Общая характеристика сырья, основного оборудования, описание технологического процесса. Слагаемые напряжения на электролизере. Расчет электрохимических составляющих падения напряжения, а также его омических составляющих. Общее падение напряжения.
Сырьем для производства катодов медных являются аноды, полученные из черновой меди и отходов путем огневого рафинирования В настоящее время из медеплавильного цеха (МПЦ) на переработку поступает два вида анодов, изготовленных из: - черновой меди с подшихтовкой вторичной меди и медьсодержащих отходов собственных производств; Ее расход на стадии приготовления электролита возрастает с увеличением содержания примесей в анодах (на растворение 1 г меди и 1 г никеля требуется соответственно 1,54 г. и 1,67 г. кислоты серной). Основным оборудованием при электролитическом рафинировании меди являются электролизные ванны ящичного типа, собранные из армированного железобетона, футерованные винипластом и пластикатом (рисунок 11). электролизер напряжение омический Циркуляционная система связана технологическими трубопроводами в замкнутый цикл, по которым электролит поступает в ванны. Для поддержания температуры, предупреждения расслаивания и выравнивания концентрации меди у электродов электролит в ванне перемешивается путем непрерывной циркуляции.
Введение
Медь является одним из наиболее ценных промышленных металлов. Изза низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20°C 0,01724-0,0180 МКОМ·м), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже.
Другое полезное качество меди - высокая теплопроводность. Это позволяет применять ее в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления, компьютерных кулерах, тепловых трубках.
Целью электрорафинирования меди является получение меди высокой чистоты. В состав анода входят 98-99% Cu, 0,9-1,0% Ni, а также платиноиды, цинк, свинец. В процессе электролиза получают чистый металл, в шлам выделяется ряд ценных составляющих анода. [1]
1. Электролитическое рафинирование меди
Характеристика сырья. Основные технологические материалы
Сырьем для производства катодов медных являются аноды, полученные из черновой меди и отходов путем огневого рафинирования В настоящее время из медеплавильного цеха (МПЦ) на переработку поступает два вида анодов, изготовленных из: - черновой меди с подшихтовкой вторичной меди и медьсодержащих отходов собственных производств;
- отходов меди.
Анод представляет собой пластину со специальными приливными ушками, одно из которых является контактным и устанавливается на токораспределительную шину, второе - опорное устанавливается на изолирующую прокладку - рейку. Контактное ушко анода имеет паз для катодного ломика (штанги).
Основные технологические материалы.
Кислота серная техническая. Используют в процессе электрорафинирования меди для приготовления электролита и его корректировки. Ее расход на стадии приготовления электролита возрастает с увеличением содержания примесей в анодах (на растворение 1 г меди и 1 г никеля требуется соответственно 1,54 г. и 1,67 г. кислоты серной).
Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Используют в производстве электрорафинированной меди. К ним относятся: желатин, тиомочевина, кислота соляная.
Желатин - в сернокислых электролитах желатин распадается на смесь аминокислот. Время полного разложения при 60°С от 5 до 6 ч. Желатин способствует повышению поляризации и влияет на физико-механические свойства меди - придает ей вязкость.
Тиомочевина является составной частью комбинированной добавки ПАВ в электролите. Использование тиомочевины способствует уменьшению размеров кристаллов осаждаемой на катод меди, выделение металла происходит равномерно по всей поверхности катода, что объясняется как ее адсорбционными свойствами, так и способностью образовывать комплексные соединения с медью. Сера, входящая в состав тиомочевины является дополнительным источником загрязнения катодного осадка.
Кислота соляная вводится в электролит совместно с желатином в виде водного раствора. Оказывает выравнивающее действие на электрокристаллизацию меди, нейтрализует действие избытка желатина, препятствует пассивации анодов, а так же является соосадителем серебра, находящегося в электролите.
Свинцовое литье в виде анодов. Аноды свинцовые регенеративные используют в цехе в ваннах регенерации товарных серий для корректировки электролита по содержанию в нем ионов меди.
Титановый лист используют для изготовления матриц марки ВТ1-0.
