1.3 Электролитическое рафинирование меди

1.3.1 Годовая производительность цеха рафинирования меди составляет 150 тыс тонн катодной меди. Машинное время работы ванн 0,95. Катодный выход по току для меди 94 %. Среднее напряжение на одной ванне 0,3 В. Цеховой источник постоянного тока обеспечивает выходное напряжение 280 В.

Рассчитать количество ванн рафинирования меди нагрузкой 10 кА, которое необходимо установить в цехе для обеспечения заданной производительности цеха, количество цепей должны быть соединены рафинировочные ванны и удельный расход электрической энергии на 1 тонну меди, если потери напряжения в главном шинопроводе и соединительных шинах составляют 5 % от напряжения на ванне.

Решение

Суточная производительность цеха составит

g₁ = = 411 т/сут.

Рассчитаем суточную производительность одной ванны.

g₂ = kItB_TK_M,

где k –электрохимический эквивалент меди, ;

I – токовая нагрузка ванны, А;

В_Т – Выход по току для меди;

К_М – коэффициент машинного времени работы ванн.

Из таблицы А3 приложения находим значение электрохимического эквивалента меди k = 1,185 .

После подстановки численных значений величин получим:

g₂ = 1,185·10000·0,94·0,95 = 254,6·10³ г/сут = 254,6 кг/сут

Тогда необходимое число ванн в цехе составит:

n₁ = = = 1614,3

.

Принимаем количество ванн, которое необходимо установить в цехе, равное 1615.

Ванны в цехе объединяются в серии. Каждая серия содержит из 2 блоков. Каждый блок в свою очередь содержи 12 ванн. Таким образом, в одну серию входят последовательно соединённые 24 ванны. С учётом этого количество необходимых серий составит:

n₂ = = 67,3.

Принимаем число серий в цехе равное 68.

Напряжение на каждой серии составит

U₂ = U₁·n₂,= 0,3·24 = 7,2 В.

где U₁ – напряжение на одной ванне, В;

U₂ – Напряжение на одной серии, В.

Для поддержания такого напряжения на серии цеховой источник постоянного тока позволит последовательно количество серий в одной последовательной цепи:

n₃ = = = 36,9

где К_Ш – коэффициент учёта потерь напряжения в главном шинопроводе и

соединительных шинах.

Принимаем 36 серий.

Тогда число параллельных цепей составит:

n₄ = = = 1,89

Принимаем количество цепей, равное 2..

1.3.2 Цех рафинирования меди оснащён 925 ваннами нагрузкой 10 кА. Катодный выход по току равен 95 %. Количество меди, преходящее из анодов ванн рафинирования за счёт их химического растворения на 2 % превышает количество катодной меди. Какое количество регенеративных ванн нагрузкой 10 кА необходимо для поддержания постоянного состава циркулирующего раствора. Выход потоку в ваннах регенерации равен 95 %.

Решение

Количество меди, которое осаждается на катодах ванн за одни сутки, составит:

g₁ = k·I·t·B_T·n₁ = 1,185·10000·24·0,95·925 = 249,92·10⁶ г = 249920 кг

Избыток меди в ванне за счёт химического растворения анода составит:

g₂ = g₁·0,02 = 249920·0,02 = 49980,4 кг

Тогда число необходимых ванн регенерации составит:

n₂ = = = 18,5

Принимаем число регенеративных ванн, равное 19.

4.3.3 Цикл наращивания металла на катодах ванн рафинирования меди составляет 10 суток. Токовая нагрузка на ванну 9 кА. Выход по току 95 %.

Рассчитать массу одиночного катода, если масса исходного катодного листа 5 кг, а в ванне установлено 29 катодов и 28 анодов.

Решение

Количество меди, которое осаждается на катодах ванны за 10 суток, составит:

g₁ = k·I·t·B_T = 1,185·9000·10·24·0,95 = 2431, 62·10³ г = 2431,62 кг

Масса меди, которая выделится на одном катоде за это время, составит:

g₂ = = = 86,8 кг.

Тогда масса съёмного катода составит:

g₃ = g₂ + 5 = 86,8 + 5 = 91,8 кг.

