Расчет электролизера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цель работы: Ознакомить студентов с расчетами электролизера.

Удельный расход электроэнергии W, кВт·ч, затрачиваемой на электролиз, равен

W = 10³(U_в/q) (1)

где, - выход металла по току, доли единицы;

q - электрохимический эквивалент, г/(А·ч).

При расчете установок электролитического рафинирования или электроэкстракции металлов из растворов потребное количество ванн N_в, (т/год), необходимое для обеспечения годовой производительности цеха, может быть найдено из выражения:

N_в = Kp, (2)

где, K_р=1,05 - коэффициент резерва ванн;

I - сила тока в цепи, A; в зависимости от масштаба производства I=200025000 А.

При последовательном соединении ванн (система мулътипль) напряжение в питающей сети U_с, В, при принятой плотности тока зависит от напряжения на ванне и количества ванн:

U_c = K N_в U_в (3)

где, К - коэффициент, учитывающий падение напряжения в оцинковке; К=1,101,15.

Внутренний объем ванны V_в, м ³, рассчитывают, исходя из принятой катодной плотности тока и силы тока в цепи:

V_в = I / D_к f, (4)

где, f- коэффициент эффективности использования ванны (м ²/м ³), т. е. рабочая площадь катодов, приходящаяся на 1 м ³ объема ванны; при электролитическом рафинировании меди, свинца и олова f = 1013; при электроосаждении цинка f = 1213; при рафинировании никеля, серебра и.марганца f = 46.

Количество электродов в ванне:

n = I / (2 h b D_к) (5)

где, h и b - высота и ширина электрода, м.

В случае электрорафинирования без применения катодных диафрагм

n_к = n_а·1,

при осаждении металлов из растворов и рафинировании с применением катодных диафрагм:

n_а = n_к + 1.

Размеры катода обычно на 2-4 см превышают размеры анода.

Толщина растворимого анода зависит от срока его срабатывания (обычно в пределах 20-40 сут). Массу анода М, кг, определяют следующим образом:

М = 2h_а b_а D_а q K_{а а} / 1000, (6)

где, К_а - коэффициент, учитывающий выход анодного скрапа; обычно K_а1,15;

_{а -} время срабатывания анода, ч.

Отсюда можно найти толщину анода d, м:

D = M / h_a b_a, (7)

где, -плотность анода, кг/м ³.

Внутренние размеры ванны определяются размерами электродов, их числом, расстоянием между одноименными электродами l_э, м, а также зазорами между кромками электродов, стенками и днищем ванны (рис. 7):

L = n l_э + 2 l_m; (8)

N = b_к + 2 l; (9)

H = h_к + h_в + h_н. (10)

где, l_т - расстояние между крайним электродом и торцевой стенкой ванны, м; как правило, l_т=0,1 м;

l - расстояние между катодом и боковой стенкой ванны, м; обычно l=0,05 м;

h_в и h_н - расстояние от кромок катода соответственно до верхнего края борта и до днища ванны, м; обычно h_в=0,080,10 м, h_н=0,200,35 м.

Электролизные ванны и электроды обычно имеют следующие размеры; длина ванны в зависимости от силы тока колеблется от 2 до 20 м, ее ширина не превышает 1,0-1,1 м, высота от 1 до 1,6м; размеры катода b_кh_к = (0,80-0,95) (0,85-1,30) м; его толщиной (1,5-3,0 мм) в расчетах обычно пренебрегают. Расстояние между плоскостями симметрии катодов в зависимости от толщины анода колеблется в пределах 0,07-0,14 м; при этом расстояние между поверхностями анода и катода составляет обычно 0,02-0,05 м.

Рис. 7. Поперечный разрез электролизной ванны; 1 - анод; 2 - катод

Потребность цеха в матричных ваннах может быть определена по формуле:

N_{м = ,} (11)

где, _о - срок наращивания основ (обычно 1-2 в сут);

k₀ - коэффициент, учитывающий расход основ на заготовку ушек катодов; k₀=1,151,30;

k_р - коэффициент резерва; k_p=1,1;

_к - срок наращивания катодов в рабочей серии ванн, сут;

n_м - количество матриц в ванне.

