中南大学冶金学院 工厂设计 课件 第3章.ppt

第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 第三章第三章 冶金过程衡算冶金过程衡算 1、冶金过程衡算的目的和内容、冶金过程衡算的目的和内容4-1-1 白钨精矿 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.第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束一、目的：一、目的：1、确确定定生生产产过过程程中中各各个个工工序序的的物物料料处处理理量量，中中间产物，产品量及三废排放量；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；、确定原辅材料、燃料、水、电等的消耗量；3、为为生生产产过过程程设设备备的的选选型型、设设计计、台台数数及及辅辅助助工程的确定提供论据；工程的确定提供论据；4、为能量的提供和利用提供依据。、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、为运输设备的选择提供计算依据第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束二、冶金过程衡算内容二、冶金过程衡算内容 1、物料的合理成分计算、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。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：根据含如铜精矿的合理组成：根据含Cu,S,Pb,Zn含量含量黄铜矿黄铜矿CuFeS2 辉铜矿辉铜矿Cu2S 孔雀石孔雀石Cu2(OH)2CO3 PbS,ZnS,FeS2等等 2、配料计算、配料计算以特定的工艺出发，根据过程发生的化学反应以特定的工艺出发，根据过程发生的化学反应及及 生产实际要求，计算处理一定量的原料所生产实际要求，计算处理一定量的原料所需要的其它试剂的量需要的其它试剂的量第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 3、冶金过程有价成分平衡计算、冶金过程有价成分平衡计算 4、冶金过程物料平衡计算、冶金过程物料平衡计算 5、冶金过程能量平衡计算。、冶金过程能量平衡计算。4-1-3第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 22、冶金过程有价成分计算和物料平衡计算、冶金过程有价成分计算和物料平衡计算几个基本概念几个基本概念有价成分：有价成分：是指原料中的主要金属。是指原料中的主要金属。物料：物料：指生产过程中所使用和产出的每一种物质。如：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、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。废气、废渣、最终产品、副产品等。有价成分衡算：有价成分衡算：计算主要金属在整个生产过程中的分配和计算主要金属在整个生产过程中的分配和流动情况。流动情况。物料衡算：物料衡算：计算全部物料在整个生产过程中的分配和流计算全部物料在整个生产过程中的分配和流动。动。4-2-1第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束一、一、有价成分衡算和物料衡算的基本原则有价成分衡算和物料衡算的基本原则理论基础理论基础质量守衡质量守衡总原则总原则收支平衡收支平衡GG入入=G=G产产+G+G损损GG入入所有进料质量之和所有进料质量之和GG产产所有产物质量之和所有产物质量之和GG损损损失物料量损失物料量二、二、有价成分衡算和物料衡算的基本步骤有价成分衡算和物料衡算的基本步骤 （一）、收集数据（一）、收集数据 1）画出详细的工艺流程图画出详细的工艺流程图 2）确定工艺过程的技术条件确定工艺过程的技术条件如如：温温度度、压压力力、分分解解率率、脱脱硫硫率率、炉炉渣渣成成分、过剩系数、液固比等。分、过剩系数、液固比等。4-2-2第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束3）各工序有价成分的损失率各工序有价成分的损失率可返回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。本工序损失了，但可在其它工序进行回收。不可返回损失率不可返回损失率本工序损失了，再也不能回收。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、废气带走的损失如：机械损失、飞扬损失、随废水、废渣、废气带走的损失。4-2-3第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 4）原料、各种中间产品、产品的化学成分、物相特征。原料、各种中间产品、产品的化学成分、物相特征。5）设计工厂的原料处理量或产品产量。设计工厂的原料处理量或产品产量。（二）确定计算方法（二）确定计算方法（三）选择计算基准（三）选择计算基准 质量基准质量基准如：如：100Kg100Kg金属量，或原料量。金属量，或原料量。时间基准时间基准以一天的金属量或物料量。以一天的金属量或物料量。计算精确度为计算精确度为1%1%（四）进行有价成分和物料衡算（四）进行有价成分和物料衡算（五）列出平衡表。（五）列出平衡表。（六）根据平衡表，对流程进行分析。（六）根据平衡表，对流程进行分析。