Выбор источника тока для электрохимического аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор источника тока для электрохимического аппарата

Введение

Медь является одним из наиболее ценных промышленных металлов. Из-за 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 её 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.

Характеристика основного оборудования

Основным оборудованием при электролитическом рафинировании меди являются электролизные ванны ящичного типа, собранные из армированного железобетона, футерованные винипластом и пластикатом (рисунок 11).

электролизер напряжение омический

1 - сливной карман; 2 - катод; 3 - анод; 4 - насос; 5 - армированный железобетон; 6 - деревянный пол; 7 - футеровка винипластом.

Рисунок 1 - Железобетонные рафинировочные ванны

Таблица 1 - Габаритные размеры электролизных ванн

Наимено-вание оборудо-вания	Размер ванны, мм	Число электродов в ванне, шт.	Меж-электродное расстояние, мм
	Длина	Ширина	Глубина	Анод	Катод
Электролиз-ная 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.

1 - бачки; 2 - резервуар; 3 - диски; 4 - стаканчики; 5 - наклонный желобок; 6 - лотки; 7 - редуктор; 8 - электродвигатель.

Рисунок 12 - Дисковый дозатор

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.

1 - электролизная ванна; 2 - обратная труба; 3 - сборный бак; 4 - центробежный насос; 5 - теплообменник; 6 - напорный бак; 7 - распределительная труба.

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;

i_k = 300 А/м^2;

S_k = 1090Ч1010Ч3,25 мм;

S_a = 1050Ч920Ч40 мм;

l = 100 мм;

n_k = 62;

n_a = 63;

число ванн - 28.

3. Расчетная часть

Слагаемые напряжения на электролизёре [3]

Общее уравнение электрического напряжения на электролизёре 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.

Расчёт 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.

Расчёт 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 :

Анодное перенапряжение равно:

Расчёт омических составляющих напряжения

Омические составляющие напряжения на электролизёре рассчитывают по закону Ома.

Расчёт падения напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите рассчитывают по следующей формуле:

где - удельное сопротивление электролита, Ом.м;

l - расстояние между электродами, м;

s - площадь рабочей поверхности электродов, м²;

- удельная электропроводность электролита, См.м^-1;

_ср - средняя плотность тока, А/м².

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/cм2
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].

Удельная электропроводность для NiSO₄

щ, %	с, г/cм2	C, моль/л	л·104, См·м2·моль-1
3,73	1038,2	0,5	30,6
7,7	1084,7	1,1	25,4
13,46	1152,1	2,0	19,25
19,01	1217,1	3,0	15,07

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

Для H₂SO₄ производим аналогичные операции

Плотность раствора H₂SO₄ [2]

щ, %	с, г/cм2
8,95	1032,8
17,11	1096,3
24,15	1137,8
30,85	1190,3
37,53	1243,5
43,45	1294,0
53,12	1385,9
55,74	1412,6
60,45	1449,2
67,65	1538,4
72,62	1592,6
75,41	1626,6
82,95	1706,1
92,80	1776,7
96,20	1787,1

Зависимости плотности от массовой доли H₂SO₄

Удельная электропроводность для H₂SO₄ [5]

щ, %	с, г/cм2	C, моль/л	л·104, См·м2·моль-1
7	984,5	14,06	206
10	1011,86	20,65	196,4
14,56	1053,33	31,30	180
19,8	1101,00	44,49	156,5
25,31	1151,12	59,46	131,4
29,47	1188,96	71,51	113,5
34,28	1232,71	86,24	93,65
39,10	1276,55	101,86	75,85
43,94	1320,58	118,42	59,75
48,71	1363,97	135,59	46,73
53,48	1407,35	153,60	35,71
58,35	1451,65	172,86	26,81
63,10	1494,86	192,50	19,33
67,54	1535,24	211,61	13,66
72,28	1578,36	232,82	9,27
77,06	1621,84	255,06	6,21
81,87	1665,59	278,29	4,46
85,93	1702,52	298,57	3,96

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, :

;

;

Удельную электропроводность смеси получаем, складывая удельные электропроводности компонентов электролита.

_см= 1,11 +68,76+0,58 = 70,45

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 Allbest.ru

...