课程设计电解槽.docx

年产 100000 吨 1#锌电解锌的锌电解沉积系统设计说明书指导教师：李超姓名：黄朝福班级：冶金 12-1 班学号：专业：冶金技术完成日期：2023 年 05 月 12 号至 2023 年 5 月 24 号名目第一章 冶金绪论1 锌的一些性质和用途介绍2 锌电解槽的概述其次章 冶金计算1 锌电解沉积过程的物料平衡和能量平衡计算2 锌电解沉积的技术条件和经济技术指标第三章 主要浸出设备及关心设备的选择与计算1 主要浸出设备浸出槽的选择与计算2 主要关心设备的选择与计算第一章 设计概述1 金属的性质及其在国民经济中的地位金属是一种具有光泽(即对可见光猛烈反射)、富有延展性、简洁导电、导热等性质的物质。金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。金属之间的连结是金属键，因此任凭更换位置都可再重建立连结，这也是金属伸展性良好的缘由。金属元素在化合物中通常只显正价。有色金属是国民经济、人民日常生活及国防工业、科学技术进展必不行少的根底材料和重要的战略物资。农业现代化、工业现代化、国防和科学技术现代化都离不开有色金属。例如飞机、火箭、卫星、核潜艇等尖端武器以及原子能、电视、通讯、雷达、电子计算机等尖端技术所需的构件或部件大都是由有色金属中的轻金属和烯 有金属制成的；此外，没有镍、钴、钨、钼、钒、铌等有色金属也就没有合金钢的生产。有色金属在某些用途如电力工业等上，使用量也是相当可观的。现在世界上很多国家，尤其是工业兴旺国家，竞相进展有色金属工业，增加有色金属的战略储藏。有色金属工业包括地质勘探、采矿、选矿、冶炼和加工等部门。矿石中有色金属含量一般都较低，为了得到 1 吨有色金属,往往要开采成百吨以至万吨以上的矿石。因此矿山是进展有色金属工业的重要根底。有色金属矿石中常是多种金属共生，因此必需合理提取和回收有用组分，做好综合利用，以便合理利用自然资源。很多种稀有金属、贵金属以及硫酸等化工产品，都是在处理有色金属矿石或中间产品以及矿渣、烟尘的过程中回收得到的。有色金属生产过程中通常产生大量废气、废水和废渣，其中含有多种有用组分，有时含有有毒物质， 一些有色金属也具有毒性。因此，在生产有色金属的过程中,必需留意综合利用与环境保护。此外,与钢铁的生产相比，一般说来，有色金属生产需要的能量是比较多的。据统计，如从矿石生产每吨钢能耗以 100 计，镁为 1127，铝为 767，镍为 455，铜为 352，锌为 206。因此，在有色金属工业中，降低能耗问题格外突出。在有色金属的开采、选矿、冶炼、加工及再生回收过程中,有多种提取方法可资选用。就冶炼过程而言,通常分为火法冶金、湿法冶金和电冶金。火法冶金一般具有处理精矿力量大,能够利用硫化矿中硫的燃烧热,可以经济 地回收贵金属、稀有金属等优点；但往往难以到达良好的环境保护。湿法冶金常用于处理多金属矿、低品位矿和难选矿；电冶金则适用于铝、镁、钠等活性较大的金属的生产。这些方法要针对所处理的矿物组成选择使用或组合使用。为了强化有色金属的冶炼加工过程,进展了一系列技术、方法和设备，如高压浸取、流态化焙烧、有机溶剂萃取、离子交换、金属热复原、区域熔炼、真空冶金、喷射冶金、等离子冶金、氯化冶金以及连续铸轧、等静压加工、集中焊接、超塑成型等，大大丰富了冶金学的理论和工艺，不断推动了有色金属生产的进展。有色金属大多是加工成材后使用，因此如何合理有效地生产性能良好、物美价廉的有色金属材料以取得最大的社会经济效益，是个格外重要的问题。随着科学技术的进步与国民经济的进展，对于有色金属材料在数量、品种、质量及本钱等方面不断提出的要求；不仅要求供给更好性能的构造材料、功能材料。对其化学成分、物理性能、组织构造、晶体状态、加工状态、外表与尺寸精度以及产品的牢靠性、稳定性等方面的要求也越来越高。总的说来，有色金属材料的生产正向大型化、连续化、自动化、标准化方向进展，这就需要高精度、高牢靠性的工艺、装备、把握技术与成品检测技术。一些材料，如半导体材料、复合材料、超导材料，技术如粉末冶金、外表处理等已经形成或者正在进展成为一个的技术领域2 锌的性质及其在国民经济中的地位1. 