錳電解車間設(shè)計(jì)

1、1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證1電解錳的工藝選擇與論證；冶金計(jì)算物料平衡計(jì)算（溶液平衡、金屬平衡及酸平衡 ）和熱平衡計(jì)算； 主體設(shè)備的選擇；工程圖紙的繪制：主體設(shè)備連接圖、工藝流程圖一張；英語(yǔ)論文翻譯。論 文 內(nèi) 容 論 文 特 色查閱較多資料，從熱力學(xué)分析，確定了較準(zhǔn)確的電解過(guò)程參數(shù)；本設(shè)計(jì)重視節(jié)能環(huán)保，從多方面提出節(jié)能措施；在除雜和使用添加劑方面做出了探討，使本設(shè)計(jì)具備了生產(chǎn)高純電 解錳的能力；計(jì)算認(rèn)真，對(duì)電解槽自然冷卻系數(shù)、泵選型等做出了比前人更為 精確的計(jì)算。摘 要1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證21.1電解錳過(guò)程的熱力學(xué)分析陰極發(fā)生Mn2+得電子的還原反應(yīng)！ 我們知道：電位越高，得

2、電子能力越強(qiáng)！怎樣保證錳優(yōu)先析出呢？ 根據(jù)能斯特方程：fMn=-1.1795+0.0951Mn2+-Mn fH2= -0.0591PH-H 所以，依靠增大Mn2+ 增大氫超電壓H . 根據(jù)塔菲爾公式根據(jù)塔菲爾公式=a+bDK a值的重要性遠(yuǎn)大于b ；低的電解溫度是確保高的塔菲爾值a的主要條件 ；加入氨，可以使fH降大于fMn 降，從而有利于Mn的優(yōu)先析出。加氨還生成 配合物，增加溶液穩(wěn)定性。1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證31.1電解錳過(guò)程的熱力學(xué)分析電解反應(yīng)中，陽(yáng)極為正極（高電壓），發(fā)生氧化反應(yīng)，失電子。在陽(yáng)極同時(shí)發(fā)生析MnO2與析O2兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)：MnO2+4H+2e=Mn2+2H2O f

3、Mn=1.229-0.1192pH；O2+4H+4e=2H2O fO=1.229-0.0591pH；由右圖可看出，溫度升高有助于增大兩者電勢(shì)差（即，Mn2+更易失電子，MnO2更易生成），這是不希望的。1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證41.2 電解錳的工業(yè)生產(chǎn)電解錳的工業(yè)生產(chǎn)電解（電解沉積）總反應(yīng)式為MnSO4+H2O =Mn+O2 +H2SO4 反應(yīng)是在木制假底鋼筋水泥PVC襯里的隔膜電解槽中進(jìn)行 陽(yáng)極材料為鉛基合金，廣泛應(yīng)用于硫酸鹽介質(zhì) 陰極材料為18Cr12Ni8Mo不銹鋼合金，或鈦板。原因是在電解液中不溶解、電阻率低、氫過(guò)電位高、彎曲性和彈性好 。使用不銹鋼前要在含有小量硅酸鈉的溶液中

4、浸泡 作緩沖處理，鈦板則不需要。 由于在硫酸錳水溶液中電解錳時(shí)，陰極室必須處于中性偏堿（78）狀態(tài)才能析出錳，而陽(yáng)極在電解過(guò)程中放出H+，為酸性，必須區(qū)分陰極室和陽(yáng)極室的不同電解效應(yīng)。槽中設(shè)有假底是為更好的密封性。隔膜材料選用濾布即可。1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證5新液新液 凈化后的溶液。除重金屬、凈化后的溶液。除重金屬、CaSO4等。等。Mn3438g/l，(NH4)2SO4 100120g/l，pH 6.57 陰極液 Mn1518g/l （NH4）2SO4 120140g/l（無(wú)硒）（無(wú)硒） 陽(yáng)極液陽(yáng)極液 Mn1415g/l H2SO4 40g/l 1.2 1.2 電解錳的工業(yè)生產(chǎn)電解

