1.4 Электролитическое получение цинка

1.4.1 Нейтральный цинковый раствор, поступающий в ванну для электролитического получения цинка нагрузкой 12 кА, содержит 120 г/л цинка. Катодный выход по току для цинка равен 92 %. Расход воды в процессе электролиза составляет 5,41 кг/час. Рассчитать скорость однокаскадной циркуляции и концентрацию серной кислоты в отработанном электролите, если минимальная концентрация цинка в нём не должна превышать 45 г/л.

Решение

В электролизёре для получения цинка протекает химическая реакция

ZnSO₄ +H₂O = Zn +0,5O₂ + H₂SO₄

Уменьшение количества цинка в ванне за один час за счёт электролитического выделения на катодах составит:

g₁ = kItB_T = 1,22·12000·1·0,92 = 13450 г

Считая, что изменение объёма электролита связано только с расходом воды, составим балансовое уравнение за 1 час:

= 45 г/л,

где g₂ – количество цинка, поступающее ванну за 1 час с нейтральным электролитом, г;

g₁ – количество цинка, выделяющееся на катодах за 1 час, г;

g₃ – потери воды за 1 час в процессе электролиза;

v – скорость циркуляции электролита, л/час.

После подстановки численных значений получим:

= 45,

откуда получим

v = 177 л/час.

За 1 час в электролите образуется серной кислоты:

g₄ = kItB_T = 1,83·12000·1·0,92 = 20203 г,

где–k= = 1,83 – электрохимический эквивалент серной кислоты, .

Тогда концентрация серной кислоты в отработанном электролите составит:

С = = = 117,5 г/л.

1.4.2 Годовая производительность цеха электролиза цинка 150 тыс тонн катодного цинка. В цехе установлены ванны нагрузкой 15 кА. Напряжение на ванне составляет 4,1 В.Потери напряжение в главном и соединительных шинопроводах составляет 5 % от напряжения на ванне. Цеховой источник постоянного тока имеет напряжение 650 В. Катодный выход по току 90 %. Машинное время работы ванн 0,96.

Рассчитать количество электролизёров, которое необходимо установить в цехе, число последовательных цепей в которые должны быть соединены ванны и удельный расход электроэнергии на 1 тонну цинка.

Решение

Суточная производительность цеха составит:

g₂ = = = 410,96 т = 410960 кг

Суточная производительность одного электролизера составит:

g₃ = kItК_МB_T = 1,22·15000·24·0,96 = 379500 г = 379,5 кг

Необходимое число электролизёров составит:

n₁ = = = 1082,9

Принимаем число электролизёров, равное 1083.

Напряжение на всех электролизёров составит:

U₂ = U₁·n₁ = 4,1·1083 = 4440,3 B.

Число последовательных цепей составит:

n₂ = = = 6,8

Принимаем число цепей, равное 7.

Падение напряжение в шинопроводах составит:

U₄ = U₁·p₁ = 4,1·0.05 = 0,205 B,

где р₁ – потери напряжения в шинопроводах, %.

Удельный расход электрической энергии составит:

W = = = 3,769 (Вт·ч)/г = 3769 (кВт·ч)/т

1.4.3 В электролизёре нагрузкой 10 кА с катодным выходом потоку 92 % поддерживается плотность тока 280 А/м². Размер катода 0,9·0б66 м². Время наращивания катода 2 суток.

Рассчитать электродов ванне, массу и толщину катодного осадка.

Решение

Площадь всех катодов в анне составит:

S = = = 35,7 м²

Тогда количество катодов в электролизёре составит:

n₁ = = = 29,8

Принимаем число катодов в ванне, равное 30.

Количество цинка, которое получают в ванне за 2 суток, составит:

g₁ = kItB_T = 1,22·10000·2·24·0,92 = 527·10³ г = 527 кг.

Масса одиночного катода составит:

g₂ = = = 8,8 кг

Толщину катодного осадка рассчитаем по уравнению:

g₂ = ρ·S·δ

где ρ – плотность цинка, г/см³;

δ – толщина катодного осадка, см;

S – площадь катода, см².

Из таблицы А4 приложений находим ρ = 7,14г/см³.

Тогда

δ = = = 0,21 см.

1.4.4. Ванна для электролитического получения цинка нагрузкой 12 кА имеет площадь поверхности 1,8 м². Выход по току для цинка равен 0,92. Снижение выхода по току связано только с выделением на катоде совместно с цинком водорода. Выход по току для кислорода 100 %. Скорость испарения воды с поверхности ванны 0,7 кг/(м²·час). Отходящие газы содержат 40 г/м³.

Рассчитать расход воды и объёмы водорода и кислорода, выделяющиеся на электродах.

Решение

При электролизе цинка на электродах и в электролизёре протекают следующие реакции с учётом катодного выхода по току:

на катоде Zn²⁺ +2e = Zn (92%) и 2 H⁺ + 2e = H₂ (8%)

на аноде Н₂О -2е = 0,5О₂ + 2Н⁺ и Н₂О -2е = 0,5О₂ + 2Н⁺

в электролизёре Zn²⁺ + H₂O = 0,5O₂ + 2H⁺ и H₂O = H₂ +0,5O₂

или

ZnSO₄ + H₂O = Zn + 0,5O₂ + H₂SO₄.

Электрохимические эквиваленты участников реакции составят:

k(Zn) = = = 1,22 г/(А·ч);

k(H₂) = = = 0,428 л/(А·ч);

k(O₂) = = = 0,209 л/(А·ч);

k(H₂O) = = = 0,336 г/(А·ч)

k(H₂SO₄) = = = 1,83 г/(А·ч)

За один час на катоде выделится водорода

V₁ = kItB_T = 0,418·12000·1·0,08 = 401 л = 0,401 м³,

а на аноде кислорода

V₂ = kItB_T = 0,209·12000·1·1,0 = 2610 л = 2,61 м³.

Часовой расход воды составит:

на испарение

g₁ = v·S = 0,7·1,8 = 1,28 кг,

с отходящими газами

g₂ = (V₁ +V₂)·C = (0,401 +2, 61)·0,04 = 0,12 кг,

за счёт электрохимической реакции

g₃ = kItB_T = 0,336·1200·1·1,0 = 4030 г = 4,03 кг.

Общий расход воды составит:

g₄ = g₁ +g₂ + g₃ = 1,26 + 0,12 + 4,03 = 5,41 кг.