- •Материальный баланс ванны электроэкстракции цинка
- •1. Электродные реакции
- •1.1 Катодный процесс
- •1.2 Анодный процесс
- •1.3 Суммарная электрохимическая реакция
- •2.Составы электролитов для электроэкстракции цинка
- •2.1 Сульфатный электролит
- •2.2 Хлоридный электролит
- •2.3 Щелочные цинкатные электролиты
- •2.4 Выбор электролита
- •3.Расчет материального баланса ванны электроэкстракции
- •3.1Исходные данные для расчета материального баланса и нахождение параметров ванны. Расчет материального баланса
- •Заключение
- •Библиографический список
3.1Исходные данные для расчета материального баланса и нахождение параметров ванны. Расчет материального баланса
Для расчета материального баланса ванны электроэкстракции цинка примем, что состав электролита в ванне меняется по шести зонам. Это значит, что выходящий поток из предыдущей зоны равен входящему в следующую.
Исходные данные для расчета материального баланса ванны представлены в таблицах 2- 6:
Таблица 2 – Состав электролита на входе в ванну (первое приближение),г/л
Ионы цинка |
60 |
Серная кислота |
150,5 |
Таблица 3 – Состав электролита на выходе из ванны, г/л
Ионы цинка |
55 |
Серная кислота |
160 |
Таблица 4 - Параметры технологического процесса
Температура электролита, °С |
34 |
Плотность тока (катодная), |
450 |
Катодный выход по току, % |
90 |
Анодный выход по току, % |
100 |
Длина ванны, мм |
7600 |
Ширина ванны, мм |
1400 |
Высота ванны, мм |
2270 |
Высота электролита в ванне, мм |
2170 |
Таблица 5 – Параметры катодов
Высота катода, мм |
1715 |
Ширина катода, мм |
1100 |
Толщина катода, мм |
7 |
Количество катодов, шт |
80 |
Расстояние между катодами, мм |
90 |
Таблица 6 – Параметры анодов
Высота анода, мм |
1675 |
Ширина катода, мм |
1050 |
Толщина анода, мм |
12 |
Количество анодов, шт |
81 |
Расстояние между анодами, мм |
90 |
Электролизная ванна представляет собой железобетонную конструкцию с внутренней футеровкой из ПВХ (рисунок 1). Внутренние размеры ванны: 7600*1400*2270 мм [2].
Рисунок 1 - Эскиз ванны электролиза [4]
Зная габаритные размеры ванны, можно высчитать объем ванны по формуле:
(3.1)
где– длина ванны, мм
- ширина ванны, мм
–высота ванны, мм
Чтобы высчитать объем электролита в ванне (3.4), необходимо найти объемы катодов (3.2) и анодов (3.3):
(3.2)
где lk – длина катода, мм
–ширина катода, мм
–толщина катода, мм
(3.3)
где la – длина анода, мм
–ширина анода, мм
–толщина анода, мм
Рассчитаем объем электролита в ванне по формуле:
(3.4)
где – число катодов и анодов соответственно
В расчете на 1 зону:
(3.5)
где = 6 – число зон в ванне
Проведем расчет зеркала электролита по формуле:
(3.6)
В расчете на одну зону:
Материальный баланс изменения состава электролита основан на системе уравнений покомпонентного и общего материального баланса и уравнения зависимости плотности от состава электролита:
(1…k) (3.7)
(3.8)
(3.9)
где V- обьём ванны, м3;
ρ – плотность электролита, кг/м3;
Qi,см,Σ - суммарный источник вещества i-го компонента, кг/с;
k – количество компонентов электролита;
bi – коэффициент, учитывающий влияние i-го компонента на плотность электролита.
безразмерная концентрация компонента в растворе
В процессе электролиза в ванне электроэкстракцииобъем электролита не меняется, поэтому можно допустить, что. При этом необходимо учитывать изменение плотности электролита. После ряда преобразований система уравнений (3.7) - (3.9) выглядит следующим образом [5]:
(1…k) (3.10)
(3.11)
(3.12)
Расчет проводили методом численного интегрирования по времени (dt) по шагам (n – шаг расчета):
(3.13)
(3.14)
(3.15)
При составлении материального баланса необходимо знать зависимость плотности раствора от его состава. Вклад каждого компонента в величину плотности раствора учитывают эмпирические коэффициенты bi, которые определяли по справочным данным (рисунки 2-3) [6].
