第十章沸腾炉工艺计算.docx
《第十章沸腾炉工艺计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章沸腾炉工艺计算.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第十章沸腾炉工艺计算
第十章沸腾炉工艺计算
第一节计算依据
1、常用术语：
烧出率——矿石在焙烧过程中硫被烧出的百分率。
净化收率——进转化硫量对炉气硫量的百分率。
转化率——出转化SO3对进转化SO2的摩尔百分率。
吸收率——二吸出口SO3对一吸进口SO3的摩尔百分数。
其它损失——指除了焙烧、净化、转化、吸收过程中可以查明的损失百分率。
包括质量损失，成品酸中溶解的二氧化硫损失，设备开停车或泄漏等所有跑、冒、滴、漏的损失，是一个由多方面因素造成的综合性项目，不能由几个测定数据和公式来计算，一定要通过全面的系统测定来查明，而查定过程又存在误差，因此各生产单位之间的其它损失率因管理水平之差则有很大差别，一般在0.3～1%左右。
计算取1%。
硫的利用率——含硫原料中，硫被利用的程度。
2、计算数据
年产能
100%硫酸320000吨
年作业时间
8000h
产量
40t/h或408kmol/h
进炉原料
含硫20%（干基）、含水5%
灰渣
灰∶渣=70%∶30%，灰中残硫0.3%,渣中残硫0.5%
制酸系统效率
净化率η净＝97.0%，转化率η转＝99.2.0%，
吸收率η吸＝99.95%，
炉气主要成分
（干基）
SO2：
12%，SO3：
0.24%，O2：
4%
气象条件
气温：
32℃；气压：
100.8kPa；湿度：
80%
第二节物料衡算
根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。
通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。
物料衡算的基础：
物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。
物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。
1、硫的烧出率
1.1灰渣平均残留率
式中，CS（残）—灰渣平均残硫率，%CS（灰）—灰中残硫量，%CS（渣）—渣中残硫量，%
1.2灰渣产率：
160CS（实）
x
160CS（残）
式中，CS（实）—矿石中硫的实际含量%
CS（残）—矿渣中的残硫量%
则灰渣产率为：
1600.36
x16020＝0.877kg灰渣/kg矿
1.3硫的烧出率
式中，ηs—硫的烧出率，％
则硫的烧出率为：
20-0.8770.36×100%＝98.42%
20
2、投矿量
总硫利用率：
式中，—总硫利用率，%；
—净化率，%；
—转化率，%；
—吸收率，%。
＝98.42%×97%×99.2%×99.95%＝94.65%则，耗矿定额（干矿）：
式中，
式中，—耗矿定额，吨矿/吨酸；
—硫的摩尔质量，kg/mol；
—硫酸的摩尔质量，kg/mol
则，G耗
980.200.9465
＝1.725干矿/t酸
小时投干矿量＝1.725×40＝69t/h
小时投矿实物量＝69÷（1－0.05）
＝72.63t/h。
3、灰、渣产量：
焙烧反应是较复杂的，为计算方便及实用，本计算只依据下列反应式来进行。
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+3413KJ实际上反应后生成的Fe2O3一般约占75%，生成的Fe3O4占25%左右。
式中，—灰渣生成量，t/h
则，G灰渣＝0.877×69＝60.51t/h其中：
随炉气带走灰量：
60.51×70%＝42.36t/h
出渣口排放渣量：
60.51×30%＝18.15t/h
4、干炉气量
SO2＋SO3量
＝408/η净×η转×η吸＝408/0.9618＝424.2kmol/h出炉干炉气量
＝424.2÷（0.12＋0.0024）＝3465.69kmol/h
或77631.46m3/h其中：
SO2：
3465.69×12%＝415.88kmol/h
SO3：
3465.69×0.24%＝8.32kmol/h
O2：
3465.69×4%＝138.63kmol/h
N2：
3465.69―415.88―8.32―138.63＝2902.86kmol/h
5、空气量
N2＝2902.86kmol/h
O2＝2902.86×21＝771.65kmol/h
279
干空气量＝
或3674.51
空气含水＝
2902.86＋771.65＝3674.51kmol/h×29kg/kmol＝106560.79kg/h3674.51×3.79＝143.56kmol/h
100.8-3.79
式中：
3.79为32℃相对湿度为80%时，空气中的蒸汽分压（kPa）
湿空气量＝（3674.51＋143.56）×22.4
＝85524.77m3标/h或3818.07kmol/h
32℃、常压下湿空气量＝85524.77×（273＋32）/273＝95549.65m3/h。
（或1592.49m3/min）
6、炉气中水量
原料带入水＝69×1000×5/（100－5）＝3631.58kg/h或201.75kmol/h
