Проблема перегрева электролита
Ячейки электрорафинирования меди генерируют тепло за счет омического сопротивления. Ток, проходящий через электролит между анодом и катодом, производит примерно 0,25-0,35 кВтч тепла на килограмм осажденной меди. Без адекватного охлаждения температура электролита поднимается выше рабочего предела 60-65 градусов.
Перегретый электролит создает множество технологических проблем. Эффективность по току падает, поскольку выделение водорода конкурирует с осаждением меди. Морфология отложений ухудшается, образуя грубые, шаровидные катоды. Увеличивается образование кислотного тумана, ухудшая рабочую среду. Нефтеперерабатывающий завод должен снизить плотность тока, что напрямую снизит объем производства.
Охлаждающие змеевики в контуре циркуляции электролита являются основной защитой от перегрева. Когда эти змеевики теряют эффективность, страдает вся производительность нефтеперерабатывающего завода. Диагностика и исправление должны происходить быстро.
Путь диагностики неэффективности охлаждающего змеевика
Потеря производительности охлаждающего змеевика при электрорафинировании меди обусловлена конкретными диагностируемыми причинами. Систематическое устранение неполадок позволяет выявить основную причину в течение нескольких часов, а не дней.
Электролит содержит 40-50 г/л меди и 150-200 г/л серной кислоты при температуре 55-65 градусов. Эта горячая концентрированная кислота разъедает большинство металлов. В охлаждающих змеевиках из нержавеющей стали на поверхности образуется накипь из-за кристаллизации сульфата меди, когда температура стенок падает ниже точки насыщения. Свинцовые охлаждающие змеевики, традиционные для старых нефтеперерабатывающих заводов, медленно корродируют и образуют изолирующие слои сульфата свинца.
Качество охлаждающей воды имеет одинаковое значение. Жесткая вода откладывает накипь карбоната кальция внутри трубок. Вода градирни приводит к биологическому загрязнению, которое покрывает внутренние поверхности. Оба механизма изолируют стенку трубки от охлаждающей среды.
Структурированный диагностический подход измеряет температуру на входе и выходе как со стороны электролита, так и со стороны охлаждающей воды, рассчитывает фактический общий коэффициент теплопередачи и сравнивает его с базовым состоянием чистого-состояния. Разрыв между фактическим и базовым значением U- определяет количественную степень загрязнения и определяет корректирующие действия.
Таблица 1. Диагностические показатели эффективности охлаждающего змеевика при электрорафинировании меди
| Симптом | Вероятная причина | Диагностические измерения | Корректирующие действия |
|---|---|---|---|
| Значение U-постепенное снижение в течение нескольких месяцев | Накипь медного купороса со стороны электролита | Визуальный осмотр; тест на растворимость кислоты | Химическое удаление накипи или замена ПТФЭ |
| Значение U-внезапно упало после обслуживания охлаждающей воды | Внутренняя накипь жесткой воды | Анализ охлаждающей воды; Увеличение ΔP | Внутреннее удаление накипи |
| Неравномерное охлаждение банка клеток | Неравномерное распределение потока | Картирование температуры отдельных ячеек | Сбалансировать поток; рассмотреть сетку из ПТФЭ |
| Постоянное низкое значение U-после очистки | Утончение стенок или постоянный масштаб | Ультразвуковое измерение толщины | Замена катушки на ПТФЭ |
| Сезонное изменение производительности | Колебания температуры охлаждающей воды | Обзор журнала чиллера или градирни | Увеличенная система водяного охлаждения или змеевик из ПТФЭ |
Методы диагностики на основе опыта эксплуатации медеплавильного завода и норм эксплуатации теплообменников.
Почему ПТФЭ прерывает цикл загрязнения
Охлаждающие змеевики из ПТФЭ устраняют коренные причины снижения производительности при электрорафинировании меди за счет свойств материала, а не процедур технического обслуживания.
Для образования отложений сульфата меди требуются участки поверхности с высокой-энергией. Низкая поверхностная энергия ПТФЭ обеспечивает мало мест зародышеобразования. Образующаяся накипь слабо прилипает и имеет тенденцию отслаиваться под действием нормального потока электролита. Поверхности теплопередачи дольше остаются чистыми без химического вмешательства.
Серная кислота при концентрации 150-200 г/л и температуре 60 градусов не разрушает ПТФЭ. Никакой коррозии не происходит. Истончение стенок не развивается. Охлаждающий змеевик сохраняет установленную толщину стенок и характеристики теплопередачи в течение неопределенного времени. Альтернативы свинцу и нержавеющей стали в этой среде постепенно разлагаются.
Загрязнение со стороны охлаждающей воды остается возможным при использовании змеевиков из ПТФЭ, но гладкое внутреннее отверстие лучше противостоит прилипанию окалины, чем корродированный металл. Химически инертная стенка трубки исключает любую возможность выщелачивания загрязнений охлаждающей воды через места точечной коррозии в электролит.
Результаты переоборудования резервуарного цеха
На медеплавильном заводе свинцовые охлаждающие змеевики в секции с 40-ячейками были заменены на теплообменники из ПТФЭ. Свинцовые катушки требовали удаления накипи каждые 4–6 недель, при этом значения U между чистками падали на 40%. Температура электролита в элементах с загрязненными катушками достигала 68 градусов во время работы с пиковым током, что привело к снижению силы тока.
Змеевики из ПТФЭ были рассчитаны на эквивалентное охлаждение с использованием охлажденной воды при температуре 15 градусов. Конфигурация решетки равномерно распределяла охлаждающую поверхность по ширине ячейки. Через 12 месяцев непрерывной работы температура электролита держалась на уровне 61±2 градуса без ограничений по силе тока. Значение U- оставалось в пределах 8 % от чистого базового уровня. В течение 12-месячного периода химическое удаление накипи не проводилось.
Краткое содержание
Неэффективность охлаждения при электрорафинировании меди связана с образованием окалины сульфата меди и кислотной коррозией металлических змеевиков. Диагностические измерения температуры и значения U- выявляют доминирующий механизм, определяющий корректирующие действия.
Теплообменники из ПТФЭ решают оба механизма благодаря свойствам материала: низкая поверхностная энергия сводит к минимуму прилипание накипи, а химическая инертность исключает кислотную коррозию. Характеристики теплопередачи остаются стабильными без циклического разрушения и восстановления металлических змеевиков.
Для заводов по переработке меди, стремящихся сократить расходы на охлаждение и стабилизировать температуру электролита, инженерный анализ размеров охлаждающего змеевика из ПТФЭ доступен после предоставления размеров ячейки, состава электролита, рабочей температуры, характеристик охлаждающей воды и текущих данных о характеристиках охлаждения.