4-2-4第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束三、有价成分衡算和物料衡算流程简图和衡算式三、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：以反应器为计算体系：AB+RC-BP=RP 以分离器为计算体系：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：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第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束四、有价成分衡算和物料衡算技术指标的确定四、有价成分衡算和物料衡算技术指标的确定 有价成分的回收率有价成分的回收率 Q Qn n-n-n序的处理量（按物料中的有价成分数量计算）序的处理量（按物料中的有价成分数量计算）P Pn n-n-n工序的产量工序的产量 X Xn-n-n-n工序的不可回收损失量工序的不可回收损失量 R Rn n-n-n工序的可返回损失量工序的可返回损失量 xn n-n-n工序的不可返回损失率工序的不可返回损失率,xn n=X=Xn n/Q/Qn n100%100%rn n-n-n工序的可返回损失率工序的可返回损失率,rn n=R=Rn n/Q/Qn n100%100%4-2-5第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 1、工序的直接回收率工序的直接回收率n n(%)(%)n n=Pn/Qn100%或或n n=1-xn-rn2、n工序的总回收率工序的总回收率n n(%)(%)n n=(=(Pn+P返返)/Qn100%或或n n=1-xn3、生产过程直接回收率生产过程直接回收率(%)(%)=P =P最终产品最终产品/Q/Q原料原料100%100%当工艺过程没有返料时当工艺过程没有返料时,=,=1 12 2 n n 4、生产过程总回收率生产过程总回收率 =(P =(P产产+P+P副副)/Q)/Q原料原料100%100%没没 有有副副 产产品品 时时，=有有副副产产 品品时时，4-2-6第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束课堂作业：课堂作业：求过程直接回收率和总回收率（无副产品求过程直接回收率和总回收率（无副产品）第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束五、五、有价成分衡算和物料衡算的方法有价成分衡算和物料衡算的方法 1、工艺过程有没有返料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所给原始数据是产品产量还是原料处理量(一一)、工艺过程有没有返料、工艺过程有没有返料Qnn工序工序XnPn1、已知已知PnPn，从下向上算从下向上算 n n=1-=1-xn n Q Qn n=P Pn n/n n X Xn n=Q Qn nxn n P Pn-1n-1=Q Qn nQnn工序工序XnPnPn-1(n-1)工工序序4-2-7第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束Qnn工序工序xnPnQn+1(n+1)工序 2、已知已知 Q Qn n，从上向下算从上向下算 n n=1-=1-xn n P Pn n=Q Qn nn n X Xn n=Q Qn nxn n Q Qn+1n+1=P Pn n Q1Ix1IIx2IIIx3r4x4r3IVP0(二）有返料，但返料都是由二）有返料，但返料都是由 流程的后面往前返流程的后面往前返 1、已知产品已知产品P P0 0，由下向上算由下向上算 工序工序：4 4=1-=1-x4 4-r4 4 Q Q4 4=P=P0 0/4 4=P=P0 0/(1-/(1-x4 4-r4 4)R R4 4=Q=Q4 4r4 4,X X4 4=Q=Q4 4x4 4 4-2-8第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束工序工序:3 3=100%-=100%-x3 3-r3 3 P P3 3=Q=Q4 4 Q Q3 3=P=P3 3/3 3=Q=Q4 4/(1-/(1-x3 3-r3 3)R R3 3=Q=Q3 3r3 3,X,X3 3=Q=Q3 3x3 3 工序工序:2 2=1-=1-x2 2 P P2 2=Q=Q3 3-R-R4 4 Q Q2 2=P=P2 2/2 2=(Q=(Q3 3-R-R4 4)/)/22 X X2 2=Q=Q2 2x2 2 R R2 2=0=0工序工序:1 1=1-=1-x1 1,P P1 1=Q=Q2 2-R-R3 3 Q Q1 1=P=P1 1/1 1=(Q=(Q2 2-R-R3 3)/(1-)/(1-x1 1)R R1 1=0,X=0,X1 1=Q=Q1 1x1 14-2-9第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束2、已知物料处理量、已知物料处理量Q1 假设产量为假设产量为100kg，进行有价金属平衡计算，推算出工序，进行有价金属平衡计算，推算出工序1的物料处理的物料处理量量Q1 计算放大系数：计算放大系数：K=Q1/Q1 计算各工序参数：计算各工序参数：Qn=KQn Pn=KPn Xn=Kxn Rn=KRn(三三)、有返料、有返料,但有的从后向前返，但有的从后向前返，有的从前向后返有的从前向后返 Q3=P2+P5+R4 (P42例例)IIIIIIIVBVQ1r4P0第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 六六:列出金属平衡表列出金属平衡表 七七:根据平衡表根据平衡表,对流程进行分析对流程进行分析 从金属平衡表可看出：从金属平衡表可看出：1、整个流程中金属是平衡的整个流程中金属是平衡的 最终产品金属量最终产品金属量+损失金属量损失金属量 =进入流程的原料的金属量进入流程的原料的金属量 如书中如书中P44P44表表3-33-3 100 +8.73 =108.73 (产品量产品量)(不可返回损失不可返回损失)(原料中金属量原料中金属量)4-2-10第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束2、可计算整个流程的直接回收率可计算整个流程的直接回收率 =100/108.74=100/108.74 100%=91.95%100%=91.95%3、根据原料中金属量可算出所需的精矿量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。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：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每个工序物料是平衡的3）根根据据进进入入工工序序的的物物料料处处理理量量，可可选选择择或或进进行行设设备备 的设计。