5、錳的工業(yè)生產(chǎn)電流密電流密度度電解液電解液成分成分 槽電槽電壓與電壓與電耗耗 電解液電解液溫度溫度升高溫度可以增加溶液的電導(dǎo)，升高溫度可以增加溶液的電導(dǎo)，減少能耗，但溫度過(guò)高會(huì)降低電減少能耗，但溫度過(guò)高會(huì)降低電流效率。流效率。溫度偏低沉積錳會(huì)生成樹枝狀結(jié)晶，高于45則會(huì)形成粗晶粒低的電解溫度是確保高的塔菲低的電解溫度是確保高的塔菲爾值爾值a的主要條件，從而保證高的主要條件，從而保證高的電流效率的電流效率 因此，工業(yè)上采用的電解溫度為3844。Mn2+在高在高pH的條件的條件下，很容易被氧化成下，很容易被氧化成高價(jià)錳化合物高價(jià)錳化合物MnOOH(Mn2O33H2O)和和MnO2。為防止。為防止Mn

6、2+氧化，必須加入抗氧氧化，必須加入抗氧化劑使溶液保持還原化劑使溶液保持還原性性 V槽槽 = V分分 + V液液 + V極極 + V泥泥 + V接接 = 4.65V其中其中V分分 = fO2/H2O -f Mn2+/Mn =2.5V國(guó)內(nèi)錳電解電流效率一般達(dá)到68%左右，則每噸錳的電解電耗 6200KWh 陰極陰極沉積沉積時(shí)間時(shí)間 陰極電流密度陰極電流密度 為抑制氫為抑制氫超電壓，電解錳生產(chǎn)中采用較超電壓，電解錳生產(chǎn)中采用較高的陰極電流，以提高陰極電高的陰極電流，以提高陰極電流效率流效率；電流密度過(guò)低或過(guò)高都會(huì)降低電流效率。一般采用350400A/m2 一般采用一般采用680680800A/m8

7、00A/m2 2高電流高電流密度，以減少陽(yáng)極上析出的密度，以減少陽(yáng)極上析出的MnOMnO2 2量量 隨著電解時(shí)間的延續(xù)，陰極析出錳表面變粗糙，甚至產(chǎn)生粒狀或樹枝狀結(jié)晶，電流效率降低，所以電解時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)析出周期一般為24h。 1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證61.3 1.3 工藝流程選擇論述及節(jié)能與品質(zhì)改進(jìn)探討工藝流程選擇論述及節(jié)能與品質(zhì)改進(jìn)探討 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電解錳的原料為菱錳礦，其工藝為：硫酸浸出氧化除鐵硫化法除重金屬電解。 為生產(chǎn)高純電解錳，需要在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)：采用三段凈化、三段過(guò)濾的凈化工藝；減少添加劑殘留，采用無(wú)硒或復(fù)合添加劑。生產(chǎn)劃分為浸出車間、凈化車間和電解車間三個(gè)部

8、分。其中原料倉(cāng)庫(kù)、漿化上料、浸出、氧化及中和除鐵屬浸出車間；凈化車間包括硫化、靜置和壓濾工序；電積、析出錳處理等屬于電解車間 生產(chǎn)車間每天三班作業(yè)，每班工作8h，全年生產(chǎn)天數(shù)320天。1 工藝選擇與論證工藝選擇與論證71.3 1.3 工藝流程選擇論述及節(jié)能與品質(zhì)改進(jìn)探討工藝流程選擇論述及節(jié)能與品質(zhì)改進(jìn)探討 節(jié) 能 措 施1.1. 減小電解槽的電阻（即減小槽電壓）減小電解槽的電阻（即減小槽電壓） 設(shè)計(jì)合理的極距設(shè)計(jì)合理的極距 采用的同名極距在采用的同名極距在70708080之內(nèi)之內(nèi) 。采用新的連接辦法組裝陰、陽(yáng)極板采用新的連接辦法組裝陰、陽(yáng)極板 采用螺栓連接加焊接、鉚接加焊接或采用螺栓連接加焊接

