Модернизация системы автоматизации процесса электролиза

      В процессе электролиза температура  электролита в ваннах повышается под действием электрического тока. Расчеты показывают, что при плотности  тока 600 А/м² и осаждении из 1 л раствора 100 г цинка тепловыделение может повысить температуру раствора на 70⁰ С (при однократной циркуляции нейтральным раствором), тогда как температура электролита  не должна превышать 42⁰ С. Поэтому электролит в процессе электролиза необходимо охлаждать. Обычно температуру электролита в ваннах поддерживают в пределах 36 - 40 ⁰С. При этой температуре показатели электролиза получаются стабильными, удовлетворяющие требованиям экономического ведения процесса электролиза [7].

      Для поддержания заданной температуры  раствора применяется централизованное охлаждение путем многократной подачи в ванну предварительно охлажденной  смеси нейтрального и кислого  отработанного электролита. Наиболее распространен способ воздушного охлаждения в градирнях. Градирни представляют собой сооружение в виде башни, заполненной насадкой, на которую сверху подаётся горячий электролит, а сбоку просасывается естественной тягой или продувается с помощью вентилятора охлаждающий воздух. Снижение температуры электролита в градирне происходит за счет теплообмена между холодным воздухом и горячим электролитом [8].

      Отработанный  электролит отводится из ванн через  сливной карман, который одновременно препятствует сходу с поверхности  мыльной пены и других защитных покрытий. Электролит сливается в желоба отработанного электролита 13, находящиеся под ваннами и далее подается в коллектор 14, откуда насосами 15 часть раствора откачивается по магистралям в верхнюю часть градирни на охлаждение, а часть – в выщелачивательное отделение. Осаждение катодного цинка в электролизных ваннах происходит непрерывно. Сдирку катодного цинка производят через 24 часа, для этого из каждой ванны электрическим подъемником вынимают 5-11 катодов с наращенным на них осадком цинка. Содранный с катодов цинк укладывают пластами по 1400 кг и далее отправляют на переплавку, а алюминиевые катоды устанавливают на свое место в ванне [4].

      Режимные  параметры процесса электролиза  цинка приведены в таблице 1.2. 

      Таблица 1.2 - Режимные параметры процесса электролиза цинка

 

3. Процесс электроосаждения цинка

      Электролиз - совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.

      Электрохимический процесс осаждения цинка из чистого  сульфатного раствора может быть представлен уравнением:

      ZnSO₄+H₂O→Zn+H₂SO₄+0,5O₂                                                                  (1.2)

      Из  уравнения видно, что исходным веществом  для электролиза является раствор  сульфата цинка, а продуктами электролиза  являются металлический цинк, серная кислота и кислород.

      В действительности процесс электролиза  значительно сложнее, так как, кроме цинка, в растворе находятся соли других металлов (примеси), которые, участвуя в той или иной степени в электрохимических реакциях, влияют на ход электроосаждения цинка. Известно, что соли, кислоты и основания диссоциируют в растворах на ионы. Ионы, заряженные положительно, называют катионами, а заряженные отрицательно – анионами. Вода также диссоциирует, но в очень малой степени. Таким образом, определенная часть молекул сульфата цинка, серной кислоты и воды находится в диссоциированном состоянии:

      ZnSO₄ →Zn²⁺ + SO₄^2-                                                                                                                                   (1.3)

      H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-                                                                                    (1.4)

      H₂O→H⁺ + OH^-                                                                                              (1.5)

      Под действием создаваемого постоянным током напряжения между электродами, катионы движутся к отрицательному электроду (катоду), а анионы к положительному (аноду). При переходе к электродам катионы и анионы разряжаются, выделяясь из раствора в атомарном состоянии, а точнее, на катоде в восстановленном, на аноде в окисленном состоянии. Разряд катионов и анионов сопровождается присоединением или отдачей электронов. Положительно заряженными ионами являются ионы цинка (Zn²⁺) и водорода (H⁺), а отрицательно заряженными – (SO₄^2-) и (OH^-).

      На  катоде протекают реакции:

      Zn²⁺+2e→Zn                                                                                                  (1.6)

      2Н⁺+2e→Н₂↑                                                                                                 (1.7)

      Как известно, нормальный потенциал цинка  равен минус 0,763 В, а водорода ±0 В. Согласно ряду напряжений, на катоде должен идти процесс разряжения ионов водорода. Однако в практических условиях электролиза на катоде осаждается преимущественно цинк. Объясняется это высоким перенапряжением разряда ионов водорода, благодаря которому потенциал его делается в определенных условиях отрицательнее потенциала цинка. Для проведения электролиза в водных растворах электролита стараются создать условия для большого перенапряжения выделения водорода, так как выделение водорода на катоде совместно с основным металлом является нежелательным процессом [9].

      Величина  перенапряжения водорода зависит от многих факторов, основными из которых  являются: материал катода, плотность  тока, состояние катодной поверхности, температура, концентрация ионов водорода и других ионов в электролите. Например, при повышении температуры и кислотности электролита перенапряжение будет уменьшаться и на катоде начнет выделяться водород, что повлечет к ухудшению качества осажденного на катодах цинка и увеличению расхода электроэнергии [8].