锌的物理性质金属锌是银白色略带蓝灰色的金属，断面有金属光泽，晶体构造为密排六方晶格。锌在熔点四周的蒸汽压很小，液体锌蒸汽压随温度的上升而急剧增大，这是火法炼锌的根底。在不同温度下锌的蒸汽压如下：温度 /K692.577397311801223蒸汽压 /Pa21.9188.98151.1101325150439.1在室温下锌很脆，布氏硬度为 7.5。加热到 373423K 时锌变得很松软，延展性变好，可压成 0.05MM 的薄片，或拉成细丝。当加热到523K 时则失去延展性而变脆。锌的主要物理性质如下：性质单位数值性质单位数值半径pm83(Zn2+)，125共价，133.2Zn2+，汽化热kj /mol114.2熔点K692.73密度Kg /m37133300K沸点K1180热导率W/(m·K)116(300K)溶化点Kj /mol6.67电导率·m5.916×108293K2. 锌的化学性质锌是元素周期表中第四周期族元素，元素符号 n，原子序数30，相对原子质量 65.39。锌原子的外电子构型为【Ar】3d10 4s2 ，在形成化合物时简洁失去 4S 轨道上的 2 个电子，+2 是锌离子常见的价态。锌具有较好的抗腐蚀性能，在常温下不被枯燥的空气、不含二氧化碳的空气或枯燥的氧所氧化。但与含有CO2 的湿空气接触时外表生成一层灰白色致密的碳酸锌ZnCO3·3Zn(OH)2 薄膜，保护内部锌不再被腐蚀。锌在熔融时与铁形成化合物，冷却后保存在铁外表上，保护钢铁免受浸蚀。商品锌易溶于盐酸中、稀硫酸和碱性溶液中。锌的主要化合物有硫化锌、氧化锌、硫酸锌和氯化锌。3. 锌在国民经济中的作用金属锌的最大用途是镀锌，约占总耗锌量的 40%以上；其次是用于制造各种品牌的黄铜，约占总耗锌量的 20%；压铸锌约占 15%左右； 其余 20%25%主要用于制造锌基合金、干电池、氧化锌、建筑五金制品及化学制品等。锌广泛用于航天、汽车、船舶、机械、建筑、电子及日用工业等行业。电解槽的概述：锌的氧化物多用于橡胶、陶瓷、造纸、颜料工业；氧化锌在用作木料的腐蚀剂，硫酸锌用于制革、纺织和医药等工业。电解槽主要由左右端压板、左右端极板、左右极板、中间极板、镍丝网、隔膜垫片等组成。整个槽体由二块端压板和六根拉紧螺栓将它们夹紧。二组电解小室成串联形式。 电解槽体的每个小室由阳极板、阳付极网、石棉隔膜布、阴极付网、阴极板及绝缘垫片组成。除左右端极板外，每块极板都是双极性的，朝着中间极板的一侧是阴极，背对的一侧是阳极。阴极侧产生氢气，阳极侧产生氧气。每块极板(除端极板)组件都是由主极板和极框焊接后镀银面成。主极板上的形成的空间里流淌。乳头还有输电的作用。极框本身是不参与电解的，乳头起支承付极网和石棉隔膜布的作用。电解液可以在乳头和隔膜布它比主极板厚得多。当它与绝缘密封垫压紧后，框内自然形成空间，保证氢(氧)碱液的流淌。在极框上下部开有很多孔，并在其二侧沿径向分别开有很多沟槽与这些孔相通，使每个电解小室的阴阳极侧分别与相应的孔道相通。大修时左、右极板只是做部件外表镀镍检察和酸洗处理，有个别极板有脱镀现象应更换。阴负极网是由镍丝网编织后经过喷涂处理的镍丝网涂层名义成分为 Ni 80% 、Ai 20%。镍丝网涂层在 90、30的 KOH 溶液中强制循环下运行，涂层脱落比较严峻，长期运行后，网可设备性能大幅下降，电能耗大，应更换。3、石棉隔膜布与绝缘密封垫通过模压方式制作成一体，形成部件-石棉隔膜垫。它的周边是环状绝缘密封垫，中间为石棉隔膜布。绝缘密封垫承受F46名义成份压制而成。石棉隔膜布在烧碱溶液中耐碱性有肯定的要求，只能在 90以下长期使用。设备长期运行后，石棉纤维脱落，孔隙增大，将导致氢氧气体的直接混合，绝缘密封垫，经过长期热胀冷缩和挤压，越来越薄，直至失去弹性，甚至裂开影响设备安全运行,大修时将全部更换。其次章 冶金计算给定的资料1.液成分mg/LZn(g/L)Mn2+g/LFe2+As3+Sb3+Bi3+Ge4+Ni2+1451702.53.5160.70.70.50.041Co2+Cu2+Cd2+Pb2+Cl-F-20.322.50.171382 工厂用水含氯 60mg/L，含氟 30mg/L. 