9、、鉚接加焊接或者螺栓連接加導(dǎo)電膠膠接等辦法者螺栓連接加導(dǎo)電膠膠接等辦法 代替單一螺栓連接。代替單一螺栓連接。 設(shè)計(jì)采用科學(xué)的陰陽(yáng)極室空間設(shè)計(jì)采用科學(xué)的陰陽(yáng)極室空間 因?yàn)榱蛩崾且环N強(qiáng)電解質(zhì)，所以陽(yáng)極液因?yàn)榱蛩崾且环N強(qiáng)電解質(zhì)，所以陽(yáng)極液比陰極液導(dǎo)電能力強(qiáng)，電流在陽(yáng)極室的電阻要小比陰極液導(dǎo)電能力強(qiáng)，電流在陽(yáng)極室的電阻要小 ，所以陽(yáng)極室的空間稍比，所以陽(yáng)極室的空間稍比陰極室空間大，有利于減小電阻。陰極室空間大，有利于減小電阻。 選用足夠厚的陰陽(yáng)極板選用足夠厚的陰陽(yáng)極板 增加厚度的陰陽(yáng)極板也可以起到縮短極距的效增加厚度的陰陽(yáng)極板也可以起到縮短極距的效果果 選用足夠大的主路銅排和相應(yīng)的極板銅條選用足夠大的

10、主路銅排和相應(yīng)的極板銅條 2. 2. 設(shè)計(jì)安裝時(shí)防止電解槽漏電設(shè)計(jì)安裝時(shí)防止電解槽漏電 地面防漏電地面防漏電 防止電解槽漏液防止電解槽漏液 防止冷卻水漏電防止冷卻水漏電 3. 3. 在生產(chǎn)管理上節(jié)能在生產(chǎn)管理上節(jié)能 控制好生產(chǎn)工藝指標(biāo)控制好生產(chǎn)工藝指標(biāo) 選擇合理的清槽周期選擇合理的清槽周期 2. 冶冶 金金 計(jì)計(jì) 算算8 溶液平衡是濕法冶金設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，通過(guò)溶液平衡計(jì)算后，才溶液平衡是濕法冶金設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，通過(guò)溶液平衡計(jì)算后，才能進(jìn)行濕法冶金過(guò)程的金屬平衡、熱平衡計(jì)算，才能準(zhǔn)確進(jìn)行濕法冶能進(jìn)行濕法冶金過(guò)程的金屬平衡、熱平衡計(jì)算，才能準(zhǔn)確進(jìn)行濕法冶金的浸出槽、凈化槽。各種溶液液貯槽、過(guò)濾設(shè)備

11、、輸送泵、溜槽、金的浸出槽、凈化槽。各種溶液液貯槽、過(guò)濾設(shè)備、輸送泵、溜槽、管道及閥門等的選擇計(jì)算。管道及閥門等的選擇計(jì)算。溶液平衡的計(jì)算思路及過(guò)程：溶液平衡的計(jì)算思路及過(guò)程： 由每天產(chǎn)出金屬量和合格液與陽(yáng)極液濃度求出陽(yáng)極液量，陽(yáng)極液由每天產(chǎn)出金屬量和合格液與陽(yáng)極液濃度求出陽(yáng)極液量，陽(yáng)極液返回浸出工序，由公式：返回浸出工序，由公式： 求得溶液平衡（即水量不變）。計(jì)算結(jié)果如下求得溶液平衡（即水量不變）。計(jì)算結(jié)果如下： 加入項(xiàng)：1. 陽(yáng)極液581.39 m3/d ；2硫酸12.50m3/d ；3氨水1.884m3/d；4碳酸錳礦中的水2.56m3/d.；5洗渣新水13.72m3/d.； 產(chǎn)出項(xiàng)：1

