Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические расчеты по пирометаллургии меди. Учебно-методическое пособие
.pdf
3. Тепловой баланс процесса
Реакция кДж/(кг∙моль)
Эндотермические реакции
ZnS → Zn + ½S
ZnO + S → ZnS + ½O
ZnO + СО = Zn + СО
РbО + СО = Рb + СО
РbО → Рb + ½О
3NiO + 3CaS = Ni
CaSO
∙2H2O = CaSO4 + 2 Н2О 19 908
4
CaSO
= CaS + 2 О
4
CaSO
→ СаО + SO2 + ½О
4
2
2
2
2
2
+ 3СаО + 0,5S
3S2
2
2
2
203 700
145 614
65 242,8
20 008,8
218 694
134 568
959 112
502 152
Пример 1. При плавке медной шихты, в результате диссоциации
сульфидов в газовую фазу перешло 6,7 кг серы. Атомная масса серы —
32 г/моль. Рассчитаем тепло, которое поступает в процесс от окисления 6,7 кг серы до диоксида SO2, в виде которого сера находится в газах. Реакция окисления серы
S + О
= SO2 + 298 032 кДж/(кг∙моль).
2
Реакция экзотермическая, выделится тепла при окислении 6,7 кг
серы
6,7 ∙ 298 032/32 = 62 400,5 кДж.
Пример 2. По расчету рационального состава шихты установили,
что масса пирита в 100 кг шихты составляет 23 кг. Определить затраты тепла на термическую диссоциацию пирита. Реакция термического разложения пирита
FeS
→ FeS + 1/2S2 – 83 160 кДж/(кг∙моль).
2
Молекулярная масса пирита
55,8 + 32∙2 = 119,8 г/моль,
где 55,8 — атомная масса железа, г/моль;
32 — атомная масса серы, г/моль.
Количество поглощенного тепла
23 ∙ 83 160/119,85 = 15 960 кДж.
41
3.3. Расчет тепла от горения топлива
3.3. Расчет тепла от горения топлива
Для создания высоких температур в металлургических агрегатах используют твердое топливо (кокс, коксовую мелочь, бурый уголь и т. д.),
жидкое (мазут) и
пливо. Теплотворная способность топлива разная (табл. 3.2). Для того
чтобы иметь возможность сравнить теплопроизводительности разных
видов топлива, ввели понятие условного топлива, теплота сгорания
которого принята равной 7 000 ккал, или 29 400 кДж для 1 кг твердого
(жидкого) условного топлива или 1 м 3 газообразного. Зная удельный
расход условного топлива для конкретного процесса, можно рассчитать расход выбранного топлива — кокса, угля, природного газа и т. д.
газообразное (природный газ, коксовый газ и др.) то-
Таблица 3.2
Удельная теплота сгорания топлива
Вид топлива Название
Условное топливо 29,4
Твердое Антрацит 26,8–34,8
Твердое Кокс металлургический 30,4
Твердое Уголь бурый 13,0–25,0
Твердое Уголь каменный 27,0
Твердое Уголь коксующийся 36,3
Жидкое Мазут высокосернистый 39,0
Жидкое Мазут малосернистый 40,5
Жидкое Мазут низкосернистый 41,7
Жидкое Мазут сернистый 39,6
Природный газГазообразное 41,0–49,0
Теплота сгорания топлива Q
(МДж) — это тепловой эффект ре-
топл
Удельная теплота сгорания,
МДж/(кг∙м
3
)
акции окисления кислородом элементов, входящих в состав топлива,
до образования высших оксидов — CO2 и H2O. Для полного сгорания
массовой или объемной единицы топлива необходимо определенное
количество кислорода, которое называется теоретически необходимым. Таким образом, рассчитать теплоту сгорания топлива при расчете теплового баланса можно разными методами. Вариант 1 — с использованием данных табл. 3.2. Определив массу топлива (например
42
3. Тепловой баланс процесса
по практическим данным работы металлургического агрегата) и зная
удельную теплоту сгорания выбранного топлива, тепло, выделившееся при сгорании, МДж, можно определить по формуле
Q
топл
= mQ,
где m — масса топлива, кг;
Q — теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Например, при расчете материального баланса шахтной плавки,
по практическим данным приняли расход кокса 10 % от массы загруженной шихты. Масса кокса на 100 кг шихты составит 10 кг. По данным табл. 3.2 теплота сгорания кокса составляет 30,4 МДж/кг, тогда
при сгорании 10 кг кокса выделится тепла
10 ∙ 30,4 = 304 МДж.
