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锌电解槽计算解析
3.1概述
工业上从硫酸锌水溶液中电解沉积锌有三种工艺:
即低酸低电流密度法(标准法);中酸中电流密度法(中间法)和高酸高电流密度法。
目前我国多采用中酸中电流密度法的下限,低酸低电流密度法上限的电解法。
表3-1为三种方法的比较。
表3-1锌电积三种工艺的比较
工艺方法
电解液含
H2SO4(克/升)
电流密度
(安/米2)
优缺点
酸低电流密度法(标准法)
110--130
300--500
耗电少,生产能力小,基建投资大
中酸中电流密度法(中间法)
130--160
500--300
生产操作比前者简单,生产能力比前者大但比后者小基建投资小
高酸高电流密度法
220--300
800~1000甚至大于1000
生产能力大;耗电多;电解槽结构复杂。
3.2设计任务
设计生产能力为7万吨锌锭的电解设备
3.3原始资料
3.3.1设进入电解槽的电解液成份如表3-2所示:
表3-2进入电解槽的电解液成份(克/升)
组成
Zn
Fe
Cd
Cu
CO
Mn
(克/升)
120
0.045
0.005
0.0004
0.005
4.720
3.3.2电解后电解废液成份如表3-3所示
表3-3电解废液成份(克/升)
组成
Zn
Fe
Cd
Cu
CO
Mn
(克/升)
46
0.028
0.003
0.0002
0.005
3.217
3.3.3一些技术条件及技术经济指标
用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的百分比,β=0.028;年工作日为330日。
阴极锌熔铸直收率η1=97%
阴极电流密度D阴=520安培
槽电压V槽=3.20伏
电流效率ηi=98%
阴极规格长×宽×厚=1000×666×4(毫米)
3.4工艺过程及设备计算
3.4.1物料平衡及电解槽计算
阴极锌成份的计算
在电积过程中,一部分铜、铁、镉与锌一齐在阴极上沉积,一升电解液得到的阴极锌含金属量如表3-4所示。
表3-4一升电解液沉积的金属量(克)
组成
Zn
Fe
Cd
Cu
共计
(克)
64.00
0.005
0.002
0.0002
64.0072
铅-银阳极在电解过程中被腐蚀,使一部分铅进入到阴极锌中。
设阴极锌含铅0.006%则进入到阴极锌中铅的量为:
克
那么阴极锌的成份如表3-5所示。
表3-5阴极锌成份
组成
Zn
Pb
Fe
Cd
Cu
共计
重量(克)
64.00
0.0038
0.0050
0.0020
0.00020
64.0110
%
99.983
0.006
0.0078
0.003
0.0003
100
3.4.2所需电解槽数量的计算
(1)每日应产出的阴极锌量的计算。
Q1=
吨
式中:
Q1----每日应产出阴极锌的数量,吨;
Q----设计生产能力,吨锌锭/年;
β----用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的百分比,%;
m----年工作日,日;
η----阴极锌熔铸直收率,%。
Q1=
吨/日
(2)阴极有效总面积及片数的计算
阴极有效总面积的计算。
×106米2
式中:
F-----阴极有效总面积,米2
Q-----每日产出的阴极锌量,吨;
D-----阴极电流密度,安培/米2;
η-----电流效率,%;
1.2195----锌的电化当量,克/安培;
24-----电解析出时间,小时。
F=
×106=15086米2
阴极边上装有塑料绝缘条,没边各占区阴极板宽7毫米,阴极浸没于电解液的深度为0.87米,则每片阴极的有效面积(按两面计)为:
f阴=0.87×(0.666-0.007×2)×2=1.13米2
故共需阴极片数n=
=
片
设一个电解槽装阴极片32块,则共需电解槽数为:
个
每个电解槽的阴极总面积为:
1.13×32=36.16米2
取备用电解槽24个,则一共有电解槽560个。
这就可把电解槽分为两个系列。
每个系列有280个电解槽,在每个系列中可按35个电解槽组成一组,共八组为一系列。
3.4.3电解槽内部尺寸大小的计算
电解槽内部宽度的计算。
设阴极边缘到槽壁距离为95毫米,则电解槽内宽为:
B=666+2×95=856≈860毫米
电解槽内部长度计算。
设每片阴极厚度为5毫米,每片阳极厚度为10毫米,阴阳极间距离为34毫米,电极到两端壁距离为125毫米,每个电解槽有阴极片32片,阳极片33片。
则电解槽内部长度为:
L=32×5+33×10+32×2×34+125×2=2916毫米
电解槽内部高度的计算。
设槽内液面至槽面的距离为100毫米;槽内阴极浸入电解液的深度为880毫米;阴极下部端缘距槽低500毫米。
则电解槽的内高位:
H=100+880+500=1480毫米
