Циркуляция электролита

Как ЭР, так и ЭЭ выполняются в режиме непрерывной подачи и вывода электролита в электролизеры, называемой циркуляцией электролита. Потоки циркулирующего электролита в разных технологиях создаются для решения различающихся задач, поэтому рассмотрим схемы циркуляции электролита в следующих видах технологий электролиза.

1. ЭЭ без разделения анодного и катодного пространства (Сu,Zn)

В этой технологии создаются два контура циркуляции электролита. Первый контур – внешняя циркуляция охватывает переделы выщелачивания, очистки раствора и электролиза. По сути он создается для обеспечения входного потока металла. Количество электролита циркулирующего в единицу времени (м³/час) называют скоростью циркуляции.

Величина скорости внешней циркуляции в этом случае определяется материальным балансом целевого металла и (см. Материальный баланс) и равна:

V₀ = P/(C₀ – C_к) (1)

где Р – часовая производительность по целевому металлу, С₀, С_к – концентрации ионов целевого металла в продукционном растворе и в выходящем с электролиза электролитом

Рис. 1. Схема циркуляции вариант 1

Внутренний контур циркуляции создается для решения следующих задач. Первая – обеспечение требуемой температуры электролита в электролизерах (t_э) (см. Тепловой баланс электролизера). Эта температура достигается подогревом или охлаждением входного потока электролита до величины t_вх

Скорость циркуляции в этом контуре определяется по выражению:

V₁ =kQ/(t_вх - t_э),

в котором Q - количество выводимого или вводимого тепла, определяемое тепловым балансом электролизера. Из этого выражения следует, что чем выше разность (t_вх – t_э) тем ниже V₁. Величина t_вх определяется способом нагрева или охлаждения, тем не менее по практике работы предприятий величина кратности циркуляции, то есть отношения n=V₁/V находится в пределах 2-5.

Второй причиной создания контура внутренней циркуляции является необходимость улучшения условий перемешивания электролита в межэлектродных пространствах электролизеров.

2. ЭЭ с разделением анодного и катодного пространства (металлы группы желе за, марганец).

Схема потоков показана на рисунке 2. Она имеет такие же контуры циркуляции. Первый контур (внешняя циркуляция) так же создается для обеспечения материального баланса целевого металла. С этой целью на передел выщелачивания сырьевых материалов и очистки раствора от примесей поступает выходящий из электролиза анолит. Получаемый продукционный раствор поступает в катодное пространство электролизеров. электролиза. Скорость циркуляции (V₀) рассчитывается по формуле (1), в которой выходящая концентрация равна С_а.

Второй контур циркуляции образуется католитом, который в количестве (V_к) по своему каналу выводится из электролизера и передается на операцию регулирования рН добавкой нейтрализатора (сода или карбонат металла). Полученный раствор присоединяется к продукционному и возвращается на электролиз. При необходимости электролит перед электролизом может подогреваться. Этот контур циркуляции является внутренним.

Рис.2 Схема циркуляции вариант 2.

Внутренний контур циркуляции создается для максимального уменьшения переноса анолита в катодное пространство ячеек электролизера, так же возможности поддерживать требуемую величину рН католита введением нейтрализатора кислоты, проникающей в католит из анодного пространства. Так как перенос анолита определяется свойствами диафрагменной ткани, которая на разных предприятиях различается, то скорость циркуляции в этом контуре тоже различается. Обычно она в 3-4 раза превосходит величину V₀.

Внутренний контур циркуляции создается для максимального уменьшения переноса анолита в катодное пространство ячеек электролизера, так же возможности поддерживать требуемую величину рН католита введением нейтрализатора кислоты, проникающей в католит из анодного пространства. Так как перенос анолита определяется свойствами диафрагменной ткани, которая на разных предприятиях различается, то скорость циркуляции в этом контуре тоже различается. Обычно она в 3-4 раза превосходит величину V₀.

3. ЭР без разделения анодного и катодного пространства (Сu,Pb,Sn,Ag)

В технологиях ЭР, в отличие от ЭЭ, целевой металл в раствор поступает при анодном процессе. Поэтому здесь нет необходимости создавать циркуляцию электролита, обеспечивающую поступление целевого металла в передел электролиза. Однако появляется необходимость обеспечения вывода примесей.

