Способ оптимизации электролитического рафинирования никеля

 

Изобретение относится к электролитическому рафинированию никеля, в частности к оптимизации параметров электролиза, и может быть использовано на металлургических предприятиях. Способ включает стадию электролиза с растворимыми анодами, регулирование которой осуществляют изменением катодной плотности тока и температуры и дополнительно изменением концентраций Ni²⁺, Na⁺, Сl^-, SO₄^2- и расстояния между осями одноименных электродов, определяемыми по уравнению регрессии: W_эл = 2081,488 + 133,3934Х₁ - 84,9653Х₂ - 98,8095Х₃ - 225,3318Х₄ + 709,5692Х₅ + 405,1342X₆ + 52,6144X₁² + 51,7629X₂² - 24,3387X₃² + 70,1105X₄² - 61,7879X₅² + 48,0129X₆² + 33,4463Х₁Х₂ + 53,7305X₁Х₃ - 47,1463X₁X₄ + 29,6673X₁X₅ - 13,0670Х₁Х₆ + 54,6775Х₂Х₃ - 24,5368Х₂Х₄ - 43,3107Х₂Х₅ - 62,4881Х₂Х₆ - 37,1150Х₃Х₄ - 44,9889Х₃Х₅ -58,1887Х₃Х₆ - 60,3643X₄X₅ - 1,7245Х₄Х₆ + 150,0370X₅X₆, где W_эл - удельный расход энергии на собственно электролиз, кВтч/т; X₁ - концентрация ионов никеля в электролите; Х₂ - концентрация ионов хлора; Х₃ - концентрация ионов натрия; Х₄ - температура; Х₅ - расстояние между одноименными электродами по осям; Х₆ - плотность тока; (независимые переменные X_i приведены в кодовом масштабе), а варьирование осуществляется в следующих пределах:
70 < Ni²⁺ < 100; 30 < Cl^- < 50; 0,11 < L < 0,19;
10 < Na⁺ < 50; 70 < t < 80; 200 < j < 300.

Концентрацию сульфат-ионов в электролите принимают исходя из условия электронейтральности:
,
где Э_i - эквивалент i-го иона, обеспечивается снижение удельного расхода электроэнергии. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к электролитическому рафинированию никеля, в частности к оптимизации параметров электролиза, и может быть использовано на металлургических предприятиях.

Известен способ электролитического рафинирования никеля в смешанных сульфат-хлоридных растворах с подачей ПАВ (смесь перфторированного вещества амилсульфоната и/или амилсульфата щелочного металла 50-30 мг/л и, соответственно, 5 мг/л), включающий донасыщение электролита с возвращением его в цикл (см. патент РФ N 20666713 МПК⁷ C25C 1/08, опубл. 20.09.96, БИ N 26).

Недостатком такого способа является отсутствие учета расхода электроэнергии на процесс электролиза и возможности его минимизации.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ оптимизации электролитического рафинирования, включающий стадию электролиза с растворимыми анодами, регулирование которой осуществляют изменением катодной плотности тока и температуры (см. статью Бугулова Д.Р., Алкацева М.И., "Влияние различных факторов на выход по току никеля, опубл. в журнале "Труды СКГТУ", выпуск 4, 1998, с. 113-116).

Недостатком такого способа является завышенный расход электроэнергии из-за недостаточности управляющих параметров, т.к. не учитывается влияние основных компонентов смешанных электролитов, а также не учитывается влияние расстояния между осями одноименных электродов.

Задачей данного технического решения является оптимизация параметров электролиза для минимизации удельного расхода электроэнергии.

Технический результат заключается в снижении удельного расхода электроэнергии при сохранении заданного качества катодного металла.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем стадию электролиза с растворимыми анодами, регулирование которой осуществляют изменением катодной плотности тока и температуры, согласно изобретению, регулирование осуществляют дополнительно изменением концентраций Ni²⁺, Na⁺, Cl^-, SO₄^2- и расстояния между осями одноименных электродов, определяемыми по уравнению регрессии:
W_эл= 2081,488+133,3934 X₁-84,9653 X₂- 98,8095 X₃-225,3318 X₄+709,5692 X₅+405,1342 X₆+52,6144 X₁²+51,7629 X₂²- 24,3387 X₃²+70,1105 X₄²-61,7879 X₅²+48,0129 X₆²+33,4463 X₁X₂+53,7305 X₁X₃-47,1463 X₁X₄+29,6673 X₁X₅-13,0670 X₁X₆+54,6775 X₂X₃-24,5368 X₂X₄-43,3107 X₂X₅-62,4881 X₂X₆-37,1150 X₃X₄-44,9889 X₃X₅-58,1887 X₃X₆-60,3643 X₄X₅-1,7245 X₄X₆+150,0370 X₅X₆, (1)
где W_эл - удельный расход энергии на собственно электролиз, кВтч/т;
X₁ - концентрация никеля в электролите; X₂ - концентрация хлора; X₃ - концентрация натрия; X₄ - температура; X₅ - расстояние между одноименными электродами по осям; X₆ - плотность тока (все независимые переменные X_i в уравнении приведены в кодовом (безразмерном) масштабе, R² = 0,972); в следующих ограничивающих условиях:
70 < Ni²⁺ < 100; 30 < Cl^- < 50;
10 < Na⁺ < 50; 70 < t < 80;
0,11 < L < 0,19; 200 < j < 300,
где t - температура, ^oC;
L - расстояние между осями одноименных электродов, м;
j - плотность тока, А/м²;
Ni²⁺, Na⁺, Cl^- - концентрации соответствующих ионов, г/л.