Алкилсульфонат применяют в регенеративных ваннах для уменьшения выделения аэрозолей электролита с поверхности ванн в атмосферу цеха.
Реактивы для титрования используют для определения и контроля состава технологических растворов: - калий йодистый марки ЧДА;
- тиосульфат натрия марки ЧДА;
- крахмал растворимый;
- натрий углекислый марки ЧДА;
- вода дистиллированная;
- натрий фосфорнокислый пиро, 10 водный ЧДА.
Профиль полипропиленовый используют для обрамления титановых матриц.
Вода техническая. Используют для приготовления тиомочевины, вводимой в электролит в качестве добавки и шлифовки титановых матриц.
Основным оборудованием при электролитическом рафинировании меди являются электролизные ванны ящичного типа, собранные из армированного железобетона, футерованные винипластом и пластикатом (рисунок 11). электролизер напряжение омический
Наименование оборудования Размер ванны, мм Число электродов в ванне, шт. Межэлектродное расстояние, мм
Длина Ширина Глубина Анод Катод
Электролизная ванна 3820 1000 1200 34 35 102
Электролизные ванны объединены в серии ванн. В каждой серии по 24 ванны. Общее количество серий в ЦЭМ - 96 шт. Серии сгруппированы в 12 циркуляционных систем (2 матричные и 10 товарных).
В циркуляционную систему входят следующие виды оборудования (шт.): - серии ванн - 8
- приемные (сборные) баки - 2
- теплообменники - 2
- напорный бак - 1
- циркуляционные насосы - 2
Кроме основного оборудования каждая циркуляционная система оснащена емкостями для приготовления ПАВ, дозирующими устройствами для раздачи ПАВ (рисунок 2), зумпфами для сбора возможных проливов электролита и промывных вод. Циркуляционная система связана технологическими трубопроводами в замкнутый цикл, по которым электролит поступает в ванны.
Подача электролита в ванны осуществляется через подающий карман у дна ванны, а слив - через верхний сливной лоток.
Цех разделен на четыре технологических пролета по 24 серии в каждом.
Подача анодов и вывоз из цеха катодов осуществляют железнодорожным транспортом узкой колеи. Отходы производства и полуфабрикаты выводят железнодорожным транспортом узкой колеи и автотранспортом.
Перемещение электродов (катодов и анодов) и других грузов осуществляется мостовым электрическим краном.
Серии электролизных ванн запитаны от источников постоянного тока двух преобразовательных подстанций, расположенных вдоль восточной стороны цеха. Первая юго-восточная подстанция питает первую, вторую и третью электрические цепи, а вторая, северо-восточная - четвертую электрическую цепь.
Описание технологического процесса электрорафинирования меди
Процесс электролитического рафинирования меди осуществляют в водном растворе серной кислоты и сульфата меди.
При получении меди высокой чистоты, используемая технология позволяет концентрировать благородные металлы в виде шлама, а так же кондиционировать растворы для купоросного цеха.
Процесс электролитического рафинирования анодной меди включает две стадии: - производство катодных основ;
- производство катодной меди.
Для производства катодных основ применяют матричные аноды.
Катодная основа представляет собой лист медный матричный с приклепанными к нему медными ушками, навешанный на катодную штангу.
Получение матричных листов осуществляется в сериях электролизных ванн, специально выделенных для этой цели (циркуляции 1, 2), с автономной системой циркуляции и электропитанием.
На матричном переделе цеха для наращивания матричного листа используют титановые матрицы, выполненные из листового титана марки ВТ 1-0 толщиной 4 мм.
Контакт полотна титановой матрицы с токоподводящей штангой осуществляется с помощью сварного соединения. Токоподводящая штанга представляет собой две биметаллических пластины (медь-титан). Соединение меди с титаном осуществляют сваркой взрывом или меднением.
Полотно матрицы должно обладать прочным креплением к токопроводящей штанге, не должно иметь видимых царапин и раковин на поверхности. Посадка в ванны матриц с видимой деформацией полотна и штанги не допускается.
