4.5 Материальные расчеты

4.5.1 Расчет расхода химикатов

Общий расход химикатов складывается из расхода на единовременное приготовление электролита, расхода на работу .

Расчёт расхода химикатов на единовременное приготовление электролита.

Расход химикатов на приготовление считается по верхнему пределу концентрации

m_хим, кг, и рассчитывается по формуле

m_хим= _{, (4.23)}

где С – концентрация химиката, г/л;

n_в – число ванн, шт.;

Расход химикатов для ванны матового никелирования

m(NiSO₄∙7Н₂О) = = 750 кг

m(Na₂SO₄∙10Н₂О) = = 300 кг

m(H₃BO₃) = = 120 кг

m(NiCl₂∙6Н₂О) = = 60кг

Расчёт расхода химикатов на работу за год

Расчет расхода химикатов на работу Q_химкг/год, рассчитывается по формуле

Q_хим = , (4.24)

где r_хим = 0,115 – удельная норма расхода электролита;

C_cр – средняя концентрация, г/л;

S – годовая программа по покрываемой поверхности; м².

Расчет расхода химикатов на работу для ванны матового никелирования

Q(NiSO₄∙7Н₂О) = = 750 кг/год

Q(Na₂SO₄∙10Н₂О) = = 314 кг/год

Q(H₃BO₃) = = 113 кг/год

Q(NiCl₂∙6Н₂О) == 47 кг/год

Расход блескообразующих добавок на разложение

m=, (4.25)

где g– расход блескообразующей добавки, г;

I– ток, подаваемый на ванну, А.

m(хлорамин Б)== 49 кг ( 98 кг для двух автоматов)

m(1,4-бутилдиол)==26.5 кг (53 кг для двух автоматов)

m(прогресс)==10 кг (20 кг для двух автоматов)

Аналогично рассчитываем для других ванн с учетом норм расхода электролита для различных операций.

Таблица 3 Расход химикатов на никелирование для двух автоматов.

Наимено- вание операции	Компонен-ты	Концент- рация, г/л	Удель- ный расход, л/м2	Расход химикатов, кг
				На при-готов-ление	На рабо-ту	Всего		итого
Химичес-кое Обезжири-вание	Обезжириватель «КХ»	5-7	0,4	14	73
Электро-химичес-кое Обезжири-вание	Обезжириватель «КХ» NaOH	5-7 5-10	0,4	21 30	73 91
Активация	H2SO4	60-80	0,4	158	849
Никелиро-вание матовое	NiSO4∙7Н2О Na2SO4∙ ∙10Н2О H3BO3 NiCl2*6H2O	180-250 80-100 25-40 7-20	0,115	1500 600 240 120	750 314 113 47
Никелиро-вание блестящее	NiSO4∙7Н2О H3BO3 NiCl2*6H2O Хлорамин Б 1,4-бутилдиол “Прогресс”	250-300 30-40 10-15 1-2 0,2-3,0 0,1-0,2	0,115	900 120 75 6 9 0.6	959 122 78 5 5.6 0.5

4.5.2 Расчет расхода анодов

Расход анодов складывается из расхода на единовременную загрузку и расхода на покрытие.

Расчет расхода анодов для электрохимического обезжиривания

Используем листовые катоды (нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т). Принимаем соотношение Sa:Sk, как 1:1. Выбираем параметры катода ширина 130, высота 1150, толщина 5.

Количество анодов , необходимое для ванны электрохимического обезжиривания:

, (4.26)

(шт)

По конструкционным соображениям принимаем 4 шт.

Объем одного анода :

, (4.27)

дм³

Масса анодов :

, (4.28)

где - плотность стали,= 7,86 г/cм³.

г = 23,5 кг ( 47 кг для двух автоматов)

Расход анодов для двух автоматов на работу :

, (4.29)

где - норма расхода нерастворимых катодов [ГОСТ 5582-50],= 1,27 г/м².