故电解槽的内部尺寸为:
长×宽×高=2916×860×1480(毫米)
电解槽容积(不设槽内冷却器)为:
V槽=L×B×H=2.916×0.86×1.48=3.711米2
电解槽体的材料有木质及钢筋混凝土两种。
目前多采用钢筋混凝土电解槽。
电解槽内衬耐腐蚀的材料有:
铅皮、聚氯乙烯、环氧玻璃钢、辉绿岩等。
3.4.4通过电解槽电流强度的计算
一个电解槽的阴极总面积为36.16米2
故电流强度I=36.16×520=18803安培
设富余5.4%则I=18808×1.054=19818.362安培
3.4.5整流设备选择
整流设备总功率按下式计算。
式中:
W-----整流设备总功率,千瓦;
Q-----每天应产出的阴极锌总量,吨;
E-----槽电压,伏,取E=3.25伏
则
千瓦
系列中的电压降为总电压降的1-2.5%,取1.5%,则总电压降为:
280×3.20×(1+0.015)=909.44伏
选用GHS-10000/0-800硅整流器。
单台功率8000千瓦。
故需整流器台数为:
台取4台
每系列由2台硅整流器供电,总电流为:
10000×2=20000安培。
整流器设备功率与电解槽数量要求相适应。
3.4.6进入电解槽电解液数量的计算
供给一个电解槽的电解液数量可按如下计算。
式中:
Q-----进入一个电解槽的中性电解液数量,升/小时;
I-----通过电解槽的电流强度,克/安培;
q-----锌的电化当量,1.2195,克/安培
η----电流效率,%
N-----电解槽数目,个
P----中性电解液含锌量,克/升;
p-----废电解液含锌量,克/升。
故
升/小时
一个电解槽每天需中性电解液数量为:
303.7×24=7289升/天
全部电解槽每天共需中性电解液数量为:
7289×417=3040米3
3.4.7废电解液数量的计算
一小时供中性电解液303.7升,含锌120克/升,此时电解液比重为1.258。
因此中性电解液重量为:
公斤
在阳极上析出氧量为:
公斤
电极反应为:
ZnSO4+H2O→Zn+H2SO4+1/2O2(直流电)
析出的锰的量为:
公斤
故共析出:
19.437+4.804+0.456=24.697公斤
剩余:
382.05-24.697=357.35公斤。
电解时有一部分电解液被蒸发而损失。
设每平方米电解液表面每小时蒸发损失一公斤电解液。
电解液表面积为:
S槽—S极=2.508—0.328=2.18米2
则蒸发损失为:
2.18×1=2.18公斤。
由于电解液飞溅液要损失一部分电解液,设为0.3%,则飞溅损失为:
303.7×0.003=0.911公斤
损失电解液量一共为:
2.18+0.911=3.09公斤
故从一个电解槽每小时流出的废电解液量为:
357.35—3.07=354.28公斤/小时
设此时电解液的比重为1.18,则废电解液的体积为:
升/小时
3.4.8进入阳极泥中各成分的计算
设阳极消耗的铅量诶:
每吨阴极锌为1.5公斤。
则析出20.173公斤锌,消耗铅量为:
公斤
进入阴极锌中的铅量为:
公斤
进入阳极泥中的铅量为:
0.0303—0.00012=0.03018公斤
换算成PbO2=
公斤
(其中Pb=0.03018公斤,O2=0.0462公斤)
一个电解槽沉淀的锰量为0.456公斤
换算成MnO2=
公斤
(其中Mn=0.456公斤,O2=0.265公斤)
故进入阳极泥的总量为:
0.03487+0.721=0.7558公斤
(其中O2=0.2998公斤)
3.4.9进入大气中的氧量
4.804—0.00465—0.265=4.5344公斤
3.4.10编制一个电解槽的物料平衡
根据以上计算结果,编制一个电解槽的物料平衡,如表3-6所示。
表3-6一个电解槽的物料平衡
加入
产出
序号
项目
公斤
%
序号
项目
公斤
%
1
中性液
382.05
99.99
1
阴极锌
19.437
5.09
2
从阳极进入的铅
0.03018
0.01
2
阳极泥
0.7558
0.198
3
废电解液
354.28
92.72
4
进入大气中的氧
4.5344
1.19
5
损失
3.07
0.8
6
误差
-0.00292
共计
382.08018
共计
382.08012
100
3.5电解槽热平衡计算
通常以单个电解槽为基础进行计算,然后计算出全车间或一个系列电解槽在电解过程中总的剩余热量。
电解槽热平衡按下面式子计算。
Q电流+Q新=Q废+Q蒸+Q溅+Q辐+传+Q余
式中:
Q电流 -------电流通过产生的热量,千卡/小时;
Q新 -------新液带入热量,千卡/小时;
Q废 -------电解废液带走的热量,千卡/小时;
Q蒸 -------电解液表面蒸发损失的热量,千卡/小时;
Q溅 -------电解液喷溅损失的热量,千卡/小时;
Q辐+传 -------辐射、对流和传导损失的热量,千卡/小时;