Подготовку матриц к работе производят на вертикальном шлифовальном станке с последующей набивкой по периметру полипропиленового профиля для изоляции кромок матрицы. Перед набивкой на кромки матриц, профиль нагревают в специальной камере для придания ему большей пластичности. Частота проходов одной матрицы через шлифовальные валки от 6 до 8 операций.
Пересад матриц в подготовленную серию с новыми анодами производят после восьми часовой подработки анодов на медных катодных основах для выравнивания анодной поверхности. Продолжительность наращивания осадка на титановых матрицах составляет 16 ч при силе тока 16,0-19,0 КА и 22 ч при силе тока 13,0-13,5 КА.
На получение матричного листа серия работает первую половину анодного срока, вторую половину анодного срока серия работает на производство катодов.
Процесс электролитического рафинирования меди включает следующие стадии: Загрузка серий электролизных ванн анодами
Завеска серий ванн катодными основами
Обслуживание серий электролизных ванн
Выгрузка катодов
Выгрузка катодов и анодных остатков
Чистка электролизных ванн от шлама
Электролит
Для поддержания температуры, предупреждения расслаивания и выравнивания концентрации меди у электродов электролит в ванне перемешивается путем непрерывной циркуляции. Из сборного бака электролит насосом подают через теплообменник в напорный бак. Нагретый электролит по системе трубопроводов самотеком поступает в распределительные трубы на серии электролизных ванн. Из распределительных труб через резиновые патрубки и полиэтиленовые насадки электролит поступает в заливные карманы ванн, прикрепленные к внутренним стенкам ванн. Выход электролита из заливного кармана расположен на расстоянии 200 мм от дна ванны и обеспечивается конструкцией заливного кармана.
Пройдя через всю ванну, электролит через переливной лоток и спускную трубу возвращается в обратные циркуляционные трубы, по которым поступает в сборные баки. Схема циркуляции электролита представлена на рисунке 13.
Рисунок 3 - Принципиальная схема циркуляции электролита в серии электролизных ванн
2. Задание на курсовой проект
Ni2 = 12 г./л;
H2 SO4 = 150 г./л;
Cu2 = 48 г./л;
Т = 64 С;
ik = 300 А/м2;
Sk = 1090Ч1010Ч3,25 мм;
Sa = 1050Ч920Ч40 мм;
l = 100 мм;
nk = 62;
na = 63;
число ванн - 28.
3. Расчетная часть
Слагаемые напряжения на электролизере [3]
Общее уравнение электрического напряжения на электролизере может быть представлено в виде: , где U - напряжение на электролизере, В;
- разность равновесных электродных потенциалов анодной и катодной реакций, В;
- перенапряжение для катодной и анодной реакций, В;
- падение напряжения в диафрагме, В;
- падение напряжения в теле электродов, В;
- падение напряжения в шламе, В;
- падение напряжения в контактах, а также токопроводящих шинах до источника питания постоянным током, В;
- падение напряжения в электролите, В.
Расчет электрохимических составляющих падения напряжения
Электрохимические составляющие падения напряжения складываются из обратимого напряжения разложения , определяемого термодинамическими характеристиками процесса, и суммы перенапряжений ( ), вычисляемых на основе закономерностей электрохимической кинетики.
Расчет обратимого напряжения разложения
Реакции, происходящие на электродах: - анодная реакция;
- катодная реакция.
С учетом справочных данных выход по току анодного и катодного процессов составляет почти 100%, поэтому величиной обратимого напряжения разложения можно пренебречь.
Расчет величин электродного перенапряжения
Перенапряжение электроосаждения меди на катоде можно описать уравнением смешанной кинетики: , где - катодная плотность тока, А/м2;
- ток обмена, А/м2;
- предельный диффузионный ток, А/м2;
б - коэффициент переноса иона.
Выразим концентрацию ионов меди в виде молярной концентрации:
Предельный диффузионный ток можно рассчитать по следующей формуле: , где D - коэффициент диффузии, принимаем равным 0,72•10-9 м2/с [5];
д - толщина диффузионного слоя, принимаем равную 1•10-4 м.
.
