锌电解槽计算

3.1概述
工业上从硫酸锌水溶液中电解沉积锌有三种工艺：即低酸低电流密度法(标准法）；中酸中电流密度法(中间法)和高酸高电流密度法。

目前我国多采用中酸中电流密度法的下限，低酸低电流密度法上限的电解法.表3—1为三种方法的比较。

表3-1 锌电积三种工艺的比较
3。

2 设计任务
设计生产能力为7万吨锌锭的电解设备
3。

3 原始资料
3。

3.1 设进入电解槽的电解液成份如表3-2所示:
表3—2 进入电解槽的电解液成份(克/升）
3。

3.2 电解后电解废液成份如表3-3所示
表3-3 电解废液成份（克/升)
3.3。

3 一些技术条件及技术经济指标
用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的百分比,β=0.028；年工作日为330日.
阴极锌熔铸直收率 η1 = 97% 阴极电流密度 D 阴 = 520安培 槽电压 V 槽 = 3.20伏 电流效率 ηi = 98%
阴极规格 长×宽×厚= 1000×666×4（毫米)
3.4 工艺过程及设备计算
3。

4.1物料平衡及电解槽计算 阴极锌成份的计算
在电积过程中，一部分铜、铁、镉与锌一齐在阴极上沉积，一升电解液得到的阴极锌含金属量如表3—4所示.
表3—4 一升电解液沉积的金属量（克）
铅-银阳极在电解过程中被腐蚀，使一部分铅进入到阴极锌中。

设阴极锌含铅0。

006%则进入到阴极锌中铅的量为:
0038.0100
006
.00072.64=⨯克 那么阴极锌的成份如表3—5所示.
表3—5 阴 极 锌 成 份
3.4.2 所需电解槽数量的计算 （1）每日应产出的阴极锌量的计算。

Q 1=
η
βm Q )
1(+吨 式中: Q 1—-——每日应产出阴极锌的数量，吨；
Q —--—设计生产能力，吨锌锭/年；
β-—-—用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的百分比，％； m -—--年工作日，日；
η—-—-阴极锌熔铸直收率，%。

Q 1=
22597.0330)
028.01(70000=⨯+吨/日 （2)阴极有效总面积及片数的计算 阴极有效总面积的计算. 24
2195.1⨯⨯⨯=
ηD Q
F ×106 米 2
式中： F —--—-阴极有效总面积，米 2
Q-————每日产出的阴极锌量,吨；
D —-—--阴极电流密度，安培/米2； η——--—电流效率，%；
1.2195———-锌的电化当量,克/安培； 24-—---电解析出时间，小时。

F=
98
.0242195.1520225
⨯⨯⨯×106=15086米 2
阴极边上装有塑料绝缘条，没边各占区阴极板宽7毫米，阴极浸没于电解液
的深度为0。

87米，则每片阴极的有效面积(按两面计)为： f 阴 =0.87×(0。

666-0。

007×2）×2=1。

13米2
故共需阴极片数n=
f
F =1335013.115086
=片 设一个电解槽装阴极片32块，则共需电解槽数为:41732
13350
=个 每个电解槽的阴极总面积为：
1.13×32=36。

16米 2
取备用电解槽24个，则一共有电解槽560个。

这就可把电解槽分为两个系
列。

每个系列有280个电解槽，在每个系列中可按35个电解槽组成一组，共八组为一系列。

3.4.3 电解槽内部尺寸大小的计算 电解槽内部宽度的计算。

设阴极边缘到槽壁距离为95毫米,则电解槽内宽为： B=666+2×95=856≈860毫米 电解槽内部长度计算。

设每片阴极厚度为5毫米，每片阳极厚度为10毫米，阴阳极间距离为34毫米，电极到两端壁距离为125毫米，每个电解槽有阴极片32片，阳极片33片。

则电解槽内部长度为：
L=32×5+33×10+32×2×34+125×2=2916毫米 电解槽内部高度的计算。

设槽内液面至槽面的距离为100毫米；槽内阴极浸入电解液的深度为880毫米;阴极下部端缘距槽低500毫米.则电解槽的内高位：
H=100+880+500=1480毫米 故电解槽的内部尺寸为：
长×宽×高 = 2916×860×1480 (毫米) 电解槽容积（不设槽内冷却器）为：
V 槽 = L ×B ×H = 2。

