Міністерство освіти і науки , молоді та спорту України

Запорізька державна інженерна академія

Кафедра металургії кольорових металів

Звіт з практичних занять

З дисципліни «Теоретичні основи електрометалургійних процесів»

Виконала: ст. групи МЕТ-09-3д

Кіяшко С.О.

Перевірила: доцент к.т.н.

Лукошніков І.Є.

м. Запоріжжя

2011 р.

I ЕЛЕКТРОЛІЗ РОЗПЛАВЛЕНИХ СЕРЕДОВИЩ

Завдання № 1

Під час безперервної роботи серії з n=150 шт. алюмінієвих електролізерів під навантаженням I=148 кА за календарний місяць (=30 діб) роботи вироблено g_ФАКТ=4813,45 т металу, що містить Р_Al=99,6 % алюмінію. Середня напруга на серії (з урахуванням періодичних «анодних спалахів») дорівнює V=702 В.

Визначити вихід щодо струму та питому витрату електроенергії для алюмінію, що одержано (в розрахунку на 100 %-й метал).

Вихідні дані для розрахунків за завданням № 1 подано в додатку В,[1].

Розв’язання

1. Загальна електрохімічна реакція у ванні :

(також частково утворюється СО).

2. Електрохімічний еквівалент алюмінія :

3. Кількість алюмінію, що теоретично можна отримати із серії на календарний місяць :

4. Вихід щодо струму на серії:

5. Питома витрата електроенергії :

.

За використанням[2.].

Завдання № 2

Під час електрохімічного згоряння вуглецевих анодів алюмінієвого електролізера, що працює під навантаженням I=176 кА, утворюється 50 % (об.) СО₂ і 50 % (об.) СО.

Анодна щільність струму в електролізері складає i_а=0,86 А/см²; вихід щодо струму дорівнює В_Т=88,6 % (прийняти, що його значення для катодного й анодного процесів є однаковим); уявна щільність анода складає d_А=1,49 г/см³; механічні втрати анодної речовини дорівнюють близько 16 % (К=1,16) від його витрати на саме електрохімічне згоряння.

Визначити витрату анодної речовини (в розрахунку на чистий вуглець) за пять діб роботи алюмінієвого електролізера на самий електрохімічний процес, а також висоту «згоряння анодів».

Вихідні дані для розрахунків за завданням № 2 подано в додатку Г,[1].

Розв’язання

1. Реакції сумарних електрохімічних процесів у ванні:

1. Al₂O₃+3C=2Al+3CO

2. 2Al₂O₃+3C=4Al+3CO₂

2. Електрохімічні еквіваленти для вуглецю:

для реакції (а)

для реакції (б)

3. В анодному газі на 1 моль CO₂ припадає 1 моль CO. На електрохімічне утворення кожного моля CO₂ витрачається вдвічі більше електроенергії, ніж на 1 моль CO. Звідси виходить, що 66,7 електроенергії, витраченої на згоряння анодів, йде на утворення CO₂ (Вт^/), а 33,3 % - на утворення CO (Вт^//).

4. П'ятидобова витрата анодної речовини у ванні на електрохімічний процес:

5. Витрата анодів з урахуванням механічного руйнування:

6. Об'єм «згорівши» анодів:

7. Робоча поверхня анодів:

8. Висота згоряння анодів за 5 діб:

За використанням[2.].

Завдання № 3

Магнієві електролізери працюють за так званою «карналітовою» схемою під час живлення їх карналітом, що містить % хлористого магнію. Навантаження електролізерів складає I=136 кА; обєм розплаву дорівнює V=9,6 м³.

Визначити періодичність часткової заміни електроліту у ванні для поповнення витрати хлориду магнію, якщо по завершенні заливання свіжого розплаву електроліт повинний містити p^' =14 % хлориду магнію (d=1,75 г/см³). До відбору електроліту з ванни приступають по зниженні в ньому концентрації MgCl₂ до p^''=5 %.

Розрахувати кількість відпрацьованого електроліту, який повинне віддалятися з ванни перед введенням до неї розплаву карналіту, а також питому витрату карналіту на одну тонну магнію-сирцю.

Параметри процесу електролізу:

- вихід щодо струму - В_Т=81,7 %;

- магній-сирець містить p_Мg=97,5%.

Відходи під час електролізу в розрахунку на одну тонну магнію-сирцю:

- шлам (містить р'=19,6 % оксиду магнію, інше - хлориди лужних металів) - m₁=0,295 т;

- возгін (із вмістом р''=28,6 % хлориду магнію, інше - інші компоненти електроліту) - m₂=0,045 кг.

Вихідні дані для розрахунків за завданням № 3 подано в додатку Ж, взято з [1].