的设计。物料平衡总图（物料平衡总图（P45P45，图图3-73-7）4-2-11第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束课堂作业：课堂作业：已已知知P P0 0，计计算算过过程程金金属属平平衡衡，求求过过程程直直接接回回收收率率和和总总回回收收率率（无副产品）（无副产品）Q Q原料原料IIIIIIIVP0 x1x2x3x4r2r34-2-12工序工序 直收率直收率%x%r%1 98 2 0 2 98 0.5 1.5 3 96 1 3 4 99 1 0第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 冶金过程能量平衡计算冶金过程能量平衡计算一、一、冶金过程能量平衡计算的目的和要求冶金过程能量平衡计算的目的和要求 1、用以确定外加能量，或需导走的能量，从而确用以确定外加能量，或需导走的能量，从而确 燃料和电能的消耗量，及进行加热器或散热器燃料和电能的消耗量，及进行加热器或散热器 的设计的设计;2、余热利用和研究节能的可能途径余热利用和研究节能的可能途径二、冶金过程能量平衡计算的原则二、冶金过程能量平衡计算的原则 理论基础：能量守衡定理理论基础：能量守衡定理 原则：热收入原则：热收入=热支出热支出 先进行物料平衡计算先进行物料平衡计算,再进行能量平衡计算再进行能量平衡计算三、能量平衡计算的步骤三、能量平衡计算的步骤 1、确定计算体系确定计算体系 2、确定过程进行的各种工艺条件确定过程进行的各种工艺条件 如：温度、压力、升温保温制度、加热方式如：温度、压力、升温保温制度、加热方式 3、准确的过程物料衡算数据准确的过程物料衡算数据4-5-1第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束4、确定过程中各物料之间发生的化学反应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、材料和确定过程所使用的主体设备形状、尺寸、材料和 炉方式炉方式6、选定能量衡算的基准温度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。计算热收入和热支出，列出能量守衡方程式。使：使：Q Q收入收入=Q=Q支出支出8、列出能量平衡表，进行分析。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四、能量平衡计算的内容和能量平衡方程式的建立(一一)、计算内容计算内容1、热收入，热收入，Q Q收入收入1）过程参加反应物料的放热反应热效应过程参加反应物料的放热反应热效应Q Q反应（放）反应（放）Q Q反应反应=I=1I=1n nG Gi iHHT Tx10103 3/M/Mi i(kJ)(kJ)G Gi i参加反应物料参加反应物料i i的质量的质量KgKg H HT T参加反应物料的摩尔反应热效应参加反应物料的摩尔反应热效应(kJ/mol)(kJ/mol)HHT T=H=H298298+298298T TCCP PdTdT M Mi i参加反应物料参加反应物料i i的摩尔质量的摩尔质量(g/mol)(g/mol)4-5-2第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束 2)2)外加热，外加热，Q Q外外 燃料燃烧：燃料燃烧：Q Q外外=GJ=GJ（kJkJ）GG燃料的质量（燃料的质量（kg）J-燃料的燃烧热（燃料的燃烧热（kJ/kg）电炉供热：电炉供热：Q外外=3600P0（KJ）P0炉子正常工作的实际功率（炉子正常工作的实际功率（KW）炉子作业时间（小时）炉子作业时间（小时）36003600换算系数：换算系数：1KW=3600kJ/1KW=3600kJ/小时小时3)3)进入反应设备的各种物料的物理显热进入反应设备的各种物料的物理显热 Q显显热热=I=1I=1n nG Gi iC Ci it t进炉温度进炉温度 (kJ)(kJ)G Gi i物料的质量（物料的质量（KgKg）CC物料的比热物料的比热(kJ/Kg)(kJ/Kg)4-5-3第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束2、能量支出、能量支出,Q支出支出1)、过程参加反应物料的吸热反应热、过程参加反应物料的吸热反应热Q反应（吸）反应（吸）2)、各种反应生成物（包括产品、炉渣、烟尘、烟气、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：水分蒸发等）带走的热量：Q产物产物 Q产物产物=i=1i=1n nG Gi iC Ci it t反应反应（kJkJ）3)、炉料由进料温度加热到反应温度所需热量炉料由进料温度加热到反应温度所需热量Q Q物料物料 Q物料物料=i=1i=1n nG Gi iC Ci i(t(t反应反应-t-t进炉进炉)（kJkJ）4)、消耗在反应设备上的热量消耗在反应设备上的热量Q Q设备设备（对周期作业的设备）（对周期作业的设备）Q Q设备设备=GC(t=GC(t反应反应-t-t室室)5)、设备向周围散失的热量设备向周围散失的热量Q Q散散(由于辐射、传导、对流）由于辐射、传导、对流）4-5-4第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束(二二)、建立能量守衡方程式建立能量守衡方程式 Q反应反应温度t2物料初始状态 进料温度t1反应温度下的产物00C下产物 00C Q反应4-5-5第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第1节 第2节 第3节 第4节 上一页上一页下一页下一页返返 回回 结结 束束2、以以0 00 0C C为基准为基准 Q Q外外+Q+Q反应（放）反应（放）+Q+Q显热显热=Q=Q反应（吸）反应（吸）+Q+Q产物产物+Q+Q设备设备+Q+Q散散 热收入热收入 热支出热支出4-5-6 1、以反应温度为基准、以反应温度为基准 Q外外+Q反应（放）反应（放）=Q炉料炉料+Q反应（吸）反应（吸）+Q设备设备+Q散散 热收入热收入 热支出热支出