Для расчета тока обмена необходимо сначала определить стандартный ток обмена по справочным данным. При концентрации 1 моль/л ток обмена равен 71,8 А/м2, б=0,32 [5]
Выразим
где St - стандартная концентрация, равная 1 моль/л или 1000 моль/м3.
При заданной концентрации сульфата меди ток обмена будет равен:
Катодное перенапряжение равно: Для расчета анодного перенапряжения воспользуемся уравнением смешанной кинетики: , где - анодная плотность тока, А/м2;
Рассчитаем ток между электродами I и плотность анодного тока :
Для расчета падения напряжения в электролите необходимы данные плотностей всех компонентов электролита при заданных значениях концентраций: 1) Определим суммарную молярную концентрацию эквивалентов компонентов, моль/л: моль/л
По справочнику химика [2] определяем зависимость плотности от массовой доли растворенного вещества: электролизер напряжение омический
Плотность раствора NISO4 щ, % с, г/см2
1 1009
2 1020
4 1042
6 1063
8 1085
10 1109
12 1133
14 1158
16 1183
18 1209
Зависимость плотности раствора от массовой доли NISO4
2) По формуле рассчитываем молярную концентрацию эквивалента NISO4. Результаты приведены в таблице 2 [5].
Далее строим график зависимости удельную электропроводности от молярной концентрации эквивалента.
Зависимость удельной электропроводности от концентрации NISO4
По данному графику строим линию тренда и получаем уравнение зависимости. В это уравнение подставляем и получаем удельную электропроводность для нашего раствора: л= 34,475 См·м2·моль-1
Зависимость удельной электропроводности от концентрации H2SO4 л=224,6·10-4 См·м2·моль-1
Так как в справочнике для CUSO4 сразу указана нужная нам концентрация, мы определяем уравнение зависимости удельной электропроводности от концентрации и в него подставляем .
Удельная электропроводность для CUSO4[5]
C, моль/л л·104, См·м2·моль-1
0,1 43,86
0.5 31,00
1 25,83
2 20,15
Зависимость удельной электропроводности от концентрации CUSO4 л=18,5·10-4 См·м2·моль-1
3) Определим удельные электропроводности компонентов в смешанном растворе, :
Среднее значение плотности тока рассчитаем по формуле:
Падение напряжения в электролите равно: Падение напряжения в теле электродов
, где - удельное электросопротивление нержавеющей стали, Ом·м;
S - площадь поперечного сечения электрода, м2;
Ом·м [4].
.
Падение напряжения в шламе
При рафинировании меди на анодах в процессе электролиза образуется значительное количество шлама, которое покрывает поверхность анода слоем, достигающим 8…15 мм. Падение напряжения в шламе зависит от состава шлама, его количества. Рассчитать напряжение в шламе довольно трудно. При составления баланса напряжения полагают, что падение напряжения в корке шлама колеблется в интервале 15…30% от падения напряжения в электролите.
.
Общее падение напряжения
Напряжение источника тока рассчитаем как произведение напряжения на ванне на число ванн и на 15%: Сила тока на ванне будет равна произведению катодной плотности тока на две площади катода и на число катодов:
Для питания ванны выбираем выпрямительный агрегат ВАКВ2-45000/200 с автоматической стабилизацией выпрямленного напряжения и тока с номинальным выпрямленным напряжением 200 В и номинальной силой тока 45000 А. [3]
Список литературы
1. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. - М: Металлургиздат, 1963. -616 с.
2. Справочник химика. 3-е изд. - М.: Химия, 1964. Т.3. 1000 с.
3. Ищенко Н.В., Лазарев В.Ф., Мурашова И.Б. и др. Выбор источников постоянного тока для электрохимических аппаратов. - УПИ, 1992. 31 с.
4. Хейфец В.Л., Грань Т.В. Электролиз никеля. - М.: Металлургия, 1975. 334 с.
5. Справочник по электрохимии / Под ред. А.М. Сухотина. Л.: Химия, 1981. 488 с.
6. Юрьев А.И., Грейвер М.Б., Литвиненко Э.С. и др. Определение физико-химических свойств диафрагменных материалов, используемых при получении электролитного никеля.: Цветные металлы, 2004 №11 48-50 с.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
