Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Исходные данные для расчета материального баланса и нахождение параметров ванны. Расчет материального баланса ⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5
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
Таблица 3 – Состав электролита на выходе из ванны, г/л
Таблица 4 - Параметры технологического процесса
Таблица 5 – Параметры катодов
Таблица 6 – Параметры анодов
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
Таким образом, расчету подлежат для всех компонентов и для 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, 8-0, 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
Рассчитаем , : (3.24) (3.25) Зная и , можно рассчитать по формуле (3.23): Проведем расчет и для нахождения по 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/л со скоростью Заключение
В ходе выполнения курсовой работы выбрана ванна электролиза, соответствующая технологической инструкции Челябинского цинкового завода (Размеры ванны 7600*1400*2270 мм, ). На основании расчета материального баланса ванны электроэкстракции цинка определен состав входящего электролита ( и 150, 5г/л и скорость циркуляции электролита ( необходимые для поддержания заданного состава раствора на выходе из ванны ( и160 г/л ).
|