Вариант 2 — первый метод не учитывает химического состава топлива, а содержание горючих компонентов в топливе может быть различным (табл. 3.3–3.4). В этом случае, зная химический состав топлива, теплоту его сгорания можно определить по реакциям горения
отдельных компонентов топлива.
Таблица 3.3
Химический состав кокса, %
Формула/обозначениеКомпонент Содержание, мас. %
Углерод С 80–97
Сера S 1–2
Водород H
Кислород O
Азот N
Влага W До 4,5
Зола A 10–12
2
2
2
1,00–1,50
0,5–0,7
До 1,30
Химический состав природного газа
Компонент Формула Содержание, об. %
Метан CH
Этан C
Пропан C
Изобутан C
4
2H6
3H8
4H10
75,0–98
1,5–15,1
0,1–1,5
0,01–0,3
43
Таблица 3.4
3.3. Расчет тепла от горения топлива
Окончание табл. 3.4
Компонент Формула Содержание, об. %
Азот N
Диоксид углерода СО
Кислород О
Водород Н
Сероводород H
2
2
2
2
S Следы — 0,02
2
0,7–5,6
0,1–1,0
0,01–0,1
Следы — 0,02
Для расчета низшей теплотворной способности топлива (Qн) мож-
но использовать эмпирическую формулу Д. И. Менделеева
= 0,339 ∙ % C + 1,025 ∙ % H + 0,1085 ∙ % S – 0,1085 ∙ % O – 0,025 ∙ %W,
Q
н
где %C, %H, % S, %O, %W — содержание элементов топлива, мас. %.
3
Теплоту сгорания природного газа, кДж/м
, можно определить
по приведенной формуле Д. И. Менделеева для газов
= 358,18 ∙ %CH4 + 637,48 ∙ %C2H6 + 912,3 ∙ %C3H8 + 1186,46 ∙ %C4H10,
Q
PН
где % C
ва, об.
%.
% CH4, % C3H8, % C4H
2H6
— содержание элементов топли-
10
Тепло, выделившееся при горении кокса, можно рассчитать как
тепло экзотермических реакций
С + О
S + О
= СО2 + 395 018,4 кДж/(кг∙моль);
2
= SO2 + 298 032 кДж/(кг∙моль).
2
Так, для кокса состава, %: С — 77,5; S — 2; остальное — прочие вещества — при массе кокса 10 кг (как в примере варианта 1) тепловой
эффект горения составит:
• реакция горения углерода
Q
= 7,75 ∙ 395 018,4/12 = 255 116,05 кДж,
1
где 7,75 — масса углерода в 10 кг кокса, кг;
395 018,4 — тепловой эффект реакции, кДж/(кг∙моль);
12 — атомная масса углерода, г/моль;
• реакция горения серы
Q
= 2 ∙ 298 032/32 = 18 627 кДж,
2
44
3. Тепловой баланс процесса
где 2 — масса серы в 10 кг кокса, кг;
298 032 — тепловой эффект реакции, кДж/(кг∙моль);
32 — атомная масса серы, г/моль;
• суммарный тепловой эффект реакций
255 116,05 + 18 627 = 273 743,05 кДж, или 273,74 МДж.
Полученный результат ниже, чем рассчитанный по варианту 1,
но более точный.
Вариант 3 — пересчет количества условного топлива на выбранное
топливо. Расход условного топлива при плавке в печи Ванюкова составляет 2–4 % от массы шихты (см. табл. 2.2). Примем средний расход 2,5 % или на 100 кг шихты 2,5 кг условного топлива. При сжигании такого количества условного топлива выделится тепла
2,5 ∙ 29,4 = 73,5 МДж,
где 29,4 — удельная теплота сгорания условного топлива, МДж/кг.
Если в печь Ванюкова подается природный газ, его потребуется
3
73,5/42 = 1,75 м
,
где 42 — удельная теплота сгорания природного газа, МДж/м
(см. табл. 3.2).
3.4. Тепло компонентов шихты и продуктов плавки
Количество тепла, вносимого подаваемыми в печь шихтовыми
материалами и уносимого нагретыми и расплавленными продуктами
процесса, кДж, рассчитывается по формуле
Q = mс
где m — масса материала (продукта), кг;
— удельная теплоемкость материала (продукта), кДж/(кг∙град);
с
р
t — температура материала (продукта), с которой он попадает в печь
или уходит из печи, °C.
