鋅電解槽計算

1、3.1概述 工業(yè)上從硫酸鋅水溶液中電解沉積鋅有三種工藝：即低酸低電流密度法（標準法）；中酸中電流密度法(中間法)和高酸高電流密度法。目前我國多采用中酸中電流密度法的下限，低酸低電流密度法上限的電解法。表3-1為三種方法的比較。表3-1 鋅電積三種工藝的比較 工藝方法 電解液含 H2SO4（克/升）電流密度（安/米2） 優(yōu)缺點酸低電流密度法（標準法）110-130300-500耗電少，生產(chǎn)能力小，基建投資大中酸中電流密度法(中間法) 130-160 500-300生產(chǎn)操作比前者簡單，生產(chǎn)能力比前者大但比后者小基建投資小高酸高電流密度法220-3008001000 甚至大于1000生產(chǎn)能力大；耗電

2、多；電解槽結構復雜。3.2 設計任務 設計生產(chǎn)能力為7萬噸鋅錠的電解設備3.3 原始資料3.3.1 設進入電解槽的電解液成份如表3-2所示：表3-2 進入電解槽的電解液成份（克/升） 組 成 Zn Fe Cd Cu COMn（克/升） 120 0.045 0.005 0.0004 0.005 4.7203.3.2 電解后電解廢液成份如表3-3所示表3-3 電 解 廢 液 成 份 （克/升）組 成 Zn Fe Cd Cu COMn（克/升） 46 0.028 0.003 0.0002 0.005 3.217 3.3.3 一些技術條件及技術經(jīng)濟指標 用于制造鋅粉之鋅錠占年產(chǎn)鋅錠量的百分比，=0.0

3、28；年工作日為330日。 陰極鋅熔鑄直收率 1 = 97% 陰極電流密度 D陰 = 520安培 槽電壓 V槽 = 3.20伏 電流效率 i = 98% 陰極規(guī)格 長×寬×厚= 1000×666×4（毫米）3.4 工藝過程及設備計算3.4.1物料平衡及電解槽計算 陰極鋅成份的計算在電積過程中，一部分銅、鐵、鎘與鋅一齊在陰極上沉積，一升電解液得到的陰極鋅含金屬量如表3-4所示。表3-4 一升電解液沉積的金屬量（克）組 成 Zn Fe Cd Cu共計（克） 64.00 0.005 0.002 0.0002 64.0072 鉛-銀陽極在電解過程中被腐蝕，使一部

4、分鉛進入到陰極鋅中。設陰極鋅含鉛0.006%則進入到陰極鋅中鉛的量為： 克那么陰極鋅的成份如表3-5所示。表3-5 陰 極 鋅 成 份 組成 Zn Pb Fe Cd Cu 共計重量（克） 64.000.0038 0.0050 0.0020 0.0002064.0110 % 99.983 0.006 0.0078 0.003 0.0003 1003.4.2 所需電解槽數(shù)量的計算 （1）每日應產(chǎn)出的陰極鋅量的計算。 Q1=噸式中： Q1-每日應產(chǎn)出陰極鋅的數(shù)量，噸； Q -設計生產(chǎn)能力，噸鋅錠/年； -用于制造鋅粉之鋅錠占年產(chǎn)鋅錠量的百分比，%； m -年工作日，日； -陰極鋅熔鑄直收率，%。 Q

5、1=噸/日 （2）陰極有效總面積及片數(shù)的計算 陰極有效總面積的計算。 ×106 米2 式中： F-陰極有效總面積，米2 Q-每日產(chǎn)出的陰極鋅量，噸； D-陰極電流密度，安培/米2； -電流效率，%； 1.2195-鋅的電化當量，克/安培； 24-電解析出時間，小時。 F=×106=15086米2 陰極邊上裝有塑料絕緣條，沒邊各占區(qū)陰極板寬7毫米，陰極浸沒于電解液的深度為0.87米，則每片陰極的有效面積（按兩面計）為： f陰 =0.87×（0.666-0.007×2）×2=1.13米2故共需陰極片數(shù)n=片設一個電解槽裝陰極片32塊，則共需電解槽數(shù)

6、為：個每個電解槽的陰極總面積為： 1.13×32=36.16米2 取備用電解槽24個，則一共有電解槽560個。這就可把電解槽分為兩個系列。每個系列有280個電解槽，在每個系列中可按35個電解槽組成一組，共八組為一系列。3.4.3 電解槽內(nèi)部尺寸大小的計算 電解槽內(nèi)部寬度的計算。 設陰極邊緣到槽壁距離為95毫米，則電解槽內(nèi)寬為： B=666+2×95=856860毫米 電解槽內(nèi)部長度計算。 設每片陰極厚度為5毫米，每片陽極厚度為10毫米，陰陽極間距離為34毫米，電極到兩端壁距離為125毫米，每個電解槽有陰極片32片，陽極片33片。則電解槽內(nèi)部長度為： L=32×5+

