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0.31%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净97.0%，转化率转99.2.0%，吸收率吸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CS(残)=CS(灰)+CS（渣）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，% 则，CS残=70%0.3%+30%0.5%=0.36%1.2灰渣产率：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：0.877 kg灰渣/kg矿1.3硫的烧出率s=CS（实）-xxCS(残）CS(实)100%式中，s 硫的烧出率，则硫的烧出率为：s100%98.42%2、投矿量总硫利用率：总=S净化转化吸收式中， 总 总硫利用率，%； 净化净化率，%； 转化转化率，%； 吸收吸收率，%。总98.42%97%99.2%99.95%94.65%则，耗矿定额（干矿）：G耗=MsMH2SO4CS(实)总1000式中， G耗 耗矿定额，吨矿/吨酸； MS 硫的摩尔质量，kg/mol； MH2SO4硫酸的摩尔质量，kg/mol。则，G耗1.725干矿/t酸小时投干矿量1.7254069 t/h 小时投矿实物量69（10.05） 72.63 t/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 +3413 KJ 实际上反应后生成的Fe2O3一般约占75%，生成的Fe3O4占25%左右。G灰渣=xG投式中，G灰渣灰渣生成量，t/h则，G灰渣0.87769 60.51 t/h其中：随炉气带走灰量：60.5170%42.36 t/h 出渣口排放渣量：60.5130%18.15t/h 4、干炉气量SO2SO3量408/净转吸408/0.9618424.2 kmol/h出炉干炉气量424.2（0.120.0024）3465.69 kmol/h 或 77631.46m3/h其中：SO2：3465.6912%415.88 kmol/hSO3：3465.690.24%8.32 kmol/hO2： 3465.694%138.63 kmol/h N2： 3465.69415.888.32138.632902.86 kmol/h5、空气量 N22902.86 kmol/hO22902.86771.65 kmol/h干空气量2902.86771.653674.51 kmol/h或3674.5129kg/kmol106560.79kg/h空气含水3674.51143.56 kmol/h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（3674.51143.56）22.485524.77m3标/h或3818.07 kmol/h32、常压下湿空气量85524.77（27332）/273 95549.65m3/h。（或1592.49 m3/min）6、炉气中水量原料带入水69 10005/（1005）3631.58kg/h 或201.75 kmol/h 空气带入水143.56 kmol/h炉气中水量143.56201.75345.31 kmol/h7、炉气总量（即湿炉气量）3465.69345.313811 kmol/h或85366.4m3标/h附：按计算公式来计算： 1、炉气生成量V气，矿=685SCS（实）CSO2+CSO3G投11000式中，V 气，矿炉气生成量，炉气中SO2、SO3的含量，% G投 投矿量，kg/h则，V气.矿68576010.15 m3/h2、炉气组分计算2.1炉气中氧含量（%体积）按反应式 来进行计算，其炉气中SO2、SO3、O2的含量关系如下： 所以 即 又 得 表3-1炉气中各气体含量表：组分含量%120.245.0582.713、空气需用量按反应式 来进行计算。生成SO2需氧量V1：V1=118CSO2V气，矿=1180.1335587.29=6361.23m3/h11/80.1276010.1512541.67 m3/h生成SO3需氧量V2：V2=118CSO3V气，矿32=1180.001735587.293211/80.002476010.15250.83 m3/h炉中过剩氧量V3:V3=V气，矿CO2=35587.290.0387=1377.23m3/h0.050576010.153838.51 m3/h进炉总氧量V O2=V1+V2+V3=6361.23+124.78+1377.23=7863.24m3/h12541.67250.833838.5116631.01 m3/h需要空气量V空:V空VO2/21%16631.0121%79195.3 m3/h或G空=V空22.429=3744422.429=48866kg/h102529.63 kg/h随空气带入炉内水份量:G气，水=0.01V空=0.0137444=374.44 kg/h0.0179195.3791.953 kg/h 或 791.9531822.4985.54 m3/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79195.3985.5480180.84 m3/h4、物料进出情况沸腾焙烧反应： ，水、氮气未参加反应。