毕业设计（论文）-年产4万吨铜的铜电解精炼工艺设计

1、江苏大学课程设计江苏大学课程设计题目：年产4万吨电解铜的铜精炼车间工艺设计院（系）：材料科学与工程专业：冶金工程学生姓名：学号：指导教师（签名）：主管院长（主任）（签名）：时间：2013年01月08日年产4万吨铜的铜电解精炼工艺设计本文主要设计了一座年产4万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过实习并搜集相关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间布置。根据已知条件，选定操作技术条件。在物料平衡和热平衡计算的基础上，根据给定的条件选择合适的工艺流程和主辅设备。对年产4万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及车间布局设计，并且进行了铜电解精炼车间的技术经济指标的核算。绘制出铜电解精炼电解槽安装图、车间平面图及车间立剖图各一张。最后以“铜电解液净化方法的研究进展”专题展开论述。关键词：铜电解精炼，工艺设计，车间布置，物料平衡，热平衡目录年产4万吨铜的铜电解精炼工艺设计1目录2绪论41 概述41.1 电解精炼的基本原理及电极反应41.2 铜电解工艺流程61.3本次设计中的一些参数72 厂址选择83 原料铜阳极94 技术操作条件104.1 商品电解槽104.1.1 电解液组成104.1.2 添加剂114.1.

2、3 电解液温度124.1.4 电解液的循环134.1.5 电流密度134.1.6 同极中心距134.1.7 阳极寿命、阴极寿命144.1.8 沈冶和贵冶技术操作条件事例144.2 种板电解槽145 产物155.1电解铜155.2 阳极泥156 技术经济指标166.1 铜电解回收率166.2 劳动生产率166.3 直流电能单位消耗166.4 蒸汽单位消耗量166.5 硫酸单位消耗176.6 水单位消耗量176.7 电流效率176.8 残极率176.9 槽电压177 主要设备的选择与计算187.1 电解槽187.1.1 电解槽材质187.1.2 电解槽的构造187.1.3 电解槽衬里材质187.1.4 电解槽进出液方式197.1.5 铜电解槽的安装197.1.6 电解槽的计算197.2 起重机197.3 车间及跨的选择257.4 循环液贮槽267.5 电解液加热器267.6 电解液循环泵277.7 阳极泥过滤设备287.8 槽边导电排、槽间导电板、阴极导电板287.9 出装槽短路器297.10 极板作业机组308 铜电解精炼的冶金计算318.1 铜电解精炼的物料平衡计算328.2电解液净化

3、及硫酸盐生产冶金计算328.2.1概述328.2.2年处理净液量计算358.2.3一段脱铜358.2.4硫酸铜结晶35 8.2.5二段脱铜36 8.2.6粗硫酸镍生产计算378.3铜电解精炼热平衡计算388.3.1 计算电解槽液面水蒸发热损失388.3.2 电解槽液面的辐射与对流的热损失398.3.3 电解槽壁的辐射与对流热损失398.3.4 管道内溶液热损失398.3.5 电流通过电解液所产生的热量408.3.6 全车间需要补充热量：41结语41参考文献42绪论铜的火法精炼一般能产出铜99.0%99.8%的粗铜产品，但仍然不能满足电气工业对铜的性质的要求，其他工业也需要使用精铜。因此，现代几乎所有的粗铜都经过电解精炼，以除去火法精炼难于除去的杂质，铜的电解精炼，是将火法精炼的铜浇铸成阳极板，用纯铜薄作为阴极片，相间地装入电解槽中，用硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜和电位较负的贱金属溶解进入溶液，而贵金属和某些金属（如硒，碲）不溶，成为阳极泥沉于电解槽底。溶液中的铜在阴极上优先析出，而其他电位较负的贱金属不能在阴极上析出。留于电解液定期净化时除去，这样，阴极上

4、析出的金属铜纯度很高，称为阴极铜或电解铜，简称电铜。含有贵金属和硒，碲等稀有金属的阳极泥，作为铜电解的一种副产品另行处理，以便从中回收金，银，硒，碲等元素。在电解液中逐渐积累的贱金属杂质，当其达到 一定的浓度后，会防碍电解过程的正常进行。例如，增加电解液的电阻和密度，使阳极泥沉降速度减慢，甚至在阴极上与铜一起共同放电，影响阴极铜的质量，因此必须定期定量地抽出净化，并相应地向电解液中补充新水和硫酸。抽出的电解液在净化过程中，常将其中的铜，镍等有价元素以硫酸盐的形态产出，硫酸则返回电解系统重复使用。在铜电解车间，通常设有几百个甚至上千个电解槽，每一个直流电源串联其中的若干个电解槽成为一个系统。所有的电解槽中的电解液必须不断循环，使电解槽内的电解液成分均匀。在电解液循环系统中，通常设有加热装置，以将电解液加热一定的温度。1 概述1.1 电解精炼的基本原理及电极反应传统的铜电解精炼是采用纯净的电解铜薄片作阴极，阳极铜板含有少量杂质（一般为0.3%1.5%），电解液主要为含有游离硫酸的硫酸铜溶液。由于电离的缘故，电解液中的各组分按下列反应生成离子： CuSO4=Cu2+ H2SO4=2H+ H2