154 кг

Расчет расхода анодов для ванн никелирования

Применяем растворимые кусковые аноды, помещенные насыпью в перфорированные титановые корзины. Никелевые листы рубятся на куски размерами 25*25*10 мм. Титановые корзины обычно имеют размеры: ширина 100-300 мм, толщина 50мм и длина, равная рабочей высоте катодной подвески. Корзины имеют титановый каркас из проволоки или пластин с приваренной к нему титановой сеткой или перфорированными листами. Корзина снаружи обёртывается хлориновой тканью или бельтингом. Соотношение S_a:S_к нужно брать 1:1-2:1 или меньше, учитывая высокую развитость реакционной способности анодных кусков принимаемS_a:S_к=2:1 ,

S_к = 73,8дм²

Принимаем корзину: 1150*130*50 (рабочая высота 1100 мм)

Объем корзины :

дм³

Количество корзин вычисляется по формуле

, (4.30)

шт

По техническим соображениям принимаем 10 корзин.

Масса одной корзины с анодами ,кг, вычисляется по формуле

, (4.31)

где ρ – насыпная плотность никеля, кг/дм³[практические замеры].

кг

Масса всего никеля в ваннах матового никелирования, кг, вычисляется по формуле

, (4.32)

кг

Для двух автоматов

m=820*2=1640 кг

Расход анодов на работу :

, (4.33)

Расчет расхода анодов на никелирование матовое

кг ( 3952 кг для двух автоматов)

Расчет расхода анодов на никелирование блестящее

кг ( 820 кг для двух автоматов)

кг (2166 кг для двух автоматов)

Таблица 4 Расход анодов для двух автоматов

Наименование операции	На загрузку, кг	На работу, кг	Всего, кг
Электрохимическое обезжиривание	47	154	201
Никелирование матовое	1640	3952	5592
Никелирование блестящее	820	2166	2986

4.5.3 Расчет расхода воды

Вода расходуется на приготовление растворов, работу, электролиз, испарение.

4.5.3.1Расход воды на приготовление g, кг, рассчитывается по формуле

g(H₂O)=V_эл-та · γ · n_в – g_хим (4.34)

где γ – плотность раствора, кг/дм³;

g_хим – суммарная масса всех химикатов на приготовление

электролита, кг.

Расход воды на приготовление раствора для ванны химического обезжиривания:

Плотность раствора, г/л, рассчитывается по формуле

_(4.35)

где _в– плотность воды, г/см3;

mi – концентрация компонента, г/л;

di – плотность компонента, г/см3;

г/см³

g_хим= 7*986 = 6.9 кг

кг = 1м³( 2 м³ для двух автоматов)

Расход воды на приготовление раствора для ванны электрохимического обезжиривания

г/см³

g_хим= 17 *1500 =25,5 кг

=1,5 м³( 3м³для двух автоматов)

Расход воды на приготовление раствора для ванны активации

г/см³

g_хим= 80*986 =78,9 кг

_{=0,9 м}³ _{( 1,8 м}³ _{для двух автоматов)}

Расход воды на приготовление раствора для ванны матового никелирования

г/см³

g_хим= 410*1500=615 кг

=2,3 м³(4,6 м³для двух автоматов)

Расход воды на приготовление раствора для ванны блестящего никелирования

г/см³

g_хим= 365*1500=547,5 кг

= 2,1 м³( 4,2 м³для двух автоматов)

4.5.3.2 Расход воды на работу

Расчитывается только для первой ванны (химического обезжиривания), так как в неё детали поступают сухие, а выходят смоченные водой ^Раб, кг, расчитывается по формуле

^Раб= ρSγ-( с₁+с₂+с₃….+с_n) ρS(4.36)

где ρ- норма выноса электролита 1м²обрабатываемых деталей , л/м²

S– годовая программа ванны, м²

( с₁+с₂+с₃….+с_n)- концентрация компонентов, кг/л.

^Раб=0,2303181,003-0,0070,230318 =6039 кг/год =6,04 м³/год

4.5.3.3 Расход воды на испарение с зеркала электролита

g^’(H₂O) = 45,6 · (P₁–P₂) ·C_В ·F_эл ·T_Д ·n/P_б, (4.37)

где Р₁ - давление насыщенного пара при температуре электролита, [9]

P₂ = , (4.38)

X = 70 – степень влажности воздуха;

C_В – частный коэффициент, зависящий от скорости движения воздух

(для гальванических цехов равен 0,71);[4].