G水5%G投G气水 0.05690000.95791.9534423.53 kg/h GN2V空0.7922.4MN279195.30.7922.42878205.36 kg/h GO23838.5122.4325483.59 kg/h GSO2=V气,矿CSO222.4MSO276010.150.1222.46426060.62 kg/hGSO376010.150.002422.480651.52 kg/h于是，进G矿GN2GO2G水6900078205.3623758.594423.53175387.48出=G水+G氮+G过剩氧+GSO2+GSO3+G渣 4423.5378205.365483.5926060.62651.5260510 =175334.62kg/h 进出175387.48175334.6252.86kg/h物料平衡表物料名称输入kg/h输出kg/h投矿量（干矿）69000N278205.3678205.36O223758.595483.59H204423.534423.53SO226060.62SO3651.52矿渣60510合计175387.48175334.62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 Q1Q4=GiCpi(T-T0)式中，Gi物料质量，kg；Cpi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：Q3=Qr+QpQr=1000qrGAMA式中，GA参与反应的A物质量，kg；qr标准化学反应热，kJmol-1；MAA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:Q5=MiCpi(T2-T1)式中，Mi设备上i部件质量，kg；Cpi设备上i部件比热容，kJ (kg)-1T1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Q6=AtTW2-T0t10-3式中，A设备散热表面积，m2；t散热表面向四周介质的联合给热系数，W (m2)-1； TW2四壁向四周散热时的表面温度，；T0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:Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3 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T，则加热剂(或冷却剂)的用量为：w=Q2(Cpp)-1Q2=ATm式中，传热系数，kJ(m2h)-1；A传热面积，m2；T m 对数平均温差，。Tm=T1-T2lnT1T2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Q1室温32 CP0.45 kj/（kg.K)Q1690000.4532993600 kj/h2.2 空气带入热Q2空气温度32，CP1 kj/（kg.K)Q2106560.791.014323457684.51kj/h2.3反应热Q34FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 +3413KJ SO2 + O2 = SO3 +99KJSO2 ：415.88kmol/h； SO3 ：8.32kmol/hQ3415.881000341388.32100099178248485 KJ/h带入热总计：182699769.5 kj/h3、带出热3.1矿渣带出热Q4Q418.1510000.9680013939200 kj/h3.2矿灰带出热Q5Q542.3610000.9685034565760 kj/h3.3干炉气带出热Q6（硫酸工业手册314页） SO2 ： 415.88 kmol/h CPSO249.4 j/（mol.K)SO3： 8.32 kmol/h CPSO371.97 j/（mol.K)O2：138.63 kmol/h CPO232.4 j/（mol.K)N2：2902.86 kmol/h CPN231.0 j/（mol.K)水： 345.31 kmol/h CPH2O37.7 j/（mol.K) 带出热：SO2：415.8849.485017462801.2 kj/hSO3：8.3271.97850508971.84 kj/hO2：138.6332.408503817870.2 kj/hN2：2902.8631.0085095358951 kj/hH2O：345.3137.785011065458.95 kj/hQ617462801.2508971.843817870.27649036111065458.95109345463.2 kj/h3.4矿石带入水分吸收热Q7矿石水：3631.57kg/h 水比热：4.178 kj/（kg.K)；水蒸气汽化热：539 kcal/kg；过热水蒸汽平均比热：0.5 kcal /（kg.K)Q73631.574.178(10032)5394.193631.570.54.193631.57(850100) 14939421.93 kj/h3.5空气带入水分吸收热Q8水：143.56 kmol/h CPH2O37.7 j/（mol.K) Q8143.5637.7(85032) 4427189.42 kj/h3.6炉壁损失热Q9Q9182699769.53% 5480993.085 kj/h3.7沸腾层炉气汽化冷却转移走的热量Q10Q10=Q1+Q2+Q3-Q4-Q5-Q6-Q7-Q8-Q99936003457684.511782484851393920034565760109345463.214939421.934427189.425480993.081741.9 kj/h 沸腾炉热量平衡表输入（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总计182699769.50182699769.50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式中： Y 小时产酸量100%，kg 总 总采酸量，%CS 矿石中硫的实际含量 % B 焙烧强度，t /m2d焙烧硫精砂采用焙烧强度12 t /m2dD 13.26m 1.2 炉床面积0.785D20.78513.262138m22、 沸腾层操作气速和沸腾层面积：二次空气量为总空气量的12%2.1极限风速当平均粒度120目时，极限风速Wt：29