中南大學(xué)冶金學(xué)院工廠設(shè)計(jì)第3章課件

第三章冶金過(guò)程衡算§1、冶金過(guò)程衡算的目的和內(nèi)容4-1-1

水HCl球磨酸分解過(guò)濾

濕鎢酸

酸母液烘干過(guò)篩處理后排放

工業(yè)鎢酸

冶金過(guò)程衡算定義:根據(jù)冶金工藝過(guò)程中的各個(gè)工序的物理和化學(xué)變化的基本原理,用數(shù)學(xué)分析的方法定量研究工藝過(guò)程中的物質(zhì)的量的變化.一、目的：1、確定生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)工序的物料處理量，中間產(chǎn)物，產(chǎn)品量及三廢排放量；2、確定原輔材料、燃料、水、電等的消耗量；3、為生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)、臺(tái)數(shù)及輔助工程的確定提供論據(jù)；4、為能量的提供和利用提供依據(jù)。4-1-25、為運(yùn)輸設(shè)備的選擇提供計(jì)算依據(jù)二、冶金過(guò)程衡算內(nèi)容1、物料的合理成分計(jì)算確定物料中各種化學(xué)形態(tài)物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)。如銅精礦的合理組成：根據(jù)含Cu,S,Pb,Zn含量黃銅礦CuFeS2輝銅礦Cu2S孔雀石Cu2(OH)2CO3PbS,ZnS,FeS2等2、配料計(jì)算以特定的工藝出發(fā)，根據(jù)過(guò)程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及生產(chǎn)實(shí)際要求，計(jì)算處理一定量的原料所需要的其它試劑的量§2、冶金過(guò)程有價(jià)成分計(jì)算和物料平衡計(jì)算幾個(gè)基本概念有價(jià)成分：是指原料中的主要金屬。物料：指生產(chǎn)過(guò)程中所使用和產(chǎn)出的每一種物質(zhì)。如：精礦、熔劑、燃料、水、空氣、中間產(chǎn)品、廢水、廢氣、廢渣、最終產(chǎn)品、副產(chǎn)品等。有價(jià)成分衡算：計(jì)算主要金屬在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的分配和流動(dòng)情況。物料衡算：計(jì)算全部物料在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的分配和流動(dòng)。4-2-1一、有價(jià)成分衡算和物料衡算的基本原則理論基礎(chǔ)—質(zhì)量守衡總原則—收支平衡ΣG入=ΣG產(chǎn)+ΣG損ΣG入—所有進(jìn)料質(zhì)量之和ΣG產(chǎn)—所有產(chǎn)物質(zhì)量之和ΣG損—損失物料量二、有價(jià)成分衡算和物料衡算的基本步驟

（一）、收集數(shù)據(jù)

1）畫出詳細(xì)的工藝流程圖2）確定工藝過(guò)程的技術(shù)條件如：溫度、壓力、分解率、脫硫率、爐渣成分、過(guò)剩系數(shù)、液固比等。4-2-23）各工序有價(jià)成分的損失率可返回?fù)p失率—本工序損失了，但可在其它工序進(jìn)行回收。不可返回?fù)p失率—本工序損失了，再也不能回收。如：機(jī)械損失、飛揚(yáng)損失、隨廢水、廢渣、廢氣帶走的損失。4-2-3三、有價(jià)成分衡算和物料衡算流程簡(jiǎn)圖和衡算式

以反應(yīng)器為計(jì)算體系：AB+RC-BP=RP以分離器為計(jì)算體系：RP+BP=P+V+W+RC以整個(gè)系統(tǒng)為計(jì)算體系：AB=P+W+V進(jìn)料AB旁路BP反應(yīng)器分離器產(chǎn)品P排放V副產(chǎn)品殘?jiān)黈循環(huán)RCRP四、有價(jià)成分衡算和物料衡算技術(shù)指標(biāo)的確定有價(jià)成分的回收率Qn--n序的處理量（按物料中的有價(jià)成分?jǐn)?shù)量計(jì)算）Pn--n工序的產(chǎn)量Xn--n工序的不可回收損失量Rn--n工序的可返回?fù)p失量

xn--n工序的不可返回?fù)p失率,xn=Xn/Qn×100%

rn--n工序的可返回?fù)p失率,rn=Rn/Qn×100%4-2-51、工序的直接回收率ηn(%)ηn=Pn/Qn×100%或ηn=1-xn-rn2、n工序的總回收率ηn’(%)ηn’=(Pn+P返)/Qn×100%或ηn=1-xn3、生產(chǎn)過(guò)程直接回收率η(%)η=P最終產(chǎn)品/Q原料×100%當(dāng)工藝過(guò)程沒(méi)有返料時(shí),η=η1×η2×

…ηn

4、生產(chǎn)過(guò)程總回收率η’η’=(P產(chǎn)+P副)/Q原料×100%沒(méi)有副產(chǎn)品時(shí)，η’=η有副產(chǎn)品時(shí)，η’>η