Р_б = 1013гПа, барометрическое давление

F_эл – поверхность зеркала электролита, м²;

F_эл = L_внутр·W_внутр (4.39)

Дл ванны матового никелированя (50⁰С )

P₂ = = 93,3 гПа

F_эл =0 ,61 · 1,7 = 1,04 м²;

g^’(H₂O)==10765,2 л/год = 11м³/год

(22 м³/год для двух автоматов)

Для ванны блестящего никелирования(55⁰С)

. P₂ = = 87,5 гПа

g^’(H₂O)= =5084 л/год = 5,1 м³/год

(10,2 м³/год для двух автоматов)

Аналогично расчитываем для остальных ванн. Результаты сводим в таблицу.

4.5.3.4Расход воды на электролиз

Расход воды на электролиз , кг рассчитывается по формуле

=I∙Т_эф∙q_{н О}∙В_т∙К_з∙n/100000 (4.40)

где I – сила тока на ванну,А

Т_эф- эффективный фонд времени работы ванны, ч

q_{н О}- электрохимический эквивалент воды, г/А∙ч

В_т- выход по току для электролиза воды, %

К_з- коэффициент загрузки ванны

n- число однотипных ванн

Для электрохимического обезжиривания

К_з=(70/609) · 100% =11,5%=0,115

=221∙3814∙0,336∙100∙0,115∙1/100000=32,6 л/год = 0,033 м³/год

(0,066 м³/год для двух автоматов)

4.5.3.5 Расход воды на унос с выделяющимися газами

Объём выделяющегося за год водорода и кислорода , ,, л/год, приведённый к нормальным

условиям рассчитывается по формуле

(4.41)

де - сила тока, А;

- эффективный годовой фонд работы ванны, ч;

- электрохимический эквивалент водорода, л/А∙ч;

- выход по току для водорода (в долях);

- число однотипных ванн;

- коэффициент использования ванны (в долях).

Объём газов при условиях электролиза , л/год, рассчитывается по формуле

(4.42)

где =101,3кПа.;

= 273⁰К;

- давление газов при условиях электролиза за вычетом давления водяных

паров при температуре процесса.

Расход воды с уходящими газами , кг/год, рассчитывается по формуле

(4.43)

где - удельная масса насыщенного водяного пара на 1 л газа над раствором

при температуре процесса, кг/м³.

Для ванны электрохимического обезжиривания( 25⁰C)

= 40,5 м³/год

= 20,3 м³/год

⁰= 40,5+20,3=60,7 м³/год

,

при 25 ⁰С= 0,02304 кг/м³[9]

(3,14 кг/год для двух автоматов)

Для ванны матового никелирования (50 ⁰C)

Ni²⁺+ 2e=NiB_T= 95-98%

2H⁺ + 2e = H₂ B_T= 5-2%

= 35.7 м³/год

,

при 50 ⁰С= 0, 083 кг/м³[9]

(7.7 кг/год для двух автоматов)

Для ванны блестящего никелирования ( 55 ⁰С)

= 17,4 м³/год

,

при 55 ⁰С= 0, 104 кг/м³[9]

(4,8 кг/год для двух автоматов)

Расход воды на промывки

Одноступенчатая промывка после ванны химического обезжиривания

Удельный расход воды в ванне промывки :

, (47)

где - удельный вынос раствора с поверхности деталей [4];

- концентрация наиболее опасного компонента в ванне, г/л;

- концентрация наиболее опасного компонента в промывочной воде, г/л.

Годовой расход воды в ванне промывки :

(48)

л/м²

л/год

Каскадная (теплая и холодная) противоточная промывка после ванны электрохимического обезжиривания

Удельный расход воды при таком типе промывки :

(49)

л/м²

Годовой расход воды при таком типе промывки

, (50)

л/год

Холодная каскадная противоточная промывка после ванны активации

Удельный расход воды при таком типе промывки

(51)

л/м²

Годовой расход воды при таком типе промывки

, (52)

л/год

Ванна улавливания после блестящего никелирования

Удельный расход воды в ванне улавливания :

, (53)

где С_в.у. - концентрация в ванне улавливания, г/л.