Массы всех исходных материалов (шихты, флюсов и т. д.) и продуктов процесса (штейна, шлака, пыли и т. п.) берем из таблицы матери-
р
∙ t,
3
45
3.4. Тепло компонентов шихты и продуктов плавки
ального баланса процесса. Температуру дутья без подогрева и температуру материалов, загружаемых в печь в твердом виде (кроме огарка
при отражательной плавке), принимаем равной 20 °C. Температуры
продуктов процесса, с которой они покидают печь, зависят от процесса и конструкции печи. Температура штейна обычно составляет
1100–1200 °C, шлака — 1200 °C.
Удельные теплоемкости исходных материалов и продуктов можно определить расчетным путем или принять по данным справочной
литературы. Рассчитать теплоемкость исходного материала (продукта) можно, зная удельные теплоемкости его отдельных компонентов
и их содержание в материале (продукте), по формуле
С
— удельная теплоемкость i-го компонента, кДж/(кг∙ оС);
где с
i
= Σ сi∙ni,
общ
ni — доля i-го компонента в общем составе, доли ед.
Удельные теплоемкости отдельных веществ и соединений приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Средние теплоемкости соединений и веществ, кДж/(кг·град)
Металл с
р
Оксид с
SiO1,09Al
2
Al0,49Cu
2O3
Fe0,73Ni
3O4
р
Сульфид с
р
0,570FeS1,134
FeS0,84FeO0,37Mo
2
Fe1,05CaO0,26Cd
7S8
Cu1,05MgO0,69Co
2
0,546
0,672
0,475S
0,521CuS1,26
CuFeS0,609
2
0,542
0,214PbS0,84ZnO0,82Fe
2FeO0,14Pb ∙SiO
2CaO1,34Mg ∙SiO
2
2
0,517ZnS1,008
0,525CoS1,344
Пример расчета удельной теплоемкости штейна. Для наглядности
и удобства расчета все данные представим в виде таблицы (табл. 3.6).
На этапе расчета материального баланса плавки вычислили рациональный состав штейна и определили долю каждого химического соединения в штейне — эти данные заносим в столбцы «Соединения»
и «Содержание в штейне»; по табл. 3.5 находим теплоемкости каждого компонента штейна и заносим в столбец «Теплоемкость» табл. 3.6.
Далее рассчитываем теплоемкость каждого соединения с учетом его
46
3. Тепловой баланс процесса
содержания в штейне. Суммируя полученные значения, находим теплоемкость штейна заданного состава.
Таблица 3.6
Расчет теплоемкости штейна заданного состава
Соеди-
нение
Cu
Содержание
в штейне, %
2
Теплоемкость,
кДж/(кг∙град)
Теплоемкость соединения в штейне,
кДж/(кг∙град)
35,0S 0,475 35 ∙ 0,475/100 = 0,1663
49,4FeS 0,570 49,4 ∙ 0,570/100 = 0,2816
Fe
3 О4
14,1 0,609 14,1∙ 0,609/100 = 0,0859
1,5PbS 0,214 1,5 ∙ 0,214/100 = 0,0032
100,0ИТОГО 0,1663 + 0,2816 + 0,0859 + 0,0032 =– 0,537
Теплоемкость штейна заданного состава составит 0,537 кДж/(кг∙оС).
Теплоемкость шлака можно рассчитать аналогичным образом, зная
его состав, или принять по
Содержание основных компонентов в шлаке, %
SiO
2
13,860,7 3 1,296,114,4
данным табл. 3.7 [7].
Средняя теплоемкость шлака
Таблица 3.7
AlMgOCaOFeO
2O3
кДж/(кг∙оС)
,
с
р
1,344,51,50,855,123,3
1, 363,73,52,056,330,6
1,328,711,56,636,634,1
1,3610,215,93,131,436,7
1,2513,011,64,430,839,5
1,317,218,25,627,343,0
1,296,719,73,721,644,1
1,181010,011,519,047,5
1,456,624,816,814,428,0
1,476,624,816,817,628,0
1,353,22,61,860,027,0
Теплоемкости дутья и газов, уходящих из печи, рассчитываем
аналогично расчету теплоемкости штейна. Удельные теплоемкости
компонентов газовой смеси при различных температурах приведены
в табл. 3.8.
