热量衡算示例

热量衡算示例。

求车间生产能力为11万吨/年P 2O 5萃取磷酸（32%P 2O 5）过程的小时热量平衡（采用真空冷却）。

小时消耗量为：磷精矿36.7吨；100%H 2SO 433.5吨；真空蒸发器进口循环料浆1412吨，出口1406吨；返回淡磷酸`145.2吨。抽出235吨/小时料浆去过滤。萃取槽加入

稀释到56%，冷却到40℃的硫酸。淡磷酸含29.2%P 2O 5，循环

料浆的液相含32%P 2O 5。向萃取槽加入5000米3/小时空气以便排出逸出的气体。周围空间的热损失，根据实际数据约取支出热量的 1.8%。入萃取槽淡磷酸的温度55℃。空气温度20℃。排出气体温度40℃。排出料浆温度69℃。

（注意：磷精矿的小时消耗量为实际耗量，即由物料衡算100kg 磷矿生产的P 2O 5量和每年的P 2O 5产量进行折算；其理论耗量，是由Ca 5F(PO 4)3的理论P 2O 5含量求得Ca 5F(PO 4)3的消耗量，再以任务书中所给的原料磷精矿中P 2O 5含量换算成Ca 5F(PO 4)3的含量，进行原料磷精矿耗量的计算，理论耗量未考虑磷的损失和收率等）。

1、 收入热量：

总的热量由下列物料带入的热量确定：磷矿粉（Q 磷矿）

，硫酸（Q 硫酸），淡磷酸（Q 淡磷酸），以及反应热（Q 反应）和萃取槽中硫酸稀释热（Q

稀释

）。另外，还有空气（Q 空气）和循环料浆（Q 循环料浆）带入的热量。即：

Q 进=Q 磷矿+Q 硫酸+Q 淡磷酸+Q 反应+Q 稀释+Q 空气+Q 循环料浆

（注意：因为采用真空冷却时需要将反应槽中的料浆泵入真空冷却器，冷却后再返回

反应槽，所以只有采用真空冷却时才需要考虑Q 循环料浆）

下面分别求每一项带入的热量： Q 磷矿=36700×0.783×17.6=505755(KJ)

≈505×106J(0.783——磷精矿比热，KJ/kg ·K;17.6——夏季月平均温度，即车间热负荷最大期间的温度℃

Q 硫酸=59800×2.470×40=5908747(KJ)≈5908.7×106J (式中：2.470——40℃时56%H 2SO 4的比热，KJ/kg ·K)

H 2SO 4的比热可以查手册。当硫酸浓度Cs=81-100（％），温度t=20-250℃范围，硫酸溶液的平均热容为（H 2SO 4比热数学模型）：

C t =(B 0+B 1*Cs+B 2*Cs 2

+B 3*t+B 4*t 2

+B 5*Cs*t+B 6*Cs 2

*t)*4.19/t 式中系数：B 0=-38.2471158,B 1=0.8799812,B 2=-0.0050389,

B 3=1.4884802,B 4=0.0002962,B 5=-0.0201982,B 6=0.0000868

（注意：计算时Cs 为百分数，即不带入％）。

Q 淡磷酸=145200×3.036×55=24245496(KJ)≈24245.5×106J

[式中：3.036——29.2%P 2O 5磷酸溶液的比热KJ/kg ·K ，可以查曲线或按以下经验公式计算：C=4.2324-0.02968×40.3=3.036(KJ/kg ·K)，式中：40.3为淡磷酸含H 3PO 4重量%]

硫酸与磷精矿的反应热（磷精矿中的全部P 2O 5都按氟磷灰石计）： Ca 5F(PO 4)3+5H 2SO 4+10H 2O=5CaSO 4·2H 2O+3H 3PO 4+HF+q 2 根据盖斯定律

q 2=(5×2022.6+3×1278.2+269.6)-(6828.7+5×839.5+10×286.4)=327(KJ/mol)

上式中反应物和生成物的生成热（KJ/mol ）： CaSO 4.2H 2O( 固体):2022.6； H 3PO 4（溶液）：1278.2； Ca 5F(PO 4)3(固体)：6828.7; H 2SO 4（溶液）：839.5; H 2O （液体）：286.4； HF （气体）:269.6 由此可得：

)(21701627504

1000

32798.093.036700KJ Q =⨯⨯⨯⨯=

反应

≈21701.6×106J 式中：

0.93——磷精矿中氟磷灰石含量，单位分数，（即：磷精矿中P 2O 5的含量÷3P 2O 5分子量×2Ca 5F(PO 4)3分子量）；

0.98——氟磷灰石的分解率，单位分数； 504——氟磷灰石的分子量。 萃取槽中H 2SO 4稀释热按下式确定： Q 稀释=G 硫酸×q 2/98=（33500×20976.9)/98 =7170675（KJ ）≈7170.7×106J 上式中：G 硫酸——无水硫酸的量；

q 2——硫酸的比稀释热(KJ/mol)，按下式确定：

)/(7983

.1747767983.17477611222kmol KJ n n n n q +-+=

式中n 1和n 2为硫酸进入萃取槽稀释前后溶液中H 2O/H 2SO 4摩尔比。

n 1=(44×98)/(18×56)=4.28

为了确定n 2，必须知道稀释后萃取槽中硫酸的浓度C 2（假定硫酸同其它的液体组分混合以后，才同磷灰石反应）。此浓度可根据以1000公斤磷精矿为基准的物料衡算数据确定：

%5.4%100)

442.01(75.0382344)403.01(6.3940715910910

2=⨯-⨯⨯+-++=

C

式中：910和715分别为无水硫酸量和56%H 2SO 4带入的水量（公斤）； 3940.6和38234.4分别为进入萃取槽的淡磷酸量和循环料浆量（公斤）；

0. 403和0.442分别为淡磷酸和循环料浆液相中H 3PO 4的浓度（单位分数）； 0.75为循环料浆中液相含量（单位分数）。

从而得出：54.1155

.498

185.952=⨯=

n 因而，7983

.128.428

.4747767983.154.11554.115747762+⨯-

++=

q =20976.9（KJ/Kmol ） 进入萃取槽空气带入的热量：

25304

.22)8.023********(8

.018233350002029.1004.15000⨯⨯⨯-⨯⨯⨯+

⨯⨯⨯=空气Q

=320275（KJ ）≈320.3×106J

（式中：1.004——空气热容，KJ/kg ·K ；

1.29——0℃和1.013×105Pa 时的空气密度，kg/m 3； 2333——20℃空气中饱和水蒸气的分压Pa ； 0.8——空气的相对湿度；

2530——20℃时水蒸气的焓，KJ/kg ）。

来自真空蒸发器去萃取槽的循环料浆带入的热量Q 循环料浆’是总的收入热量和支出热量之差。

所以，萃取槽的总收入热量为：

Q 收入=505755+5908747+24245496+21701627+7170675+320275+Q 循环料浆 =59852575+Q 循环料浆

2、 支出热量：

带走的热量是下列热量总和：送去过滤的料浆（Q 料浆）；

从萃取槽排出的气体（Q 气体）；送真空蒸发器冷却的循环料浆（Q ’循环料浆）和热损失（Q 热损）。

下面分别求每一项带出的热量：

69℃时，送去过滤的料浆带走的热量为： Q 料浆=235000×C 料浆×69