有色冶金课程工艺设计.doc

第一部分 湿法炼锌工艺流程一、概述湿法炼锌是用硫酸将锌焙砂中的锌浸出，同时完成除铁的任务。浸出液经过净化除去杂质，此步需净化除去铜、镉、钴及氟氯。然后电解析出锌，将电锌铸锭即的湿法炼锌的产品。二、湿法炼锌流程图图1-1湿法炼锌流程图第二部分 锌电解沉积基本理论一、概述锌的电解沉积是湿法炼锌的最后一个工序，是用电解的方法从硫酸锌水溶液中提取纯金属锌的过程。锌的电解沉积是将净化后的硫酸锌溶液（新液）与一定比列的电解废液混合，连续不断地从电解槽的进液端流入电解槽内，用含银0.5%1%的铅-银合金板作阳极，以压延铝板作阴极，当电解槽通过直流电时，在阴极铝板上析出金属锌，阳极上放出氧气，溶液中硫酸再生。电积时总的电化学反应为：ZnSO4+H2O=Zn+H2SO4+1/2O2随着电解过程的不断进行，溶液的含锌量不断降低，而硫酸含量逐渐增加，当溶液中含锌达到4560g/l、硫酸135170g/l时，则作为废电解液从电解槽中抽出，一部分作为溶剂返回浸出，一部分经冷却后与新液按一定比列混合后返回电解槽循环使用。电解2448h后将阴极锌剥下，经熔铸后得到产品锌锭。二、基本原理为便于分析问题，先不考虑电积液中的杂质，假定电积液中仅含有硫酸锌、硫酸和水。当通入直流电时，带正电荷的Zn2+接受两个电子在阴极上放电变成元素锌，并在阴极上以结晶状态析出。阴极反应：Zn2+2e-=Zn同时阴离子移向阳极，带负电荷的OH-失去两个电子在阳极放电，并析出氧气。阳极反应：4OH-2e-=2H2O+O2由于实际过程硫酸锌溶液中含有微量的杂质，如CuSO4、PbSO4等。他们在电解过程中呈现离子状态，并在适当条件下参与反应。硫酸锌水溶液电解时，在阳极上主要有两个类型的反应，第一个是析出氧，第二个是铅阳极溶解。另外也不断有少量Mn2+的氧化等杂质离子的反应。如不考虑阴极上杂质，则通电时仅可能会有如下两个反应发生，第一个是锌离子放电，在阴极上析出金属锌，第二个是氢离子放电，在阴极上析出氢气。从各种金属的电位来看，氢具有比锌更大的正电性，但是在实际生产中氢有比锌更大的超电位，则锌会优先于氢析出。这是新电解沉积得以成功的理论依据。当然也有微量的Cu、Ni、Co、Fe、Cd也会在阴极上析出。第三部分 锌电积工艺过程及设备计算一、设计任务设计年产量为9.2万吨锌锭的电解设备二、原始数据1.进入电解槽的电解液成分,见表3-1表3-1新电解液成分组成ZnFeCdCuCoNiMng/l1250.0320.0040.00030.0030.00053.812.电解后进入电解液成分,见表3-2表3-2废电解液成分组成ZnFeCdCuCoNiH2SO4Mng/l480.0300.0020.00010.0010.00021303.083.技术操作条件及技术经济指标,见表3-3表3-3技术操作条件及技术经济指标项目参数用于制造锌粉之锌锭占总产量百分数,0.025%年工作日335d阴极锌熔铸直收率,196.8%阴极电流密度，Di520A/m2槽电压V槽3.3V电流效率i90%阴极规格，长宽高，mm11908006(参考西北冶)阴极锌平均含铅，%0.005%电解析出时间，h24电解液温度，新液35,废液40电解液比重kg/L新液1.33,废液1.25三、工艺过程及设备计算1.