Рисунок 2 – Зависимость плотности раствора от концентрации серной кислоты
Рисунок 3 – Зависимость плотности раствора от концентрации сульфата цинка
Для каждого компонента, кроме воды, коэффициент bi следующим образом:
, (3.16)
где 1000, кг/м3– плотность воды,
и - значения плотности раствора и концентрации i-го компонента,кг/м3, взятые по справочнику
Коэффициенты bi(рисунки 2 - 3) равны:
Расчет нестационарного материального баланса проводят на основе начальных условий, то есть значения плотности электролита и концентраций компонентов в момент времени t=0.
Для определения плотности раствора в момент времени t=0 используется выражение:
(3.17)
Для расчета плотности раствора необходимо пересчитать концентрацию входящих ионов цинка на по формуле (3.18):
(3.18)
где молярная масса сульфата цинка, г/моль;
атомная масса цинка, г/моль;
Проведем расчет плотности электролита на входе в ванну при Т = 20°С и при Т=34°С по формуле (3.17):
Зная плотность, рассчитаем значения безразмерных концентраций компонентов в начальный момент времени по формуле (3.19):
(3.19)
Для расчета источников компонентов (), необходимо учесть все электродные и химические реакции, происходящие в гальванической ванне. Составим таблицу (таблица 7) для определения .
Таблица 7 – Определение типа для расчета интенсивностей компонентов
Компонент | ||||
- |
+ |
- |
- | |
- |
+ |
- |
- | |
- |
+ |
- |
+ | |
- |
+ |
- |
- | |
- |
+ |
- |
- |
Таким образом, расчету подлежат для всех компонентов идля воды.
Расчет проводим по формуле (3.20):
, (3.20)
где молярная масса компонента, кг/моль;
I – токовая нагрузка, рассчитываемая по формуле (3.21), А;
Z – количество электронов;
F- постоянная Фарадея, Кл/моль;
, (3.21)
где катодная плотность тока,;
Проведем расчет для всех компонентов по формуле (3.20):
Испарение воды в электрохимических системах возможно за счет равновесного испарения и за счет конвективного уноса паров:
(3.22)
Конвективный унос
3.23)
где 1,27∙10-2 – коэффициент характеризующий плотность потока испарения при температуре кипения раствора в сухой воздух, ;
К - безразмерный коэффициент, величина которого зависит от скорости движения воздуха (К=0,56 для неподвижного , К=0,7 для медленно движущегося и К=0,80,9 для быстро движущегося воздуха);
- атмосферное давление;
- парциальное давление паров воды над электролитом при температуре электролита;
- парциальное давление паров воды при температуре внешней среды и данной влажности;
- площадь зеркала электролита (
Для расчета воспользуемся справочными данными [6]: (таблица 8).
Таблица 8 – Справочные данные
, мм.рт. ст. |
760 |
, мм. рт. ст |
39,89 |
, мм. рт. ст |
23,75 |
φ (мольная доля),% |
80 |
Рассчитаем ,:
(3.24)
(3.25)
Зная и, можно рассчитатьпо формуле (3.23):
Проведем расчет идля нахожденияпо формуле:
(3.26)
Таким образом, получим:
Исходя из выше представленных расчетов, найдем суммарную интенсивность по всем компонентам:
(3.27)
Расчет материального баланса производили в программе MicrosoftExcel 2010. Для расчета задавались начальными приближениями состава входящего электролита (таблица 2) и скоростью входящего потока, которую вычислили по формуле:
, (3.28)
где, электрохимический эквивалент цинка,;
Результаты расчетов представлены в виде графиков на рисунках 4-5:
Рисунок 4 – Изменение концентрации сульфата цинкаво времени
Рисунок 5 – Изменение концентрации серной кислоты во времени
В ходе расчета материального баланса было установлено, что для получения электролита заданной концентрации (таблица3) на выходе из ванны необходимо подавать электролит состава и 150,5 г/лсо скоростью