916×0.86×1.48 = 3.711米 2
电解槽体的材料有木质及钢筋混凝土两种。

目前多采用钢筋混凝土电解槽。

电解槽内衬耐腐蚀的材料有:铅皮、聚氯乙烯、环氧玻璃钢、辉绿岩等。

3.4.4 通过电解槽电流强度的计算
一个电解槽的阴极总面积为36。

16米 2
故 电流强度 I=36.16×520 = 18803安培
设富余5.4％ 则 I=18808×1。

054 = 19818.362安培 3。

4.5 整流设备选择
整流设备总功率按下式计算.
2195
.198.0241000
E ⨯⨯⨯⨯=Q W
式中：
W ———-—整流设备总功率，千瓦; Q ———-—每天应产出的阴极锌总量，吨；
E-——-—槽电压，伏,取E=3。

25伏
则 251021.2195
0.98241000
3.2225W =⨯⨯⨯⨯=
千瓦 系列中的电压降为总电压降的1—2。

5%,取1。

5%，则总电压降为:
280×3.20×（1+0。

015)=909.44伏
选用GHS —10000/0—800硅整流器。

单台功率8000千瓦。

故需整流器台数为:
14.38000
25102
=台 取4台 每系列由2台硅整流器供电，总电流为：10000×2 = 20000安培。

整流器
设备功率与电解槽数量要求相适应。

3。

4.6 进入电解槽电解液数量的计算
供给一个电解槽的电解液数量可按如下计算。

p
P N
q I Q -⨯⨯⨯=
η
式中： Q —-—--进入一个电解槽的中性电解液数量,升/小时； I ——--—通过电解槽的电流强度,克/安培; q —-—--锌的电化当量，1.2195,克/安培 η——-—电流效率，% N —-—-—电解槽数目，个
P ——-—中性电解液含锌量,克/升； p ——-—-废电解液含锌量，克/升。

故 7.30346
1201
98.02195.118803=-⨯⨯⨯=
Q 升/小时 一个电解槽每天需中性电解液数量为：
303.7×24=7289升/天 全部电解槽每天共需中性电解液数量为： 7289×417=3040米3 3。

4.7 废电解液数量的计算
一小时供中性电解液303。

7 升,含锌120克/升,此时电解液比重为1.258。

因此中性电解液重量为：
437.191000
64
7.303=⨯ 公斤
在阳极上析出氧量为：
804.44
.6516
437.19=⨯ 公斤 电极反应为：
ZnSO 4 + H 2O → Z n + H 2SO 4 + 1/2O 2 (直流电） 析出的锰的量为：
456.01000
5.17.303=⨯ 公斤
故共析出：
19.437+4.804+0。

456=24.697 公斤 剩余： 382。

05 — 24。

697 = 357.35 公斤。

电解时有一部分电解液被蒸发而损失.设每平方米电解液表面每小时蒸发损失一公斤电解液.电解液表面积为：
S 槽 —S 极 =2.508—0。

328 =2.18米2 则蒸发损失为: 2.18×1=2.18 公斤。

由于电解液飞溅液要损失一部分电解液，设为0。

3％ ，则飞溅损失为： 303.7×0。

003=0.911 公斤
损失电解液量一共为： 2.18 + 0.911 = 3。

09 公斤 故 从一个电解槽每小时流出的废电解液量为： 357.35—3.07 = 354.28 公斤/小时 设此时电解液的比重为1。

18,则废电解液的体积为：
24.30018
.128
.354= 升/小时 3.4。

8 进入阳极泥中各成分的计算
设阳极消耗的铅量诶： 每吨阴极锌为1.5 公斤. 则析出20.173 公斤锌，消耗铅量为：
0303.01000
5
.1173.20=⨯ 公斤
进入阴极锌中的铅量为：
00012.01000
006
.0173.20=⨯ 公斤 进入阳极泥中的铅量为：
0。

0303—0.00012 = 0。

03018公斤
换算成 PbO 2 =
0348.0207
239
03018.0=⨯ 公斤 （其中 Pb = 0.03018公斤, O 2= 0。

0462公斤) 一个电解槽沉淀的锰量为0。

456公斤
换算成 MnO 2 =
721.055
87
456.0=⨯ 公斤 （其中 Mn = 0。

456公斤,O 2=0.265公斤 ） 故进入阳极泥的总量为:
0.03487 + 0。

721 = 0。

7558 公斤 （其中 O 2 = 0。

2998公斤）
3。

4。

9 进入大气中的氧量
4.804 — 0。

00465—0.265 = 4.5344 公斤
3。

4。

10 编制一个电解槽的物料平衡
根据以上计算结果，编制一个电解槽的物料平衡，如表3—6所示.
表 3—6 一个电解槽的物料平衡
3.5 电解槽热平衡计算
通常以单个电解槽为基础进行计算,然后计算出全车间或一个系列电解槽在
电解过程中总的剩余热量。

