_K×q/98,

где G_K – часовое количество 100 % серной кислоты, поступающей в экстрактор; q – удельная теплота разбавления CК, кДж/кмоль: q = (74776*n₂/(n₂+1,7983)) – (74776*n₁/(n₁+1,7983))? где n₁, n₂ – мольное отношение H₂O:H₂SO₄ в исходном и конечном р-рах СК, т.е. до и после разбавления в экстракторе.

Для определ-я n₂ необх. знать конц-ю СК после разбавл-я в экстр-ре (в предполож-и, что взаимод-е к-ты с апатитом происх-т после смешения ее с др. жидк. комп-ми). Опред-ть эту конц-ю по данным МБ, составленного на 1000 кг апатитового концентрата: С₂ =

 

где G^|_мнг =(G_мнг/ G_ап)*1000 - кол-во 100 % СК на 1 000 кг апатит. концентрата; G^|_Н2О = (G_Н2О/ G_ап)*1000 - кол-во воды, поступ-й с СК на 1000 кг апатит. концентрата; G^/_ОФК = (G_ОФК/ G_ап)*1000 - кол-во р-ра разбавл-я, поступ-го в экстр-р на 1000 кг апатит. концентрата; С_ФК - конц-ция H₃PO₄ в р-ре разбавл-я, доли ед.; С^’_ФК – конц-я H₃PO₄ в циркулир-м р-ре, т.е. жидкой фазе циркулир-й пульпы, доли ед.

Рассч. кол-во пульпы на 1000 кг фосфата, поступ-й на фильтр-ю: G_П=1000Г(n+1), где Г – гипсов. число; n – отнош-е Ж/Т. Расч. кол-во циркулир. пульпы на 1000 кг фосфата, поступ. на фильтр-ю:G_Ц.П.= К_Ц* G_П

8. Обозначить физическую теплоту циркулирующей пульпы Q₆ за х (МДж).

9. Рассчитать физическую теплоту воздуха, поступающего в экстрактор по формуле:

Q₇ = V_возд*с_возд*ρ_возд*t_возд+ (15), где V_ВОЗД = 235 000 м³/ч – объем воздуха, поступ-й в экстрактор (по практич. данным); С_возд - теплоем-ть воздуха, кДж/(кг×К); r_ВОЗД – плотность возд., кг/м³; t_возд - Т воздуха; Р^t – парц. Р водян. паров в насыщ. воздухе; М_Н2О - молярная масса воды, кг/кмоль; j – относит. влажность воздуха, доли ед.;H^t _В.П. – энтальпия водян. паров, кДж/кг; Р_АТМ – атм. давление.

10. Рассчитать общий приход теплоты.

11. Рассч. физ. т-ту пульпы Q₈, идущей на фильтрацию по ф-ле: Q₈ = G_П×G_АП×c_П×t_П, где G_АП – расход апатита, кг/ч; c_П – теплоем-ть пульпы, кДж/(кг×К); t_П – температура пульпы, ид-й на фильтрацию, °С. Рассч. уд. тепл-ть пульпы, кДж/(кг×К): C_П = с_Ж×х_Ж + с_ТВ×х_ТВ,где с_Ж – тепл-ть жид. фазы в пульпе; х_Ж – масс. доля жид. фазы в пульпе; с_ТВ – теплоем-ть фосфогипса; х_ТВ – мас. доля тв. фазы в пульпе. Усл-но принять, что жид. фаза предст-ет соб. р-р ФК, а тв. – фосфогипс, тогда с_Ж можно опред-ть по ф-ле (14).

12. Рассч. физ. т-ту Q₉ газов, покид-х экстр-р. Газы, покид-е экстрактор, сод-т (без учета испар-я водян. паров) HF и воздух. Физическая теплота газов, покидающих экстрактор, рассчит-ся по формуле (15).

13. Рассчитать физическую теплоту циркулирующей пульпы Q₁₀, поступающей из экстрактора в вакуум-испаритель для охлаждения по формуле: Q₁₀ = G_Ц.П×c_Ц.П×t_Ц.П.

14. Рассчитать потери теплоты в окружающую среду Q₁₁.

15. Рассчитать общий расход теплоты: Q_РАСХ = Q₈ + Q₉ + Q₁₀ + Q₁₁.

16. Найти из условия теплового баланса х. Пересчитать Q₆, Q₁₁, Q_РАСХ.

17. Составить таблицу теплового баланса экстрактора на часовую производительность.

18. Сделать выводы.