冶化课程设计计算过程.doc

冶化课程设计计算过程一， 设计计算步骤1， 矿物组成计算2， 金属Mn平衡计算3， 浸出酸平衡计算4， 溶液平衡计算5， 反应釜初步选型设计计算6， 浸出溶解过程热平衡计算7， 反应釜复核计算二， 计算过程1， 矿物组成计算：已知数据如下碳酸锰矿成分（已知量为固定%；未知量为相对比例）MnFeSiO2Al2O3SCaOMgO其它（不溶物）19.68.622.74.61.08.03.01.6其中Mn、Ca和Mg以碳酸盐形式存在；Fe以Fe2O3计矿物组成计算如下（以锰为例），锰在矿物中以碳酸锰的形式存在。锰在矿物中的含量为19.6，碳酸锰的相对原子质量为114.95，锰的原子量54.94计算方法：碳酸锰所占相对比例a=19.6%*114.95/54.95=41.01%以此方法，钙，镁，铁在矿物中分别以碳酸钙，碳酸镁，氧化铁的形式存在，则计算碳酸钙，碳酸镁，氧化铁所占相对比例b,c,d为：b=8%*100.09/56.08=14.28% c=3%*84.32/40.316.28%d=8.6%*159.7/111.7=12.30%计算未知项相对比例修正系数M=41.01%+12.30%+4.6%+22.7%=80.61%m=100%-1%-1.6%-14.28%-6.28%=76.84%=m/M=0.9532未知项乘以相对比例系数，实际组成如下 MnFeSiO2Al2O3SCaOMgO其它（不溶物）18.688.2021.644.381.08.03.01.6矿物的实际成分组成如下：1， 碳酸锰：18.68%*114.95/54.95=39.08%2， 碳酸钙：14.28% 3，碳酸镁：6.28%4， 氧化铁：8.2%*159.7/111.7=11.72%5，氧化铝：4.38% 6，二氧化硅：21.64%7，硫：1% 8，其他：1.6%2，金属Mn平衡计算已知数据如下，年产硫酸锰液3000t（以Mn计），矿物组成如上计算结果所示，阳极液：Mn 15g/L，氧化后液 Mn 3840g/L，取38g/L设定工厂年工作日数：300d浸出、氧化、中和过程Mn的回收率为78%在80的条件下，查阅相关文献知以下数据：根据资料显示，MnCO3的浸出率达到94.0%，有85%的CaCO3反应，有90%的MgCO3反应式，有10%的Al2O3反应。未参与化学反应的矿物均直接进入到浸出渣中。过滤渣含水30%浸出氧化中和过程无名损失的Mn量占总量的0.4%金属平衡计算过程：金属锰加入量计算日耗矿粉质量计算厂年工作日300d，年产锰产品3000t，则有日产锰产品量：10t/d浸出、氧化、中和过程Mn的回收率为78%则日耗碳酸锰矿粉中的锰量：10/78%=12.82t/d碳酸锰矿粉中，锰的含量为18.68%，则日耗碳酸锰矿粉量：12.82/18.68%=68.63t/d每日阳极液加入量计算设日需合格液体积为V1，则由于电解时水分蒸发，每日所产出的阳极液体积V2为： V2=（100%-1%）V1=99% V1日需合格液体积可由下式求得：V1=m/(C1-C299%)式中V1合格液日需体积，m3 m产品中的锰量，10000kg C1合格液含Mn2+ 38 Kg/m3 C2阳极液含Mn2+15 Kg/m3 代入后得：V1=10000/（38-1599%）=431.97（m3/d）V2=427.65（m3/d）则可知，阳极液中含锰量：427.65*15=6414.75kg/d过滤液含锰量：431.97*38=16414.86金属锰产出量计算过滤液含锰量计算浸出氧化中和过程Mn的回收率为78%，过滤液含锰量分为两部分：来自于加入矿粉的锰和阳极液中所含的锰总量为：6414.75+12820*78%=16414.35kg/d无名损失锰量计算浸出氧化中和过程无名损失的Mn量占总量的0.4%12820*0.4%=51.28kg/d浸出渣中锰量计算渣率计算过程按照100kg碳酸锰矿粉为基准，则进入渣中的成分总量为：39.0（1-94%）+14.28*15%+6.28*10%+4.38*90%+21.64+1.0+1.6+11.72=45.017kg/d即100kg矿粉溶解产生的干渣量为45.02kg/d则渣率为：45.02/100=45.02%浸出过程渣率45.02%，过滤渣含水30%，日耗碳酸锰矿粉量68630kg/d则日产干渣量：68630*45.02%=30897.23kg/d渣中含锰量为：过程总损失锰量-无名损失锰量12820*（1-78%）-51.28=2769.12kg/d尽管在氧化二价铁离子的过程中加入了软锰矿，但由于其量较小，在此忽略其对金属锰量的影响将数据汇于表中项目名称 