錳電解車間設計

㈠電解錳的工藝選擇與論證；㈡冶金計算物料平衡計算（溶液平衡、金屬平衡及酸平衡）和熱平衡計算；㈢主體設備的選擇；㈣工程圖紙的繪制：主體設備連接圖、工藝流程圖一張；㈤英語論文翻譯。論文內容論文特色㈠查閱較多資料，從熱力學分析，確定了較準確的電解過程參數；㈡本設計重視節(jié)能環(huán)保，從多方面提出節(jié)能措施；㈢在除雜和使用添加劑方面做出了探討，使本設計具備了生產高純電解錳的能力；㈣計算認真，對電解槽自然冷卻系數α、泵選型等做出了比前人更為精確的計算。摘要11.1電解錳過程的熱力學分析陰極發(fā)生Mn2+得電子的還原反應！我們知道：電位越高，得電子能力越強！怎樣保證錳優(yōu)先析出呢？根據能斯特方程：fMn=-1.1795+0.0951㏒[Mn2+]-ηMn

fH2=-0.0591PH-ηH

所以，依靠①增大[Mn2+]②增大氫超電壓ηH

.㈠根據塔菲爾公式η=a+b㏒DK

a值的重要性遠大于b；低的電解溫度是確保高的塔菲爾值a的主要條件；㈡加入氨，可以使fH降大于fMn降，從而有利于Mn的優(yōu)先析出。加氨還生成

配合物，增加溶液穩(wěn)定性。21.1電解錳過程的熱力學分析電解反應中，陽極為正極（高電壓），發(fā)生氧化反應，失電子。在陽極同時發(fā)生析MnO2與析O2兩個競爭反應：MnO2+4H++2e=Mn2++2H2OfMn=1.229-0.1192pH；O2+4H++4e=2H2OfO=1.229-0.0591pH；由右圖可看出，溫度升高有助于增大兩者電勢差（即，Mn2+更易失電子，MnO2更易生成），這是不希望的。31.2電解錳的工業(yè)生產電解（電解沉積）總反應式為MnSO4+H2O=Mn+O2+H2SO4反應是在木制假底鋼筋水泥PVC襯里的隔膜電解槽中進行陽極材料為鉛基合金，廣泛應用于硫酸鹽介質陰極材料為18Cr12Ni8Mo不銹鋼合金，或鈦板。原因是在電解液中不溶解、電阻率低、氫過電位高、彎曲性和彈性好。使用不銹鋼前要在含有小量硅酸鈉的溶液中浸泡作緩沖處理，鈦板則不需要。

由于在硫酸錳水溶液中電解錳時，陰極室必須處于中性偏堿（7～8）狀態(tài)才能析出錳，而陽極在電解過程中放出H+，為酸性，必須區(qū)分陰極室和陽極室的不同電解效應。槽中設有假底是為更好的密封性。隔膜材料選用濾布即可。4⑴新液凈化后的溶液。除重金屬、CaSO4等。Mn34～38g/l，(NH4)2SO4100～120g/l，pH6.5～7

⑵陰極液Mn15～18g/l

（NH4）2SO4

120～140g/l（無硒）

⑶陽極液Mn14～15g/l

H2SO4

40g/l1.2電解錳的工業(yè)生產電流密度電解液成分

槽電壓與電耗

電解液溫度電解參數①升高溫度可以增加溶液的電導，減少能耗，但溫度過高會降低電流效率。②溫度偏低沉積錳會生成樹枝狀結晶，高于45℃則會形成粗晶粒③低的電解溫度是確保高的塔菲爾值a的主要條件，從而保證高的電流效率

因此，工業(yè)上采用的電解溫度為38～44℃。Mn2+在高pH的條件下，很容易被氧化成高價錳化合物MnOOH(Mn2O3·3H2O)和MnO2。為防止Mn2+氧化，必須加入抗氧化劑使溶液保持還原性

V槽=V分+V液+V極+V泥+V接=4.6～5V其中V分=fO2/H2O-f

Mn2+/Mn

=2.5V國內錳電解電流效率一般達到68%左右，則每噸錳的電解電耗

6200KW·h

陰極沉積時間

⑴陰極電流密度為抑制氫超電壓，電解錳生產中采用較高的陰極電流，以提高陰極電流效率；電流密度過低或過高都會降低電流效率。一般采用350～400A/m2

⑵一般采用680～800A/m2高電流密度，以減少陽極上析出的MnO2量

隨著電解時間的延續(xù)，陰極析出錳表面變粗糙，甚至產生粒狀或樹枝狀結晶，電流效率降低，所以電解時間不宜過長。國內析出周期一般為24h。

51.3工藝流程選擇論述及節(jié)能與品質改進探討

國內生產電解錳的原料為菱錳礦，其工藝為：硫酸浸出——氧化除鐵——硫化法除重金屬——電解。

為生產高純電解錳，需要在傳統(tǒng)工藝的基礎上做出改進：①采用三段凈化、三段過濾的凈化工藝；②減少添加劑殘留，采用無硒或復合添加劑。生產劃分為浸出車間、凈化車間和電解車間三個部分。其中原料倉庫、漿化上料、浸出、氧化及中和除鐵屬浸出車間；凈化車間包括硫化、靜置和壓濾工序；電積、析出錳處理等屬于電解車間生產車間每天三班作業(yè)，每班工作8h，全年生產天數320天。61.3工藝流程選擇論述及節(jié)能與品質改進探討

節(jié)能措施減小電解槽的電阻（即減小槽電壓）①設計合理的極距采用的同名極距在70～80㎜之內。②采用新的連接辦法組裝陰、陽極板采用螺栓連接加焊接、鉚接加焊接或者螺栓連接加導電膠膠接等辦法代替單一螺栓連接。③設計采用科學的陰陽極室空間因為硫酸是一種強電解質，所以陽極液比陰極液導電能力強，電流在陽極室的電阻要小，所以陽極室的空間稍比陰極室空間大，有利于減小電阻。④選用足夠厚的陰陽極板增加厚度的陰陽極板也可以起到縮短極距的效果⑤選用足夠大的主路銅排和相應的極板銅條2.設計安裝時防止電解槽漏電①地面防漏電②防止電解槽漏液③防止冷卻水漏電3.在生產管理上節(jié)能①控制好生產工藝指標②選擇合理的清槽周期7

溶液平衡是濕法冶金設計的重要內容，通過溶液平衡計算后，才能進行濕法冶金過程的金屬平衡、熱平衡計算，才能準確進行濕法冶金的浸出槽、凈化槽。各種溶液液貯槽、過濾設備、輸送泵、溜槽、管道及閥門等的選擇計算。 溶液平衡的計算思路及過程：由每天產出金屬量和合格液與陽極液濃度求出陽極液量，陽極液返回浸出工序，由公式：

求得溶液平衡（即水量不變）。計算結果如下：

加入項：1.陽極液581.39m3/d；2硫酸12.50m3/d；3氨水1.884m3/d；4碳酸錳礦中的水2.56m3/d.；5洗渣新水13.72m3/d.；

產出項：1.中和后過濾液587.26m3/d；2.浸出渣帶走24.77m3/d。補加的（洗渣）水量=浸出渣帶走的水量+電解槽蒸發(fā)量—加硫酸體積—加入氨水體積—碳酸錳礦中水量2.2溶液平衡計算8

金屬平衡與固體物料平衡、溶液平衡有著密切關系。冶煉過程金屬平衡的好壞，影響冶煉的直接回收率和總回收率的高低。 仍由電解過程入手，求出需錳礦石量和各種損失量（主要是陽極泥損失錳，無名損失）；再由錳礦石中錳和返回陽極液中錳，減去各種損失（主要有浸出渣損失錳、凈化渣損失錳、無名損失錳），得出結果為合格液中錳量。通過本次計算，得出合格液錳量結果與溶液平衡假設非常接近（誤差僅為2.0%）。計算結果如下：電解液金屬平衡加入項：合格液587.26m3/d，37.0kg/m3，21728.62kg

