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丄艺：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。

LI前我国多釆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。

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:
3. 3.2电解后电解废液成份如表3-3所示
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，B二0.028；年工作日为330 So 阴极锌熔铸直收率X二97%
阴极电流密度 D w = 520安培
槽电压伏
电流效率Us = 98%
阴极规格长X宽X厚二1000X666X4 （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。

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：
64.0072x0.006 =00（）3
100
那么阴极锌的成份如表3-5所示。

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汁算。

Q1 二<2（1+0）吨
mrj
式中：Q：----每日应产出阴极锌的数量，吨;
Q --一设计生产能力，吨锌锭/年；
B----用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的白分比，%；m ----年工作日，
S;
n-一-阴极锌熔铸直收率，%<>
_70000(l+ 0.028)
=225吨/日
1330x0.97
（2）阴极有效总面积及片数的计算
阴极有效总面积的计算。

I切駡95 x24 X"粹
式中：F——阴极有效总面积，米'
Q——每日产出的阴极锌量，吨；
D——阴极电流密度，安培/米'；
n ------- 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二----- 二 -------- X 106=15086 米3
520x1.2195x24x0.98
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 阴二0. 87X （0. 666-0. 007X2） X2=1. 13 米'
故共需阴极片数n二乂二竺竺= 13350片
f 1.13
13350 设一个电解槽装阴极片32块，则共需电解槽数为：上— = 417个
32
每个电解槽的阴极总面积为：
1. 13X32=36. 16 米 $
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电解槽部尺寸大小的计算
电解槽部宽度的计算。

设阴极边缘到槽壁距离为95毫米，则电解槽宽为：
B二666+2X93二836^860 毫米
电解槽部长度计算。

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。

则电解槽部长度为：
L二32X5+33X 10+32X2X34+125X2二2916 亳米
电解槽部高度的计算。

设槽液面至槽面的距离为100毫米；槽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。

则电解槽的高位：
H二100+880+500二1480 毫米
故电解槽的部尺寸为：
长X 宽X 高=2916X860X1480 （毫米）
电解槽容积（不设槽冷却器）为：
V ffi= LXBXH = 2.916X0. 86X1.48 = 3.711 米'电解槽体的材料有木质及钢筋混凝土两种。

U前多采用钢筋混凝土电解槽。

电解槽衬耐腐蚀的材料有：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1=36.16X520 = 18803安培
设富余 5. 4% 则1=18808X1.054 二19818. 362 安培
3.4. 5整流设备选择
整流设备总功率按下式计算。

Qx Ex 1000
w = ---------------
24x0.98x1.2195
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二3.25伏
225x3.2x1000
= 25102千瓦
24xO.98xl.2195
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:
280X3. 20 X (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:
兰竺= 3.14台取4台
8000
每系列曲2台硅整流器供电，总电流为：10000X2 = 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。

I xqx 7]xN
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 n ----- 电流效率，% N ——电解槽数目，个
P -一-中性电解液含锌量，克/升； 120-46
一个电解槽每天需中性电解液数量为：
303. 7X24二7289 升/天 全部电解槽每天共需中性电解液
数量为：
7289X417=3040 米'
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. 258o 因此中性电解液重量为:
在阳极上析出氧量为:
电极反应为:
ZnSO 4 + H 2O t Zn + H2SO4 + l/2O 2
（直流电）
析出的猛的量为：
竺M = 0.456公斤
1000
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 —S « =2.508—0.328 =2.18 米？
P ——废电解液含锌量，克/升。

188O3xl.2195xO.98xl =301?升/小时
303.7x64
1000
= 19.437 公斤
19.437x16
~~654
= 4.804 公斤
则蒸发损失为：2.18X1=2. 18公斤。

由于电解液飞溅液要损失一部分电解液，设h 0. 3% ,则飞溅损失为:
303.7X0. 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：
QCJ OR
二±^ = 300.24 升/小时 3. 4.8进入阳极泥中各成分的计算
设阳极消耗的铅量谋：每吨阴极锌为1.5公斤。

则析出20. 173公斤锌, 消耗铅量为：
进入阴极锌中的铅量为: 进入阳极泥中的铅量为:
0. 0303—0. 00012 = 0. 03018 公斤
一个电解槽沉淀的镭量为0.456公斤 换算成 MnO ：二.^56
- 7
=0.721 公斤 （其中Mn 二0. 456公斤，0：二0・263公斤） 故进入阳极泥的总量为：
0. 03487 + 0. 721 二 0. 7558 公斤
（其中0：二0. 2998公斤）
3. 4.9进入大气中的氧量
4. 804 — 0. 00465—0. 265 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。

加
入
产
出
序号
项II
公斤
%
序号
项II
公斤
%
换算成
（其中 Pb = 0. 03018 公斤,0：二 0. 0462 公斤） 换算成
=4. 5344 公斤
=0.0303 公斤
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 电蕊+Q J» = Q « +Q«s +Q 汲+Q«*+传+Q 氽
式中：Q电沌——电流通过产生的热量，千卡/小时；
Q 9； ---- 新液带入热量，千卡/小时；
Q喷——电解废液带走的热量，千卡/小时；
Q憑——电解液表面蒸发损失的热量，千卡/小时；
Q n——电解液喷溅损失的热量，千卡/小时；
Q辅+传 --- 辐射、对流和传导损失的热量，千卡/小时；
Q氽 ----- 剩余的热量，千卡/小时。

3.5.1热收入
（1）电流通过电解液产生的热量
Q 电at =0.239IEtX10'3千卡/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%o即E=3.20X0.2 =0.64伏
t -------- 通电时间，秒，3600秒；
故Q 电維=0.239X 18803X0.64X3600X 10 3 = 10354 千卡/时。

（2）新液带入热量
Q« = mi ci ti 千卡/时
式中：ml_—一单位时间进入电解槽的新液重量，公斤/小时
CI——新液比热，千卡/公斤
・°C； ti -加入新液的温度，°C。

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°C, 此时电解液的比热为：0.78千卡/公斤・°C。

Q ^=382.05 X 0.78 X 35= 10430 千卡/时
Q 收二10430+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°C,此时电解液的比热为0.8千卡/公斤・°C,则
Q 废=354.28X40X0.8=11337 千卡/时
(2)电解液表面蒸发损失的热
Q尸S液阳XWXq汽
式中：S液农面---电解槽中电解液有效表面积，米彳；已求出S液灿=2.18米彳；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°C时电解液单位表面蒸发的水量W= 1.公斤/米2•时；
q汽——40°C时水的汽化潜热为578千卡/公斤。

故Q •硕二 2. 18X1.0X578 二1260. 04 千卡/时。

(3)电解液飞溅损失的热量为：0.911公斤
故Q 澱0.911X40X0.8 =29.2 千卡 / 小时。

(4)辐射、对流和传导损失的热
Q 腑传二*(Q 滿 + Q 汲)二* (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« =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儿种：
（1）槽冷却；（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。