4.3.4 Ванна рафинирования меди нагрузкой 9000 А имеет 28 анодов и 29 катодов. Аноды рассчитаны на 30 суток работы. Анодная плотность тока составляет 180 А/м². Анодный скрап составляет 14 % от первоначальной массы анода. Расход анодов составляет 1,031 т на 1 т катодной меди. Катодный и анодный выходы по току равны 95 %. Рассчитать начальную массу анода и его толщину.

Решение

Количество меди, которое выделится на катодах ванны за 30 суток, составит:

g₁ = k·I·t·B_T = 1,185·9000·30·24·0,95 = 7294,9·10³г = 7294,9 кг

Тогда первоначальная масса всех анодов ванны составит:

g₂ = g₁·1,031 = 7521 кг.

Масса одного анода составит:

g₃ = = 312,3 кг.

Анод в ванне растворяется с двух сторон. Толщину одной растворяющейся стороны определим из системы уравнений.

С одной стороны масса анода определяется уравнением:

g₄ = ρ·S·δ,

где ρ – плотность материала анода, г/см³;

S- площадь поверхности анода, см²;

δ – толщина одной растворяющейся стороны анода, см.

С другой стороны, в соответствии с законом Фарадея масса растворяющейся части анода составит:

g₄ = k·I·t·B_T

Тогда

ρ·S·δ,= k·I·t·B_T,,

оттуда

δ = ,

где i = - плотность тока, А/см².

Из таблицы А4 приложения находим плотность меди ρ = 8,9 г/см³.

После подстановки численных значений получим

δ = = 1,64 см

Тогда полная толщина анода составит

2δ = 2·1,64 = 3,28 см.

4.3.5 Скорость циркуляции электролита в ванне рафинирования чеоез ванны регенерации раствора нагрузкой 10 кА равна 20 л/ мин. Концентрация поступающего раствора 86,6 7/л СuSO₄ и 160 г/л H₂SO₄. Катодный выход по току для меди и анодный для кислорода равен 97 %.

Написать уравнения реакций, протекающих на электродах и в ванне регенерации, состав выходящего из ванны электролита и объём кислорода, выделившегося за 1 час.

Решение

На электродах ванн регенерирования электролита протекают следующие электрохимические реакции:

на катоде Сu²⁺ + 2e = Cu;

на аноде Н₂О – 2е = 0,5О₂ +2Н⁺;

в ванне Сu²⁺ +H₂O = Cu +0,5O₂ + 2H⁺;

CuSO₄ + H₂O = Cu +0,5O₂ +H₂SO₄.

Рассчитаем количество меди, выделяющееся на катодах за одну минуту::

g₁ = kItB_T = = 191,6 г

В пересчёте на СuSO₄ это составит

g₂ = = 481,1 г

где М₁ – молекулярный вес CuSO₄, г;

М₂ – молекулярный вес Сu, г.

Количество СuSO₄, поступающего в ванну регенерации за 1мин, составит:

g₃ = C₁·v = 86,6·20 = 1732 г

где С₁ – концентрация СuSO₄ в электролите, поступающем в ванну регенерации раствора, г/л;

v – скорость циркуляции электролита, л/мин.

Концентрация CuSO₄ в электролите, выходящем из ванны регенерации, составит

С₂ = = = 62,55 г/л.

Количество H₂SO₄, которое образуется в ванне за одну минуту, определим в соответствии с химической реакцией, которая протекает в ванне:

g₄ = = = = 295,5 г.

где М₃ – молекулярный вес, H₂SO₄.

Концентрация Н₂SO₄ в электролите, выходящем из ванн регенерации раствора составит:

С₁ = С₃ + = 160 + = 174,8 г/л.

Объём кислорода, выделяющийся за 1 час из ванны, рассчитаем по уравнению

g_{5 =} kItB_T = 0,21·10000·1·0,971[ = л] = 2828,6 л,

где k= = =0,21–электрохимический эквивалент кислорода, ;

V – объём одного моля кислорода при нормальных условиях;

z- число электронов, принимающих участие в электродном процессе при выделении одного атома кислорода.