Масса анодов М_а, т, необходимая для производства катодных основ, находится из равенства: электролиз ванна электрод электроэнергия

, (12)

где, С_к и С_а - содержание основного металла в катоде и аноде соответственно, %;

k- Коэффициент, учитывающий выход анодных остатков и потери, %.

Зная массу одного анода, можно определить потребное количество анодов матричных ванн:

n_а = М_а / М_а, (13)

Тепловой баланс процесса электролиза описывается, равенством:

I (U_в - U_нар) = 1,16 + 1,16Q_п, (14)

где, U_нар - падение напряжения в шинах, штангах, контактах, В;

H_t и H_t - полная энергия разложения соответственно основного и попутно подвергающихся электролизу соединений, кДж/моль за 1 ч работы ванны;

Q_п- потери тепла в окружающую среду, (кДж/ч).

При отсутствии побочных явлений в процессе электрорафинирования металлов H_t = H_t =0 равенство (14) принимает следующий вид:

I (U - U_нар) = 1,16Q_п (15)

Величина Q_п является суммой расходов тепла на нагрев (охлаждение) электролита в ванне ±Q₁, испарение воды с зеркала электролита Q₂, теплоотдачу с поверхности раствора Q₃ и через стенки и днище ванны Q₄, а также (при применении индивидуальных холодильников) на нагрев охлаждающей среды Q₅:

Q_п = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅. (16)

Методики тепловых расчетов и определения коэффициентов теплоотдачи были рассмотрены выше.

Оцинковку ванн электролизных цехов осуществляют чистым медью или алюминием, причем алюминиевые шины обычно применяют для подвода тока от преобразователя до электролизной серии. Токоподводящие шины выполняют, как правило, в виде пакета, состоящего из нескольких полос. Предельную нагрузку постоянным током на медные шины принимают не более 1 А/мм ², на алюминиевые - не более 0,75 А/мм ².

Для расчета сопротивления шины необходимо предварительно определить ее температуру. Расчет перегрева шины по отношению к температуре окружающего воздуха , °С, производят по формуле:

= (k I² / S P)10^-3, (17)

где, k - коэффициент теплоотдачи; для закрытых помещений k = 85, для открытого воздуха k=25;

S - Площадь поперечного сечения шины, м ²;

Р - периметр шины, м.

Сечение шины выбирают с таким расчетом, чтобы ее температура не превышала 75°С.

Удельное сопротивление медной шины при рабочей температуре (с учетом перегрева) _t, Ом·м, рассчитывают по формуле:

_t = 17,4 · 10^-9 (1 + 0,00429 t), (18)

алюминиевой шины по формуле:

_t = 29 · 10^-9 (1 + 0,00434 t), (19)

Наряду с сечением шинопровода не менее важное значение имеет состояние контактов, для нормальной работы которых необходимо обеспечить давление в месте соединения не менее 10-20 МПа. С этой целью контакт шин с электродом выполняют точечным, однако поверхность соприкосновения в месте контакта должна быть такой, чтобы обеспечить плотность тока не более 0,02-0,3 А/мм ².

Литература

1. Волобуев В.Ф. и др. Заготовка и переработка вторичных металлов. Харьков: Основа, 1992. 400 с.

2. Худяков и др. Технология вторичных цветных металлов. М.: Металлургия, 1981, 280 с.

3. Технологическая инструкция производства алюминовых сплавов в индукционных печах ИАТ-6М 2. Республиканское производственное объединение "Узвторцветмет". Ташкент.

4. Интернет сайты: www.picanal.narod.ru, www.bilimdon.uz, www.elibrary.ru/menu_info.asp, www.minenet.com, www.mining-journal.com/mj/MJ/mj.htm.

Размещено на Allbest.ru