干量或体积（kg/d或 m3/d）金属锰Kg/d加入项1碳酸锰矿68630kg/d128202阳极液427.65m3/d6414.75合计19234.75产出项1过滤液431.97m3/d16414.862浸出渣30897.23kg/d2769.123损失及其他51.28合计19235.263，酸平衡计算已知条件如下：浸出过程中的化学反应主要有： MnCO3+H2SO4MnSO4+H2O+CO2（1） CaCO3+H2SO4CaSO4+H2O+CO2（2） MgCO3+H2SO4MgSO4+H2O+CO2 （3） Al2O3+3H2SO4Al2(SO4)3+3H2O （4）这些化学反应均消耗硫酸。根据资料显示，MnCO3的浸出率达到94.0%，有85%的CaCO3按反应式（2）进行，有90%的MgCO3按反应式（3）进行，有10%的Al2O3按反应式（4）进行。未参与化学反应的矿物均直接进入到浸出渣中。加入浓硫酸：H2SO4 98%阳极液含硫酸：40g/L浸出过程H2SO4的无名损失占计算补充的H2SO4 量的2%矿物组成如之前计算结果计算过程下面以100Kg干碳酸锰矿进行硫酸消耗计算：（）MnCO3耗硫酸量39.089498.08/114.9831.34（Kg）（2）CaCO3耗硫酸量14.2885%98.08/100.09=11.89（Kg）（3）MgCO3耗硫酸量6.2890%98.08/84.32=6.57（Kg）（4）Al2O3耗硫酸量4.3810%294.74/101.9=1.27（Kg）以上各项共耗硫酸51.07 Kg。每日碳酸锰矿粉消耗量为68630kg/d，则有日理论耗硫酸量68630/100*51.07=35049.34kg/d阳极液含硫酸量：427.65*40=17106kg/d日理论需补充硫酸量：35049.34-17106=17943.34kg/d浸出过程H2SO4的无名损失占计算补充的H2SO4 量的2%则实际日需补充硫酸量：17943.34/98%=18309.53kg/d损失硫酸量：18309.53*2%=366.16kg则每日需加入98%浓硫酸量：18309.53/98%=18683.19kg/d转换成体积，查阅资料可知98%浓硫酸密度，18.4Kg/L则转化成加入浓硫酸的体积为：18683.19/18.4/1000=10.15 m3将以上数据汇入表格项目名称体积（m3/d）硫酸Kg/m3Kg/d加入项1电解阳极液427.6540171062补充硫酸1053合计35415.53产出项1MnCO耗H2SO4 量21508.642CaCO耗H2SO4 量8160.123MgCO耗H2SO4 量4508.994Al2O3耗H2SO4 量871.605损失及其他366.16合计35415.514，溶液平衡计算已知条件如下：开始液固比：89:1；浸出终点固比：1011:1，湿渣容重按1.9 t/ m3碳酸锰矿粉一般含水3%，氨水的补加量为0.1 m3每吨硫酸锰产品其他用到的之前计算过的数据有：日耗碳酸锰矿粉量，碳酸锰矿粉渣率（或日产干渣量），日需合格液体积，每日所产出的阳极液体积，加入浓硫酸的体积计算过程：矿粉含水体积计算：加入矿粉量*矿粉含水量/水的密度矿粉含水体积：68630*3%/1000=2.06 m3/d氨水补加量计算：日产硫酸锰量*0.1日产硫酸锰量：10*150.94/54.94=27.47t/d则日需补充氨水体积：2.75 m3/d浸出渣带走水分量计算：日产干渣量/（1-浸出渣含水率）*浸出渣含水率浸出渣带走水分量：30897.23*30%/70%=13241.67kg/d转换成体积，浸出渣带走水分体积：13.24 m3/d电解槽蒸发带走水分量计算：合格液体积-阳极液体积电解槽蒸发量：431.97-427.65=4.32 m3/d工艺过程补加水计算：浸出渣带走的水量+电解槽蒸发量-加硫酸体积-加入氨水体积-碳酸锰矿中水量；即工艺过程补水量：13.24+4.32-10.15-2.75-2.06=2.60 m3/d说明：按溶液平衡计算，制液需要提供过滤量液为431.97 m3/d，浸出渣日产量为30.90 t/d，含水30%的湿渣量为44.14 t/d，湿渣容重按1.9t/ m3，则其体积为23.23m3/d故每天需要处理的料液量为431.97+23.23=455.2 m3/d将计算结果汇于表中项目名称单位数量加入项1阳极液m3/d427.652硫酸m3/d10.153氨水m3/d2.754碳酸锰矿中的水m3/d2.065洗渣新水m3/d2.66其他m3/d合计m3/d445.21产出项1中和后过滤液m3/d431.972浸出渣带走m3/d13.243蒸发及其它m3/d合计m3/d445.215，反应釜初步选型设计计算浸出、氧化、中和三个工艺过程均在同一设备中进行，设备为立式圆形机械搅拌槽子。