Методика расчета теплового баланса отделения экстракции в производстве дигидратной ЭФК.

Цель расчета: определение 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. Температуры потоков, °С: апатит – средняя температура в самом жарком месяце; 93 %-ная серная кислота – 40; оборотная фосфорная кислота (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. Записать химическую реакцию, протекающую в экстракторе, с численным значением теплового эффекта.

2. Записать условие и уравнение теплового баланса. Уравнение теплового баланса имеет вид: Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇ = Q₈ + Q₉ + Q₁₀ + Q₁₁,

где Q₁ – физическая теплота апатитового концентрата, подаваемого на экстракцию; Q₂ – физическая теплота 93 % серной кислоты; Q₃ – физическая теплота раствора разбавления (ОФК); Q₄ – теплота, выделяемая при протекании экзотермической реакции разложения апатитового концентрата; Q₅ – теплота, выделяющаяся при разбавлении 93 % серной кислоты в экстракторе; Q₆ – физическая теплота циркулирующей пульпы; Q₇ – физическая теплота воздуха, поступающего в экстрактор; Q₈ – физическая теплота пульпы, идущей на фильтрацию; Q₉ – физическая теплота газов, покидающих экстрактор; Q₁₀ – физическая теплота циркулирующей пульпы, поступающей из экстрактора в вакуум-испаритель для охлаждения; Q₁₁ – потери теплоты в окружающую среду.

3. Рассчитать физическую теплоту апатитового концентрата Q₁, подаваемого на экстракцию. Принять среднюю температуру в районе 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).

Удельную теплоемкость раствора разбавления определить по формуле; кДж/(кг×К):

с = 4,2324 – 0,02969×х (14),

где х – концентрация Н₃РО₄, % мас.

6. Рассчитать теплоту Q₄, выделяющуюся при протекании экзотермической реакции разложения апатитового концентрата по формуле:

Q₄ = (m_ап/M_ап)×K_изв×h_ап×q,

где m_ап – масса фторапатита; М_ап – молярная масса фторапатита; К_изв –коэффициент извлечения; h_ап = 1 – содержание фторапатита в апатитовом концентрате; q – тепловой эффект реакции взаимодействия серной кислоты с апатитовым концентратом, определяемый по уравнению реакции

Ca₅F(PO₄)_{3 (тв)} + 5H₂SO_{4 (р)} + 10H₂O _(ж) = 5CaSO₄×2H₂O _(тв) + 3H₃PO_{4 (р)} + HF _(г), DH<0.

7. Рассчитать теплоту Q₅, выделяющуюся при разбавлении 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 серной кислоты, кДж/кмоль:

где n₁, n₂ – мольное отношение H₂O:H₂SO₄ в исходном и конечном растворах серной кислоты, т.е. до и после разбавления в экстракторе.

Для определения n₂ необходимо знать концентрацию серной кислоты после разбавления в экстракторе (в предположении, что взаимодействие кислоты с апатитом происходит после смешения ее с другими жидкими компонентами). Определить эту концентрацию по данным материального баланса, составленного на 1000 кг апатитового концентрата:

где - количество 100 % серной кислоты на 1 000 кг апатитового концентрата; - количество воды, поступающей с серной кислотой на 1 000 кг апатитового концентрата; - количество раствора разбавления, поступающего в экстрактор на 1 000 кг апатитового концентрата; С_ФК - концентрация H₃PO₄ в растворе разбавления, доли ед.; С^’_ФК - концентрация H₃PO₄ в циркулирующем растворе, т.е. жидкой фазе циркулирующей пульпы, доли ед.

Рассчитать количество пульпы на 1 000 кг фосфата, поступающей на фильтрацию равно:

G_П=1000Г(n+1)

где Г – гипсовое число; n – отношение Ж/Т.

Рассчитать количество циркулирующей пульпы на 1000 кг фосфата, поступающей на фильтрацию по формуле:

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:

(15)

где V_ВОЗД = 235 000 м³/ч – объем воздуха, поступающий в экстрактор (по практическим данным); С_возд - теплоемкость воздуха, кДж/(кг×К); r_ВОЗД – плотность воздуха, кг/м³; t_возд - температура воздуха; Р^t – парциальное давление водяных паров в насыщенном воздухе (из приложения табл. 7); М_Н2О - молярная масса воды, кг/кмоль; j - относительная влажность воздуха, доли ед.;H^t _В.П. – энтальпия водяных паров, кДж/кг (из приложения табл. 7); Р_АТМ – атмосферное давление.

10. Рассчитать общий приход теплоты.

11. Рассчитать физическую теплоту пульпы Q₈, идущей на фильтрацию по формуле:

Q₈ = G_П×G_АП×c_П×t_П,

где G_АП – расход апатита, кг/ч; c_П – теплоемкость пульпы, кДж/(кг×К); t_П – температура пульпы, идущей на фильтрацию, °С.

Рассчитать удельную теплоемкость пульпы по формуле, кДж/(кг×К):

C_П = с_Ж×х_Ж + с_ТВ×х_ТВ,

где с_Ж – теплоемкость жидкой фазы в пульпе; х_Ж - массовая доля жидкой фазы в пульпе; с_ТВ – теплоемкость фосфогипса; х_ТВ - массовая доля твердой фазы в пульпе. Условно принять, что жидкая фаза представляет собой раствор фосфорной кислоты, а твердая – фосфогипс, тогда с_Ж можно определить по формуле (14).

12. Рассчитать физическую теплоту Q₉ газов, покидающих экстрактор. Газы, покидающие экстрактор, содержат (без учета испарения водяных паров) HF и воздух. Физическая теплота газов, покидающих экстрактор, рассчитывается 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.