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文档简介
1、1 工艺选择与论证工艺选择与论证1电解锰的工艺选择与论证;冶金计算物料平衡计算(溶液平衡、金属平衡及酸平衡 )和热平衡计算; 主体设备的选择;工程图纸的绘制:主体设备连接图、工艺流程图一张;英语论文翻译。论 文 内 容 论 文 特 色查阅较多资料,从热力学分析,确定了较准确的电解过程参数;本设计重视节能环保,从多方面提出节能措施;在除杂和使用添加剂方面做出了探讨,使本设计具备了生产高纯电 解锰的能力;计算认真,对电解槽自然冷却系数、泵选型等做出了比前人更为 精确的计算。摘 要1 工艺选择与论证工艺选择与论证21.1电解锰过程的热力学分析阴极发生Mn2+得电子的还原反应! 我们知道:电位越高,得
2、电子能力越强!怎样保证锰优先析出呢? 根据能斯特方程:fMn=-1.1795+0.0951Mn2+-Mn fH2= -0.0591PH-H 所以,依靠增大Mn2+ 增大氢超电压H . 根据塔菲尔公式根据塔菲尔公式=a+bDK a值的重要性远大于b ;低的电解温度是确保高的塔菲尔值a的主要条件 ;加入氨,可以使fH降大于fMn 降,从而有利于Mn的优先析出。加氨还生成 配合物,增加溶液稳定性。1 工艺选择与论证工艺选择与论证31.1电解锰过程的热力学分析电解反应中,阳极为正极(高电压),发生氧化反应,失电子。在阳极同时发生析MnO2与析O2两个竞争反应:MnO2+4H+2e=Mn2+2H2O f
3、Mn=1.229-0.1192pH;O2+4H+4e=2H2O fO=1.229-0.0591pH;由右图可看出,温度升高有助于增大两者电势差(即,Mn2+更易失电子,MnO2更易生成),这是不希望的。1 工艺选择与论证工艺选择与论证41.2 电解锰的工业生产电解锰的工业生产电解(电解沉积)总反应式为MnSO4+H2O =Mn+O2 +H2SO4 反应是在木制假底钢筋水泥PVC衬里的隔膜电解槽中进行 阳极材料为铅基合金,广泛应用于硫酸盐介质 阴极材料为18Cr12Ni8Mo不锈钢合金,或钛板。原因是在电解液中不溶解、电阻率低、氢过电位高、弯曲性和弹性好 。使用不锈钢前要在含有小量硅酸钠的溶液中
4、浸泡 作缓冲处理,钛板则不需要。 由于在硫酸锰水溶液中电解锰时,阴极室必须处于中性偏碱(78)状态才能析出锰,而阳极在电解过程中放出H+,为酸性,必须区分阴极室和阳极室的不同电解效应。槽中设有假底是为更好的密封性。隔膜材料选用滤布即可。1 工艺选择与论证工艺选择与论证5新液新液 净化后的溶液。除重金属、净化后的溶液。除重金属、CaSO4等。等。Mn3438g/l,(NH4)2SO4 100120g/l,pH 6.57 阴极液 Mn1518g/l (NH4)2SO4 120140g/l(无硒)(无硒) 阳极液阳极液 Mn1415g/l H2SO4 40g/l 1.2 1.2 电解锰的工业生产电解
5、锰的工业生产电流密电流密度度电解液电解液成分成分 槽电槽电压与电压与电耗耗 电解液电解液温度温度升高温度可以增加溶液的电导,升高温度可以增加溶液的电导,减少能耗,但温度过高会降低电减少能耗,但温度过高会降低电流效率。流效率。温度偏低沉积锰会生成树枝状结晶,高于45则会形成粗晶粒低的电解温度是确保高的塔菲低的电解温度是确保高的塔菲尔值尔值a的主要条件,从而保证高的主要条件,从而保证高的电流效率的电流效率 因此,工业上采用的电解温度为3844。Mn2+在高在高pH的条件的条件下,很容易被氧化成下,很容易被氧化成高价锰化合物高价锰化合物MnOOH(Mn2O33H2O)和和MnO2。为防止。为防止Mn
6、2+氧化,必须加入抗氧氧化,必须加入抗氧化剂使溶液保持还原化剂使溶液保持还原性性 V槽槽 = V分分 + V液液 + V极极 + V泥泥 + V接接 = 4.65V其中其中V分分 = fO2/H2O -f Mn2+/Mn =2.5V国内锰电解电流效率一般达到68%左右,则每吨锰的电解电耗 6200KWh 阴极阴极沉积沉积时间时间 阴极电流密度阴极电流密度 为抑制氢为抑制氢超电压,电解锰生产中采用较超电压,电解锰生产中采用较高的阴极电流,以提高阴极电高的阴极电流,以提高阴极电流效率流效率;电流密度过低或过高都会降低电流效率。一般采用350400A/m2 一般采用一般采用680680800A/m8
7、00A/m2 2高电流高电流密度,以减少阳极上析出的密度,以减少阳极上析出的MnOMnO2 2量量 随着电解时间的延续,阴极析出锰表面变粗糙,甚至产生粒状或树枝状结晶,电流效率降低,所以电解时间不宜过长。国内析出周期一般为24h。 1 工艺选择与论证工艺选择与论证61.3 1.3 工艺流程选择论述及节能与品质改进探讨工艺流程选择论述及节能与品质改进探讨 国内生产电解锰的原料为菱锰矿,其工艺为:硫酸浸出氧化除铁硫化法除重金属电解。 为生产高纯电解锰,需要在传统工艺的基础上做出改进:采用三段净化、三段过滤的净化工艺;减少添加剂残留,采用无硒或复合添加剂。生产划分为浸出车间、净化车间和电解车间三个部
8、分。其中原料仓库、浆化上料、浸出、氧化及中和除铁属浸出车间;净化车间包括硫化、静置和压滤工序;电积、析出锰处理等属于电解车间 生产车间每天三班作业,每班工作8h,全年生产天数320天。1 工艺选择与论证工艺选择与论证71.3 1.3 工艺流程选择论述及节能与品质改进探讨工艺流程选择论述及节能与品质改进探讨 节 能 措 施1.1. 减小电解槽的电阻(即减小槽电压)减小电解槽的电阻(即减小槽电压) 设计合理的极距设计合理的极距 采用的同名极距在采用的同名极距在70708080之内之内 。采用新的连接办法组装阴、阳极板采用新的连接办法组装阴、阳极板 采用螺栓连接加焊接、铆接加焊接或采用螺栓连接加焊接
9、、铆接加焊接或者螺栓连接加导电胶胶接等办法者螺栓连接加导电胶胶接等办法 代替单一螺栓连接。代替单一螺栓连接。 设计采用科学的阴阳极室空间设计采用科学的阴阳极室空间 因为硫酸是一种强电解质,所以阳极液因为硫酸是一种强电解质,所以阳极液比阴极液导电能力强,电流在阳极室的电阻要小比阴极液导电能力强,电流在阳极室的电阻要小 ,所以阳极室的空间稍比,所以阳极室的空间稍比阴极室空间大,有利于减小电阻。阴极室空间大,有利于减小电阻。 选用足够厚的阴阳极板选用足够厚的阴阳极板 增加厚度的阴阳极板也可以起到缩短极距的效增加厚度的阴阳极板也可以起到缩短极距的效果果 选用足够大的主路铜排和相应的极板铜条选用足够大的
10、主路铜排和相应的极板铜条 2. 2. 设计安装时防止电解槽漏电设计安装时防止电解槽漏电 地面防漏电地面防漏电 防止电解槽漏液防止电解槽漏液 防止冷却水漏电防止冷却水漏电 3. 3. 在生产管理上节能在生产管理上节能 控制好生产工艺指标控制好生产工艺指标 选择合理的清槽周期选择合理的清槽周期 2. 冶冶 金金 计计 算算8 溶液平衡是湿法冶金设计的重要内容,通过溶液平衡计算后,才溶液平衡是湿法冶金设计的重要内容,通过溶液平衡计算后,才能进行湿法冶金过程的金属平衡、热平衡计算,才能准确进行湿法冶能进行湿法冶金过程的金属平衡、热平衡计算,才能准确进行湿法冶金的浸出槽、净化槽。各种溶液液贮槽、过滤设备
11、、输送泵、溜槽、金的浸出槽、净化槽。各种溶液液贮槽、过滤设备、输送泵、溜槽、管道及阀门等的选择计算。管道及阀门等的选择计算。溶液平衡的计算思路及过程:溶液平衡的计算思路及过程: 由每天产出金属量和合格液与阳极液浓度求出阳极液量,阳极液由每天产出金属量和合格液与阳极液浓度求出阳极液量,阳极液返回浸出工序,由公式:返回浸出工序,由公式: 求得溶液平衡(即水量不变)。计算结果如下求得溶液平衡(即水量不变)。计算结果如下: 加入项:1. 阳极液581.39 m3/d ;2硫酸12.50m3/d ;3氨水1.884m3/d;4碳酸锰矿中的水2.56m3/d.;5洗渣新水13.72m3/d.; 产出项:1
12、.中和后过滤液587.26m3/d;2.浸出渣带走24.77m3/d。补加的(洗渣)水量补加的(洗渣)水量=浸出渣带走的水量浸出渣带走的水量+电解槽蒸发量电解槽蒸发量加硫酸体积加硫酸体积加加入氨水体积入氨水体积碳酸锰矿中水量碳酸锰矿中水量2.2 溶液平衡计算溶液平衡计算2. 冶冶 金金 计计 算算9 金属平衡与固体物料平衡、溶液平衡有着密切关系。冶炼过程金属平衡金属平衡与固体物料平衡、溶液平衡有着密切关系。冶炼过程金属平衡的好坏,影响冶炼的直接回收率和总回收率的高低。的好坏,影响冶炼的直接回收率和总回收率的高低。仍由电解过程入手,求出需锰矿石量和各种损失量(主要是阳极泥损失仍由电解过程入手,求
13、出需锰矿石量和各种损失量(主要是阳极泥损失锰,无名损失);再由锰矿石中锰和返回阳极液中锰,减去各种损失(主要锰,无名损失);再由锰矿石中锰和返回阳极液中锰,减去各种损失(主要有浸出渣损失锰、净化渣损失锰、无名损失锰),得出结果为合格液中锰量。有浸出渣损失锰、净化渣损失锰、无名损失锰),得出结果为合格液中锰量。通过本次计算,得出合格液锰量结果与溶液平衡假设非常接近(误差仅为通过本次计算,得出合格液锰量结果与溶液平衡假设非常接近(误差仅为2.0%)。计算结果如下:)。计算结果如下:电解液金属平衡加入项:合格液 587.26m3/d,37.0kg/m3 ,21728.62kg 产出项:1电解金属锰
14、12500kg/d、99.90%、12487.5kg ;2阳极液 581.39m3/d,15.0kg/m3,8720.85kg;3阳极泥 1000kg/d,50.0%,500.0kg;4.不可回收损失20.05kg 合 计21728.30kg浸出、中和、净化金属平衡加入项:1.碳酸锰矿 82572.8kg/d,21.3%,17588.0kg;2.阳极液581.39m3/d,15kg/m38720.81; 合 计26308.81kg产出项:1.过滤液 587.26m3/d,37.76,22175.62kg;2.浸出渣57801.0kg,7.03%,4062.833kg;.损失及其它 70.35k
15、g ;合 计26308.80kg2.3 金属平衡计算金属平衡计算2. 冶冶 金金 计计 算算10酸平衡是保证溶液酸平衡是保证溶液PHPH的首要措施,而浸出则是耗的首要措施,而浸出则是耗H2SO4H2SO4的主要方面。因的主要方面。因此,酸平衡的重点是计算此,酸平衡的重点是计算 的耗酸量。另外,电解过程产生的硫酸也是的耗酸量。另外,电解过程产生的硫酸也是重要的加入项,在溶液平衡中已经算出。氧化、中和、硫化、静置等工序都重要的加入项,在溶液平衡中已经算出。氧化、中和、硫化、静置等工序都有酸的无名损失。有酸的无名损失。浸出过程反应主要有:浸出过程反应主要有: MnCO3 + H2SO4 MnSO4
16、+ H2O + CO2 CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2 MgCO3 + H2SO4 MgSO4 + H2O + CO2 Al2O3 + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O Fe2O3 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O加入项:1电解阳极液581.39 m3/d,39.89kg/m3, 23191.652kg;补充硫酸12.93 m3/d ,1804kg/m3,23318.80kg 合 计46510.45kg 产出项1.产MnSO4耗硫酸29509.94kg;产CaSO4耗硫酸9883.16kg;产MgSO4耗硫酸5428.35kg;产Al2
17、(SO4)3耗硫酸1048.68kg;产Fe2(SO4)3耗硫酸290.66kg;损失及其它349.79kg;合 计46510.58kg浸出浸出由于反应有大量CO2放出,浆化矿浆不能用泵和管道输送 ,只能通过溜槽自流进各个浸出槽中 2.4 酸平衡计算酸平衡计算2. 冶冶 金金 计计 算算112.5热平衡计算热收入热收入Q = Q = 通过电流通过电流电解液电阻压降(取为槽电压电解液电阻压降(取为槽电压的的50%50%)通电时间通电时间电解槽数电解槽数 = 8880= 8880(4.84.850%50%)(23.523.536003600)888810103 3 = 158663577.6kJ/
18、d = 158663577.6kJ/d 电解液液面蒸发带走热电解液液面蒸发带走热热支出热支出 电解槽液面辐射与对流带走热电解槽液面辐射与对流带走热 电解槽外壁的辐射与对流带走热电解槽外壁的辐射与对流带走热 由电解液流动带走热由电解液流动带走热 全部电解液须由冷却管散去的热全部电解液须由冷却管散去的热 由右图可知,绝大多数的热须由散由右图可知,绝大多数的热须由散热管散去。热管散去。各项热支出所占比例图本设计采用铝合金管为槽内冷却水的导水管,这主要是因铝的热导率(W/mk),要比铅高出将近 5倍,因此材耗少。并且铝密度小,可降低基建费用和生产经营费用。3. 设设 备备 选型选型12 浸出、氧化、中
19、和三个工艺过程均在同一个设备中进行,设备为浸出、氧化、中和三个工艺过程均在同一个设备中进行,设备为圆形机械搅拌槽。工艺过程包括进料加入矿浆时间圆形机械搅拌槽。工艺过程包括进料加入矿浆时间1h1h,浸出,浸出2h2h,氧化,氧化2.0h2.0h,中和,中和0.5h0.5h,过滤及清槽,过滤及清槽2.5h2.5h,每个周期作业时间,每个周期作业时间8h8h,每天三,每天三班作业,即每个浸出槽一天可制作班作业,即每个浸出槽一天可制作3 3槽溶液。槽溶液。 矿浆过滤采用圆筒式真空压滤机、叶片式真空过滤机、带式过滤矿浆过滤采用圆筒式真空压滤机、叶片式真空过滤机、带式过滤机,但由于上述过滤机需要使用真空和风压,动力消耗大,本设计不机,但由于上述过滤机需要使用真空和风压,动力消耗大,本设计不予考虑,决定采用箱式压滤机进行过滤。予考虑,决定采用箱式压滤机进行过滤。3.1浸出槽 3.2 压滤机3. 设设 备备 选型选型13电解槽的连接方式可分为单联法和复联法(又称为单极式和复电解槽的连接方式可分为单联法和复联法(又称为单极式和复极式)。单联法电解槽的同
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