Электролитическое рафинирование меди

align="justify">      Общий объем электролита в ванне 4,134 м³. Полный объем электролита в цехе рассчитываем по формуле:

      V_ц = 1,2·V_эл·N_p, где 1,2 – коэффициент запаса; V_эл – объем электролита в ванне; N_p – количество ванн в цехе. Подставив численные значения, получим:

      V_ц = 1,2·4,134·2317 = 11494,1736 м³.

      Предельное  содержание примесей в электролите, г/л, примем равным: никеля – 25; железа – 1; цинка – 25.

      Электролит  обогатится до предельного содержания за следующее время: по никелю за (11494,1736 ∙25)/ 443,9207 = 647 сут; по железу за (11494,1736 ·1)/ 67,55315 = 170 сут; по цинку за (11494,1736∙25)/ 48,25225 = 5955 сут;

      Следовательно, ведущей примесью является железо, содержание которого в электролите  достигает предельного значения за 170 сут. Для поддержания концентрации в электролите железа и других примесей на допустимом уровне следует  ежесуточно выводить из циркуляции и  направлять в купоросный цех определенное количество электролита. Найдем его  объем.

      Из  анодов переходит в электролит железа 67,55315 кг/сут. Следовательно, ежесуточно в купоросный цех необходимо выводить электролита:

      67,55315:1 = 67553,15 л (67,55315 м³)

      В купоросном цехе электролит перерабатывается с получением катодной меди, медного  и никелевого купороса.

 

      4.6 Определение числа  ванн регенерации

      При электролитическом рафинировании  медь в раствор электролита переходит  как электрохимическим путем, так  и в результате химического взаимодействия по реакции:

      Cu + O₂ +H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

      Вследствие  коррозии анодов в электролит переходит  дополнительно 2 – 3 % меди.

      Принимаем, что химическим путем растворяется 2,1 % меди анодов. Чтобы концентрация меди в электролите оставалась на заданном уровне, необходимо избыточное количество меди выводить из электролита, находящегося в циркуляцию Корректировка  содержания меди в электролите достигается  путем вывода части электролита  в купоросный цех, а также электролизом в ваннах с нерастворимыми анодами. С этой целью в цехе устанавливается  определенное число ванн регенерации.

      При производительности цеха 796,8 т/сут катодной меди электрохимически растворяется 965,045т/сут  анодной меди. При этом за счет коррозии в раствор перейдет

      965,045·0,021 = 20.27 т меди.

      С электролитом в купоросный цех выводится  меди

      40·67,55315 = 2702,126 кг/сут.

      Таким образом, в ваннах регенерации из электролита необходимо удалять  меди 20,27 – 2,95 = 17,32 т/сут.

      При производительности ванны регенерации, равной производительности товарной ванны (796,8:2317 = 0,344 т/сут меди), количество ванн регенерации должно равняться 17,32:0,344 ≈ 50 шт.

      4.7 Тепловой баланс  ванны

      Тепловой  баланс ванны составляется для нахождения статей прихода и расхода тепла. При осуществлении процесса рафинирования  на умеренных плотностях тока (250 – 300 А/м²) расход тепла превышает приход, что делает необходимым подогрев электролита для поддержания заданной температуры в ванне.

      Приход  тепла.Учитываем только тепло, которое непосредственно идет на нагревание электролитов и электродов.

      Греющее сопротивление ванны слагается  из сопротивления электролита, шлама  и ЭДС поляризации. Приход тепла  за 1 ч может быть определен по формуле:

        где R_гр = R_эл + R_шл + R_ЭДС, здесь R_эл – сопротивление электролита; R_шл – сопротивление шлама; R_ЭДС – сопротивление ЭДС поляризации. Подставляя численные значения, получим:

      R_гр = (1,402 + 0,247 + 0,25) · 10^-5 = 1,899·10^-5 Ом; 

      Расход  тепла ванной слагается из тепла, затрачиваемого на испарение воды из электролита, на потери, связанные с лучеиспусканием и конвекцией, теплопроводностью стенок и дна ванны.

      Потери  тепла с испаряющейся водой

      Площадь дна ванны равна 4,3·1,05 = 4,515 м². Часть этой площади составляет поверхность электролита, другая часть занята анодами и катодами.

      Вычислим  площадь зеркала, занимаемую 40 катодами шириной 950 мм и толщиной 1 мм (40·0,95·0,001 = 0,038 м²), 39 анодами шириной 925 мм и толщиной 40 мм (39·0,925·0,04 = 1,44 м²).

      Следовательно, свободная поверхность( зеркало) электролита  составит 4,515 – (0,038 + 1,44) = 3,037 м².

      Количество  испаряющейся воды с 1 м² зеркала ванн за 1 ч в от температуры электролита приведен в таблице 4.4.

 

    Таблица 4.4 Зависимость количества испаряющейся воды от температуры

 

      При температуре 60 °С, с каждого 1 м² зеркала электролита испаряется воды 4,18 кг/ч, а со всей поверхности ванны –

      4,18·3,037 = 12,695 кг/ч.

      Теплота парообразования воды при температуре 60 °С составляет 2356 кДж/кг. Каждая ванна  за счет испарения воды за 1 ч теряет следующее количество тепла:

      Q_исп = 2356·12,695 = 29909,42 кДж.