空气带入水143.56kmol/h
炉气中水量＝143.56＋201.75＝345.31kmol/h
7、炉气总量（即湿炉气量）
3465.69＋345.31＝3811kmol/h或85366.4m3标/h
附：
按计算公式来计算：
1、炉气生成量
式中，—炉气生成量，ｍ
—炉气中
３／ｈ
SO2、SO3的含量，%
G投—投矿量，kg/h
则，V气.矿＝685×0.98420.269＝76010.15m3/h
0.120.0024
2、炉气组分计算
2.1炉气中氧含量CO2（%体积）
按反应式4FeS211O22F2eO38SO2来进行计算，其炉气中
SO2、SO3、O2
的含量关系如下：
CSO2CSO31.375（CSO2
100
CSO3）729112CSO37291CO27291CO2
SO3212SO321O221O2
6.17CSO28.05CSO34.76CO2100
6.17128.050.244.76CO2100所以CO25.05
即CO25.05%
又CSO2CSO3CO2CN2100%
得CN2100120.245.05
CN282.71%
表3-1炉气中各气体含量表：
组分
含量%
SO2
12
SO3
0.24
O2
5.05
N2
82.71
3、空气需用量
按反应式4FeS211O22F2eO38SO2来进行计算。
生成SO2需氧量V1：
＝11/8×0.12×76010.15＝12541.67m3/h
生成SO3需氧量V2：
＝11/8×0.0024×76010.15＝250.83m3/h炉中过剩氧量V3:
＝0.0505×76010.15＝3838.51m3/h进炉总氧量
＝12541.67＋250.83＋3838.51＝16631.01m3/h
需要空气量V空:
V空＝VO2/21%＝16631.01÷21%＝79195.3m3/h
＝79195.3029＝102529.63kg/h
22.4
随空气带入炉内水份量:
＝0.01×79195.3＝791.953kg/h
或＝791.953÷18×22.4＝985.54m3/h
式中0.01是32℃空气中含水量10g/m3
所以炉内湿空气总量：
V空＝79195.3＋985.54＝80180.84m3/h
4、物料进出情况
沸腾焙烧反应：
4FeS211O2Fe2O38SO2（少量SO3），水、氮气未参加反应。
G水＝5%G投＋G气·水
＝0.05×69000÷0.95＋791.953
＝4423.53kg/h
GN2＝V空×0.79÷22.4×MN2
＝79195.3×0.79÷22.4×28＝78205.36kg/h
GO2＝3838.51÷22.4×32
＝5483.59kg/h
＝76010.15×0.12÷22.4×64＝26060.62kg/h
GSO3＝76010.15×0.0024÷22.4×80
＝651.52kg/h
于是，
∑进＝G矿＋GN2＋GO2＋G水
＝69000＋78205.36＋23758.59＋4423.53＝175387.48
＝4423.53＋78205.36＋5483.59＋26060.62＋651.52＋60510
175334.62kg/h
∑进－∑出＝175387.48－175334.62＝52.86kg/h
物料平衡表
物料名称
输入kg/h
输出kg/h
投矿量（干矿）
69000
—
N2
78205.36
78205.36
O2
23758.59
5483.59
H20
4423.53
4423.53
SO2
—
26060.62
SO3
—
651.52
矿渣
—
60510
合计
175387.48
175334.62
第二节热量衡算
热量衡算的基础是能量守恒定律，在无轴功的条件下，进入系统的热量与离开热量相互平衡。
实际生产中传热设备的热量衡算可由下式表示。
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
式中，Q1—物料进入设备带入热量，kJ；
Q2—由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量，kJ；
Q3—过程热效应，kJ；
Q4—物料离开设备带出的热量，kJ；
Q5—消耗在加热设备各个部件上的热量，kJ；Q6—设备向四周散失的热量，kJ。
热量衡算的方法
热量衡算时一般建议以273K为基准温度，以液态为基准物态。
（1）物料进入设备带人热量Q1（或物料由设备带出的热量Q4）的计算
—物料质量，kg；
—物料平均等压比热容，kJ（kg?
℃）-1；
T—物料温度，℃；
T0—计算基准温度，℃。
生产过程中有相变化时还要加上相变热。
（2）过程热效应（Q3）
过程热效应包括化学过程热效应（Qr）和物理过程热效应（Qp）。
即：
式中，GA—参与反应的A物质量，kg；
—标准化学反应热，kJ·mol-1；
MA—A物质的分子量。
Qp可通过盖斯定律来计算。
消耗在加热设备各个部件上的热量（Q5）的计算:
式中，Mi—设备上i部件质量，kg；
—设备上i部件比热容，kJ·（k℃g?
）-1
T1—设备各部件初温，℃；
T2—设备各部件终温，℃。
设备向四周散失的热量（Q6）的计算
式中，A—设备散热表面积，m2；
—散热表面向四周介质的联合给热系数，
W·（m2?
