Электролитическое рафинирование анодной меди

     При производительности цеха 712,33т/сут катодной меди электрохимический растворяется 924,86 т/сут анодной меди. При этом за счет коррозии в раствор перейдет

     924,86·0,021 = 19,21т меди.

     С электролитом в купоросный цех выводится меди

     50·136,14 =6807кг/сут.

     Таким образом, в ваннах регенерации из электролита необходимо удалять меди 19,21 - 6,807 = 12,4 т/сут.

     При производительности ванны регенерации, равной производительности товарной ванны (712,33:1749 = 0,4073 т/сут меди), количество ванн регенерации должно равняться 12,4:0,4073~30 шт. 

     Тепловой баланс ванны

     Тепловой баланс ванны составляется доля 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 электролита 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 = 1,704·10^-5 + 0,301·10^-5 + 0,25·10^-5 = 2,255·10^-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 4,14Т,06 = 4,39 м². Часть этой площади составляет поверхность электролита, другая часть занята анодами и катодами.

     Вычислим площадь зеркала, занимаемую 31 катодами шириной 960 мм и толщиной 1 мм (31· 0,96·0,001 = 0,03 м²), 34 анодами шириной 925 мм и толщиной 40 мм (30· 0,925· 0,04 = 1,11м²).

     Следовательно, свободная поверхность (зеркало) электролита составит 4,39-(0,03 + 1,11) = 3,24м² , с округлением - 3,3 м².

     Количество испаряющейся воды с 1м² зеркала ванн за 1 ч в зависимости от температуры электролита приведено в табл. 3. При темпе-

     2

     ратуре, равной 60 °С, с каждого 1 м зеркала электролита испаряется воды 4,18 кг/ч, а со всей поверхности ванны - 4,18' 3,1 = 12,958 кг/ч. 
 
 

     Таблица 3

     Зависимость количества испаряющейся воды от температуры

     Приведем значения теплоты парообразования воды при различных температурах электролита: 

      

     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 = 2356·13,794 = 32498кДж.

     Потери тепла зеркалом электролита. Тепло теряется лучеиспусканием и конвекцией. Определим величину этих потерь, используя уравнение Фурье:

     Q_изл = kF(t₁-t₂), 

     где k - коэффициент теплоотдачи, определяемый по уравнению Стефана-Больцмана:

     

     здесь с - коэффициент, равный 3,2 для зеркала электролита; Т] и Т₂- соответственно, температуры электролита и окружающего воздуха, К.

     Примем температуру воздуха в цехе t₂ равной 20 °С.

     Тогда

     

     Q_изл =39,64·3,1·40= 4915 кДж/ч.

     Потери тепла железобетонной поверхностью ванны. Величина этих потерь также определяется по уравнению Фурье:

     Q_cТ = kF(t₁-t₂).

     Температуру наружных стенок ванны принимаем равной 35 °С, температуру воздуха в цехе - 20 °С, коэффициент С для железобетона -4,0. 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(1060·1215)/10⁶ = 2,58 м².

     Величина поверхности боковых стен

     S_б = 2(4140·1215)/10⁶ = 10,06 м²

     Величина поверхности дна

     S_д = 4140·1060/10⁶ = 4,39 м²

     Потери тепла торцевыми стенами:

     Q_T = 34,85·2,58(35 - 20) = 1349 кДж/ч;

      боковыми стенами:

     Q_б = 34,85·10,06·15 = 5259 кДж/ч;

     дном:

     Q_l = 34,85·4,39·15 = 2295 кДж/ч.

     Потери тепла дном и стенами ванны

     Q_CT= 1349 + 5259 + 2295 = 8902 кДж/ч;

     Q_pacx =Q_исп +Q_изл + Q_ст = 32498 + 4915 + 8902 = 46315 кДж/ч.

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

     Q_pacx - Q_прих = 46315 - 21304 = 25011 кДж/ч,

     а для всех ванн он равен

     25011·1749 =43,64·10⁶ кДж/ч.

     При нахождении расхода пара на подогрев электролита необходимо учесть потери теша в трубопроводах при циркуляции электролита. Для этого сначала рассчитаем количество электролита, протекающего по всем

     трубопроводам цеха за 1 ч при скорости циркуляции 20 л/мин. При объеме электролита в ванне, равном 2,65 м³, и принятой скорости циркуляции полная смена электролита в ванне произойдет за (2,65·1000):(20·60) = 2,2 ч.

     Суммарный объем электролита в ваннах равен 2,65·1749 = 4635 м³. Тогда за 1 ч по трубопроводам цеха должно протекать 4635:2,2=2107м³ электролита.

     Принимаем, что снижение температуры электролита в трубопроводах на участке от ванны до подогревателя и обратно равно 1 °С. Плотность электролита принимаем равной 1,27 г/см³, а удельную теплоемкость-3,43 Дж/(г°С).

     Тогда потеря тепла за 1 ч в трубопроводах цеха равна

     2107·1,27·3,43·2 = 18,4·10⁶кДж/ч.

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

     43,64·10⁶ + 18,4·10⁶ = 62,04·10⁶кДж/ч. 

       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^-3г/см, теплосодержанием 2719 кДж/кг. При температуре конденсата, вытекающего из теплообменника, 90 °С 1 кг пара отдает электролиту тепла:

     2719-1·90·4,184 = 2342,44 кДж.

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

     62,44·10⁶/2342,44 = 26485,2 кг/ч = 26,5 т/ч.

     В сутки расход пара составит 26,5 ·24 = 636 т, а на 1 т катодной меди - 636:712,33 = 0,892 т.

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

     Q_l = 26485,2 [2342,44 - (1·1·100·4,184)] = 50,9·10⁶ кДж/ч.

     Поверхность змеевика на участке конденсации пара определяют по формуле

     F₁= Q₁/k₁(t₁-t₂),

     где t₁-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

     k₁ = l/(l/α₁ + l/α₂ + δ/λ),

     здесь α₁- коэффициент теплопередачи от пара к стенке змеевика, равный 4,184·10⁴кДж/(м²·ч·град); α₂ - коэффициент теплопередачи от стенки змеевика к электролиту, равный 4,184·10³кДж/(м²·ч·град); δ - толщина стенки змеевика, равная 4 мм; λ - коэффициент теплопроводности свинца, равный 125,5.

     При найденном значении коэффициента теплопередачи

     k₁= 3404кДж/(м²·ч·град)

     величина поверхности змеевика

     F₁= 50,9·10⁶/[3404(100 - 59)] =365м².

     Площадь поверхности змеевика на участке охлаждения конденсата до 90°С определяют по формуле

     F₂ = Q₂/[k₂(t₁-t₂)].

     Количество тепла, теряемое конденсатом на этом участке,

     Q₂ = 62,04·10⁶ - 50,9·10⁶= 11,14·10⁶ кДж.

     Коэффициент теплопередачи

     k₂= l/(l/α₁ + l/α₂ + δ/λ),

     где α₁ = 8,368·10³ кДж/(м²·ч·град). Остальные величины в этом выражении имеют те же значения, что и при определении k₁. Тогда после подстановки найдем k₂=2574 кДж/(м²·ч·град).

     Определим среднюю величину разности температур:

     t₁-t₂= [(100 - 59) + (90 - 59)] = 72 °С.

     После подстановки численных значений, получим

     F₂ = 11,14·10⁶/(2574·72) = 60,1 м².