      Потери тепла зеркалом электролита

      Тепло теряется лучеиспусканием и конвекцией. Определим величину этих потерь, используя  уравнение Фурье:

      Q_изл = kF(t₁ – t₂),

      где k – коэффициент теплопередачи, определяемый по уравнению Стефана-Больцмана: 
 

        здесь С - коэффициент, равный 3,2 для зеркала электролита; Т₁ и Т₂ - соответственно, температуры электролита и окружающего воздуха, К.

      Примем  температуру воздуха в цехе t₂ равной 20 °С, тогда

   

кДж/(м²·ч·град); 

      Q_изл = 39,64·3,037·40 = 4815,47 кДж/ч.

      Потери  тепла железобетонной поверхностью ванны

      Величина  этих потерь также определяется по уравнению Фурье: Q_изл = k’F(t₁ – t₂).

      Температуру наружных стенок ванны принимаем  равной       35 °С, температуру  в цехе – 20 °С, коэффициент С для  железобетона – 4,1. Тогда коэффициент  теплоотдачи k’ = 34,85 кДж/(м²·ч·град).

      Зная  габариты ванны, определим величину внешней поверхности торцевых и  боковых стен и дна ванны.

      Величина  поверхности торцевых стен

      S_T = 2·(1050·1155)/10⁶ = 2,43 м².

      Величина  поверхности боковых стен

      S_б = 2·(4300·1155)/10⁶ = 9,93 м².

      Величина  поверхности дна

      S_Д = 4300·1050/10⁶ = 4,52 м².

      Потери  тепла торцевыми стенками:

      Q_т = 34,85·2,43·(35 – 20) = 1270кДж/ч;

      Боковыми  стенками:

      Q_б = 34,85·9,93·15 = 5191 кДж/ч;

      Дном:

      Q₁ = 34,85·4,52·15 = 2363 кДж/ч.

      Потери  тепла дном и стенами ванны

      Q_ст = 1270+ 5191 + 2363 = 8824 кДж/ч;

      Q_расх = Q_исп + Q_изл + Q_ст = 29909,42 + 4815,47 + 8824 = 43548,89 кДж/ч.

      Недостаток  тепла, который должен быть скомпенсирован подогревом электролита паром в  теплообменнике, определяют разностью:

      Q_расх – Q_прих= 43548,89 –17083= 26465,89 кДж/ч,

      а для всех ванн он равен

      26465,89·2317 ≈ 61,32·10⁶ кДж/ч.

      При нахождении расхода пара на подогрев электролита необходимо учесть потери тепла в трубопроводах при  циркуляции электролита. Для этого  сначала рассчитаем количество электролита, протекающего по всем трубопроводам  цеха за 1 ч при скорости циркуляции 1,2 м³/ч. При объеме электролита в ванне, равном 4,134 м³, и принятой скорости циркуляции полная смена электролита в ванне произойдет за 4,134:1,2 = 3,5 ч.

      Суммарный объем электролита в ваннах равен 4,134·2317 = 9578,5 м³.

      Тогда за 1 ч по трубопроводам цеха должно протекать 

      9578,5:3,5 = 2737 м³ электролита.

      Принимаем, что снижение температуры электролита  в трубопроводах на участке от ванны до подогревателя и обратно  равно      1 °С. Плотность  электролита принимаем равной 1,17 г/см³, а удельную теплоемкость – 3,43 Дж/(г·°С).

      Тогда потеря тепла за 1 ч в трубопроводах  составит

      2737·1,17·3,43·2  ≈ 22·10⁶ кДж/ч.

      Таким образом, общее количество тепла, которое  необходимо передать электролиту в  теплообменнике, составит

      (61,32 + 22)·10⁶ = 83,32·10⁶ кДж/ч.

      4.8 расчет теплообменника

      Принимаем, что для подогрева электролита  применяются змеевиковые теплообменники, одновременно являющиеся напорными  баками в системе циркуляции раствора.

      Змеевик теплообменника спиральный, сделан из свинца. Теплоноситель – водяной  пар с давлением 2,6 кг/см², температурой    128 °С, плотностью 1,4·10^-3, теплосодержанием 2719 кДж/кг. При температуре конденсат, вытекающего из теплообменника, 90 °С 1 кг пара отдает электролиту тепла:

      2719 – 1·90·4,184 = 2342 кДж.

      Рассчитаем  необходимое количество пара для  подогрева всего электролита  в цехе в течение часа:

      61,32∙10⁶/2342 = 26183 кг/ч ≈ 26,2 т/ч.

      В сутки расход пара составит 26,2·24 = 628,8 т, а на 1 т катодной меди – 628,8/959 = 0,656 т.

      Количество  тепла, которое передается от пара к  электролиту в теплообменнике на участке конденсации пара за 1 ч,

      Q₁ = 26183·[2342 – (1·1·100·4,184)] = 50,37∙10⁶кДж/ч.

      Поверхность змеевика на участке конденсации  пара определяем по формуле:

       F₁ = Q₁/[k₁·(t₁ – t₂)],

      гдеt₁ – t₂ – средняя разность температур конденсата и электролита; k₁ – коэффициент теплопередачи на участке охлаждения конденсата. Принимаем t₁ = 100 °С, t₂ = 59 °С.

      Коэффициент теплопередачи рассчитываем по формуле: