Файл: Теоретическая часть 1 Физикохимические основы электролиза.docx
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 58
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2. Конструкция электролизера
Электролизеры для рафинирования меди обычно называют электролитными ваннами. Их размеры на отечественных заводах существенно разнятся и зависят от числа и размеров применяемых электродов. Длина ванны определяется числом электродов и расстоянием между центрами одноименных электродов. Ширина зависит от ширины катодов: зазоры между краями катода и стенками ванны должны быть 60-70 мм.
При меньшем зазоре ухудшается циркуляция электролита, затрудняется замена электродов; превышение этого расстояния приводит к бесполезному увеличению размера ванн. Глубина ванн должна быть достаточной для того, чтобы шлам, образующийся при растворении анодов, мог отстаиваться при оптимальной скорости циркуляции электролита. Для этого необходимо, чтобы расстояние между нижними краями катодов и дном составляло 180-200 мм.
Благодаря механизации трудоемких процессов в электролитных цехах становится возможной работа на анодах все большей массы, а, следовательно, и размера. В связи с этим увеличивают и размеры ванн.
Корпуса ванн чаще всего изготавливают из монолитного (рис. 5) или сборного железобетона; в последнем случае днища делают деревянными. Внутреннюю поверхность ванн футеруют листовым (10-15 мм) винипластом или оклеивают рубероидом на битумной мастике и обкладывают кислотоупорным кирпичом.
Рисунок 5 - Продольный (а) и поперечный (б) разрезы блока ванны для рафинирования меди:
1 - корпус;
2 - анод;
3 - катод;
4 - сливной короб;
5 - сливной карман;
6 - распределительная труба
Железобетонные ванны на современных заводах объединены в блоки по 5-20 ванн в каждом. Блок из сборного железобетона представляет собой единую жесткую конструкцию; ванны в блоке имеют общие продольные стенки. Два блока составляют серию. Блоки и ванны в блоках образуют последовательную электрическую цепь. Электроды в каждой ванне включены параллельно. При такой схеме ток с анодов первой ванны блока переходит на катоды второй, а затем на аноды третьей ванны и т.д. Эта передача тока от одной ванны к другой может осуществляться либо при непосредственном контакте анодных ушек с катодными штангами смежной ванны - контакт Уайтхеда (рис. 6), либо через трехгранную промежуточную шину, на которую опираются аноды первой и катодные штанги второй ванн.
Рисунок 6 - Варианты передачи тока с помощью контакта Уайтхеда
- анод; 2 - катодная штанга; 3 - трехгранная шина
Анод (рис. 7) представляет собой медную плиту с двумя ушками, которые служат для его подвески на ванне и подвода тока. В связи с применением горизонтальных изложниц нижняя (при литье) плоскость анода меньше, чем верхняя. Это необходимо, чтобы аноды после остывания легко вынимались из изложниц. По длине анод делают в форме клина, суживающегося от ушек к противоположному краю.
Имея такую форму, аноды срабатываются более равномерно, срок их службы увеличивается, а число обрывов ушек уменьшается.
Толщина анодов заметно влияет на технико-экономические показатели работы электролитного передела. При работе на более толстых анодах уменьшается число полных перегрузок серий, что ведет к сокращению трудовых затрат и расхода вспомогательных материалов, достигается более полное использование анодов, так как уменьшается выход анодных остатков. Но применение утолщенных анодов связано с повышением расхода электроэнергии, так как среднее расстояние между катодами и анодами увеличивается. Кроме того, при одной и той же длине ванны число электродов в ней, а, следовательно, и производительность по меди будет меньшей.
Рисунок 7 - Медный анод
На ЗАО "Кыштымский медеэлектролитный завод" медный осадок наращивают на матрицах из титана ВТ1-0 ГОСТ 19807-91; размер рабочей поверхности 1000 * 860 мм; обрамление матриц - полипропилен ТУ 2211-015-00203521; масса 24 кг. Токоподвод (катодная штанга) выполнен из биметалла "титан-медь", изготовленного сваркой взрывом. Кромки матрицы перед завешиванием в ванну изолируют воском. С целью повышения производительности труда и надежности в процессе эксплуатации таких матриц путем исключения самосъема осадков меди (от изменения температуры, например, при промывке) полотно матрицы снабжено дополнительно одним или несколькими отверстиями.
При конструировании и монтаже ванны большое внимание уделяют электрической изоляции ее частей во избежание бесполезных утечек тока. Между днищем ванны и балками, на которые оно упирается, укладывают листы пластиката, а на них - плитки из стекла или керамики. Борт ванн изолируют от ошиновки наголовником из пластиката или винипласта и деревянными прокладками. Для уменьшения токов утечки трубы, подачи электролита на ванны и отвода его в сливные короба делают из неэлектропроводного материала - резины, полипропилена, винипласта.
Ошиновка ванн состоит из главных, переходных и промежуточных шин. Главные и переходные шины расположены в торцах блока, промежуточные (если они применяются) - на бортах перегородок между ваннами блока.
