Тепловой баланс ванны гальванического цинкования

Заключение

1. В ходе выполнения курсового проекта был рассчитан тепловой баланс гальванической ванны цинкования (по справочным данным).
2. В результате расчета получено, что в ходе технологического процесса электролит нагревается преимущественно за счет прохождения электрического тока через электролит. Однако в течение одного цикла нагрев составляет 0,399С, значит, использования дополнительных охлаждающих устройств не требуется.

...

Содержание

Введение 4
1. Аммонийные (аммиакатные) электролиты цинкования 5
2. Расчет габаритных размеров ванны покрытия 8
3. Исходные данные для расчета электрического и теплового балансов и начальные приближения 10
4.Расчет напряжения на ванне по справочным данным 11
4.1 Слагаемые напряжения на электролизере 11
4.2 Расчет электрохимических составляющих падения напряжения 12
4.2.1 Расчет величины обратимого напряжения разложения 12
4.2.2 Определение величины катодного перенапряжения 13
4.2.3 Определение величины анодного перенапряжения 14
4.3 Расчет омических составляющих напряжения 15
4.3.1 Расчет падения напряжения в электролите 15
4.3.2 Падение напряжения в теле электродов и в контактах 18
4.4 Суммарное напряжение на ванне 18
5. Расчет теплового баланса ванны гальванического цинкования 18
5.1 Нестационарная модель материального баланса 18
5.2 Расчет суммарной интенсивности источников тепла 19
5.2.1 Интенсивность источника тепла при прохождении
через раствор электрического тока 20
5.2.2 Перенос тепла при переходе в другое агрегатное состояние 21
5.3 Расчет удельной теплоемкости электролита 22
5.4 Расчет теплоты химической реакции образования аммиаката цинка 23
5.4.5 Расчет теплового баланса 23
Заключение 25
Библиографический список 26


 

Введение

Гальванические покрытия металлических изделий широко используются в качестве защитных и защитно-декоративных, обеспечивающих стойкость и долговечность металлопродукции, увеличение их срока службы.Применение таких покрытийявляется эффективнымспособом снижения коррозии металла [1].
Цинковые покрытия наиболее широко используются практически во всех областях промышленности в качестве защитных, что обусловлено оптимальным соотношением их цены и качества. Так, цинк является весьма распространенным металлом в земной коре, относительно недорогим и технологичным в процессе нанесения покрытия.
Цинковые пленки на стальных изделиях являются анодным покрытием и эффективно защищаютметалл от атмосферной коррозии, а также от других видов коррозии в воде, бензине и других жидкостях. Потенциал цин ка отрицательнее потенциала железа, поэтому цинк защищает изделия из железа и сплавов на его основе (из черных металлов)от коррозии электрохимически. Защитные свойства покрытий сохраняются даже при небольшой толщине слоя, при наличии пор и открытыхна несколько миллиметров участков. Забоины и царапины также не оказывают существенноговлиянияна коррозию изделий. Это связано с тем, что в коррозионных гальванических элементах, образующихся в порах (царапинах) покрытия, цинк растворяется как анод, а сталь (как катод) не подвергается разрушению до тех пор, пока на ней есть слой цинка.
Все вышесказанное свидетельствует о важности рассмотрения вопросов, касающихся нанесения защитных гальванических покрытий на металлические изделия и обосновывает актуальность настоящей работы.
Целью курсовой работы является расчет теплового баланса ванны гальванического цинкования в аммонийном (аммиакатном) электролите.
 

2.1 – Внешний вид готовых изделийВ ванне размещены четыре анода с габаритными размерами каждого: Ширина анода - 500 мм; высота – 800 мм; толщина - 15 мм, с площадью рабочей поверхности 2,25 м2. Аноды, выполненные из цинка марки Ц0 по ГОСТу 1180-91 [4] или ГОСТу 3640 [5], завешиваются на 2 анодные штанги.1. Длина ванны определяется по формуле:Lвн = n1L1 + (n1 - 1) L2 + 2L3 (2.1)где L1 - размер подвески по длине ванны, мм; L2 - расстояние между подвесками, мм; L3 - расстояние между торцевой стенкой и краем подвески, мм; n1 - число загружаемых на одну штангу подвесок. Lвн = 21000+(2-1)40+280 = 2200 мм,где L1 = 1000 мм , L2 = 30, L3 = 80 мм, n1 = 2.2. Ширина ванны определяется по выражению:Bвн = n2B1 + 2n2B2 + 2B3 + n3d,(2.2)где B1 – максимальный размер подвески по ширине ванны, мм; B2 –расстояние между анодом и ближайшим краем детали, мм;B3 – расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом, ммn2 – число катодных штанг;n3 – число анодных штанг;d – толщина анода, мм.Bвн = 1130+21130+250+215 = 520 мм, где B1 = 130 мм, B2 = 130 мм, B3 = 50 мм, d = 15 мм, n2 =1, n3 = 2.3. Высота ванны:Hвн = H1 + H2 + H3 + H4 , (2.3)где H1 - высота подвески (без подвесного крюка), мм;H2 - расстояние от дна ванны до нижнего края детали, мм;H3 - высота электролита над верхним краем подвески, мм; H4 - расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, мм.Hвн = 700+150+50+100 = 1000 мм, где H1 = 700 мм, H2 = 150 мм, H3 = 50 мм, H4 = 100 мм.4. По известным размерам ванны можно рассчитать объем электролита: (2.4)V = 2200520(1000-100) = 1030 л.В соответствии с ГОСТом 23738-85 [6] выбираем нормализованную ванну с внутренними габаритными размерами 2200×550×1000 мм. Полная вместимость ванны 1210 л. 3. Исходные данные для расчета электрического и теплового балансов и начальные приближенияИсходные данные для расчета теплового баланса ванны цинкования представлены в таблицах 3.1 и 3.2. Таблица 3.1 - Состав электролита нанесения цинкового покрытияКомпоненты электролита, г/лДопустимые пределы концентраций, г/лСульфат цинка ZnSO4 120Сульфат цинка ZnSO4110-130Оксид цинка ZnO14Оксид цинка ZnO13-15Хлорид аммония NH4Cl250Хлорид аммония NH4Cl240-260Борная кислота H3BO322Борная кислота H3BO320-25Клей столярный 1,5Клей столярный1-2Таблица 3.2 - Параметры технологического процессаРазмеры элементов ванныРежим электролизаПоказателиПлощадь одной детали, м20,03Плотность тока, А/м2100Толщина, мкм15Количество деталей, шт40Температура, К293Катодный выход по току, %98Площадь всех деталей, м21,2Ток, А120Анодный выход по току, %100Основные реакции на электродах:Анод: Zn0 - 2e = Zn2+ 1 (3.1)Катод: Zn2+ + 2e = Zn0 Вт (3.2)Вт∙Zn2+ + Zn0 = Вт∙Zn0 + Zn2+ (3.3)Примем, что добавки расходуются с малой скоростью, поэтому при составлении баланса их рассматривать не будем [11]. Общее количество компонентов электролита равно трем: оксид цинка (1), хлорид аммония (2) и вода (3).Комплексные ионы аммиаката цинка в растворе образуются при приготовлении электролита по реакции:ZnO+ 2NH4Cl=Zn(NH3)2Cl2 +H2O (3.6)Количество молей аммиаката цинка в растворе равно количеству молей его оксида: (3.7)С учетом молярной массы аммиаката цинка (М(Zn(NH3)2Cl2)== 65,39+28+6+71=170,39 г/моль) его концентрация равна:С(Zn(NH3)2Cl2) = n(ZnO)М(Zn(NH3)2Cl2)=0,172170,39 = 29,307 г/л. Концентрация хлорида аммония в рабочем электролите определяется, исходя из того, что часть расходуется по реакции (3.6). Исходная концентрация хлорида аммония равна 4,85 моль/л, а концентрация свободного хлорида аммония в растворе составит:4,85-20,172=4,506 моль/л или 241,071 г/л.4.Расчет напряжения на ванне по справочным даннымВвиду отсутствия в справочной литературе необходимых данных для аммонийного электролита (аммиаката цинка) расчет осуществляли по справочным данным, относящимся к сульфату цинка.4.1 Слагаемые напряжения на электролизереОбщее уравнение электрического напряжения на электролизере может быть представлено в виде: , (4.1)где U – напряжение на элекролизере, В; - разность равновесных электродных потенциалов анодной и катодной реакций, В;- перенапряжение для катодной и анодной реакций, В; - падение напряжения в диафрагме, В; - падение напряжения в теле электродов, В;- падение напряжения в шламе, В; - падение напряжения в контактах, а также токопроводящих шинах до источника питания постоянным током, В;- падение напряжения в электролите, В.Составляющие уравнения можно объединить в две относительно самостоятельные группы – электрохимические (,) и омические (,,,,). 4.2 Расчет электрохимических составляющих падения напряженияЭлектрохимические составляющие падения напряжения складываются из обратимого напряжения разложения , определяемого термоди-намическими характеристиками процесса, и суммы перенапряжений (), вычисляемых на основе закономерностей электрохимической кинетики. 4.2.1 Расчет величины обратимого напряжения разложения Выразим концентрацию компонентов в виде молярной:, ,Электрохимические составляющие падения напряжения складываются из обратимого напряжения разложения U0, определяемого термодинамическими характеристиками процесса, и суммы перенапряжений (ηк, ηа), вычисляемых на основе закономерностей электрохимической кинетики.Рассчитываем обратимое напряжение разложения по изменению энергии Гиббса. К: Zn2+ + 2e = Zn0 Втк 2Н+ + 2e = Н20 (1-Втк)A: Zn - 2e = Zn2+ ВтаСуммарное уравнение реакций, протекающих на электродах:(1-Вт) ·Zn + 2· (1-Вт)NH4Cl = (1-Вт) ·H2 + (1-Вт) ·Zn(NН3)2Cl2Таблица 4.1 – Термодинамические свойства вещества [9].ФормулаZnH+Zn2+Н2 ∆G, кДж/моль0 048,250 (4.2)С учетом выхода по току 98 %, получаем4.2.2 Определение величины катодного перенапряжения Перенапряжение электроосаждения цинка на катоде можно описать уравнением смешанной кинетики:,(4.3)где i - катодная плотность тока, А/м2;i0 – ток обмена, А/м2;iпр - предельный диффузионный ток, А/м2.Вычислим ток обмена по формуле: ,(4.4)Для расчета тока обмена необходимо сначала определить стандартный ток обмена по справочным данным. Из [9] известно, что при концентрации C(ZnSO4)=0,5моль/л и C(Na2SO4)=1моль/л; ток обмена i0=10,9·10-4 A/ cм2 = 10,9 A/ м2, α=0,32. При заданной концентрации Zn(NН3)2Cl2 ток обмена будет равен:Предельный диффузионный ток может быть рассчитан по следующей формуле:,(4.5)где D - коэффициент диффузии, принимаем равным 4,93∙10-10 м2/с [7];δ - толщина диффузионного слоя, принимаем равным 1∙10-4 м.Катодное перенапряжение равно:4.2.3 Определение величины анодного перенапряженияРасчет анодного перенапряжения производим по уравнению замедленного разряда: . (4.6)Рассчитаем анодную плотность тока : (4.7)где Sa – площадь поверхности анодов, м2.Принимаем, что с обратной стороны аноды работают на 50%. Тогдам2Анодное перенапряжение равно: 4.3 Расчет омических составляющих напряженияОмические составляющие напряжения на электролизере рассчитывают по закону Ома. 4.3.1 Расчет падения напряжения в электролитеДля плоскопараллельных электродов падение напряжения в электролите рассчитывается по закону Ома:(4.8)где - удельное сопротивление электролита, Ом∙м;l – расстояние между электродами, принимаемое равным 0,3 м;s – площадь рабочей поверхности электродов, м2; - удельная электропроводность электролита, См∙м-1;iср – средняя плотность тока, А/м2.