      Таким образом, к факторам, повышающим перенапряжение водорода, относятся: чистота раствора, высокая плотность тока, низкая кислотность и низкая температура электролита, гладкий катодный осадок, наличие в растворе поверхностно-активных веществ определенной концентрации.  

      1.4 Существующее состояние автоматизации

      На  сегодняшний день на металлургических предприятиях осуществлена лишь частичная  автоматизация процесса электролиза  цинка. При этом чаще всего используются устаревшие приборы и средства автоматизации, которые по функциональным возможностям и быстроте обработки информации намного уступают современным. Часть функций контроля технологических параметров осуществляется обслуживающим персоналом в течение смены.

      За  основу взято существующее состояние  автоматизации 3 серии электролизного отделения УК МК АО «Казцинк». Здесь используются приборы, которые вышли из серийного производства. Контроль температуры нейтрального, смешанного и отработанного электролитов осуществляется при помощи термометров ТСМ 5071 с регистрацией показаний на многоточечных самопишущих приборах КСМ-3.

      Расход  нейтрального электролита измеряется щелевым расходомером, состоящим  из сужающего устройства, датчика  перепада давления ДМ-3583, преобразователя  НП-П3 и вторичного прибора КСП-3. Показания с расходомеров суммируются блоком А-05 и регистрируются на самопишущем приборе КСУ-3.

      Измерение уровня электролита производится в  напорном желобе и в коллекторе при  помощи пьезотрубки, датчиком ДМ-3583 с  регистрацией на вторичном самопишущем  приборе КСД-3. В качестве регулирующего устройства используется регулятор Р-27 с задающим устройством ЗУ-05.

      Данные  приборы уже не целесообразно  использовать, так как современные  приборы имеют меньшую погрешность измерения, высокую скорость обработки и передачи информации, возможность предоставления информации о ходе технологического процесса обслуживающему персоналу в удобном виде на экране монитора, оперативное выявление аварийных ситуаций, возможность архивирования данных, удобство монтажа и т.д. 

      1.5 Процесс электролиза цинка как объект автоматизации

      Реализуемая система управления является замкнутой  или иными словами системой с  регулированием по отклонению. Данная система использует текущую рабочую  информацию о регулируемых величинах, определяет отклонение от заданного значения и принимает меры к устранению этого отклонения.

      Система управления должна обеспечивать качество осаждаемого цинка посредством  поддержания постоянными заданные параметры электролита, поступающего на электролиз, а также обеспечивать контроль объёмов циркулирующих растворов.

      Процесс электролитического осаждения цинка  как объект управления (в соответствии с рисунком 1.2) характеризуется следующими параметрами:

      а) входные параметры:

            1) температура электролита,  поступающего на электролиз, ⁰С;

            2) расход электролита, поступающего на электролиз, м³/ч.

      б) выходные параметры:

            1) температура отработанного  электролита, ⁰С;

            2) расход отработанного  электролита, м³/ч;

            3) концентрация серной  кислоты в отработанном электролите.

      в) возмущающие воздействия:

            1) состав электролита, поступающего на электролиз, г/л;

            2) потери электролита по ходу его транспортировки по желобам.

      г) управляющие воздействия:

            1) расход нейтрального  электролита на электролиз, м³/ч;

            2) расход отработанного  электролита из коллектора, м³/ч. 

Рисунок 1.2 – Процесс электролиза как  объект управления 

      Процесс электролиза цинка осуществляется с непрерывной циркуляцией через  ванны нейтрального и охлажденного отработанного электролита, смешанного в пропорции 1:14. Для этого необходимо регулировать подачу нейтрального электролита в зависимости от расхода охлажденного электролита.

      Повышение температуры отработанного электролита  в коллекторе выше 45^оС означает, что температура раствора в электролизных ваннах увеличилась выше допустимого. Для поддержания температурного режима в ваннах необходимо регулировать температуру отработанного электролита увеличением циркуляции охлаждённого отработанного раствора, уменьшением подачи нейтрального электролита и откачивания отработанного электролита на выщелачивание.

      Так как отработанный электролит многократно циркулирует через электролизные ванны, то его параметры будут непосредственно влиять на параметры электролита, поступающего на электролиз. Поэтому увеличение концентрации серной кислоты в отработанном электролите необходимо регулировать подачей в ванны нейтрального электролита. Это осуществляется для уменьшения содержания серной кислоты в электролите, поступающем на электролиз в ванны.

      Повышение или понижение уровня раствора в  напорных баках должно регулироваться подачей в них нейтрального раствора после очистки с помощью насосов.

      Для того, чтобы не допустить перелив раствора в коллекторе, уровень в нем необходимо регулировать с помощью насосов, откачивающих отработанный раствор. При этом раствор должен откачиваться на выщелачивание и в градирни в соотношении 1:14.

      При повышении уровня электролита до предельного значения в напорном желобе следует уменьшить подачу нейтрального электролита.