锰电解车间设计

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1 工艺选择与论证
1.3 工艺流程选择论述及节能与品质改进探讨
节 能 措 施
1. 减小电解槽的电阻（即减小槽电压） ① 设计合理的极距 采用的同名极距在70～80㎜之内 。 ②采用新的连接办法组装阴、阳极板 采用螺栓连接加焊接、铆接加焊接或 者螺栓连接加导电胶胶接等办法 代替单一螺栓连接。 ③ 设计采用科学的阴阳极室空间 因为硫酸是一种强电解质，所以阳极液 比阴极液导电能力强，电流在阳极室的电阻要小 ，所以阳极室的空间稍比 阴极室空间大，有利于减小电阻。 ④选用足够厚的阴阳极板 增加厚度的阴阳极板也可以起到缩短极距的效 果 ⑤选用足够大的主路铜排和相应的极板铜条 2. 设计安装时防止电解槽漏电 ① 地面防漏电 ② 防止电解槽漏液 ③ 防止冷却水漏电 3. 在生产管理上节能 ① 控制好生产工艺指标 ② 选择合理的清槽周期
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1 工艺选择与论证
1.2 电解锰的工业生产 电解（电解沉积）总反应式为 MnSO4+H2O =Mn+O2 +H2SO4 反应是在木制假底钢筋水泥 PVC衬里的隔膜电解槽中进行 阳极材料为铅基合金，广 泛应用于硫酸盐介质 阴极材料为18Cr12Ni8Mo不 锈钢合金，或钛板。原因是在 电解液中不溶解、电阻率低、 氢过电位高、弯曲性和弹性好 。使用不锈钢前要在含有小量 硅酸钠的溶液中浸泡 作缓冲处 理，钛板则不需要。 由于在硫酸锰水溶液中电解锰时，阴极室必须处于中性偏碱（7～8）状态才能析出 锰，而阳极在电解过程中放出H+，为酸性，必须区分阴极室和阳极室的不同电解效应 。槽中设有假底是为更好的密封性。隔膜材料选用滤布即可。
串联的，每个槽的阴、阳两极分别是并联的。如图所示：
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3. 设 备 选型
3.8 电 解 槽 选 择 与 排 列
本设计采用复联法（比单联法节约电能，节约空间）。 采用如右图的连接方式槽间母线铜排最少 ，电解槽布置紧凑，可节约基建投资和降低 经营费用。本设计按此方案进行布置 。 对电解槽个数的计算：
n = m÷( q×I×t× ηi ) 式中 m——每天析出电解锰金属量，本设计为 12500000g/d； q——锰的电化学当量，1.025 g/A· h； I——电解电流强度，8880A； t——电积有效时间，取23.5h/d； ηi——电流效率，一般范围68%～71%，本设 计取70%。 代入上式得： n = 83.5个
补加的（洗渣）水量=浸出渣带走的水量+电解槽蒸发量—加硫酸体积—加 入氨水体积—碳酸锰矿中水量
求得溶液平衡（即水量不变）。计算结果如下：
加入项：1. 阳极液581.39 m3/d ；2硫酸12.50m3/d ；3氨水1.884m3/d；4碳 酸锰矿中的水2.56m3/d.；5洗渣新水13.72m3/d.； 产出项：1.中和后过滤液587.26m3/d；2.浸出渣带走24.77m3/d。
1 工艺选择与论证
摘 要
论 文 内 容 论 文 特 色
㈠电解锰的工艺选择与论证； ㈡冶金计算物料平衡计算（溶液平衡、金属平衡及酸平衡 ） 和热平衡计算； ㈢ 主体设备的选择； ㈣工程图纸的绘制：主体设备连接图、工艺流程图一张； ㈤英语论文翻译。
㈠查阅较多资料，从热力学分析，确定了较准确的电解过程参数； ㈡本设计重视节能环保，从多方面提出节能措施； ㈢在除杂和使用添加剂方面做出了探讨，使本设计具备了生产高纯电 解锰的能力； ㈣计算认真，对电解槽自然冷却系数α、泵选型等做出了比前人更为 精确的计算。
q1 q2 q3 q4 q5
各项热支出所占比例图
由右图可知，绝大多数的热须由散 热管散去。
本设计采用铝合金管为槽内冷却 水的导水管，这主要是因铝的热 导率（W/m· k），要比铅高出将近 5倍，因此材耗少。并且铝密度小 ，可降低基建费用和生产经营费 用。
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3. 设 备 选型 3.1浸出槽 3.2 压滤机
量
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1.3 工艺流程选择论述及节能与品质改进探讨 国内生产电解锰的原料为 菱锰矿，其工艺为：硫酸浸 出——氧化除铁——硫化法 除重金属——电解。 为生产高纯电解锰，需要 在传统工艺的基础上做出改 进：①采用三段净化、三段 过滤的净化工艺；②减少添 加剂残留，采用无硒或复合 添加剂。 生产划分为浸出车间、净化 车间和电解车间三个部分。 其中原料仓库、浆化上料、 浸出、氧化及中和除铁属浸 出车间；净化车间包括硫化 、静置和压滤工序；电积、 析出锰处理等属于电解车间 生产车间每天三班作业 ，每班工作8h，全年生产天 数320天。
电解液金属平衡 加入项：合格液 587.26m3/d，37.0kg/m3 ，21728.62kg 产出项：1电解金属锰 12500kg/d、99.90%、12487.5kg ；2阳极液 581.39m3/d，15.0kg/m3， 8720.85kg；3阳极泥 1000kg/d，50.0%，500.0kg；4.不可回收损失20.05kg 合 计 21728.30kg 浸出、中和、净化金属平衡 加入项：1.碳酸锰矿 82572.8kg/d，21.3%，17588.0kg；2.阳极液581.39m3/d， 15kg/m38720.81； 合 计26308.81kg 产出项：1.过滤液 587.26m3/d，37.76，22175.62kg；2.浸出渣57801.0kg，7.03%， 4062.833kg；.损失及其它 70.35kg ；合 计26308.80kg