Данное изобретение позволяет, учитывая все предлагаемые параметры, определить минимальный удельный расход электроэнергии при электролизе.

Сущность изобретения заключается в нахождении эмпирической зависимости удельной электропроводности от концентраций Ni²⁺, Na⁺, Cl^-, SO₄^2-, расстояния между осями одноименных электродов, температуры и катодной плотности тока, определяемых при проведении оптимизации процесса, по уравнению регрессии (1). Верхние и нижние границы параметров взяты исходя из промышленных данных и захватывают максимальные и минимальные их значения. Верхний предел температуры взят равным 80^oC исходя из требований производственной санитарии. Концентрацию сульфат-ионов в электролите принимают исходя из условия электронейтральности:,

где Э_i - эквивалент i-го иона.

Способ осуществлен следующим способом. Методом нелинейного программирования была проведена оптимизация уравнения (1) при стабилизации трех параметров: расстояния между осями одноименных электродов 0,155 м (0,125 - в кодовом масштабе), катодной плотности тока, равной 300 А/м² (1 - в кодовом масштабе), температуры на уровне 80^oC (1 - в кодовом масштабе). Оптимизацию проводили по составу электролита. В результате было получено минимально возможное значение удельного расхода электроэнергии в условиях заданных ограничений W = 2249,1 кВтч/т и значения X₁=-1, X₂ = 0, X₃ = 1. Далее значения из кодового масштаба были переведены в натуральный по уравнению:

где X_i - кодовое значение переменной; A_i - натуральное значение переменной; А_ср - среднее значение переменной в натуральном масштабе; B - разность между средним и меньшим значением переменной (в выбранном интервале) в натуральном масштабе.

Воспользовавшись уравнениями (2) и (3), получим следующий состав электролита, г/л: Ni²⁺ = 70, Na⁺ = 50, Cl^- = 40, SO₄^2- = 130,4. Затем по полученным параметрам проводили электролиз, т.е. в электролитическую ванну завешивали электроды, так чтобы расстояние между осями одноименных электродов составило 0,155 м, заливали электролит вышеуказанного состава, доводили температуру до 80^oC и пропускали ток, соответствующий катодной плотности в 300 А/м². В результате расход удельной электроэнергии составил минимально возможное значение (в условиях застабилизированных значений по катодной плотности тока, температуре и расстоянию между осями одноименных электродов).

Использование данного способа позволит по сравнению с прототипом значительно сократить значение удельного расхода электроэнергии при сохранении заданного качества металла.

Формула изобретения

1. Способ оптимизации электролитического рафинирования никеля, включающий стадию электролиза с растворимыми анодами, регулирование которой осуществляют изменением катодной плотности тока и температуры, отличающийся тем, что электролиз ведут в сульфатхлоридном электролите, а его регулирование осуществляют дополнительно изменением концентраций Ni²⁺, Na⁺, Сl^-, SO₄^2- и расстояния между осями одноименных электродов, определяемыми по уравнению регрессии:
W_эл = 2081,488 + 133,3934X₁ - 84,9653X₂ - 98,8095Х₃ - 225,3318X₄ + 709,5692X₅ +405,1342X₆ + 52,6144X₁² + 51,7629X₂² - 24,3387X₃² + 70,1105X₄² - 61,7879X₅² + 48,0129X₆² + 33,4463X₁X₂ + 53,7305X₁X₃ - 47,1463X₁X₄ + 29,6673X₁X₅ - 13,0670X₁X₆ + 54,6775X₂X₃ - 24,5368X₂X₄ - 43,3107X₂X₅ - 62,4881X₂X₆ - 37,1150X₃X₄ - 44,9889X₃X₅ - 58,1887X₃X₆ - 60,3643X₄X₅ - 1,7245X₄X₆ + 150,0370X₅X₆,
где W_эл - удельный расход энергии на собственно электролиз, кВт-ч/т;
X₁ - концентрация ионов никеля в электролите;
X₂ - концентрация ионов хлора;
X₃ - концентрация ионов натрия;
X₄ - температура;
X₅ - расстояние между одноименными электродами по осям;
X₆ - плотность тока, при этом независимые переменные X_i приведены
в кодовом масштабе, перевод из которого в натуральный масштаб осуществляется по уравнению

где X_i - кодовое значение переменной;
А_i - натуральное значение переменной;
А_ср - среднее значение переменной в натуральном масштабе;
В - разность между средним и меньшим значением переменной в выбранном интервале в натуральном масштабе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что варьирование параметров осуществляют в следующих пределах:
70<Ni<100; 30<Cl<50; 0,11<L<0,19;
<50; 70<t<80; 200<j<300,
oC;
L - расстояние между осями одноименных электродов, м;
j - плотность тока, А/м²;
Ni²⁺, Na⁺, Сl^- - концентрации соответствующих ионов, г/л.