8.2. Составление теплового баланса процесса экстракции фосфорной кислоты

Приход теплоты

Суммарная теплота определяется теплотами, вносимыми: апа­титом (Q_an), серной кислотой (Q_ск), раствором разбавления (Q_p._p), а также теплотами реакции (Q_p) и разбавления серной кислоты в экстракторе (Q_paзб). Кроме того, теплоту вносит поступающий воздух (Q_возд) и циркулирующая пульпа (Q_ц.п.). Итак:

Q_прих = Q_an + Q_ск + Q_p._p + Q_p + Q_paзб + Q_возд + Q_ц.п.

Определим эти теплоты:

(C_{апатита} (0,783) — удельная теплоемкость апатитового концентрата, кДж/(кг • К); 17,6 — средняя температура в Северо-Западном рай­оне в июле, т. е. в период наиболее напряженного теплового ре­жима цеха, °С).

[С_{75%-ной Н2SO4} — удельная теплоемкость 75%-ной H₂S0₄, кДж/(кг-К) при 35°С, рассчитывается по формуле: С_{75%-ной Н2SO4} = Х_Н2О*С_Н2О + Х_Н2SО4 *С_Н2SО4 = 4,17825*0,25 + 1,4*0,75 = 2,095 кДж/(кг-К) ; 35 — температура кислоты, °С];

(С_{40,3%-ной Н3РO4} — удельная теплоемкость раствора разбавления фосфорной кислоты концентрации 40,3% Н₃Р0₄, кДж/(кг-К) при 60°С, рассчитывается по формуле: С_{40,3%-ной Н3РO4} = Х_Н2О*С_Н2О + Х_Н3РО4 *С_Н3РО4 = 0,403*0,493 + 0,597 *4,1841 = 2,7 кДж/(кг-К), 60 — температура поступающего раствора разбавления, °С).

Тепловой эффект реакции взаимодействия серной кислоты с апа­титовым концентратом (при условии, что вся Р₂0₅ в апатитовом концентрате находится в виде фторапатита)

Ca₅F(Р0₄)₃ + 5H₂S0₄ +10Н₂0 = 5CaS0₄*2H₂0 + ЗН₃Р0₄ + HF + q

определяем по закону Гесса:

q = (5*2022,6 + 3*1278,2 + 269,6) – (6828,7 + 5*839,5 +10-286,4) =

= 14 217,2 — 13 890,2 = 327 кДж/кмоль

Здесь значения теплот образования реагирующих веществ и образующихся продуктов реакции равны, в кДж/кмоль:

CaS0₄* 2H₂0 _(tb.) 2022,6 Ca₅F(P0₄)_{3 (tb.)} 6828,7

H₃P0_{4 (p-p)} 1278,2 H₂SO_{4 (p-p)} 839,5

HF _(г.) 269,6 H₂0 _(ж.) 286,4

Отсюда:

(0,98 — степень разложения фторапатита, доля единицы; — молекулярная масса фторапатита).

Теплоту разбавления в экстракторе 75%-ной H₂S0₄ определяем по формуле:

Здесь G_H — часовое количество серной кислоты, поступающей в экстрактор, кг.

Удельную теплоту разбавления серной кислоты q определяем по формуле:

Здесь п₁ и n₂ — мольное отношение Н₂0: H₂S0₄ в исходном и конечном растворах серной кислоты (до и после разбавления в экстракторе):

n₁= (25*98)/(18*75) = 1, 82 кмоль Н₂0/кмоль H₂S0₄

Для определения п₂ необходимо знать концентрацию серной кислоты С₂ после разбавления в экстракторе (в предположении, что взаимодействие кислоты с апатитом происходит после сме­шения ее с другими жидкими компонентами). Эту концентрацию определяют по данным материального баланса, составленного на 1000 кг апатитового концентрата

Концентрация Р₂О₅ в циркулирующей пульпе 31,91 % или 44,05% Н₃РО₄ т.е.