最高温度 32，最低 143 夏天最高气温 37，冬天最低气温 3 年平均湿度 654 电解阴极周期 23h冶金计算过程1 锌电解沉积过程的物料平衡计算计算所使用的资料（1） 冶炼总回收率 95（2） 阴极锌电炉熔铸锌直接回收率 97.5（3） 液含锌 150g/L 电积析出锌 96g/L（4） 液含锰 3.5g/L，废电解液含锰 3.0g/L（5） 产出 1t 阴极锌消耗铅阳极 4.5 （6） 阴极锌平均含铅取 0.005（7） 液密度 1.33 kg/L，废电解液密度 1.25kg/L（8） 电积过程中因喷溅,滴漏,跑液等不能回收损失的锌量占进料总锌量的 0.36以 100kg 锌精矿计算阴极锌产量阴极锌含金属量：100´ 0.5126´ (1- 0.005)= 52.3115 0.975净化除铜镉消耗锌粉 1.1165 。此锌粉的一局部来自于阴极锌，经熔化,压缩空气喷吹制得，另一局部来自于浮渣处理。吹制锌粉还需要 0.7975 的阴极锌。阴极锌含金属锌的总量为：52.3115+0.7975=53.109 ,阴极锌含锌 99.99，其产量为53.109 = 53.104 。0.9999进入电积的液量及其各分组的含量电积需要液量：53.109´1000 = 559.042 L 或559.042´1.33 = 743.526 95其中：ZnSO4559.042´150´ 161.4 ´10-3 = 206.948 65.4H2O743.526 - 206.948 = 536.578 生成阳极泥的量进入阳极泥的锰量为559.042´3.5 - 3.0= 0.279 ， MnO量：100020.279´ 87 = 0.441 其中含O 量： 0.441- 0.279 = 0.162 55产出的阴极锌 53.109 ，耗铅量为：53.109´ 4.5 = 0.239 ，53.1091000阴 极 锌 中 含 铅 53.109´ 0.0005 = 0.0026 ， 进 入 阳 极 泥 之 铅 量0.239-0.0026=0.236 换算为 PbO 量： 0.236´ 239.2 = 0.273 其中207.2含 O 量：0.273-0.236=0.037 2阳极泥中MnO0.162 + 0.037 = 0.199 PbO和2为：0.441+ 0.273 = 0.714 ，其中含 O 量：电积时进入大气中的氧量电积时阳极含氧量：53.109´ 1665.4= 12.993 进入到大气中的氧量：12.993- 0.199 = 12.794 电积得到废电解液量及成分42电积过程，溶液中ZnSO 和 H O 分解为：ZnSO453.109´ 161.465.4= 131.067 ´H O53.10918´265.4= 14.617 生成的HSO 量： 53.109982465.4= 79.582 得到的废电解液中各组分的量为：4ZnSO206.948 -131.067 = 75.8812H O536.578 -14.167 = 521.961H SO79.58224废电解液总重量为： 75.881+ 521.961+ 79.582 = 677.424 废电解液的总体积为： 677.4241.25= 541.939L电积过程不能回收的损失的锌量电积过程不能回收损失的锌量占精矿总锌量的 0.36，即57.48´ 0.0036 = 0.206 溶液中带走的ZnSO4量： 0.206 ´ 161.4 = 0.51165.4伴同带走的H SO量 ： 0.511´ 74.759= 0.5362458.322伴同带走的HO 量： 0.511´ 503.284= 3.685 258.322共损失： 0.511+ 0.536 + 3.685 = 4.732 输出废电解液量在电积和冷却过程中，电解液中水分的分解和蒸发量为废电解液量的10，即： 541.889´ 0.1 = 54.1889 L扣除过程中不能回收的损失，得到废电解液中：ZnSO475.881- 0.511 = 75.37 H2SO479.582 - 0.536 = 79.046 H2O521.961- 3.685 = 518.276 输出的废电解总量为 75.37 + 