12、.中和后過(guò)濾液587.26m3/d；2.浸出渣帶走24.77m3/d。補(bǔ)加的（洗渣）水量補(bǔ)加的（洗渣）水量=浸出渣帶走的水量浸出渣帶走的水量+電解槽蒸發(fā)量電解槽蒸發(fā)量加硫酸體積加硫酸體積加加入氨水體積入氨水體積碳酸錳礦中水量碳酸錳礦中水量2.2 溶液平衡計(jì)算溶液平衡計(jì)算2. 冶冶 金金 計(jì)計(jì) 算算9 金屬平衡與固體物料平衡、溶液平衡有著密切關(guān)系。冶煉過(guò)程金屬平衡金屬平衡與固體物料平衡、溶液平衡有著密切關(guān)系。冶煉過(guò)程金屬平衡的好壞，影響冶煉的直接回收率和總回收率的高低。的好壞，影響冶煉的直接回收率和總回收率的高低。仍由電解過(guò)程入手，求出需錳礦石量和各種損失量（主要是陽(yáng)極泥損失仍由電解過(guò)程入手，求

13、出需錳礦石量和各種損失量（主要是陽(yáng)極泥損失錳，無(wú)名損失）；再由錳礦石中錳和返回陽(yáng)極液中錳，減去各種損失（主要錳，無(wú)名損失）；再由錳礦石中錳和返回陽(yáng)極液中錳，減去各種損失（主要有浸出渣損失錳、凈化渣損失錳、無(wú)名損失錳），得出結(jié)果為合格液中錳量。有浸出渣損失錳、凈化渣損失錳、無(wú)名損失錳），得出結(jié)果為合格液中錳量。通過(guò)本次計(jì)算，得出合格液錳量結(jié)果與溶液平衡假設(shè)非常接近（誤差僅為通過(guò)本次計(jì)算，得出合格液錳量結(jié)果與溶液平衡假設(shè)非常接近（誤差僅為2.0%）。計(jì)算結(jié)果如下：）。計(jì)算結(jié)果如下：電解液金屬平衡加入項(xiàng)：合格液 587.26m3/d，37.0kg/m3 ，21728.62kg 產(chǎn)出項(xiàng)：1電解金屬錳

14、12500kg/d、99.90%、12487.5kg ；2陽(yáng)極液 581.39m3/d，15.0kg/m3，8720.85kg；3陽(yáng)極泥 1000kg/d，50.0%，500.0kg；4.不可回收損失20.05kg 合 計(jì)21728.30kg浸出、中和、凈化金屬平衡加入項(xiàng)：1.碳酸錳礦 82572.8kg/d，21.3%，17588.0kg；2.陽(yáng)極液581.39m3/d，15kg/m38720.81； 合 計(jì)26308.81kg產(chǎn)出項(xiàng)：1.過(guò)濾液 587.26m3/d，37.76，22175.62kg；2.浸出渣57801.0kg，7.03%，4062.833kg；.損失及其它 70.35k

15、g ；合 計(jì)26308.80kg2.3 金屬平衡計(jì)算金屬平衡計(jì)算2. 冶冶 金金 計(jì)計(jì) 算算10酸平衡是保證溶液酸平衡是保證溶液PHPH的首要措施，而浸出則是耗的首要措施，而浸出則是耗H2SO4H2SO4的主要方面。因的主要方面。因此，酸平衡的重點(diǎn)是計(jì)算此，酸平衡的重點(diǎn)是計(jì)算 的耗酸量。另外，電解過(guò)程產(chǎn)生的硫酸也是的耗酸量。另外，電解過(guò)程產(chǎn)生的硫酸也是重要的加入項(xiàng)，在溶液平衡中已經(jīng)算出。氧化、中和、硫化、靜置等工序都重要的加入項(xiàng)，在溶液平衡中已經(jīng)算出。氧化、中和、硫化、靜置等工序都有酸的無(wú)名損失。有酸的無(wú)名損失。浸出過(guò)程反應(yīng)主要有：浸出過(guò)程反應(yīng)主要有： MnCO3 + H2SO4 MnSO4

16、+ H2O + CO2 CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2 MgCO3 + H2SO4 MgSO4 + H2O + CO2 Al2O3 + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O Fe2O3 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O加入項(xiàng)：1電解陽(yáng)極液581.39 m3/d，39.89kg/m3， 23191.652kg；補(bǔ)充硫酸12.93 m3/d ，1804kg/m3，23318.80kg 合 計(jì)46510.45kg 產(chǎn)出項(xiàng)1.產(chǎn)MnSO4耗硫酸29509.94kg；產(chǎn)CaSO4耗硫酸9883.16kg；產(chǎn)MgSO4耗硫酸5428.35kg；產(chǎn)Al2