物料平衡及电解槽尺寸计算（1）阴极锌成分的计算在电极过程中，一部分铜、铁、隔与锌一起在阴极上沉积，则一升电解液得到的阴极锌含金属量如表3-4表3-4一升电解液得到的阴极锌含金属量组成ZnFeCdCuCoNi共计g/l770.0020.0020.00020.0020.000377.0065铅银阳极在电解过程中不断被腐蚀,使一部分铅进入到阴极锌中,进入阴极锌中之铅量77.00650.005%=0.0039g则阴极锌的成分如表3-5表3-5阴极锌的成分组成ZnPbFeCdCuCoNi共计重量,g770.00390.0020.0020.00020.0020.000377.0104%99.9860.0050.0030.0030.00030.0030.0004100（2）所需电解槽数量的计算1）每日应产出的阴极锌量Q1每日应产出的阴极锌量,tQ设计生产能力t/年用于生产锌粉之锌锭占年生产锌锭量的百分比,%1阴极锌熔铸直收率,%m年工作日则Q12)阴极有效面积及片数的计算m2F阴极有效总面积，m2Q1每日应产出的阴极锌量，tDi阴极电流密度，A/m2i电流效率，%1.2195锌的电化当量g/Ah24电解析出时间,h阴极边上装有塑料绝缘条，每边各占去阴极板宽7mm，阴极板浸没于电解液的深度为1.02m，则每片阴极的有效面积按两面计为：f阴=1.02（0.800-0.0072）2=1.60m2故共需阴极片数设每个电解槽装阴极片32块，则共需电解槽数为1294932=405个每个电解槽的阴极总面积为1.6032=51.20m2设备用电解槽为25个，则共有电解槽430个，这样就可以将电解槽分为两个系列，每个系列有215个电解槽，在每个系列中可以按照43个电解槽组成一组，共5组为一个系列。(3)电解槽内部尺寸的计算。a电解槽内部宽度的计算设阴极边缘到槽壁距离为95mm，则电解槽内宽为B=800+295=990mmb电解槽内部长度的计算，设每片阴极的厚度为6mm，每片阳极的厚度为7.3mm，阴阳极间的距离为34mm，电极到两端壁间的距离为200mm，每个电解槽有阴极片32片，有阳极片33片，则电解槽内部长度为L=326+337.3+32234+2002=3009mmc电解槽内部高度的计算设槽内液面至槽面的距离为100mm，槽内阴极浸入电解液的深度为1020mm，阴极下部端缘距槽底480mm，则电解槽内部高度为H=100+1020+480=1600mm故电解槽内部尺寸为长宽高=30099901600mm电解槽容积（不设冷却器）为V槽=LHB=3.0090.9901.600=4.766m3本电解槽槽体材料选混凝土材质，内部防腐材料选环氧树脂。（4）通过电解槽电流强度的计算一个电解槽的阴极总面积为51.20m2，故电流强度为I=51.20520=26624.0A,假定电流强度富余为6%，则I=26624.01.06=28221.4A（5）整流设备选择蒸馏设备总功率W=Q1每日应产出的阴极锌量，tE槽槽电压，V,取3.3V24电解析出时间，h1.2195锌的电化当量g/Ah则W=系列中的电压降为总电压降的1%2.5%，取1%,则总电压为2153.31.01=716.6V选用ZEF-31500/800整流器,单台功率为25200KW,故所需整流器总台数为35554.2/25200=2台每系列由一台整流器供电,总电流为31500A,整流器设备功率与电解槽数量要求相适应。（6）进入电解槽电解液数量的计算供给一个电解槽电解液数量可按下式计算Q进入一个电解槽的中性电解液数量，L/hI通过电解槽的电流强度，Aq锌的电化学当量，1.2195，g/Ahi电流效率,%P1中性电解液含锌量g/LP2废电解液含锌量,g/L则(7)废电解液数量的计算一小时供中性电解液379.5L,含锌125g/L,此时电解液比重为1.33,因此中性电解液重量为379.51.33=504.74kg/h锌电解沉积的总反应为：ZnSO4+H2OZn+H2SO4+1/2O2一个电解槽每小时析出的锌量为在阳极上析出氧量为析出的锰量为故共析出:29.222+7.149+0.277=36.648kg剩余:504.74-36.648=468.09kg