ЭЭ без разделения катодного и анодного пространства используется в случаях, когда примеси, содержащиеся в рафинируемом металле, не могут восстанавливаться на катоде и накапливаются в электролите. При отсутствии вывода уровень содержания каждой примеси будет возрастать неограниченно вплоть достижения растворимости соответствующих составу электролита соединений. Они будут неконтролируемо кристаллизоваться либо непосредственно в электролизере, загрязняя катодный металл, либо в оборудовании, обеспечивающем работу электролизера (насосы, трубопроводы и пр.), нарушая режимы его эксплуатации.

Для предотвращения накопления примесей часть электролита (так называемая «отсечка») часть электролита выводится и замещается свежим электролитом, не содержащим примесей. Из отсечки, тем или иным способом, удаляются примеси, после этого восстанавливается ее состав по основным компонентам и полученный раствор возвращается в систему. Схема циркуляции для этого варианта представлена на рисунке 3, где V₀ – объем отсекаемого электролита.

Объем отсечки определяется следующим образом. Для каждой примеси устанавливается величина ее предельно допустимой концентрации (С_i), то есть величина концентрации, до которой примесь не оказывает влияния на технологию и качество металла. Составлением материальных балансов примесей определяется входящий поток (Р_i) каждой примеси. Рассчитывается поток отсечки по каждой примеси как величина V_i = P_i/С_i. Из полученного ряда значений выбирается максимальная величина, которая определяет объем электролита, выводимого из системы в единицу времени. Примесь, по которой определен поток отсечного электролита, называется ведущей, ее концентрация в электролите будет равна предельно допустимой, концентрация остальных примесей ниже их предельных значений. Таким образом, контур циркуляции, создаваемый потоком отсечного электролита, является внешним контуром циркуляции технологии.

В качестве примера можно привести данные практики рафинирования черновых медных анодов, получаемых при переработке медно –никелевых рудных концентратов. При рафинировании анодов в электролит переходит ряд примесей, в том числе Ni и Аs. Содержание в анодах (%): Ni=0,31, As=0,1. Извлечение в раствор: Ni - 98%, As - 70%. Предельно допустимые концентрации (кг/м³): С_Ni =20. C_As= 7. В расчете на 1т меди потоки примесей равны: Ni - 3 кг и As- 0,7 кг. Объемы отсечки для примесей составляют: V_Ni =3/20= 0,15м³, V_As=0,7/7 = 0,1м³. Следовательно, ведущей примесью является никель, а объем отсекаемого электролита должен быть принят равным 0,15м³на 1т катодной меди. Концентрация мышьяка в электролите будет равна 4,7кг/м³.

Внутренний контур циркуляции (V₁), по аналогии с вариантом 2, создается с целью подогрева электролита. Кроме того, в этом контуре вводят ПАВ, необходимые для выравнивания поверхности катодов.

Рис. 3 Схема потоков вариант 3

4.ЭР c разделением анодного и катодного пространства (Ni, Co,Fe, Mn)

В этом варианте технологии, в отличие от варианта 3, практически все примеси, растворившихся из анодов могут восстанавливаться совместно с целевым металлом, загрязняя его. Рафинирование достигается разделением внутреннего пространства электролизера и созданием протока очищенного раствора из катодного пространства в анодное. Для чего применяют диафрагмы, пористые стенки которых предотвращают возможность перемешивания прианодных и прикатодных частей межэлектродного пространства. Скорость течения электролита в порах диафрагмы должна быть такой, чтобы обеспечить минимальный перенос примесей из анодного пространства в катодное. Это достигается за счет подачи очищенного от примесей электролита (католита) в катодное пространство. Электролит через диафрагму перетекает в анодное, где загрязняется растворяющимися с анода примесям. Загрязнены раствор (анолит) непрерывно выводится на очистку от примесей. Отсюда следует, что циркуляция является внутренней, с помощью которой осуществляется очистка и поддержания необходимой температуры электролиза путем подогрев электролита при очистке. Скорость циркуляции в этом случае определяется по материальному балансу ионов металла в катодном пространстве с использованием уравнения (1), в котором входной концентрацией является концентрация в католите С_к, а выходящей концентрацией – концентрация ионов металла в катодном пространстве С_Я.

Рисунок 4. Схема потоков вариант 4