Q余 -------剩余的热量,千卡/小时。
3.5.1热收入
(1)电流通过电解液产生的热量
Q电流=0.239IEt×10-3千卡/时
式中:
I-------通过电解槽的电流,18803安培;
E-------为电解液、极板、阳极泥及浓差极化的电压降。
在一般情况下,占槽电压的20%。
即E=3.20×0.2=0.64伏
t--------通电时间,秒,3600秒;
故Q电流=0.239×18803×0.64×3600×10-3=10354千卡/时。
(2)新液带入热量
Q新=m1c1t1千卡/时
式中:
m1------单位时间进入电解槽的新液重量,公斤/小时
c1-------新液比热,千卡/公斤·℃;
t1------加入新液的温度,℃。
从冶金计算得知,进入电解槽的新液量为:
382.05公斤/时。
电解液配液采用大循环方式进行,新液:
废液=1:
5,要求混合后进入电解槽新液温度为35℃,此时电解液的比热为:
0.78千卡/公斤·℃。
Q新=382.05×0.78×35=10430千卡/时
Q收=10430+10354=20784千卡/时。
3.5.2热支出
(1)废电解液带走的热
废电解液为354.28公斤/小时,设废电解液温度为40℃,此时电解液的比热为0.8千卡/公斤·℃,则
Q废=354.28×40×0.8=11337千卡/时
(2)电解液表面蒸发损失的热
Q蒸=S液表面×W×q汽
式中:
S液表面-----电解槽中电解液有效表面积,米2;已求出S液表面=2.18米2;
W-------电解液表面蒸发损失的水量,公斤/米2·时。
根据铜电解液中水的蒸发量与温度的关系可确定40℃时电解液单位表面蒸发的水量W=1.公斤/米2·时;
q汽-------40℃时水的汽化潜热为578千卡/公斤。
故Q蒸=2.18×1.0×578=1260.04千卡/时。
(3)电解液飞溅损失的热量为:
0.911公斤
故Q溅0.911×40×0.8=29.2千卡/小时。
(4)辐射、对流和传导损失的热
Q辐+传=
(Q蒸+Q溅)=
(1260.04+29.2)=143.2千卡/时
Q支=11336+1260.04+29.152+143.2=12768.4
3.5.3剩余热
Q剩=21108-12768.4=8339.6千卡/时
根基计算结果,编制热平衡表如表3-7所示。
表3—7锌电解槽热平衡
热收入
热支出
序号
名称
千卡
%
序号
名称
千卡
%
1
电流产生热
10515.8
50.34
1
废液带走热
11336
54.74
2
新液带入热
10430
49.66
2
电解液蒸发损失热
1260.04
5.8
3
电解液飞溅损失热
29.152
0.14
4
辐射、对流、传导损失热
143.2
0.66
5
剩余热
8339.6
38.65
共计
20945.8
100
共计
20945.8
100
计算可知:
锌电解槽中热量大大过剩。
因此电解液必须冷却。
锌电解液冷却方法有以下几种:
(1)槽内冷却;
(2)真空蒸发冷却;(3)冷却塔冷却。
表3-8为各种冷却方法的适用条件及优缺点。
冷却方式的的选择,需根据工厂的生产规模、电流强度、循环方式、温度要求、气候条件和供水条件等因素,经多方案比较确定,可选择其中的一种或两种方式相结合的方案。
我国株洲冶炼厂原来才用真空蒸发冷冻机冷却电解液,实践表明,每年耗费蒸汽13万吨,电力320万度和循环冷却水2584万立方米。
据报道,该厂1980年起试建一台50平方米空气冷却塔,取得了满意的经济效益。
现在已改用空气冷却塔来冷却电解液,改造后,每年节约标准煤18000吨,节约经营管理费220万元。
经济效益显著。
可见,方案的选择是至关重要的。
表3-8锌电解液各种冷却方式比较
冷却方式
槽内冷却
真空蒸发冷却
冷却塔冷却
适用条件
生产规模小,电流强度小,一般为小循环,供水充足,水温低(一般为地下水)。
生产规模大,电流强度大,大循环,建厂地区气温高,湿度大。
生产规模大,电流强度大,大循环,建厂地区气温低,湿度小,供水困难,水价高。
优点
设备制造简单,容易上马;不需单独管理;无动力消耗。
不受地区气候条件限制,能保证电解液达到较低温度;电解槽利用系数大;由于蒸发时带走水份,克增加洗渣水量,降低渣中水溶锌;提高锌直收率,降低酸耗。
便于自动控制。
设备制造比较简单;投资少;不消耗水和蒸汽;经营费低;可蒸发部分水份。
缺点
间接热交换,水消耗量大;受地区气象条件限制;电解槽利用系数小;消耗有色金属。
设备制造复杂;蒸汽和水消耗量大;投资大能耗高;经营费用高;需经常清理结垢物。
受地区气温和湿度限制较严重,当电解液温度接近或超过空气湿球温度,不能采用。
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- 电解槽 计算 解析