工艺过程包括进料加入矿浆时间1h，浸出2h，氧化2h，中和0.5h，过滤及清槽2.5h，每个周期作业时间共8h，每天三班作业，即每个浸出槽一天可制作3槽溶液。按溶液平衡计算，每天需要处理的合格硫酸锰液为455.2 m3/d，设计每天三班，每班生产合格液151.73 m3，设计选择几何容积为80 m3的机械搅拌反应槽（3个），反应釜的操作方式为间歇式操作，反应釜的物料系数通常取0.60.85，考虑到此浸出过程中有气体产生，取物料系数为0.8，故反应釜有效利用率为151.73/（3800.8）=79.03%。反应釜罐体材质及几何尺寸设计由前述溶解反应可知，菱锰矿的浸出是在浓度较高的浓硫酸的环境下工作的，而且其操作温度为80度左右，根据材料在硫酸中的耐腐蚀性能图，以及充分考虑经济的条件下选择钢作为罐体材料。罐体的圆筒高度与内径之比称为罐体的高径比，即： Kg=Ht/D式中：Kg高径比 Ht圆筒高度 D圆筒直径在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的高径比(Ht/D)，以确定罐体直径和高度。选择罐体高径比主要考虑以下两方面因素：1、高径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PD5（其中D-搅拌器直径，P搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小高径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下，高经比应选择大一些。2、高径比对传热的影响：当容积一定时，Ht/D越高，越有利于传热。长径比的确定通常采用经验值，查的常见的搅拌罐的液固相反应的高径比为11.3，在此设计中取其高径比为1.244，亦即其Ht =5.10m，D=4.10m，此时圆筒部分的体积V=3.142.0525.1=67.3 m3由标准反应釜手册数据查得搅拌轴直径d=110mm，其转速为60r/min。标准椭圆形封头设计查艺化工工艺设计手册得：由于罐体的直径为4.10m，故Dn=4.10m，计算得知h=1.025m，h0=125mm，其有效容积为13.53m3反应釜搅拌器功率计算根据所选择的搅拌器为六片平直叶圆盘涡轮搅拌器，查得此种搅拌器在固液分散过程中的搅拌器功率准数Np=5.4，而且温度为80度时的硫酸的密度为1.0084t/ m3，菱锰矿的密度为3.9 t/ m3，由平均密度公式g(平均)=3.90.02+1.00840.98=1.066 t/ m3由搅拌器功率公式：P=（Np）gn3d5=5.41.066131.45=30.99KW故电动机的额定功率：Pe=(KqP+Pm)/ 式中：Pe电动机的额定功率，W；Kq启动时的功率系数；P轴封功率损失W；Pm传动机构的效率；搅拌器功率W。查阅资料知，在多数情况下，式中的启动时功率系数可取1，轴封功率损失1KW，传动机构的效率为88%。算得其功率为36.5 KW，查机械手册选取Y-200L2-2型三相异步电动机，其额定功率为37 KW，转速为2950r/min。反应釜的基本参数确定如下，几何容积为80 m3，圆筒直径为4.10 m，高度为5.10 m；釜体封头直径为4.10m，高度为1.025m，直边高度为125mm，有效容积为13.53 m3；搅拌轴直径为110 mm，搅拌轴的转速为60 r/min，搅拌桨的形式为六叶平直涡轮式桨，搅拌装置配制的电动机功率为37 KW6，热平衡计算已知条件：1）相关物质热力学数据MnCO3 f0=894.1KJ/mol CaCO3 f0=1207.64KJ/mol MgCO3 f0=1095.8KJ/mol Al2O3 f0=1675.7KJ/mol H2SO4 f0=909.27KJ/mol MnSO4 f0=1065.3KJ/mol CaSO4 f0=1451.1KJ/mol Al2(SO4)3 f0=3790KJ/mol MgSO4 f0=1284.9KJ/mol CO2 f0=393.51KJ/mol H2O f0=285.83KJ/mo