Производство ортофосфорной кислоты экстракционным способом, производительностью 70 т/сут

Приход теплоты
Суммарная теплота определяется теплотами, вносимыми: апа­титом (Q_an), серной кислотой (Q_ск), раствором разбавления (Q_p._p), а также теплотами реакции (Q_p) и разбавления серной кислоты в экстракторе (Q_paзб). Кроме того, теплоту вносит поступающий воздух (Q_возд) и циркулирующая пульпа (Q_ц.п.). Итак:
Q_прих = Q_an + Q_ск + Q_p._p + Q_p + Q_paзб + Q_возд + Q_ц.п.
Определим эти теплоты:
1. Q_ап = m_{апатита ·} С_{апатита} · t = 59197 · 0,783 · 17, 6 = 815782,02 кДж = 815,78 МДж
(C_{апатита} (0,783) — удельная теплоемкость апатитового концентрата, кДж/(кг • К); 17,6 — средняя температура в Северо-Западном районе в июле, т. е. в период наиболее напряженного теплового режима цеха, °С).

2. Q_ск. = m_{76% Н2SO4 ·} С_{76%-ной Н2SO4} · t = 70876, 57 · 2,067 · 35 = 5127565,5 кДж = 5127,57 МДж

(С_{76%-ной Н2SO4} — удельная теплоемкость 76%-ной H₂S0₄, кДж/(кг-К) при 35°С, рассчитывается по формуле: С_{76%-ной Н2SO4} = Х_Н2О*С_Н2О + Х_Н2SО4 *С_Н2SО4 = 4,17825*0,24 + 1,4*0,76 = 2,067 кДж/(кг-К) ; 35 — температура кислоты, °С).

3. Q _р.р. = (m_об.к-ты + m_{пром. р-ра}) · С_{20,65%-ной Н3РO4} · t_{р-ра разб.} = (129614,2 + 127942,78) · 3,42 · 60 = 52850692,3 кДж = 52850,69 МДж

(С_{20,65%-ной Н3РO4} — удельная теплоемкость раствора разбавления фосфорной кислоты концентрации 20,65% Н₃Р0₄, кДж/(кг-К) при 60°С, рассчитывается по формуле: С_{20,65%-ной Н3РO4} = Х_Н2О*С_Н2О + Х_Н3РО4 *С_Н3РО4 = 0,2065*0,493 + 0,7935 *4,1841 = 3,42 кДж/(кг-К), 60 — температура поступающего раствора разбавления, °С).
4. Тепловой эффект реакции взаимодействия серной кислоты с апа­титовым концентратом (при условии, что вся Р₂0₅ в апатитовом концентрате находится в виде фторапатита):
Ca₅F(Р0₄)₃ + 5H₂S0₄ +10Н₂0 = 5CaS0₄*2H₂0 + ЗН₃Р0₄ + HF + q
определяем по закону Гесса:
q = (5 · 2022,6 + 3· 1278,2 + 269,6) – (6828,7 + 5· 839,5 +10 · 286,4) =
= 14 217,2 - 13 890,2 = 327 кДж/кмоль
Здесь значения теплот образования реагирующих веществ и образующихся продуктов реакции равны, в кДж/кмоль:
CaS0₄* 2H₂0 _(tb.) = 2022,6
Ca₅F(P0₄)_3 (tb.) = 6828,7
H₃P0_4 (p-p) = 1278,2
H₂SO_4 (p-p) = 839,5
HF _(г.) = 269,6
H₂0 _(ж.) = 286,4
Отсюда:
Q_р = m_{апатита} ·0,98 · q · 1000 / М_{апатита} = 59197· 0,98 · 327· 1000 / 504 = 37639425,83 кДж = 37639,43 МДж
(0,98 — степень разложения фторапатита, доля единицы; М апатита — молекулярная масса фторапатита).

5. Теплоту разбавления в экстракторе 76%-ной H₂S0₄ определяем по формуле:

Q_разб = G_k ∙ q / M_h2so4 = 53869,27∙ 37043,26/ 98 = 20362,18 МДж
Здесь G_k —количество серной кислоты, поступающей в экстрактор, кг.
Удельную теплоту разбавления серной кислоты q определяем по формуле:

Здесь п₁ и n₂ — мольное отношение Н₂0: H₂S0₄ в исходном и конечном растворах серной кислоты (до и после разбавления в экстракторе):
n₁= (24*98)/(18*76) = 1, 72 кмоль Н₂0/кмоль H₂S0₄
Для определения n₂ необходимо знать концентрацию серной кислоты С₂ после разбавления в экстракторе (в предположении, что взаимодействие кислоты с апатитом происходит после сме­шения ее с другими жидкими компонентами). Эту концентрацию определяют по данным материального баланса, составленного на 59197 кг апатитового концентрата:

С₂ = 53869,27·100% / (53869,27 + (70876,57 - 53869,27) + (129614,2 + 127942,78) · (1- 0,2847) + 1648044,46(1-0,4408)) = 4,58 %
Концентрация Р₂О₅ в циркулирующей пульпе 31,94 % или 44,08% Н₃РО₄.
Окончательно:

n₂ = 95,42 · 98 / 18 · 4,58 = 113,43кмоль Н₂О / кмоль Н₂SО₄
Следовательно:
q = (74776 · 113, 43 / 113,43 + 1,7983) – (74776 · 1,72 / 1,72 + 1,7983) = 73599,17 – 36555,93 = 37043,26 кДж/кмоль

6. Поступающий в экстрактор воздух вносит:

Q_возд = 120000 ∙ 1,004 ∙ 1,29 ∙ 20 + (120000∙2333∙18∙0,8 / (101323 – 2333 ∙0,8) ∙ 22,4) ∙ 2530 = 7687,2 МДж
(120000 — объем при н. у. поступающего воздуха (по практи­ческим данным), м³/сут;
1,004 — теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К);
1,29 — плотность воздуха при 0 °С и 1,013*10⁵ Па (760 мм рт. ст.), кг/м³;
2333 Па — парциальное давление водяных паров в насыщен­ном при 20° воздухе (17,5 мм рт. ст.);
0,8 — относительная влажность воздуха;
2530 — энтальпия водяных паров при 20 °С, кДж/кг).
Теплота, поступающая в экстрактор с циркулирующей пульпой вакуум-испарителя Q_ц.п есть разность между общим приходом расходом теплоты.

И окончательно, общий приход теплоты в экстрактор равен:

Q_прих= 815,78 + 5127,57 + 52850,69 + 37639,43+ 20362,18 + 7687,2 + Q_ц.п = 124482,85 + Q_ц.п