79.046 + 518.276 = 672.692输出的废电解总体积为废电解液成分：672.692 = 538.154L1.25Zn:75.37 ´65.4 ´1000161.4= 56.75g/LH SO538.15479.046 ´1000 = 146.884g/L24538.154以上计算结果 列于下表：阳极铅合计0.2386产出：阴极锌53.10999.9953.1040.00050.0026废电解液541.93956.7534.688放出氧气12.794阳极泥0.7140.236蒸发出水54.1889蒸气损失0.206总计87.9980.2386工程数量ZnPb559.042g/L液L15087.9982 电解槽热平衡计算：以单个槽为计算根底，然后计算出全车间或一个系列电解槽在电积过程中总的剩余热量。电解槽热平衡按下式进展计算：Q+Q=Q+Q+Q+Q+Q电流废蒸发溅出辐射+传余KJ/h式中:电流Q电流通过产生的热量 KJ/hQ 液带入的热量 KJ/h废Q废电解带走的热量 KJ/h蒸发Q电解液外表蒸发损失的热量KJ/h辐射 传热Q+辐射，对流和传导损失的热量KJ/h电流Q= 0.239 ´ 4.1868IEt ´10-3KJ/h式中 I-通过电流，A；E-电解液，极板，阳极泥及浓差极化之电压降，V; t 通电时间，SQ=m1C1t1kJ/h试中 m1-单位时间进入每槽的液量，kJ/h; C1-液比热 ，kj/(kg.);t1-参加液温度，废Q=m2c2t2 kJ/h式中 m2-每槽排出废电液的量，kJ/hc2-废电液比热 ，kJ/(kg.) t2-排出废电液温度Q 蒸=S液外表WrzkJ/h试中 w-每槽液外表蒸发的水量，kg/(m2h )rz-水的气化潜热，kJ/kg-S-电解槽中溶液有效外表积，m2液外表S=S 槽S 极液外表S电解槽溶液外表积，m2；槽S 极极板占有外表积 m2Q 溅=0.003Q 液 kJ/hQ= 1 Q 9+QkJ/h蒸溅计算承受原始资料1电流强度 I=18800A电流密度Dk=520A/m2 (2)液含 Zn150g/l,温度 453废电液含 Zn45g/l,温度 40(4)每槽装阴极片 32 片，阴极尺寸：1000×666×4mm(5)电解槽尺寸：长 2.5m 宽 0.83m6同级中心距 62mm热收入： 1 电流通过产生的热量 QE=E+E+E液导电流阳极泥试中 E 液电解液电压降 V，E导体电压降，工厂实践值 0.05V导 E阳极泥及浓差极化电压降，V,工厂实践值为 0.3E 液阳极泥kE 液= D pL V试中 p电解液的比电阻 取=3.30:；1000L 极板外表距离。cm 当同极中心距为 62mm 时6.2 -0.6 + 0.4L = 2.6cm2带入公式 E= 520´ 3.3´ 2.6= 0.446V液10000E 阳极泥=0.3×0.446=0.134vE=E 液+E 导+E 阳极泥=0.446+0.05+0.134=0.63v生产中，由于电解液含杂质及导体接触不良等因素影响， E 之实际值较计算值约高 5，故：E = 0.63´ (1+ 0.05) = 0.662V将 E ,I, t 值带入公式：电流Q= 0.239 ´ 4.1868IEt ´10-3KJ/h= 0.239 ´ 4.1868 ´18800 ´ 0.662 ´ 3600 ´10-3=44832kJ/h主要的经济技术指标主要技术经济指标锌电积的主要技术条件和指 标有电能消耗、电流效率、槽电压和电锌质量。 电能消耗湿法炼锌每生产h 电锌锭消耗电能 3800 一 400Okw·h，电耗是构成电锌本钱的重要局部。 而锌电解沉积的电单耗达 300。一 3500kw·h，为总电 能耗的79%一 55%。 因此，降低锌电解沉积的电能消耗，对降低电锌成 本意义重大。从电解沉积电能消耗公式: 电能消耗(kW·h/t) 槽电压(V)只 100 锌的电化当量(g/(A·h)x 电流效率(环) 可知，锌的电化当量为一恒量，为降低电能消耗，应采 取一切措施提高电流效率和降低槽电压。 电流效率定义为实际产出的锌量和通过一样电 量时，理论上应得的锌量比的百分数。