4-2-6五、有價(jià)成分衡算和物料衡算的方法1、工藝過(guò)程有沒(méi)有返料2、所給原始數(shù)據(jù)是產(chǎn)品產(chǎn)量還是原料處理量(一)、工藝過(guò)程有沒(méi)有返料Qnn工序XnPn1、已知Pn，從下向上算ηn=1-xnQn=Pn/ηnXn=QnxnPn-1=QnQnn工序XnPnPn-1(n-1)工序4-2-7Qnn工序xnPnQn+1(n+1)工序

2、已知Qn，從上向下算

ηn=1-xnPn=QnηnXn=Qnxn

Qn+1=Pn

Q1Ix1IIx2IIIx3r4x4r3IVP0(二）有返料，但返料都是由流程的后面往前返

1、已知產(chǎn)品P0，由下向上算

工序Ⅳ：η4=1-x4-r4

Q4=P0/η4=P0/(1-x4-r4)R4=Q4r4,X4=Q4x4

4-2-8工序Ⅲ:η3=100%-x3-r3

P3=Q4

Q3=P3/η3=Q4/(1-x3-r3)R3=Q3r3,X3=Q3x3

工序Ⅱ:η2=1-x2P2=Q3-R4Q2=P2/η2=(Q3-R4)/η2X2=Q2x2R2=0工序Ⅰ:η1=1-x1,P1=Q2-R3Q1=P1/η1=(Q2-R3)/(1-x1)R1=0,X1=Q1x14-2-9

六:列出金屬平衡表

七:根據(jù)平衡表,對(duì)流程進(jìn)行分析從金屬平衡表可看出：1、整個(gè)流程中金屬是平衡的最終產(chǎn)品金屬量+損失金屬量==進(jìn)入流程的原料的金屬量如書(shū)中P44表3-3

100+8.73=108.73

(產(chǎn)品量)(不可返回?fù)p失)(原料中金屬量)4-2-102、可計(jì)算整個(gè)流程的直接回收率

η=100/108.74╳100%=91.95%3、根據(jù)原料中金屬量可算出所需的精礦量物料平衡計(jì)算在金屬平衡計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行。

根據(jù)物料平衡表可知：1）進(jìn)入各工序的各種物料和工序產(chǎn)出的各種物料2）每個(gè)工序物料是平衡的3）根據(jù)進(jìn)入工序的物料處理量，可選擇或進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)。物料平衡總圖（P45，圖3-7）4-2-11課堂作業(yè)：已知P0，計(jì)算過(guò)程金屬平衡，求過(guò)程直接回收率和總回收率（無(wú)副產(chǎn)品）Q原料IIIIIIIVP0x1x2x3x4r2r34-2-12工序直收率%x%r%198202980.51.539613

499104、確定過(guò)程中各物料之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)5、確定過(guò)程所使用的主體設(shè)備形狀、尺寸、材料和爐方式6、選定能量衡算的基準(zhǔn)溫度7、計(jì)算熱收入和熱支出，列出能量守衡方程式。使：∑Q收入=∑Q支出8、列出能量平衡表，進(jìn)行分析。

四、能量平衡計(jì)算的內(nèi)容和能量平衡方程式的建立(一)、計(jì)算內(nèi)容1、熱收入，Q收入1）過(guò)程參加反應(yīng)物料的放熱反應(yīng)熱效應(yīng)Q反應(yīng)（放）

Q反應(yīng)=∑I=1nGi△HTx103/Mi(kJ)Gi—參加反應(yīng)物料i的質(zhì)量Kg△HT—參加反應(yīng)物料的摩爾反應(yīng)熱效應(yīng)(kJ/mol)

△HT=△H298+∫298T△CPdTMi—參加反應(yīng)物料i的摩爾質(zhì)量(g/mol)4-5-2

2)外加熱，Q外燃料燃燒：Q外=GJ（kJ）G—燃料的質(zhì)量（kg）J---燃料的燃燒熱（kJ/kg）電爐供熱：Q外=3600P0τ（KJ）P0—爐子正常工作的實(shí)際功率（KW）

τ—爐子作業(yè)時(shí)間（小時(shí)）3600—換算系數(shù)：1KW=3600kJ/小時(shí)3)進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備的各種物料的物理顯熱Q顯熱=∑I=1nGiCit進(jìn)爐溫度(kJ)

Gi—物料的質(zhì)量（Kg）C—物料的比熱(kJ/Kg℃)4-5-32、能量支出,Q支出1)、過(guò)程參加反應(yīng)物料的吸熱反應(yīng)熱Q反應(yīng)（吸）2)、各種反應(yīng)生成物（包括產(chǎn)品、爐渣、煙塵、煙氣、水分蒸發(fā)等）帶走的熱量：Q產(chǎn)物

Q產(chǎn)物=∑i=1nGiCit反應(yīng)（kJ）3)、爐料由進(jìn)料溫度加熱到反應(yīng)溫度所需熱量Q物料

Q物料=∑i=1nGiCi(t反應(yīng)-t進(jìn)爐)（kJ）4)、消耗在反應(yīng)設(shè)備上的熱量Q設(shè)備（對(duì)周期作業(yè)的設(shè)備）

Q設(shè)備=GC(t反應(yīng)-t室)5)、設(shè)備向周