4.3.6 Скорость подачи электролита в ванну рафинирования меди, нагрузкой 9000 А, составляет 20 л/ час. Электролит содержит 83 г/л CuSO₄ и 175 г/л H₂SO₄ Катодный выход по току для меди равен 95 %.

Рассчитать состав электролита, выходящего из ванны, если принимать во внимание только один процесс, вызывающий избыточный на 2 % переход меди в раствор по сравнению с осаждающейся на катоде:

Cu + 0,5O₂ + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

Решение

За одну минуту на катодах ванны осаждается меди

g₁ = kItB_T = = 168,86 г

Избыток меди в электролите за счёт химического растворения анода составит:

g₂ = 0,02·g₁ = 168.86·0,02 = 3,37 г

В перерасчёте на CuSO₄ это составит:

g₃ = = 8,46 г

В расчёте на 1 л электролита этот избыток составит:

С₁= = = 0,42 г/л

Тогда концентрация СuSO₄ в электролите, выходящем из ванны составит

С₃ = С₂ + С₁ =83,0 + 0,42 = 83,42 г/л

В расчёте на 1л электролита на химическое растворение меди в соответствии с химической реакцией расходуется H₂SO₄

g₂ = ₌ = 0,26 г H₂SO₄,

где М₁ - молекулярный вес H₂SO₄.

М₂ – атомный вес меди, г.

Концентрация серной кислоты в выходящем из ванны электролите составит:

С₄ = С₅ - g₄ = 175,0 – 0,26 = 175,74 г/л.

4.3.7 Анодная медь, подвергающаяся электролитическому рафинированию, содержит 99,35 % Сu, 0,16 % Ni, 0,017 % As. В процессе анодного растворения в электролит переходит 75 % Ni и 65 % As. Объёмная плотность тока в ваннах cоставляет 2,8 А/л. Объём электролита, вне ванн равен 15 % от объёма электролита в ваннах. Анодный выход по току 96 %.

Определить продолжительность электролиза, при которой будет достигнуто предельное содержание примесей в электролите. Предельное содержание для никеля составляет 18 г/л, а для мышьяка 3,0 г/л. Рассчитать минимальный объём электролита, который необходимо выводить из оборота, чтобы не допустить превышение предельного содержания примесей в ходе процесса электролиза.

Решение

Объёмная плотность тока в расчёте на весь объём циркулирующего электролита составит:

i_V = = = 2,43 А/л,

где K – коэффициент, учитывающий весь объём циркулирующего электролита.

Количество меди, преходящее в раствор за счёт анодного растворения за 1 час на 1 л циркулирующего электролита составит:

g₁ = k·i_V··t·B_T = 1,185·2,43·1·0,96 = 2,76 г/(А·л)

Количество никеля, растворяющееся за 1 час, в расчёте на 1 л электролита составит:

g₂ = g₁ К₁ = ·0,75 = 3,3·10^-3 г/(час·л),

где р₁ – доля примеси никеля в анодной меди;

р₂ – доля мышьяка в анодной меди;

К₁ – коэффициент, учитывающий долю никеля, переходящего в раствор.

Время электролиза, за которое достигается предельная концентрация никеля в электролите, составит

t₁ = = = 5405 час = 225 суток.

Количество мышьяка, которое перейдёт за 1 час в раствор на 1л раствора составит:

g₃ = = g₁ К₂ = ·0,65 = 3,07·10^-4 г/(час·л),

где – р₃ – доля мышьяка в анодной меди;

К₂ – доля мышьяка, переходящая в электролит.

Время электролиза, за которое достигается предельная концентрация мышьяка в электролите, составит:

t₂ = = = 9772 час = 407 суток.

Поскольку t₁ > t₂, то время вывода электролита из оборота электролита будет определять примесь никеля.

Минимум электролита, выводимого для очистки от примесей, достигается при достижении предельного содержания никеля в электролите. Количество электролита, которое необходимо выводить из оборота за сутки составит:

∆V = ·100 = ·100 =0,44 %.