生产中，除由于 漏电和短路引起电流效率下降外，阴极上氢的析出是 使电流效率下降的主要缘由。因此，提高氢在阴极 L 的 超电位，就可以提高锌电解沉积的电流效率。生产上常 承受提高电流效率的措施有:提高电流密度(阴极电流 密度一般为 35。600A/mZ)，把握好电解液的温度 (常把握在 308313K)，加速电解液的循环，稳定电解92%。液成分并合理使用添加剂。正常生产的锌电解沉积的电流效率为 88%一槽电压是影响锌电解沉积电能消耗的重要技术参数，降低槽电压就能相应降低电能消耗。槽电压由硫 酸锌分解电压(占槽电压的 75%一 80%)，电解液电阻 电压降(占13%一 17%)，阴、阳极极板电阻电压降 (占 1%一 1，3%)，阳极泥电阻电压降(占 5%一6 写)及 各接触点电阻电压降(1%一 1.4%)组成。一般工厂的 锌电解沉积槽电压多把握在 3.3 一 3.4V，如电流密度 和极间距过大，也可能到达 3.5 一 3.6V。可实行降低槽 电压的措施有:使接触点导电良好，定期刷洗阳极泥， 保持电解液中适宜的镁、锰等离子的浓度。第三章 主要浸出设备及关心设备的选择与计算依据冶金计算结果，浸出工段主要设备的计算和选型如下。浸出工段的主要设备有：球磨机，浸出槽，浓缩机和过滤机。浸出槽拟承受混凝土槽，内衬聚酯玻璃钢和耐酸瓷砖的机械搅拌槽。监于目前带式过滤机和劳式压滤机价格昂扬且滤布耐用性能较差，设计承受常规的框式过滤机和圆盘过滤机。1、 球磨机球磨机台数按以下计算：mN =a式中 N-球磨机台数m-处理的干焙烧矿量，187838.14 t/aa-球磨机生产力量，t/(h·台)900×1800mm 温式球磨机生产力量 3 t/h所需球磨机台数N 为N =187838.14= 3.48台7.5 ´ 300 ´ 24选用900×1800mm 温式球磨机 5 台，4 台工作，1 台备用。中性浸出槽2、浸出槽数量按下式计算：N = 24VohQt式中 N-浸出槽数，个Q-日浸出矿浆量，m3取 580 m3 t-作业周期时间，h(取 5h)Vo-浸出槽体积，m3取 50 m3h -槽体容积利用系数，取 0.85N= 1841.56 ´ 3.5= 3.48台24 ´100 ´ 0.85选用300×5000mm 容积50 m3的机械搅拌槽5台，4台工作，1台备用。3、中浸浓缩机浓缩机面积按以下计算：A = Qa式中 A-需要的浓缩机面积，m2Q-需要的上清液量，m3/d取 3443.70 m3/d a-单位面积上清液产率，m3/m2·d取 4.5 m3/m2·dm2浓缩机台数按下式计算：N = Af式中 N-浓缩机台数f-每台浓缩机的沉降面积，m29m 浓缩机面积 63.5 m2 所需中浸浓缩机台数N 为台选用9m 浓缩机 3 台，2 台工作，1 台备用。4、低酸浸出槽低酸浸出槽台数N 为台选用4300×5000mm 容积为 50 m3 的机械搅拌槽 3 台，2 台工作， 1 台备用。5、低酸浸出浓缩机浓缩机台数按下式计算：N =Q a · f式中 Q-需要的上清液量，经计算为 1006.8m3/da-单位面积上清液产率；m3/m2·d按 4.5 m3/m2·d计f-所选浓缩机的沉降面积为 255 m2台选用9m 浓缩机 1 台6、酸浸渣过滤机1框式过滤机过滤机台数按下式计算:N =Q= 265 ´1000= 2.61台A × q145 ´ 700式中 N-过滤机台数，台Q-需处理的干渣量，kg/dA-每台过滤机的过滤面积，m2使用 51 m2/台的q- 过滤机单位面积过滤的干渣量， kg/ m2 · d 选400kg/( m2·d)选用 51 m2 框式过滤机 3 台，并设 2300×1700×3100 木耳槽 6 个2圆盘真空过滤机N =Q= 265 ´1000= 4.18台A × q51´1200式中 N-过滤机台数，台Q-需处理的干渣量，kg/dA-过滤机过滤面积，m2选用 39 m2/台q-过滤机干渣过滤力量，kg/( m2·d)选 700 kg/( m2·d) 选用PG39-2.7/4 型圆盘过滤机 6 台，5 台工作，1 台备用。工段内物料固体和液体输送分别由胶带输送机和耐酸泵完成， 机械水平较高。