7、33×10+32×2×34+125×2=2916毫米 電解槽內(nèi)部高度的計算。設槽內(nèi)液面至槽面的距離為100毫米；槽內(nèi)陰極浸入電解液的深度為880毫米；陰極下部端緣距槽低500毫米。則電解槽的內(nèi)高位： H=100+880+500=1480毫米故電解槽的內(nèi)部尺寸為： 長×寬×高 = 2916×860×1480 （毫米）電解槽容積（不設槽內(nèi)冷卻器）為： V槽 = L×B×H = 2.916×0.86×1.48 = 3.711米2 電解槽體的材料有木質(zhì)及鋼筋混凝土兩種。目前多采用鋼筋

8、混凝土電解槽。電解槽內(nèi)襯耐腐蝕的材料有：鉛皮、聚氯乙烯、環(huán)氧玻璃鋼、輝綠巖等。3.4.4 通過電解槽電流強度的計算一個電解槽的陰極總面積為36.16米2 故 電流強度 I=36.16×520 = 18803安培 設富余5.4% 則 I=18808×1.054 = 19818.362安培3.4.5 整流設備選擇整流設備總功率按下式計算。 式中： W-整流設備總功率，千瓦； Q-每天應產(chǎn)出的陰極鋅總量，噸； E-槽電壓，伏，取E=3.25伏 則 千瓦系列中的電壓降為總電壓降的1-2.5%，取1.5%，則總電壓降為： 280×3.20×（1+0.015）=90

9、9.44伏選用GHS-10000/0-800硅整流器。單臺功率8000千瓦。故需整流器臺數(shù)為： 臺 取4臺每系列由2臺硅整流器供電，總電流為：10000×2 = 20000安培。整流器設備功率與電解槽數(shù)量要求相適應。3.4.6 進入電解槽電解液數(shù)量的計算供給一個電解槽的電解液數(shù)量可按如下計算。 式中： Q-進入一個電解槽的中性電解液數(shù)量，升/小時； I-通過電解槽的電流強度，克/安培； q-鋅的電化當量，1.2195，克/安培 -電流效率，% N-電解槽數(shù)目，個 P-中性電解液含鋅量，克/升； p-廢電解液含鋅量，克/升。故 升/小時一個電解槽每天需中性電解液數(shù)量為： 303.7&#

10、215;24=7289升/天全部電解槽每天共需中性電解液數(shù)量為： 7289×417=3040米33.4.7 廢電解液數(shù)量的計算 一小時供中性電解液303.7 升，含鋅120克/升，此時電解液比重為1.258。因此中性電解液重量為： 公斤 在陽極上析出氧量為： 公斤 電極反應為： ZnSO4 + H2O Zn + H2SO4 + 1/2O2 (直流電) 析出的錳的量為： 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。 電解時有一部分電解液被蒸發(fā)而損失。設每平方米電解液表面每小時蒸發(fā)損失一公斤電

11、解液。電解液表面積為： S槽 S極 =2.5080.328 =2.18米2 則蒸發(fā)損失為： 2.18×1=2.18 公斤。 由于電解液飛濺液要損失一部分電解液，設為0.3% ，則飛濺損失為： 303.7×0.003=0.911 公斤 損失電解液量一共為： 2.18 + 0.911 = 3.09 公斤故 從一個電解槽每小時流出的廢電解液量為： 357.353.07 = 354.28 公斤/小時 設此時電解液的比重為1.18，則廢電解液的體積為： 升/小時3.4.8 進入陽極泥中各成分的計算 設陽極消耗的鉛量誒： 每噸陰極鋅為1.5 公斤。 則析出20.173 公斤鋅，消耗鉛量

12、為： 公斤進入陰極鋅中的鉛量為： 公斤進入陽極泥中的鉛量為： 0.03030.00012 = 0.03018公斤換算成 PbO2 = 公斤 （其中 Pb = 0.03018公斤， O2= 0.0462公斤）一個電解槽沉淀的錳量為0.456公斤 換算成 MnO2 = 公斤 （其中 Mn = 0.456公斤，O2=0.265公斤 ）故進入陽極泥的總量為： 0.03487 + 0.721 = 0.7558 公斤 （其中 O2 = 0.2998公斤）3.4.9 進入大氣中的氧量 4.804 0.004650.265 = 4.5344 公斤3.4.10 編制一個電解槽的物料平衡 根據(jù)以上計算結果，編制一