电解时有一部分电解液被蒸发而损失,设每平米电解液表面每小时蒸发损失1kg电解液,电解液表面为S槽-S极=2.979-0.342=2.637m2S槽3.0090.990=2.979m2S极0.8000.006320.7800.007333=0.342m2则蒸发损失为2.6371=2.637kg由于电解液飞溅也要损失以部分电解液,设为0.3%,则飞溅损失为504.740.003=1.51kg则每个电解槽排出的电解液废液量为468.09-2.637-1.51=463.943kg,设此时电解液废液量比重为1.25，则废电解液的体积为(8)进入阳极泥中各成分的计算设阳极消耗的铅量为4.5kg/t锌,当析出29.222kg锌时,消耗铅量为进入阴极锌的铅量为进入阳极泥中的铅量为0.131-0.0001=0.1309kg换算成PbO2=,其中含氧量为0.1511-0.1309=0.0202kg一个电解槽沉淀的锰量为0.277kg,换算成MnO2=kg,其中含氧量为0.4303-0.277=0.1533kg故进入阳极泥的总量为0.1511+0.4303=0.5814kg,其中氧为0.0202+0.1533=0.1735kg(9)进入大气中的氧量进入大气中的氧量为7.149-0.1735=6.9755kg(10)编制一个电解槽的物料平衡表,如表3-6表3-6一个电解槽的物料平衡表加入产出序号项目重量/kg%序号项目重量/kg%1中性液504.7499.971阴极锌29.2225.792从阳极进入的铅0.13100.032进入大气中的氧6.97551.383阳极泥0.58140.124废电解液463.94391.895损失4.1470.826误差0.0020.00共计504.871100.00共计504.871100.002.电解槽热平衡计算通常以单个电解槽为基础进行计算，然后计算出全车间或一个系列电解槽在电解过程中总的剩余热量，热平衡计算可按下式计算Q电流电流通过产生的热量，kcal/hQ新新液带入的热量kcal/hQ废废电解液带走的热量kcal/hQ蒸电解液表面蒸发带走的热量kcal/hQ溅电解液喷溅带走的热量kcal/hQ辐+传辐射、对流、传导损失的热量kcal/hQ余剩余的热量kcal/h(1)热收入1)电流通过电解液产生的热量I通过电解槽的电流，AE为电解液、极板、阳极泥及浓差极化的电压降，一般情况下占槽压的20%，Vt通电时间故Q电流=0.23926624.00.66360010-3 =15119kcal/h2)新液带入的热量Q新=m1c1t1kcal/hm1为单位时间进入电解槽的质量,kg/hc1为新液比热kcal/kgt1为加入新液的温度, 从冶金计算得知,进入电解槽的新液量为504.74kg,电解液配液采用小循环方式进行,要求进入电解槽的温度为35,此时电解液的比热为0.78kcal/kg故Q新=504.740.7835=13779kcal/h则Q收=15119+13779=28898kcal/h(2)热支出1)废电解液带走的热量废电解液为464.09kg/h,设废电解液温度为40,此时电解液的比热为0.8kcal/kg则Q废=463.94400.8=14846kcal/h2)电解液表面蒸发损失的热Q蒸=S液表面Wq汽S液表面为电解槽中电解液有效表面积,m2W为电解液表面蒸发损失的水量,kg/m2h根据锌电解液中水的蒸发量与温度的关系图确定出40时电解液单位表面蒸发的水量为W=1.0kg/m2hq汽为水的汽化潜热,40时为578kcal/kg故Q蒸=2.6371.0578=1524kcal/h3)电解液飞溅损失的热量飞溅损失的电解液量为1.51400.8=48kcal/h4)辐射、对流和传导损失的热5