溶銅釜,中和槽理論闡釋
1.基本原理
中和槽溶銅是一種固——液——?dú)馊嗷瘜W(xué)反應(yīng)
Cu+1/2O2+H2SO4=CuSO4+H2O
根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，以下幾個(gè)方面都是提高溶銅化學(xué)反應(yīng)速度的有效措施：（1）提高銅料的化學(xué)反應(yīng)表面積。這就是要求銅料的物理尺寸盡可能的小；（2）加強(qiáng)攪拌，使銅料能隨溶液流動(dòng)形成有利于溶質(zhì)擴(kuò)散的流化床；（3）較高的H2SO4、O2濃度和反應(yīng)溫度及增加催化劑等。但是由于生產(chǎn)工藝限制，上述措施中唯有提高O2在溶液中的濃度最為現(xiàn)實(shí)。
眾所周知，要提高氧在溶液中的濃度，必須增大風(fēng)量或增加空氣與溶液的接觸面積。常規(guī)中和槽的問(wèn)題在于：壓縮空氣一般都是通過(guò)數(shù)根插入溶液中的導(dǎo)管對(duì)溶液進(jìn)行充氧的，實(shí)踐證明，通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入溶液的空氣往往成大氣泡狀態(tài)，在未能與溶液充分接觸的情況下就過(guò)早的逸出液面，氧的利用率是極低的。增加導(dǎo)管的數(shù)量或風(fēng)量效果并不理想，除增大了能源消耗外還造成了溶液損失，環(huán)境惡劣等諸多不良后果。因此人們力圖找到使空氣在溶液中形成小氣泡的方法。
按照上述思路，國(guó)內(nèi)某廠對(duì)中和槽的供氧方式作了改進(jìn)。其主要方法是在中和槽的底部加設(shè)一種空氣分布板，讓空氣通過(guò)分布板上的小孔進(jìn)入溶液。毫無(wú)疑問(wèn)，由于小孔對(duì)空氣的分散作用，進(jìn)入溶液的空氣形成了小氣泡，從而減緩了空氣逸出液面的速度，增大了空氣與溶液的接觸機(jī)會(huì)，經(jīng)改造后的中和槽以廢銅線為原料時(shí)溶銅速度達(dá)到了85kg/m3·d以上，比改造前提高了近30%。進(jìn)一步縮小空氣分布板小孔直徑有利于空氣形成更小的氣泡，但這一措施將遇到小孔頻繁堵塞的問(wèn)題，不利于設(shè)備的穩(wěn)定生產(chǎn)。
2.新型中和槽的重要改進(jìn)
一般來(lái)說(shuō)，小氣泡的充氧效果優(yōu)于大氣泡，那么能否找到微氣泡充氧的方法進(jìn)一步提高充氧效果呢？圖1就是實(shí)現(xiàn)微氣泡充氧新型中和槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
新型中和槽與常規(guī)槽一樣具有反應(yīng)器、假底等部分。新型中和槽將假底以下部分該作為氣液分離器，另外增加了區(qū)別于常規(guī)中和槽的兩大部件即循環(huán)泵和液——?dú)鈬娚浔谩＠靡骸獨(dú)鈬娚浔迷谝欢l件下能使氣體與液體發(fā)生乳化混合是新型中和槽充氧方式的重要變動(dòng)。
工作狀態(tài)下，循環(huán)泵從氣液分離器底部吸入溶液送于液——?dú)鈬娚浔茫趪娚浔脟娮焯幦芤阂?*m/s以上的速度噴出******。新型中和槽可以斷續(xù)工作，也可以連續(xù)工作。當(dāng)需要連續(xù)工作時(shí)可向中和槽的補(bǔ)液口注入溶銅前液，合格的溶銅后液經(jīng)溢流口排到下段工序。
顯而易見(jiàn)，乳化混合充氧比大氣泡充氧時(shí)的氣液接觸界面要大得多，微氣泡在溶液中停留的時(shí)間也變長(zhǎng)，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)使局部溶液的氧濃度下降時(shí)，微氣泡中的氧可隨時(shí)補(bǔ)充，保證了溶液的氧化電位始終處于較高的水平，這對(duì)提高溶銅速度起到關(guān)鍵作用。
另外，當(dāng)含氧量下降的微氣泡達(dá)到頁(yè)面附近時(shí)能形成小氣泡連續(xù)相，達(dá)到抑制酸霧，減少溶液蒸發(fā)熱損失的作用，有利于環(huán)保和建立熱平衡。檢測(cè)表明，新型中和槽氧的利用率一般都可達(dá)到30%以上，因此新型中和槽不在需要過(guò)多的空氣供給。
3.實(shí)際應(yīng)用
新型中和槽處理物理尺寸較大的銅料時(shí)也必須要求銅料具有足夠的化學(xué)反應(yīng)表面積，這一點(diǎn)只能用增加投料量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此反應(yīng)器容腔的大小也是很重要的。實(shí)驗(yàn)表明，循環(huán)泵電機(jī)每千瓦功率對(duì)反應(yīng)的反應(yīng)器容腔體積一般應(yīng)在0.2~0.25m3以上；為了保證乳化的效果，循環(huán)泵揚(yáng)程應(yīng)有30~40m；氣液分離器的容積也要足夠大，以免氣體分離不良造成循環(huán)泵氣蝕。
應(yīng)用1：五水硫酸銅的溶銅工序。其反應(yīng)器體積為4m3，高徑比為1:0.75，配用18.5kw的循環(huán)泵，揚(yáng)程35m，流量60m3/h，氣液分離器容積約1m3，設(shè)備尺寸2.1m*1.8m*4.5m（不含煙囪）。以廢銅線為原料，溶銅前液含Cu2+60g/L，H2SO470g/L，溶銅后液含Cu2+170g/L，H2SO470g/L左右，80。C左右自熱運(yùn)行，溶銅速度高達(dá)375kg/m3·d，比常規(guī)中和槽提高4倍多，日產(chǎn)五水硫酸銅產(chǎn)品6t左右。硫酸銅產(chǎn)品的綜合電耗約為130kWh/t，廢氣含H2SO4低于60mg/m3，因設(shè)備能自熱、自供氧，工廠不再配備鍋爐、空氣壓縮機(jī)等外圍設(shè)備，投資大為節(jié)省。
應(yīng)用2：生產(chǎn)電解銅箔的溶銅工序，銅料直徑15mm、長(zhǎng)300~500mm的光亮銅桿或400mm*20mm*10mm的電解銅切條，溶銅速度由常規(guī)中和槽的36kg/m3·d提高到300kg/m3·d左右，溶銅速度提高7倍多。應(yīng)當(dāng)指出新型中和槽空氣的用量?jī)H為常規(guī)中和槽的十幾分之一，從而可減少空氣中的雜志對(duì)溶液可能產(chǎn)生的污染，這對(duì)于生產(chǎn)高檔電解銅箔的企業(yè)是極為有利的。
新型中和槽配有用于固液分離的一級(jí)或者多級(jí)旋流器，用于油污等不溶物分離的輔助部件，因此新型中和槽同樣可以處理粉粒狀銅料，溶銅速度可達(dá)500kg/m3·d左右，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
4.結(jié)論
新型中和槽采用氣液乳化混合的供氧方法，大大提高了溶銅速度，能自熱運(yùn)行。新型中和槽的穩(wěn)定運(yùn)行要求循環(huán)水泵能耐腐蝕、耐高溫、耐磨損和抗結(jié)晶。
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