17、(SO4)3耗硫酸1048.68kg；產(chǎn)Fe2(SO4)3耗硫酸290.66kg；損失及其它349.79kg；合 計(jì)46510.58kg浸出浸出由于反應(yīng)有大量CO2放出，漿化礦漿不能用泵和管道輸送 ，只能通過(guò)溜槽自流進(jìn)各個(gè)浸出槽中 2.4 酸平衡計(jì)算酸平衡計(jì)算2. 冶冶 金金 計(jì)計(jì) 算算112.5熱平衡計(jì)算熱收入熱收入Q = Q = 通過(guò)電流通過(guò)電流電解液電阻壓降（取為槽電壓電解液電阻壓降（取為槽電壓的的50%50%）通電時(shí)間通電時(shí)間電解槽數(shù)電解槽數(shù) = 8880= 8880（4.84.850%50%）（23.523.536003600）888810103 3 = 158663577.6kJ/

18、d = 158663577.6kJ/d 電解液液面蒸發(fā)帶走熱電解液液面蒸發(fā)帶走熱熱支出熱支出 電解槽液面輻射與對(duì)流帶走熱電解槽液面輻射與對(duì)流帶走熱 電解槽外壁的輻射與對(duì)流帶走熱電解槽外壁的輻射與對(duì)流帶走熱 由電解液流動(dòng)帶走熱由電解液流動(dòng)帶走熱 全部電解液須由冷卻管散去的熱全部電解液須由冷卻管散去的熱 由右圖可知，絕大多數(shù)的熱須由散由右圖可知，絕大多數(shù)的熱須由散熱管散去。熱管散去。各項(xiàng)熱支出所占比例圖本設(shè)計(jì)采用鋁合金管為槽內(nèi)冷卻水的導(dǎo)水管，這主要是因鋁的熱導(dǎo)率（W/mk），要比鉛高出將近 5倍，因此材耗少。并且鋁密度小，可降低基建費(fèi)用和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。3. 設(shè)設(shè) 備備 選型選型12 浸出、氧化、中

19、和三個(gè)工藝過(guò)程均在同一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行，設(shè)備為浸出、氧化、中和三個(gè)工藝過(guò)程均在同一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行，設(shè)備為圓形機(jī)械攪拌槽。工藝過(guò)程包括進(jìn)料加入礦漿時(shí)間圓形機(jī)械攪拌槽。工藝過(guò)程包括進(jìn)料加入礦漿時(shí)間1h1h，浸出，浸出2h2h，氧化，氧化2.0h2.0h，中和，中和0.5h0.5h，過(guò)濾及清槽，過(guò)濾及清槽2.5h2.5h，每個(gè)周期作業(yè)時(shí)間，每個(gè)周期作業(yè)時(shí)間8h8h，每天三，每天三班作業(yè)，即每個(gè)浸出槽一天可制作班作業(yè)，即每個(gè)浸出槽一天可制作3 3槽溶液。槽溶液。 礦漿過(guò)濾采用圓筒式真空壓濾機(jī)、葉片式真空過(guò)濾機(jī)、帶式過(guò)濾礦漿過(guò)濾采用圓筒式真空壓濾機(jī)、葉片式真空過(guò)濾機(jī)、帶式過(guò)濾機(jī)，但由于上述過(guò)濾機(jī)需要使用真空和風(fēng)壓，動(dòng)力消耗大，本設(shè)計(jì)不機(jī)，但由于上述過(guò)濾機(jī)需要使用真空和風(fēng)壓，動(dòng)力消耗大，本設(shè)計(jì)不予考慮，決定采用箱式壓濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾。予考慮，決定采用箱式壓濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾。3.1浸出槽 3.2 壓濾機(jī)3. 設(shè)設(shè) 備備 選型選型13電解槽的連接方式可分為單聯(lián)法和復(fù)聯(lián)法（又稱為單極式和復(fù)電解槽的連接方式可分為單聯(lián)法和復(fù)聯(lián)法（又稱為單極式和復(fù)極式）。單聯(lián)法電解槽的同