电解槽热平衡按下面式子计算。

Q电流+ Q新= Q废＋Q蒸＋Q溅＋Ｑ辐＋传＋Ｑ余
--——--—电流通过产生的热量，千卡/小时;
式中:Q
电流
—-———-—新液带入热量，千卡/小时；
Q
新
--——--—电解废液带走的热量，千卡/小时；
Q
废
Q
-——--——电解液表面蒸发损失的热量,千卡/小时；
蒸
Q
溅—---—-—电解液喷溅损失的热量，千卡/小时；
—---———辐射、对流和传导损失的热量，千卡/小时；
Ｑ
辐＋传
--—————剩余的热量，千卡/小时.
Ｑ
余
3。

5.1 热收入
（1)电流通过电解液产生的热量
Q电流=0。

239IEt×10-3千卡/时
式中: I ----———通过电解槽的电流，18803安培；
E ——----- 为电解液、极板、阳极泥及浓差极化的电压降。

在一般情
况下，占槽电压的20％。

即E=3。

20×0.2 =0.64伏
t —-——-——- 通电时间，秒，3600秒；
故Q
电流
=0.239×18803×0。

64×3600×10-3 =10354 千卡/时。

(2）新液带入热量
Q新= m1 c1 t1 千卡/时
式中：m1—-—-——单位时间进入电解槽的新液重量,公斤/小时
c1 -——----新液比热，千卡/公斤·℃;
t1 -——--—加入新液的温度,℃。

从冶金计算得知，进入电解槽的新液量为:382.05公斤/时。

电解液配液采用大循环方式进行，新液:废液=1：5 ，要求混合后进入电解槽新液温度为35℃，此时电解液的比热为:0.78千卡/公斤·℃.
Q新=382。

05×0。

78×35=10430千卡/时
Q收= 10430+10354=20784千卡/时。

3。

5。

2 热支出
（1）废电解液带走的热
废电解液为354.28公斤/小时，设废电解液温度为40℃,此时电解液的比热为0。

8千卡/公斤·℃,则
Q废=354.28×40×0。

8=11337千卡/时
（2）电解液表面蒸发损失的热
Q蒸= S液表面×W×q汽
式中：S
液表面——-—-电解槽中电解液有效表面积,米2；已求出S
液表面
=2.18米2；
W-—-————电解液表面蒸发损失的水量，公斤/米2·时。

根据铜电解液中水的蒸发量与温度的关系可确定40℃时电解液单位表面蒸发的水量W= 1。

公斤/米2·时；
q汽--——-——40℃时水的汽化潜热为578千卡/公斤.
故 Q
蒸
= 2。

18×1。

0×578 = 1260.04 千卡/时。

（3）电解液飞溅损失的热量为：0.911公斤
故 Q
溅
0。

911×40×0。

8 =29.2千卡/小时。

(4）辐射、对流和传导损失的热
Q
辐+传=
9
1
(Q
蒸
+ Q
溅
)=
9
1
(1260。

04+29.2）=143.2千卡/时
Q
支
=11336+1260。

04+29.152+143。

2=12768。

4 3。

5.3 剩余热
Q
剩
=21108—12768。

4=8339。

6千卡/时根基计算结果,编制热平衡表如表3-7所示。

表3—7 锌电解槽热平衡
计算可知：锌电解槽中热量大大过剩.因此电解液必须冷却。

锌电解液冷却方法有以下几种:
（1）槽内冷却；（2）真空蒸发冷却; （3）冷却塔冷却。

表3—8为各种冷却方法的适用条件及优缺点。

冷却方式的的选择，需根据工厂的生产规模、电流强度、循环方式、温度要求、气候条件和供水条件等因素,经多方案比较确定，可选择其中的一种或两种方式相结合的方案。

我国株洲冶炼厂原来才用真空蒸发冷冻机冷却电解液,实践表明，每年耗费蒸汽13万吨，电力320万度和循环冷却水2584万立方米。

据报道，该厂1980年起试建一台50平方米空气冷却塔，取得了满意的经济效益。

现在已改用空气冷却塔来冷却电解液，改造后,每年节约标准煤18000吨，节约经营管理费220万元。

经济效益显著。

可见，方案的选择是至关重要的.
表3-8 锌电解液各种冷却方式比较。