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2. 冶 金 计 算 2.4 酸平衡计算 酸平衡是保证溶液PH的首要措施，而浸出则是耗H2SO4的主要方面。因 此，酸平衡的重点是计算 浸出 的耗酸量。另外，电解过程产生的硫酸也是 重要的加入项，在溶液平衡中已经算出。氧化、中和、硫化、静置等工序都 有酸的无名损失。 浸出过程反应主要有： MnCO3 + H2SO4 MnSO4 + H2O + CO2↑ 由于反应有大量CO2放 CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2↑ 出，浆化矿浆不能用泵 MgCO3 + H2SO4 MgSO4 + H2O + CO2↑ 和管道输送 ，只能通过 溜槽自流进各个浸出槽 Al2O3 + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2O 中 Fe2O3 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O 加入项：1电解阳极液581.39 m3/d，39.89kg/m3， 23191.652kg；补充硫酸12.93 m3/d ，1804kg/m3，23318.80kg 合 计46510.45kg 产出项1.产MnSO4耗硫酸29509.94kg；产CaSO4耗硫酸9883.16kg；产MgSO4耗硫 酸5428.35kg；产Al2(SO4)3耗硫酸1048.68kg；产Fe2(SO4)3耗硫酸290.66kg；损 失及其它349.79kg；合 计46510.58kg
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1.1电解锰过程的热力学分析 阴极发生Mn2+得电子的还原反应！
我们知道：电位越高，得电子能力越 强！怎样保证锰优先析出呢？ 根据能斯特方程：
fMn=-1.1795+0.0951㏒[Mn2+]-η fH = -0.0591PH-η
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Mn
H
所以，依靠①增大[Mn2+] ②增大氢 超电压ηH . ㈠ 根据塔菲尔公式η=a+b㏒DK a值的重要性远大于b ；
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2. 冶 金 计 算
2.5热平衡计算
热收入 Q = 通过电流×电解液电阻压降（取为槽电压 的50%）×通电时间×电解槽数 = 8880×（4.8×50%）×（23.5×3600） ×88×10－3 = 158663577.6kJ/d 热支出 ⑴ 电解液液面蒸发带走热 ⑵ 电解槽液面辐射与对流带走热 ⑶ 电解槽外壁的辐射与对流带走热 ⑷ 由电解液流动带走热 ⑸ 同一个设备中进行，设备为 圆形机械搅拌槽。工艺过程包括进料加入矿浆时间1h，浸出2h，氧化 2.0h，中和0.5h，过滤及清槽2.5h，，每个周期作业时间8h，每天三 班作业，即每个浸出槽一天可制作3槽溶液。 矿浆过滤采用圆筒式真空压滤机、叶片式真空过滤机、带式过滤 机，但由于上述过滤机需要使用真空和风压，动力消耗大，本设计不 予考虑，决定采用箱式压滤机进行过滤。
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1.2 电解锰的工业生产
⑴新液 净化后的溶液。除重金属、 Mn2+在高pH的条件 CaSO4等。Mn34～38g/l， 下，很容易被氧化成 (NH4)2SO4 100～120g/l，pH 6.5～ 高价锰化合物 电解液 7 MnOOH(Mn2O3· 3H2O)和 槽电 成分 ⑵阴极液 Mn15～18g/l （NH4）2SO4 MnO2。为防止Mn2+ 压与电 120～140g/l（无硒） 氧化，必须加入抗氧 耗 V = V + V + V + V + V = ⑶阳极液 Mn14～15g/l H2SO4 40g/l 槽 分 液 化剂使溶液保持还原 极 泥 接 4.6～5V 阴极 性 其中V 分 = fO2/H2O -f Mn2+/Mn =2.5V 随着电解时间的 沉积 ①升高温度可以增加溶液的电导， 国内锰电解电流效率一般达到 68%左 延续，阴极析出 时间 减少能耗，但温度过高会降低电 右，则每吨锰的电解电耗 h ⑴ 阴极电流密度 6200KW· 为抑制氢 流效率。 锰表面变粗糙， 甚至产生粒状或 ②超电压，电解锰生产中采用较 温度偏低沉积锰会生成树枝状 高的阴极电流，以提高阴极电 树枝状结晶，电 结晶，高于45℃则会形成粗晶粒 流效率；电流密度过低或过高 电解液 流效率降低，所 ③低的电解温度是确保高的塔菲 都会降低电流效率。一般采用 尔值 a的主要条件，从而保证高 以电解时间不宜 温度 2 350～400A/m 电流密 的电流效率 过长。国内析出 ⑵一般采用680～800A/m2高电流 周期一般为24h 因此，工业上采用的电解温度为 度 密度，以减少阳极上析出的MnO2 。 38～44℃。