(4.9)А/м2Для расчета значения удельной электропроводности раствора, содержащего несколько компонентов, используют следующий принцип: удельная электропроводность смешанного раствора (χсм) принимается равной сумме рассчитанных удельных электропроводностей отдельных компонентов раствора χj.Находим суммарную концентрацию компонентов в растворе: моль/лЗначения эквивалентной электропроводности для каждого компонента электролита (Na2ZnO2, NaOH) при концентрации С∑ определены экстраполяцией справочных данных (рисунки 4.1-4.2) [13, 14]. ,,Рисунок 4.1 – Зависимость эквивалентной электропроводимости раствора ZnSO4 от концентрации Рисунок 4.2 – Зависимость эквивалентной электропроводимости раствора NН4Cl от концентрации Пересчет значений эквивалентных электропроводностей Zn(NH3)2Cl2, NH4Cl на заданную температуру 20С с учетом температурных коэффициентов (таблица 4.2):,(4.10)где - эквивалентная электропроводность, найденная при , См∙м-1; - температурный коэффициент (представлен в таблице 4.2), К-1;t1 – температура электролита, К;t2 – температура, при которой известна , K.Таблица 4.2 – Температурные коэффициенты компонентов [9]КомпонентZn(NH3)2Cl2NH4Cl, К-10,023 0,02λZn(NH3)2Cl2 = 1,889∙ 10-3∙ (1 + 0,023 ∙ (18 - 20))=1,976∙ 10-3λNH4Cl = 0,009∙(1 + 0,02 ∙ (18 - 20))=0,01Удельную электропроводность отдельных компонентов в смешанном растворе определяем следующим образом:(4.11) См∙м-1, См∙м-1,Удельная электропроводность электролита равнаχ=0,68+44,383=45,063 См∙м-1.Расчет падения напряжения в электролите:∆Uэл =73,038∙(0,13/45,063)=0,211 В4.3.2 Падение напряжения в теле электродов и в контактахПадение напряжения в теле электродов рассчитываем по следующей формуле:,(4.12)где - площадь сечения электрода, м2; - высота погруженной части электрода, м;ρ - удельное сопротивление электрода при рабочей температуре, Ом∙м Ом∙м В Ом∙м ВВПоскольку падение напряжения в контактах рассчитать довольно трудно, принимаем его равным 15% от общего падения напряжения в электролизере.4.4 Суммарное напряжение на ванне4.5 Выбор источника питанияДля питания выбран выпрямитель ВГ-ТПЕ-200-12-0 УХЛ4 с номинальным напряжением 12 В (номинальный ток 200 А).5. Расчет теплового баланса ванны гальванического цинкования5.1 Нестационарная модель материального балансаКак правило, во всем объеме электролизера температура примерно одинаковая, поэтому электрохимический аппарат можно рассматривать как зону идеального смешения [7]. Скорость изменения тепла в зоне идеального смешения () определяется разностью скорости поступления тепла с входящими потоками и скорости отвода тепла с выходящим потоком плюс скорость изменения тепла за счет источников тепла внутри зоны идеального смешения: (4.1)где V - объем зоны идеального смешения (объем электролита в электрохимическом аппарате);- удельная теплоемкость электролита, Дж/кг/град;Т - температура электролита, 0К; t - время, с; - суммарная интенсивность источников тепла в зоне идеального смешения, Дж/с.Тепловой баланс электрохимического аппарата можно оценить по изменению температуры электролита за некоторый интервал времени . Предположим, что объем электролита в электролизере, а также его плотность и теплоемкость за выбранный интервал времени меняются незначительно, тогда уравнение (4.1) можно записать в виде: (4.2)Изменение температуры электролита за интервал времени составит: (4.3)5.