Розв’язання

1. Виробничість ванни по магнію-сирцю за годину:

2. Витрата MgCl₂ на електроліз в розрахунку на 1 кг магнію-сирцю:

3. Витрата MgCl₂ на утворення MgО у шламі ( на 1 кг магнію-сирцю):

4. Витрата MgCl₂ при возгоні ( на 1 кг магнію-сирцю):

5. Сумарна питома витрата MgCl₂ на 1 кг магнію-сирцю:

6. Годинна витрата MgCl₂ у ванній:

7. Питома витрата електроліту у ванній у процесі електролізу (з урахуванням розкладання, шлакоутворення та возгону) на 1 кг магнію-сирцю:

8. Витрата електроліту на годину:

9. Склад MgCl₂ у свіжому електроліті ванної:

10. Періодичність часткової зміни електроліту складає τ год. Для розрахунку значення τ складемо рівняння, що характеризує вміст MgCl₂ у «виснаженому» електроліті:

Звідси:

11. Маса «виснаженого» електроліту ванни перед відбором розплаву:

12. Позначимо кількість виведеного із ванни відпрацьованого електроліту - ; кількість введеного карналіту - . Для знаходження цих величин складемо систему із двох рівнянь:

а) після відбору частини обробленого електроліту та введення розплаву карналіту у ванну об'єм отриманого електроліту повинен бути рівним первісному (до електролізу), тоді

б) вміст MgCl₂ в отриманому розплаві повинно відповідати рівнянню:

Розрахуємо спільно отримані рівняння:

Отримаємо карналіту та обробленого електроліту.

13. Кількість магнію-сирцю, отримана із ванни за 7-годинний період:

14. Питома витрата карналіту на 1 т магнію-сирцю:

15. Кількість відведеного відпрацьованого електроліту з урахуванням на 1 т магнію-сирцю:

За використанням[2.].

Завдання № 4

До магнієвих електролізерів з токовим навантаженням І=45 кА підводять не цілком збезводнений бішофіт складу MgCl₂  1,5 H₂O, що подається до анодного простору електролізера, де відбувається остаточне зневоднювання продукту в присутності вуглецевої речовини анодів. Це затрудняє гідроліз MgCl₂ і сприяє зворотному хлоруванню оксиду магнію, що утворюється.

Анодні гази містять p_Сl =8,6 % хлору, p_СО =7,5 % двооксиду вуглецю та деяку кількість газоподібного хлористого водню. Електролізер працює з виходом магнію щодо струму В_Т=78,6 %. Умовно прийнявши, що зниження катодного виходу щодо струму цілком обумовлено взаємодією магнію з анодними продуктами, розрахувати питому витрату графітових анодів на згоряння однієї тонни магнію (без урахування анодних залишків). Прийняти, що механічне руйнування анодів дорівнює їхньому електрохімічному окислюванню.

Вихідні дані для розрахунків за завданням № 4 подано в додатку Г, [1].

Розв’язання

1. Анодні процеси:

80% анодного струму приходиться (згідно умови) на ці процеси.

2. Анодний вихід по струму для згоряння анодів:

(для отримання однакових об’ємів газу на СО₂ використовується вдвічі більша кількість електроенергії, ніж на Cl₂).

3. Кількість магнію, що отримуємо з електролізера на годину:

4. Витрата анодної речовини за годину при електрохімічному та механічному руйнуванні:

5. Питома витрата анодів:

.

За використанням[2.].

Завдання № 5

Під час безперервного способу виділення металевого натрію на свинцевому катоді рідкий свинець безперервно протікає днищем ванни, збагачуючись металевим натрієм. Електролізу піддається NaCl, розплавлений за температури 810…830⁰С. На графітових анодах ванни здійснюється виділення газоподібного хлору. До електролізеру подається сплав свинцю, який вміщує р₁=3,9 % натрію (після відгону в дистиляційній печі частини металевого натрію з кінцевого продукту); сплав, що виходить з ванни містить p₂=6,2 % натрію. Щільність сплаву (з 5 % Na) за температури процесу складає 9,64 г/см³.

Ванна довжиною L=3,5 м працює під навантаженням I=17,6 кА; за катодної щільності струму i_K=0,76 А/см²; виході щодо струму В_Т=75 %. Рівень катодного сплаву у ванні δ=0,045 м. Робоча напруга на ванні V=6 В.

Розрахувати:

- годинну продуктивність ванни за металевим натрієм і хлором (прийняти, що вихід щодо струму для обох продуктів є однаковим);

- питому витрату електроенергії на одну тонну одержаного натрію;

- необхідну швидкість руху сплаву Pb-Na у ванні;

- масу збагаченого сплаву, одержаного протягом однієї години у ванні;

- необхідну швидкість подавання вихідного катодного сплаву до ванни.

Вихідні дані для розрахунків за завданням № 5 подано в додатку К, [1].