13、個電解槽的物料平衡，如表3-6所示。 表 3-6 一個電解槽的物料平衡 加 入 產(chǎn) 出 序 號 項 目 公 斤 % 序 號 項 目 公 斤 % 1中性液 382.0599.99 1陰極鋅19.437 5.09 2從陽極進入的鉛0.030180.01 2陽極泥0.75580.198 3廢電解液354.2892.72 4進入大氣中的氧4.53441.19 5損失3.070.8 6誤差-0.00292 共 計382.08018 共 計382.08012100 3.5 電解槽熱平衡計算通常以單個電解槽為基礎進行計算，然后計算出全車間或一個系列電解槽在電解過程中總的剩余熱量。電解槽熱平衡按下面式子計算。

14、 Q電流 + Q新 = Q廢 Q蒸 Q 濺輻傳余式中：Q電流- 電流通過產(chǎn)生的熱量，千卡/小時；Q新 - 新液帶入熱量，千卡/小時；Q廢 - 電解廢液帶走的熱量，千卡/小時；Q蒸 - 電解液表面蒸發(fā)損失的熱量，千卡/小時；Q 濺 - 電解液噴濺損失的熱量，千卡/小時；輻傳- 輻射、對流和傳導損失的熱量，千卡/小時；余 -剩余的熱量，千卡/小時。 3.5.1 熱收入 （1）電流通過電解液產(chǎn)生的熱量 Q電流 =0.239IEt×10-3 千卡/時式中： I - 通過電解槽的電流，18803安培； E - 為電解液、極板、陽極泥及濃差極化的電壓降。在一般情況下，占槽電壓的20%。即E=3.

15、20×0.2 =0.64伏 t - 通電時間，秒，3600秒；故 Q電流 =0.239×18803×0.64×3600×10-3 =10354 千卡/時。（2）新液帶入熱量 Q新 = m1 c1 t1 千卡/時式中： m1 -單位時間進入電解槽的新液重量，公斤/小時 c1 -新液比熱，千卡/公斤·； t1 -加入新液的溫度， 。從冶金計算得知，進入電解槽的新液量為：382.05公斤/時。電解液配液采用大循環(huán)方式進行，新液：廢液=1:5 ，要求混合后進入電解槽新液溫度為35，此時電解液的比熱為：0.78千卡/公斤·。 Q新=3

16、82.05×0.78×35=10430千卡/時 Q收= 10430+10354=20784千卡/時。3.5.2 熱支出（1） 廢電解液帶走的熱 廢電解液為354.28公斤/小時，設廢電解液溫度為40，此時電解液的比熱為0.8千卡/公斤·，則 Q廢=354.28×40×0.8=11337千卡/時（2）電解液表面蒸發(fā)損失的熱 Q蒸= S液表面×W×q汽式中： S液表面 -電解槽中電解液有效表面積，米2；已求出S液表面=2.18米2； W-電解液表面蒸發(fā)損失的水量，公斤/米2·時。根據(jù)銅電解液中水的蒸發(fā)量與溫度的關系可確

17、定40時電解液單位表面蒸發(fā)的水量W= 1.公斤/米2·時； q汽 - 40時水的汽化潛熱為578千卡/公斤。故 Q蒸 = 2.18×1.0×578 = 1260.04 千卡/時。 （3）電解液飛濺損失的熱量為：0.911公斤故 Q濺 0.911×40×0.8 =29.2千卡/小時。(4) 輻射、對流和傳導損失的熱 Q輻+傳 = (Q蒸 + Q濺 )=（1260.04+29.2）=143.2千卡/時 Q支 =11336+1260.04+29.152+143.2=12768.43.5.3 剩余熱 Q剩 =21108-12768.4=8339.6千卡

18、/時根基計算結果，編制熱平衡表如表3-7所示。表 37 鋅 電 解 槽 熱 平 衡 熱 收 入 熱 支 出 序 號 名 稱 千 卡 % 序 號 名 稱 千 卡 % 1電流產(chǎn)生熱 10515.850.34 1廢液帶走熱11336 54.74 2新液帶入熱 1043049.66 2電解液蒸發(fā)損失熱1260.04 5.8 3電解液飛濺損失熱29.1520.14 4輻射、對流、傳導損失熱143.20.66 5剩余熱8339.638.65 共 計20945.8100 共 計20945.8100 計算可知：鋅電解槽中熱量大大過剩。因此電解液必須冷卻。鋅電解液冷卻方法有以下幾種：（1） 槽內(nèi)冷卻； （2）真空蒸發(fā)冷卻； （3）冷卻塔冷卻。 表3-8為各種冷卻方法的適用條件及優(yōu)缺點。 冷卻方式的的選擇，需根據(jù)工廠的生產(chǎn)規(guī)模、電流強度、循環(huán)方式、溫度要求、氣候條件