47
3.5. Перевод массы газов в объем
Средние теплоемкости газов при различных температурах, кДж/(м
Таблица 3.8
3·о
С)
NТемпература, °C
2
HCO
CO
2
2
3.5. Перевод массы газов в объем
H
SOO
2
2
О2Воздух
1,3020,9151,7391,4991,6041,2811,3021,2980
1,3060,9341,8191,5121,7051,2941,3061,302100
1,3100,9721,8941,5291,7931,3021,3101,302200
1,3191,0031,9611,5461,8731,3021,3191,310300
1,3311,0312,0241,5711,9361,3061,3311,319400
1,3481,0542,0751,5961,9951,3101,3481,331500
1,3611,0742,1211,6212,0501,3151,3611,344600
1,3731,092,1591,6462,0961,3191,3781,357700
1,3861,1032,1881,6722,1381,3231,3901,369800
1,4031,1152,2221,7012,1761,3271,4031,382900
1,4151,1252,2431,7302,2091,3361,4151,3941000
1,4281,1342,2681,7562,2431,3401,4281,4071100
1,4361,1512,2851,7812,2721,3481,4411,4201200
1,4491,1582,3061,8102,2971,3571,4531,4281300
1,4571,1662,3271,8352,3231,3651,4621,4411400
1,4741,1732,3481,8612,3441,3731,4701,4491500
При расчетах состава дутья и газов используют понятия «весовые
(массовые) проценты» и «объемные проценты». При расчете количества дутья и отходящих газов пользуются обычно массовыми процентами, но теплоемкость газов указывается в килоджоулях на кубический
метр на градус Цельсия (кДж/(м 3∙оС)), поэтому при расчете теплового
баланса нужен пересчет массовых процентов в объемные.
Масса газа связана с объемом газа
V = m/p,
3
где V — объем газа, м
;
m — масса газа, кг;
p — плотность газа, кг/м 3.
Для перевода массы газа в объем используем закон Авогадро, по ко-
торому 1 г/моль любого газа при нормальных условиях (Р = 0,1 МПа
48
3. Тепловой баланс процесса
и Т = 298 К) занимает объем 22,4 л (дм 3), или 1 кг/моль — 22,4 м 3. Следовательно, плотность газа можно рассчитать по формуле, кг/м 3,
p = M/22,4,
где M — молекулярная масса газа.
В таком случае формула пересчета массы газа в объем, м
3
V = m/p = 22,4m/M.
Примеры пересчета состава газов из массовых процентов в объем-
ные и наоборот приведены в табл. 3.9 и 3.10.
Таблица 3.9
Пересчет массового содержания компонентов газовой смеси
в объемное
Компо-
нент газо-
вой фазы
N
CO
SO
H
2O (газ)
Содержание,
мас. %
2
2
2
Молекуляр-
ная масса,
Объем, м
3
Содержание, об. %
г/моль
1465,0 ∙ 652 = 28 ∙ 5222,4/28 = 52,00 ∙100/71,85 = 72,38
12 + 1614,0 ∙ 142 = 44 ∙ 7,1322,4/44 = 7,13 ∙100/71,85 = 9,92
32 + 1615,0 ∙ 152 = 64 ∙ 5,2522,4/64 = 5,25 ∙100/71,85 = 7,31
16,0 ∙ 62 + 16 = 18 ∙ 7,4722,4/18 = 7,47 ∙100/71,85 = 10,4
–100,0ВСЕГО 71,85
72,37 + 9,92 + 7,31 + 10,39 =
= 100,0
, будет
Соеди-
нение
CO
SO
H
2
49
N
Пересчет объемного содержания компонентов газовой смеси
в массовое
2
2
2
Содержание, об. %
Молеку-
лярная мас-
са, г/моль
Масса газа на об-
щий объем 100 м 3, кгСодержание, мас. %
72,382872,38 ∙ 90,4828/22,4 = 90,48 ∙100/139,21 = 65,0
9,92449,92 ∙ 19,4944/22,4 = 19,49 ∙100/139,21 = 14,0
7,31647,31 ∙ 20,8964/22,4 = 20,89 ∙100/139,21 = 15,0
10,41810,4O (газ) ∙ 8,3518/22,4 = 8,35 ∙100/139,21 = 6,0
–100,00ВСЕГО 139,21 100,00
Таблица 3.10
Контрольные вопросы
Контрольные вопросы
1. Назовите виды топлива, применяемые в металлургии цветных
металлов.
2. Что такое «условное топливо»?
3. Назовите основные статьи прихода и расхода тепла.
4. Приведите
печь шихтовыми материалами.
в
5. К какой статье баланса относят тепло эндотермических реак
ций?
формулу для расчета количества тепла, вносимого
-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]