Годовой расход воды в ванне улавливания :

, (54)

л/м²

л/год

Зная объем воды в ванне улавливания, рассчитываем сменяемость этой ванны m=g/V_в.у. (55)

m=4869/1737=3 раза

Холодная каскадная противоточная промывка после ванны улавливания

л/год

Ванна теплой промывки перед сушкой

л/год

Таблица 5 Общий расход воды

Наименование	Расход воды, л/год.
операции	на приготовление	на работу	на испарение	на электролиз	на унос с газами	на промывку
1	2	3	4	5	6	7
Обезжиривание химическое	1182	9580	6483	27	-	-
Промывка	-	-	-	-	-	85928
Электрохимическое обезжиривание	1206	-	6483		9	-
Промывка (каскад)	-	-	-	-	-	29766
Активация	1073	-	2191	-	-	-
Промывка (каскад)	-	-	-	-	-	48608
Никелирование матовое	5329	-	26973	-	1,3	-
Никелирование блестящее	2838	-	12739	-	3,8	-
Улавливание	-	-	-	-	-	4869
Промывка (каскад)	-	-	-	-	-	51557
Промывка	-	-	-	-	-	1719
Итого:	11628	9580	54869		14,1	222447

3.7 Энергетические расчеты

3.7.1 Расчет напряжения на ванне

Ванна электрохимического обезжиривания

Напряжение на ванне , вычисляется по формуле

, (56)

где - потенциал анода, В;

(57)

потенциал равновесного кислородного электрода в растворе обезжиривания, В;

- перенапряжение выделения кислорода, В;

- потенциал катода, В;

, (58)

- потенциал равновесного водородного электрода в растворе обезжиривания, В;

перенапряжение выделения водорода, В;

- падение напряжения в электролите, В;

Падение напряжения в электролите , В, вычисляется по формуле

, (59)

средняя плотность тока, А/дм², ;

межэлектродное расстояние, см;

удельная электропроводность, Ом^-1 см^-1;

К_г – коэффициент газонаполнения;

- падение напряжения в электродах, В;

(этой составляющей можно пренебречь, так как она незначительна)

Так как на катоде идет процесс выделения H₂, а на аноде O₂, то разность потенциалов катода и анода есть напряжение разложения воды при температуре обезжиривания 60⁰С.

Напряжение разложения воды при температуре 60С , вычисляется по формуле

, (60)

где напряжение разложения воды при 25⁰С, В;

=1,23 В;

- изменение энтропии при стандартных условиях, ;

z – число электронов;

F – число Фарадея, Кл;

Энтропия для этой реакции при стандартных условиях

, (61)

При 60⁰С: В

Перенапряжение выделения водорода:

, (62)

где a и b - константы в уравнении Тафеля;

j - плотность тока, А/ см²;

j=1,53 А/дм²

для стали ;[10].

В

Перенапряжение выделения кислорода:

, (63)

где a и b - константы в уравнении Тафеля;

j - плотность тока, А/ дм².

для стали ;[10].

В

Так как с увеличением температуры на 1⁰С перенапряжение уменьшается на 2 мВ, то при 60⁰С:

В

В

, (64)

В

Расчет удельной электропроводности.

, (65)

Эквивалентная концентрация компонентов раствора вычисляется по формуле

, (66)

,

,

.

Суммарная концентрация компонентов:

Эквивалентная электропроводность для каждого из компонентов раствора при суммарной концентрации при 25⁰С

156,3 Ом^-1г-экв∙см² [1];

45,5 Ом^-1г-экв∙см² [1];

72 Ом^-1г-экв∙см² [1].

Для 60⁰С:

156,3∙[1+0,019(60-25)]=260,24 Ом^-1г-экв∙см²

45,3∙[1+0,02(60-25)]=77,01 Ом^-1г-экв∙см²

72∙[1+0,02(60-25)]=122,4 Ом^-1г-экв∙см²

Удельная электропроводность отдельных компонентов в смешанно растворе вычисляется по формуле

, (67)

Ом^-1∙м^-1

Ом^-1∙м^-1

Ом^-1∙м^-1

Удельная электропроводность раствора вычисляется по формуле:

+(68)

0,16+0,04+0,01=0,21 Ом^-1∙м^-1

Падение напряжения в электролите

=1,2 В

Падение напряжения в электродах и контактах

0,15[(0,5-(-0,5)+1,2]=0,33 В

Напряжение на ванне электрохимического обезжиривания:

2,2+1,4+0,33=3,93 В

Расчет напряжения на ванне матового никелирования

Напряжение на ванне матового никелирования:

, (69)

для растворимых анодов можно воспользоваться величинами поляризаций, т. е.

По поляризационным кривым нашли:

φ_к=-0,72 В [11];

φ_а=0,3 В [11];

15 см.