Ток в серии проходит от главной анодной шины первого блока последовательно через ванны к переходной катодной шине, установленной в противоположном торце блока. Продолжение этой катодной шины образует переходную анодную шину второго блока серии. Пройдя через ванны второго блока, ток попадает на главную катодную шину, а через нее передается в соседнюю серию ванн.
3. Параметры работы электролизных ванн
3.1 Состав электролита
Электролит должен быть устойчив в работе, т.е. не разлагаться химически и не образовывать осадка солей при небольших понижениях температуры. Этим условиям при рафинировании меди удовлетворяет электролит, состоящий из смеси растворов CuSO4 и H2SO4 с добавками поверхностно-активных веществ (тиомочевины, желатина, стирального порошка). В состав электролита, кроме того, входят примеси некоторых металлов, попадающие в него при растворении анодов.
Примеси, присутствующие в медных анодах, можно подразделить на четыре группы. В первую группу входят металлы, потенциалы разряда которых электроотрицательнее потенциала меди: Zn, Fe, Ni, Co, Sn, Pb. Эти металлы не могут выделяться на катоде из раствора, имеющего высокое содержание ионов меди, поэтому постепенно накапливаются в электролите. Но их присутствие и накопление не безвредно для процесса. При значительном содержании этих примесей растворимость сульфата меди в электролите понижается настолько, что становится возможным выпадение кристаллов CuSO4. Чаще всего кристаллизация CuSO4 происходит на поверхности анодов, так как прианодные слои электролита наиболее обогащены ионами меди. Это вызывает солевую пассивацию анодов, нарушающую режим электролиза. Вторая группа примесей - элементы, близкие к меди по потенциалам разряда: As, Sb, Bi. Это наиболее опасные примеси, так как загрязнение ими катодной меди наиболее вероятно и при этом ухудшаются ее электропроводимость и механические свойства. Их разряд возможен на катодах, находящихся в зонах слабой циркуляции электролита, где мала концентрация ионов меди. От примесей первой и второй группы электролит очищают в купоросном отделении цеха, куда систематически выводится часть электролита. Благодаря этому содержание примесей удается удерживать на уровне, безопасном для технологии.
К третьей группе примесей относятся более электроположительные, чем медь, элементы: Ag, Au и металлы платиновой группы - Pt, Pd, Ir, Rh, Os. Из них лишь серебро в небольшом количестве (
1%) может переходить в раствор в виде ионов
, а затем осаждаться на катоде. Остальные благородные металлы электрохимически не разлагаются и переходят в шлам, не оказывая заметного влияния на процесс электролиза. Четвертая группа - интерметаллические и химические соединения - Cu2Se, Cu2Te, Ag2Se, Ag2Te, Cu2O, Cu2S, SiO2, Al2O3. Эти примеси не разлагаются при электрохимическом растворении анодов, плохо растворяются в электролите, поэтому осаждаются в виде шлама.
Для получения плотной мелкокристаллической структуры катодного осадка в электролит добавляют поверхностно-активные вещества. Нормы этих добавок на тонну катодной меди на различных заводах следующие: стиральный порошок 20-35 г, желатин 50-100 г, тиомочевина 50-90 г. Чтобы снизить потери серебра с катодной медью, в электролит вводят ион хлора в составе NaCl или HCl. Серебро в этом случае полностью переходит в шлам в виде AgCl. Установлено также, что ион хлора взаимодействует с сурьмой, висмутом и мышьяком, в результате чего эти примеси образуют малорастворимые основные соли.
3.2 Температура электролита
Электролитическое рафинирование меди ведут в нагретом до 328-338 К электролите. Нагрев обусловливает значительное повышение растворимости сульфата меди, увеличение электропроводимости раствора, уменьшение его вязкости. Благодаря этому снижается вероятность солевого пересыщения электролита, уменьшается расход электроэнергии, увеличивается скорость обмена электролита у электродов. Это позволяет работать на более высокой плотности тока. В нагретом электролите, кроме того, затрудняется переход сурьмы и мышьяка в катодную медь, улучшается ее структура.
Многие из указанных преимуществ нагрева электролита стали бы еще заметнее при дальнейшем повышении его температуры, если бы не ряд осложняющих обстоятельств. С повышением температуры возрастает испарение электролита: с 1 м2 поверхности электролита при 323, 333 и 343 К за один час испаряется соответственно 1,95; 4.18 и 5,95 кг воды. Следует при этом учитывать, что воздух в цехе насыщается не только парами воды, но и аэрозолем электролита, а это существенно увеличивает расходы на вентиляцию для создания нормальных условий работы. При повышении температуры электролита увеличиваются потери тепла, и для их компенсации приходится увеличивать расход пара. Наконец, с повышением температуры усиливается химическое окисление анодов, что приводит к увеличению объема раствора, подвергаемого дорогостоящей регенерации.