Окончательно:

Следовательно:

Поступающий в экстрактор воздух вносит:

Дж

(5000 — объем при н. у. поступающего воздуха (по практи­ческим данным), м³/ч;

1,004 — теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К);

1,29 — плотность воздуха при 0 °С и 1,013*10⁵ Па (760 мм рт. ст.), кг/м³;

2333 Па — парциальное давление водяных паров в насыщен­ном при 20° воздухе (17,5 мм рт. ст.);

0,8 — относительная влажность воздуха;

2530 — энтальпия водяных паров при 20 °С, кДж/кг).

Теплота, поступающая в экстрактор с циркулирующей пульпой вакуум-испарителя Q_ц.п есть разность между общим приходом расходом теплоты.

И окончательно, общий приход теплоты в экстрактор равен:

Q_прих =13780,8 + 92370,2 + 434492,1 + 625833,33 + 344764,16 + 320275 + Q_ц.п =

= 1831215,6 + Q_ц.п

Расход теплоты

Уносимая теплота есть сумма теплот: пульпы, направляемой на фильтрацию (Q_n); газов, выходящих из экстрактора (Q_г); цир­кулирующей пульпы, поступающей из экстрактора в вакуум-ис­паритель для охлаждения (Q’_ц._п) и теплопотерь (Q_noт).

Определяем эти теплоты.

Теплота отходящей от экстрактора пульпы на фильтрацию при 70 °С равна:

C_пульпы – удельная теплоемкость пульпы, кДж/(кг*К), определяемая по формуле:

C_пульпы = С_жХ_ж + С_твХ_тв

(С_ж и С„ — теплоемкости жидкой и твердой фаз в пульпе, кДж/(кг • К); Х_ж и Х_тв — массовые доли жидкой и твердой фаз в пульпе)

Принимаем что жидкая фаза пульпы представляет собой рас­твор фосфорной кислоты (без учета примесей), а твердая фаза — гипс; тогда:

С_ж = Х_Н2О*С_Н2О + Х_Н3РО4 *С_Н3РО4 = 0,4405*0,483 + 0,6595 *4,1893 = 2,97 кДж/(кг-К),

C_пульпы = 2,97*3200/4800 + 1,072*1600/4800 = 2,337 кДж/(кг*К)

И окончательно:

Теплота газов, уходящих из экстрактора при 40°, в расчете на воздух и водяные пары (теплотами HF и SiF₄ вследствие малости их пренебрегаем):

Здесь 5000*1,004*1,29*40 — теплота, уносимая воздухом, по­ступающим в экстрактор (см. выше); 7373 Па — парциальное дав­ление водяных паров в газе, насыщенном при 40 °С (55,3 мм рт. ст.); 0,8 — относительная влажность воздуха; 2568,6 — теплота водя­ных паров, кДж/кг.

Теплота, уносимая циркулирующей пульпой, направляемой в вакуум-испаритель, составляет:

Тепло потери Q _пот по практическим данным составляют ≈ 2,0 от других статей расхода теплоты, т. е. Q _пот = 0,02*(Q’_ц..п + Q _г + Q _п) = 0,02(6281,9 + 897 + 785,34) = 159,3 МДж.

Общий расход теплоты из экстрактора составит:

Q_расх = 785,34 + 897 + 6281,9 + 159,3 = 8123,54 МДж

Зная общий расход, определяем теплоту, вносимую поступающей в экстрактор циркулирующей пульпой; она равна:

Q_{ц. п} = 8123,54 – 1831,5 = 6292,04 МДж

Приводим часовой тепловой баланс отделения экстракции фос­форной кислоты:

Приход	МДж/ч	Расход	МДж/ч
с апатитовым концентратом	13,78	с пульпой, поступающей на	785,34
с 75%-ной H2S04	92,37	фильтрование . . . . .
с раствором разбавления . .	434,5	с газами, уходящими из	897,0
теплота реакции разложе­-	625,8	экстрактора .......
ния апатита ......		с циркулирующей пульпой,
теплота разбавления	344,76	выходящей из экстрак­-
75%-ной H2S04 . . • .		тора	6281,9
с входящим воздухом . . .	320,3	теплопотери	159,3
с циркулирующей пульпой	6292,04
Всего	8123,55	Всего	8123,54

При рассмотренных условиях и количествах данных веществ тепловой баланс обеспечивает протекание процесса экстракции фосфорной кислоты.