產出項：1電解金屬錳12500kg/d、99.90%、12487.5kg；2陽極液581.39m3/d，15.0kg/m3，8720.85kg；3陽極泥1000kg/d，50.0%，500.0kg；4.不可回收損失20.05kg合計21728.30kg浸出、中和、凈化金屬平衡加入項：1.碳酸錳礦82572.8kg/d，21.3%，17588.0kg；2.陽極液581.39m3/d，15kg/m38720.81；合計26308.81kg產出項：1.過濾液587.26m3/d，37.76，22175.62kg；2.浸出渣57801.0kg，7.03%，4062.833kg；.損失及其它70.35kg；合計26308.80kg2.3金屬平衡計算9

酸平衡是保證溶液PH的首要措施，而浸出則是耗H2SO4的主要方面。因此，酸平衡的重點是計算的耗酸量。另外，電解過程產生的硫酸也是重要的加入項，在溶液平衡中已經算出。氧化、中和、硫化、靜置等工序都有酸的無名損失。 浸出過程反應主要有：

MnCO3+H2SO4MnSO4+H2O+CO2↑CaCO3+H2SO4CaSO4+H2O+CO2↑MgCO3+H2SO4MgSO4+H2O+CO2↑Al2O3+H2SO4Al2(SO4)3+H2OFe2O3+H2SO4Fe2(SO4)3+3H2O

加入項：1電解陽極液581.39m3/d，39.89kg/m3，

23191.652kg；補充硫酸12.93m3/d，1804kg/m3，23318.80kg合計46510.45kg產出項1.產MnSO4耗硫酸29509.94kg；產CaSO4耗硫酸9883.16kg；產MgSO4耗硫酸5428.35kg；產Al2(SO4)3耗硫酸1048.68kg；產Fe2(SO4)3耗硫酸290.66kg；損失及其它349.79kg；合計46510.58kg浸出由于反應有大量CO2放出，漿化礦漿不能用泵和管道輸送，只能通過溜槽自流進各個浸出槽中2.4酸平衡計算102.5熱平衡計算熱收入Q=通過電流×電解液電阻壓降（取為槽電壓的50%）×通電時間×電解槽數=8880×（4.8×50%）×（23.5×3600）×88×10－3=158663577.6kJ/d⑴電解液液面蒸發(fā)帶走熱熱支出⑵電解槽液面輻射與對流帶走熱⑶電解槽外壁的輻射與對流帶走熱⑷由電解液流動帶走熱⑸全部電解液須由冷卻管散去的熱

由右圖可知，絕大多數的熱須由散熱管散去。各項熱支出所占比例圖本設計采用鋁合金管為槽內冷卻水的導水管，這主要是因鋁的熱導率（W/m·k），要比鉛高出將近5倍，因此材耗少。并且鋁密度小，可降低基建費用和生產經營費用。11

浸出、氧化、中和三個工藝過程均在同一個設備中進行，設備為圓形機械攪拌槽。工藝過程包括進料加入礦漿時間1h，浸出2h，氧化2.0h，中和0.5h，過濾及清槽2.5h，，每個周期作業(yè)時間8h，每天三班作業(yè)，即每個浸出槽一天可制作3槽溶液。礦漿過濾采用圓筒式真空壓濾機、葉片式真空過濾機、帶式過濾機，但由于上述過濾機需要使用真空和風壓，動力消耗大，本設計不予考慮，決定采用箱式壓濾機進行過濾。3.1浸出槽3.2壓濾機12

電解槽的連接方式可分為單聯(lián)法和復聯(lián)法（又稱為單極式和復極式）。單聯(lián)法電解槽的同極性的電極與直流電源并聯(lián)連接，電極兩面的極性相同，即同為陰極或同為陽極。復聯(lián)法電解槽兩端的電極與直流電源的正負極相連，成為陽極或陰極，即列與列和槽和槽之間是串聯(lián)的，每個槽的陰、陽兩極分別是并聯(lián)的。如圖所示：

3.8電解槽選擇與排列13

本設計采用復聯(lián)法（比單聯(lián)法節(jié)約電能，節(jié)約空間）。

采用如右圖的連接方式