,

,

,

,

,

Эквивалентная электропроводность для каждого из компонентов раствора при суммарной концентрации при 25⁰С

15,07 Ом^-1г-экв∙см²[1];

66,2 Ом^-1г-экв∙см²[1];

17,5 Ом^-1г-экв∙см²[1];

36,7 Ом^-1г-экв∙см²[1].

Для 50⁰С:

15,07∙[1+0,02(50-25)]=22,61 Ом^-1г-экв∙см²

66,2∙[1+0,02(50-25)]=99,3 Ом^-1г-экв∙см²

17,5∙[1+0,0164(50-25)]=24,68 Ом^-1г-экв∙см²

36,7∙[1+0,02(50-25)]=55,05 Ом^-1г-экв∙см²

Удельная электропроводность отдельных компонентов в смешанно растворе вычисляется по формуле

,

=0,03 Ом^-1∙м^-1

=0,02 Ом^-1∙м^-1

=0,04 Ом^-1∙м^-1

=0,06 Ом^-1∙м^-1

Удельная электропроводность раствора вычисляется по формуле:

+

0,03+0,02+0,04+0,06=0,15 Ом^-1∙м^-1

Падение напряжения в электролите

,

=1,53 В

Падение напряжения в контактах

0,15[(0,3-(-0,72)+1,53]=0,38 В

Падение напряжения в перфорации корзины:

(70)

=0,6 В

Напряжение на ванне матового никелирования:

=(0,3-(-0,72))+1,53+0,4+0,6=3,55 В

Расчет напряжения на ванне блестящего никелирования

Напряжение на ванне блестящего никелирования:

, (71)

φ_к=-0,76 В [11];

φ_а=0,35 В [11];

15 см.

,

,

,

,

0,11 Ом^-1∙м^-1

Падение напряжения в электролите

,

=4,8 В

Падение напряжения в контактах

0,15[(0,35-(-0,76)+4,8]=0,9 В

Падение напряжения в перфорации корзин:

=1,5 В

Напряжение на ванне блестящего никелирования:

(0,35-(-0,76))+4,8+0,9+1,5=8,31 В

3.7.2 Расчет джоулева тепла

Ванна электрохимического обезжиривания

, (72)

где напряжение на штангах ванны, В;

тепловое напряжение разложения для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны;

выход по току для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны;

Тепловое напряжение

, (73)

где изменение энтальпии для данного электрохимического превращения;

, (74)

Пересчитываем при 60⁰С по формуле

,

где - теплоемкость веществ, ккал/г;

- молекулярная вес вещества, г;

- разность температур, К;

- энтальпия вещества при 298С;

Для воды: ,

Для водорода: ,

Для кислорода: .

Изменение этальпии системы:

, (75)

Тепловое напряжение разложения воды:

Количество теплоты, выделившееся за 1час работы:

3,6∙162∙1(3,93-1,33∙1)=1516 кДж/ч

Расчёт джоулева тепла ванн никелирования

В электрохимической системе ванн никелирования происходят следующие процессы:

К: Ni²⁺ +2е → Ni Вт=95-98%

2H⁺ + 2е → Н₂ Вт=2-5%

А: Ni – 2е → Ni²⁺ Вт=100%

Σ: а) Ni²⁺ ↔ Ni²⁺ В≈В=95-98%

б) Н₂SO₄+Ni → NiSO₄+H₂ В_т=2-5%

Расчёт джоулева тепла гальванической ванны Q_т, кДж/час, ведём по формуле

(76)

где J – сила тока на ванне, А;

U_В – напряжение на гальванической ванне, В;

Е_т – тепловое напряжение разложение для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны,В.

Е_т=, (77)

где ΔН – изменение энтальпии реакции, кДж/моль.

Для реакции Н₂SO₄+Ni → NiSO₄+H₂

ΔН_Н2SO4= -811,9 кДж/моль

ΔН_NiSO4= -891,4 кДдж/моль

ΔН_Ni=0; ΔН_Н2=0 [1]

ΔН_р-ции=Σ ΔН_кон- Σ ΔН_исх (78)

ΔН_р-ции=-891,4+811,9=-79,5 кДж/моль

Е_т==0,41

для ванны матового никелирования

Q_т = 3,6∙144∙1(3,55-0,41∙0,05)=1830 кДж/ч

для ванны блестящего никелирования

Q_т = 3,6∙371∙1(8,31-0,41∙0,05)=11071 кДж/ч