℃）-1；
—四壁向四周散热时的表面温度，℃；
—周围介质温度，℃；
t—过程持续时间，s。
由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量的计算:
选定加热剂（或冷却剂），即可从有关手册查出该物质cp，再确定其进出口温差ΔT，则加热剂（或冷却剂）的用量为：
式中，κ—传热系数，kJ·（m2?
h·℃）-1；
A—传热面积，m2；
ΔTm—对数平均温差，℃
从上式即可计算所需的传热面积。
对不需加热或冷却的设备可不必进行热量计算，此时水、汽等消耗量的确定可从同类型的生产车间取得。
1、原始数据
炉温：
沸腾层800℃，炉气出口850℃尘、渣平均热容：
0.96kj/（kg.K）单位换算：
1cal=4.1868J
以1h为计算基准
2、带入热
2.1矿石带入热
室温32℃CP＝0.45kj/（kg.K）
Q1＝69000×0.45×32＝993600kj/h
2.2空气带入热空气温度32℃，CP＝1kj/（kg.K）
Q2＝106560.79×1.014×32＝3457684.51kj/h
2.3反应热Q3
4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+3413KJ
SO2+O2=SO3+99KJ
SO2：
415.88kmol/h；SO3：
8.32kmol/h
Q3＝415.88×1000×3413÷8＋8.32×1000×99
＝178248485KJ/h
带入热总计：
182699769.5kj/h
3、带出热
3.1矿渣带出热Q4
Q4＝18.15×1000×0.96×800＝13939200kj/h
3.2矿灰带出热Q5
Q5＝42.36×1000×0.96×850＝34565760kj/h
3.3干炉气带出热Q6（硫酸工业手册314页）
SO2：
415.88kmol/hCPSO2＝49.4j/（mol.K）
SO3：
8.32kmol/hCPSO3＝71.97j/（mol.K）
O2：
138.63kmol/hCPO2＝32.4j/（mol.K）
N2：
2902.86kmol/hCPN2＝31.0j/（mol.K）
水：
345.31
kmol/hCPH2O＝37.7j/（mol.K）
带出热：
SO2：
415.88×49.4×850＝17462801.2kj/h
SO3：
8.32×71.97×850＝508971.84kj/h
O2：
138.63×32.40×850＝3817870.2kj/h
N2：
2902.86×31.00×850＝95358951kj/h
H2O：
345.31×37.7×850＝11065458.95kj/h
Q6＝17462801.2＋508971.84＋3817870.2＋76490361
＋11065458.95
＝109345463.2kj/h
3.4矿石带入水分吸收热
矿石水：
3631.57kg/h水比热：
4.178kj/（kg.K）；水蒸气汽化热：
539kcal/kg；过热水蒸汽平均比热：
0.5kcal/（kg.K）Q7＝3631.57×4.178×（100－32）＋539×4.19×3631.57
＋0.5×4.19×3631.57×（850－100）
＝14939421.93kj/h
3.5空气带入水分吸收热
水：
143.56kmol/hCPH2O＝37.7j/（mol.K）
Q8＝143.56×37.7×（850－32）＝4427189.42kj/h
3.6炉壁损失热
Q9＝182699769.5×3%＝5480993.085kj/h
3.7沸腾层炉气汽化冷却转移走的热量
＝993600＋3457684.51＋178248485－13939200－34565760
－109345463.2－14939421.93－4427189.42－5480993.08
＝1741.9kj/h
输入（kj）
输出（kj）
矿石带入热
993600.00
矿渣带出热
13939200.00
空气带入热
3457684.51
矿灰带出热
34565760.00
反应热
178248485.00
干炉气带出热
109345463.20
—
—
矿石带入水分吸收热
14939421.93
—
—
空气带入水分吸收热
4427189.42
—
—
炉壁损失热
5480993.08
—
—
沸腾层汽化移走热
1741.9
沸腾炉热量平衡表
总计
182699769.50
182699769.50
第二节主要设备工艺计算
1、炉床面积、
1.1炉床直径（硫酸工业手册314页）
D＝4Y3210010024100098CsB
式中：
Y—小时产酸量100%，kg
η总—总采酸量，%
CS—矿石中硫的实际含量%
12%
B—焙烧强度，t/m·d焙烧硫精砂采用焙烧强度12t/m2·d
850℃下沸腾层气量：
850
Vt＝V0（1＋273）＝85445.58（1＋273）＝351484.93m3/h（或＝97.63m3/s）
沸腾层气量（减除二次气量）：
97.63×（100%－12%）＝85.92m3/s沸腾层面积：
F沸＝85.92÷0.709＝121.18m23、焙烧强度：
硫酸工业手册296页
UF＝33700WCSO2/CSηT
式中，UF—单位生产率（焙烧强度），t/m2·d；
W—操作气速，m/s；
CS—原料含硫，%；
T—沸腾层内温度，k；
CSO2—炉气SO2浓度，%；
η—硫烧出率，%；
UF＝33700×0.709×0.12/（0.2×0.9842×1123）＝12.97t/m2·d
4、床面积
式中，F床—床面积，；
A—炉子日处理量，t/d
F床＝6924＝127.68m
12.97
对于圆形炉子，床直径：
式中，D床—床直径，m；
F床—本床面积，；
F前室—前室面积，。
F前室=0。
则，D床＝1.13127.68＝12.77m
5、沸腾层高度硫铁矿焙烧为放热反应，为使床层具有一定的热稳定性与流化的均匀性，参考同类型炉子的生产实践，取H层=1.3m。
炉床面积在投矿量一定的情况下，主要与沸腾层高度、炉料停留时间和烟尘率有关。
2.3沸腾层气量
沸腾层气量一般采用炉气和空气量的平均值（湿气体）
85366.485524.773＝85445.58m标3/h
2标
升级会员 