5、O=H+OH-在未通电时，上述反应处于动态平衡。但是直流电通过电极和溶液的情况下，各种离子作定向运动，在阳极上可能发生下列反应：Cu-2e=Cu2+=+0.34VH2O-2e=1/2O2+2H+=+1.23V-2e=SO2+1/2O2=+2.42VH2O和的标准电位很大，在正常的情况下，它们不可能在铜阳极上发生放电作用。此外，氧的析出还具有相当大的超电压（25时，若电流密度为200A/m2,则氧在铜上析出的超电压为0.605V）。因此，在铜电解精炼过程中不可能发生反应式（1.5），只有当铜离子的浓度达到极高或电解槽内阳极严重钝化，使槽电压升高到1.7V以上时才可能有氧在阳极上放出。至于离的放电反应，因为其电位更正，故在铜电解精炼过程中是不能进行的。在阴极上可能发生下列反应： Cu2+2e=Cu =+0.34V 2H+2e=H2=0V铜的析出电位较氢为正，加之氢在铜上析出的超电压值又很大（当25及电流密度为100 A/m2时，电压为0.584V），故只有当阴极附近的电解液中铜离子浓度极低，并由于电流密度过高而发生严重的浓差极化时在阴极上才可能析出氢气。综上很述，铜电解精炼过程中，在两极上

6、的主要反应是粗铜在阳极上的溶解和铜离子在阴极上的析出。但是实际电解时，阳极铜除了以二价铜离子的形式溶解外，还会以一价铜离子的形态溶解，即：Cu-2e=Cu2+生成的一价铜离子在有金属铜存在的情况下，和二价铜离子产生下列平衡： 2Cu+=Cu2+Cu该反应的平衡常数为：在一定温度下有一定的平衡常数，且随着温度的升高而向生成Cu2+的方向进行，在含Cu2+64g/L和H2SO450g/L的溶液中，平衡常数与温度的关系为：温度1016050403021KCu1.61034.21041.01052.51057.01052.0106但是，在一般的电解条件下，一价离子Cu+和平衡浓度还是很小的，例如在含H2SO450g/L和Cu2+32g/L的溶液中，50时Cu2+的含量约为0.143g/L。 在生产过程中，Cu+和Cu2+之间的平衡常常不断地受到破坏，其主要原因有两个； 1）Cu+被氧化成Cu2+这一反应的速度随温度的升高及与空气接触程度的增加而加快，结果消耗了溶液中的硫酸，并使溶液中的Cu2+浓度增加。2）Cu+分解而析出铜粉析出的铜粉进入阳极泥，使阳极泥中的贵金属含量降低，并造成铜的损失。上

7、述两个原因都使得Cu+的浓度往往稍低于藕色平衡浓度，这又促使反应（1.9）和（1.10）向着生成Cu+的方向进行，使阳极的电流效率提高，阴极的电流效率降低，并导致溶液中的Cu2+的浓度不断增加。Cu+分解和氧化的结果，使电解液中游离硫酸含量减少和CuSO4的浓度增加。阳极中的铜和Cu2O以用阴极铜的化学溶解（称为反溶）也会使电解液中的含铜量增加，即此外，溶液中的游离硫酸浓度的降低，还可以导致CuSO4的水解，即进一步破坏了Cu2+与Cu+之间的平衡，并增多阳极泥中的铜量。假若电解过程使用的电流密度太小时，Cu2+在阴极上的放电可能变得不完全，而按下式进行一还原生成Cu+ ：Cu2+e=Cu+同时，铜在阳极上随即按式Cu+-e=Cu2+ 而氧化，从而导致电流效率的下降。综上所述，铜电解精炼过程，主要是在直流电的作用下，铜在阳极上失去电子后以Cu2+ 的形态溶解，而Cu2+在阴极上得到电子以金属铜的形态析出的过程。除此之外，还不可避免地有Cu+的产生，并引起一系列的副反应，使电解过程复杂化。根据以上情况，可以认为铜电解精炼时较有利的工作条件是：电解液中含有足够高的游离硫酸和二价铜离子，电解

8、液的温度不宜过高，采用足够高的电流密度，尽量减少电解液与空气的接触。1.2 铜电解工艺流程铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极，以电解产出的薄铜片为（始极片）作阴极，以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液。在直流电的作用下，阳极铜电化学溶解，纯铜在阴极上沉积，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现了铜与杂质的分离，铜精炼工艺流程如下图 铜电解精炼一般流程图1.3本次设计中的一些参数表一 电解槽的计算已知条件项目已知条件年产电解铜（一级铜）40kt年工作日360d电解槽作业率96%电流效率98%电流强度12000A始极片尺寸10501000mm 表二 阳极成分元素CuAsSbNiBiPbSeTeAuAgFeSZn含量%99.480.1810.0210.1030.0060.0310.0480.0470.00460.06210.00660.00570.0040表三 铜电解过程元素分配表元素进入电解液（%）进入阳极泥（%）进入电铜（%）Cu1.910.0998As6535微量Sb4060微量Ni8020微量Bi5050微量Pb964Se982TeAu98.51.5Ag973Fe75817S964Zn9343Al75205SiO2100表四 铜电解技术经济指标项目指标电解铜回收率（%）99.7电解铜品位（%）99.99残极率（%）13.8阳极泥率（对电铜）（%）0.58电解车间温度（）25电解槽外壁温度（）352 厂址选择厂址的选择对企业长远的经济发展有着十分重要的意义。选择厂址的原则为：1）距离原料场地较近；2）交通运输方便；3

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