中南大学冶金学院工厂设计第3章课件

第三章冶金过程衡算§1、冶金过程衡算的目的和内容4-1-1

水HCl球磨酸分解过滤

湿钨酸

酸母液烘干过筛处理后排放

工业钨酸

冶金过程衡算定义:根据冶金工艺过程中的各个工序的物理和化学变化的基本原理,用数学分析的方法定量研究工艺过程中的物质的量的变化.一、目的：1、确定生产过程中各个工序的物料处理量，中间产物，产品量及三废排放量；2、确定原辅材料、燃料、水、电等的消耗量；3、为生产过程设备的选型、设计、台数及辅助工程的确定提供论据；4、为能量的提供和利用提供依据。4-1-25、为运输设备的选择提供计算依据二、冶金过程衡算内容1、物料的合理成分计算确定物料中各种化学形态物质的百分数。如铜精矿的合理组成：根据含Cu,S,Pb,Zn含量黄铜矿CuFeS2辉铜矿Cu2S孔雀石Cu2(OH)2CO3PbS,ZnS,FeS2等2、配料计算以特定的工艺出发，根据过程发生的化学反应及生产实际要求，计算处理一定量的原料所需要的其它试剂的量§2、冶金过程有价成分计算和物料平衡计算几个基本概念有价成分：是指原料中的主要金属。物料：指生产过程中所使用和产出的每一种物质。如：精矿、熔剂、燃料、水、空气、中间产品、废水、废气、废渣、最终产品、副产品等。有价成分衡算：计算主要金属在整个生产过程中的分配和流动情况。物料衡算：计算全部物料在整个生产过程中的分配和流动。4-2-1一、有价成分衡算和物料衡算的基本原则理论基础—质量守衡总原则—收支平衡ΣG入=ΣG产+ΣG损ΣG入—所有进料质量之和ΣG产—所有产物质量之和ΣG损—损失物料量二、有价成分衡算和物料衡算的基本步骤

（一）、收集数据

1）画出详细的工艺流程图2）确定工艺过程的技术条件如：温度、压力、分解率、脱硫率、炉渣成分、过剩系数、液固比等。4-2-23）各工序有价成分的损失率可返回损失率—本工序损失了，但可在其它工序进行回收。不可返回损失率—本工序损失了，再也不能回收。如：机械损失、飞扬损失、随废水、废渣、废气带走的损失。4-2-3三、有价成分衡算和物料衡算流程简图和衡算式

以反应器为计算体系：AB+RC-BP=RP以分离器为计算体系：RP+BP=P+V+W+RC以整个系统为计算体系：AB=P+W+V进料AB旁路BP反应器分离器产品P排放V副产品残渣W循环RCRP四、有价成分衡算和物料衡算技术指标的确定有价成分的回收率Qn--n序的处理量（按物料中的有价成分数量计算）Pn--n工序的产量Xn--n工序的不可回收损失量Rn--n工序的可返回损失量

xn--n工序的不可返回损失率,xn=Xn/Qn×100%

rn--n工序的可返回损失率,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工序的总回收率ηn’(%)ηn’=(Pn+P返)/Qn×100%或ηn=1-xn3、生产过程直接回收率η(%)η=P最终产品/Q原料×100%当工艺过程没有返料时,η=η1×η2×

…ηn

4、生产过程总回收率η’η’=(P产+P副)/Q原料×100%没有副产品时，η’=η有副产品时，η’>η

4-2-6五、有价成分衡算和物料衡算的方法1、工艺过程有没有返料2、所给原始数据是产品产量还是原料处理量(一)、工艺过程有没有返料Qnn工序XnPn1、已知Pn，从下向上算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，从上向下算

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、已知产品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:列出金属平衡表

七:根据平衡表,对流程进行分析从金属平衡表可看出：1、整个流程中金属是平衡的最终产品金属量+损失金属量==进入流程的原料的金属量如书中P44表3-3

100+8.73=108.73

(产品量)(不可返回损失)(原料中金属量)4-2-102、可计算整个流程的直接回收率

η=100/108.74╳100%=91.95%3、根据原料中金属量可算出所需的精矿量物料平衡计算在金属平衡计算基础上进行。

根据物料平衡表可知：1）进入各工序的各种物料和工序产出的各种物料2）每个工序物料是平衡的3）根据进入工序的物料处理量，可选择或进行设备的设计。物料平衡总图（P45，图3-7）4-2-11课堂作业：已知P0，计算过程金属平衡，求过程直接回收率和总回收率（无副产品）Q原料IIIIIIIVP0x1x2x3x4r2r34-2-12工序直收率%x%r%198202980.51.539613

499104、确定过程中各物料之间发生的化学反应5、确定过程所使用的主体设备形状、尺寸、材料和炉方式6、选定能量衡算的基准温度7、计算热收入和热支出，列出能量守衡方程式。使：∑Q收入=∑Q支出8、列出能量平衡表，进行分析。

四、能量平衡计算的内容和能量平衡方程式的建立(一)、计算内容1、热收入，Q收入1）过程参加反应物料的放热反应热效应Q反应（放）

Q反应=∑I=1nGi△HTx103/Mi(kJ)Gi—参加反应物料i的质量Kg△HT—参加反应物料的摩尔反应热效应(kJ/mol)

△HT=△H298+∫298T△CPdTMi—参加反应物料i的摩尔质量(g/mol)4-5-2

2)外加热，Q外燃料燃烧：Q外=GJ（kJ）G—燃料的质量（kg）J---燃料的燃烧热（kJ/kg）电炉供热：Q外=3600P0τ（KJ）P0—炉子正常工作的实际功率（KW）

τ—炉子作业时间（小时）3600—换算系数：1KW=3600kJ/小时3)进入反应设备的各种物料的物理显热Q显热=∑I=1nGiCit进炉温度(kJ)

Gi—物料的质量（Kg）C—物料的比热(kJ/Kg℃)4-5-32、能量支出,Q支出1)、过程参加反应物料的吸热反应热Q反应（吸）2)、各种反应生成物（包括产品、炉渣、烟尘、烟气、水分蒸发等）带走的热量：Q产物

Q产物=∑i=1nGiCit反应（kJ）3)、炉料由进料温度加热到反应温度所需热量Q物料

Q物料=∑i=1nGiCi(t反应-t进炉)（kJ）4)、消耗在反应设备上的热量Q设备（对周期作业的设备）

Q设备=GC(t反应-t室)5)、设备向周