Электролитическое рафинирование никеля

2.4 Электролитическое рафинирование никеля

2.4.1 Содержание задания

2.4.1.1 Продолжительность работы никелевых анодов габаритами 0,85 · 0,75 м2 в ваннах рафинирования составляет 30 суток. Анодная плотность тока 250 А/м2. Анодный скрап составляет от массы анода 17 %, выход шлама – 5,0 %. Анодный выход по току для никеля 95 %.

Рассчитать массу и толщину анода.

2.4.1.2 Скорость циркуляции электролита в ванне рафинирования никеля нагрузкой 10 кА составляет 600 л/ч.

Рассчитать конечную концентрацию никеля в католите при переходе его в анодное пространство, если в катодные ящики подаётся раствор, содержащий 75 г/л Ni. Катодный выход по току принять 95 %.

2.4.1.3 В качестве катодов в ваннах рафинирования никеля используют маточные никелевые основы, получаемые электролитическим пут1м в специальных ваннах.

Рассчитать время наращивания катодной основы толщиной 0,5 мм, если катодная плотность тока равна 220 А/м2, а выход по току для никеля составляет 95 %.

2.4.1.4 Ванна рафинирования никеля нагрузкой 10 кА имеет 30 катодов. Катодная плотность тока составляет 220 А/м2. Католит поступающий в катодный ящик содержит 75 г/л Ni.

Рассчитать минимальную скорость циркуляции электролита, если конечная концентрация никеля в католите, поступающем в анодное пространство составляет 25 г/л Ni.

2.4.1.5 На рафинирование никеля поступают аноды, содержащие 92 % Ni, 5,0 % Cu, 3,3 % Fe, 1,5 % Co. Анодные примеси железа и кобальта растворяются полностью, а медь растворяется на 80 %. Рассчитать состав анолита, выходящего из электролизёра, если скорость циркуляции в катодном ящике ванны нагрузкой 10 кА составляет 20 л/ч, а ванна содержит 31 катод. Католит, поступающий из катодного ящика в анодное пространство, содержит 55 г/л Ni. Анодный выход по току принять 100 %.

2.4.1.6 На рафинирование никеля поступают аноды, содержащие 90 % Ni, 4,3 % Cu, 3,0 % Fe, 1,2 % Co. Считать, что все анодные примеси полностью переходят в раствор. Раствор, поступающий в катодный ящик, содержит 75 г/л Ni. Катодный выход по току принять 96%.

Рассчитать состав католита, поступающего из катодных ящиков в анодное пространство и состав анолита, выходящего из электролизёра, если скорость циркуляции в ванне нагрузкой 10 кА составляет 500 л/ч. Анодный выход по току принять 100 %.

2.4.1.7 Ванна для рафинирования никеля содержит 32 катод и 33 анодов.

Анодный скрап составляет 12 %, а шлам 4,5 % от первоначальной массы анода. Выход по току для никеля 95 %. Время наращивания катода 5 суток. Масса маточного листа 4 кг, масса анода 300 кг.

Определить массу катодного листа и время работы анода

2.4.1.8 Ванна рафинирования никеля нагрузкой 10 кА имеет 33 катода. Катодный выход по току 96 %. Концентрация электролита, поступающего в катодный ящик, составляет 75 г/л Ni.

Рассчитать минимальную скорость циркуляции электролита через катодный ящик, обеспечивающую минимальную концентрация никеля в электролите 25 г/л.

2.4.1.9 Годовая производительность рафинировочного цеха 150 тыс тонн

катодного никеля в год. Напряжение на одиночной ванне 3,0 В. Машинное время работы ванн Км = 0,95.. Цеховой источник тока в состоянии обеспечить напряжение 500 В. Выход по току для никеля 95 %. Токовая нагрузка на ванну составляет 12 кА.

Рассчитать необходимое число ванн рафинирования в цехе, число серий и количество параллельных цепей, считая, что серия содержит 60 последовательно соединённых ванн.

2.4.1.10 Годовая производительность рафинировочного цеха 135 тыс тонн

катодного никеля в год. Напряжение на одиночной ванне 2,8 В. Машинное время работы ванн Км = 0,94. Падение напряжения в главном и соединительном шинопроводах составляет 5 % от напряжения на ванне. Цеховой источник тока в состоянии обеспечить напряжение 450В. Выход по току для никеля 95 %. Токовая нагрузка на ванну составляет 10 кА.

Рассчитать удельный расход электрической энергии на 1 т никеля, а также необходимое число ванн рафинирования в цехе, число серий и количество параллельных цепей, считая, что серия содержит 65 последовательно соединённых ванн.

2.4.2 Примеры типовых расчётов

2.4.2.1 годовая производительность цеха электролитического рафинирования никеля составляет 110 тыс тонн катодного никеля. Цех оборудован электролизёрами нагрузкой 10 кА. Выход по току для никеля равен 96 %. Машинное время работы ванн 0,93. Напряжение на ванне 2,9 В.

Рассчитать необходимое количество ванн рафинирования в цехи количество последовательных цепей. Принять, что ванны объединяются в серии, каждая из которых содержит последовательно соединённых ванн.

Решение

Суточная производительность цеха составит:

g2 = = = 301,37 т = 301370 кг.

Суточная производительность одной ванны составит:

g3 = kItBTKM = 1,095·10000·24·0,96·0,93 = 234,63·103 г = 234,б3 кг,

где k= = =1,095 – электрохимический эквивалент никеля, г/(А·ч);

М – атомный вес никеля, г;

z – число электронов, принимающих участие в электродном процессе

Ni2+ + 2e = Ni.

Число необходимых ванн для обеспечения данной производительности составит:

n1 = = = 1297,3

Принимаем число ванн, равное 1298.

Число серий, в которые объединены ванны, составит:

n2 = = = 19,93.

Принимаем число серий, равное 20.

Напряжение на одной серии составит:

U2 = n2··U1 = 65·2,9 = 188 B.

В одну последовательную цепь входит серий:

n3 = = = 3,19/

Принимаем число последовательных серий в цепи, равное 3.

Количество параллельных цепей составит:

n4 = = =6,67.

Принимаем 7 параллельных цепей.

2.4.2.2 Среднее напряжение на ванне рафинирования никеля 2,7 В. Потери напряжения в главном и соединительных шинопроводах составляет 3 % от напряжения на ванне. Выход по току для никеля 96 %.Машинное время работы ванн 0,93.

Рассчитать удельный расход электроэнергии на 1 тонну никеля.

Решение

Удельный расход электрической энергии составит:

W = = = 2,46( Вт·ч)/г = 2460 (кВт·ч)/т,

Где U – напряжение на ванне, В;

КШ = 1,03 - коэффициент учёта потерей напряжения в контактах, главном и соединительных шинопроводах;

КМ = 0,93 – коэффициент машинного времени работы ванн.

2.4.2.3 Ванна для рафинирования никеля содержит 31 катод и 32 анода. Анодный скрап составляет 15 %.а шлам 5 % от первоначальной массы анода. Нагрузка на ванну составляет 10 кА. Выход по току для никеля 96 %. Время осаждения катода 4 суток. Масса матричного катодного листа 3,2 кг, масса анода 270 кг.

Рассчитать массу одиночного катода и время работы анода.

Решение

Производительность ванны за 4 суток составит:

g1 = kItBT = 1,095·10000·4·24·0,96 = 10,09 ·106 г = 1009 кг.

Масса осаждённого катода составит:

g2 = = = 32,6 кг.

Съёмная масса катода составит:

g3 = g2 + g4 = 32,9 + 3,2 = 34,8 кг.

Масса никеля, перешедшего в раствор за счёт электрохимического растворения, составит:

g5 = 32·g6(1 – 0,15 – 0,05) = 32·270·0,8 = 6912 кг.

Длительность работы анода может быть рассчитана по закону Фарадея. Считая, что анодный выход по току равен 100%, рассчитаем время работы анода по уравнению:

g5 = kItBT = 6912·103 г,

откуда получим

t = = = 631,2 час = 26,3 суток.

2.4.2.4.Ванна рафинирования никеля нагрузкой 9000 А имеет 31 катод и работает при выходе потоку для никеля, равном 95 %.

Рассчитать необходимую скорость циркуляции в катодный ящик, обеспечивающую минимальное содержание никеля в электролите, равную 30 г/л.

Решение

Масса никеля, осаждающая на катодах ванны за 1 час, составит:

g1 = kItBT = 1,095·9000·1·0.95 = 9451 г.

За это время на одном катоде осадится никеля:

g2 = = = 305,5 г.

Минимальная скорость циркуляции в катодный ящик составит:

v = = =7,62 л/ч.

2.4.2.5 На рафинирование никеля поступают аноды, содержащие 90 % Ni, 4 % Cu, 3 % Fe b 1 % Co. Нагрузка на ванну равна 9000А. Суммарный катодный выход по току равен 100 %. Из катодного ящика в анодное пространство поступает католит, содержащий 55 г/л Ni.

Рассчитать состав анолита, выходящего из ванны, если ванна содержит 31 катод, а скорость циркуляции через ванну 300 л/час.

Решение

При анодном растворении никель и примеси будут переходить в раствор ро электрохимическим реакциям:

Ni – 2e = Ni2+

Cu -2e = Cu2+

Fe -2e = Fe2+

Co +-2e = Co2+

Электрохимические эквиваленты участников реакции рассчитаем по уравнениям:

k(Ni) = = 1,095 г/(А·ч);

k(Cu) = = 1,185 г/(А·ч);

k(Fe) = = 1,042 г/(А·ч)

k(Co) = = 1,099 г/(А·ч)

Удельный расход электрической энергии на 1г анода составит:

=

0894 г/(А·ч).

где wi – массовая доля i-го компонента.

Выход по току для каждого компонента составит:

Bi = .

Подставив численные значения величин, получим:

BT(Ni) = = 0,9194

BT(Cu) = = 0,038

BT(Fe) = = 0,028

BT(Co) = = 0,01

За один час растворения анода в раствор перейдёт

g(Ni) = 1,095·9000·1·0,9194 = 8971 ;

g(Cu) = 1,185·9000·1·0,038 = 413,8 ;

g(Fe) = 1,042·9000·1·0,028 = 262,6г;

g(Со) = 1,099·9000·1·0,01 = 98,9 г.

Тогда выходящий из ванны электролит будет содержать

С(Ni) = 55 + = 87,2 г/л;

С(Со) = = 1,38 г/л;

С(Fe) = 0,88 г/л;

С(Со) = = 0,33 г/л.