江蘇大學
課程設計
本文主要設計了一座年產4萬噸銅的銅電解精煉車間及電解工藝。通過實習並蒐集相關資料，熟悉了電解精煉工藝及車間布置。根據已知條件，選定操作技術條件。
在物料平衡和熱平衡計算的基礎上，根據給定的條件選擇合適的工藝流程和主輔裝置。對年產4萬噸銅的銅電解精煉槽進行了槽型設計及車間布局設計，並且進行了銅電解精煉車間的技術經濟指標的核算。繪製出銅電解精煉電解槽安裝圖、車間平面圖及車間立剖圖各一張。
最後以「銅電解液淨化方法的研究進展」專題展開論述。
關鍵詞：銅電解精煉，工藝設計，車間布置，物料平衡，熱平衡
8.3銅電解精煉熱平衡計算 38
銅的火法精煉一般能產出銅99.0%~99.8%的粗銅產品，但仍然不能滿足電氣工業對銅的性質的要求，其他工業也需要使用精銅。
因此，現代幾乎所有的粗銅都經過電解精煉，以除去火法精煉難於除去的雜質，銅的電解精煉，是將火法精煉的銅澆鑄成陽極板，用純銅薄作為陰極片，相間地裝入電解槽中，用硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液，在直流電的作用下，陽極上的銅和電位較負的賤金屬溶解進入溶液，而***和某些金屬（如硒，碲）不溶，成為陽極泥沉於電解槽底。溶液中的銅在陰極上優先析出，而其他電位較負的賤金屬不能在陰極上析出。留於電解液定期淨化時除去，這樣，陰極上析出的金屬銅純度很高，稱為陰極銅或電解銅，簡稱電銅。
含有***和硒，碲等稀有金屬的陽極泥，作為銅電解的一種副產品另行處理，以便從中**金，銀，硒，碲等元素。在電解液中逐漸積累的賤金屬雜質，當其達到一定的濃度後，會防礙電解過程的正常進行。例如，增加電解液的電阻和密度，使陽極泥沉降速度減慢，甚至在陰極上與銅一起共同放電，影響陰極銅的質量，因此必須定期定量地抽出淨化，並相應地向電解液中補充新水和硫酸。
抽出的電解液在淨化過程中，常將其中的銅，鎳等有價元素以硫酸鹽的形態產出，硫酸則返回電解系統重複使用。
在銅電解車間，通常設有幾百個甚至上千個電解槽，每乙個直流電源串聯其中的若干個電解槽成為乙個系統。所有的電解槽中的電解液必須不斷迴圈，使電解槽內的電解液成分均勻。在電解液迴圈系統中，通常設有加熱裝置，以將電解液加熱一定的溫度。
傳統的銅電解精煉是採用純淨的電解銅薄片作陰極，陽極銅板含有少量雜質（一般為0.3%~1.5%），電解液主要為含有游離硫酸的硫酸銅溶液。
由於電離的緣故，電解液中的各組分按下列反應生成離子：
cuso4=cu2++
h2so4=2h++
h2o=h++oh-
在未通電時，上述反應處於動態平衡。但是直流電通過電極和溶液的情況下，各種離子作定向運動，在陽極上可能發生下列反應：
cu-2e=cu2+ =+0.34v
h2o-2e=1/2o2+2h+ =+1.23v
-2e=so2+1/2o2 =+2.42v
h2o和的標準電位很大，在正常的情況下，它們不可能在銅陽極上發生放電作用。
此外，氧的析出還具有相當大的超電壓（25℃時，若電流密度為200a/m2,則氧在銅上析出的超電壓為0.605v）。因此，在銅電解精煉過程中不可能發生反應式（1.
5），只有當銅離子的濃度達到極高或電解槽內陽極嚴重鈍化，使槽電壓公升高到1.7v以上時才可能有氧在陽極上放出。至於離的放電反應，因為其電位更正，故在銅電解精煉過程中是不能進行的。
在陰極上可能發生下列反應：
cu2++2e=cu0.34v
2h++2e=h2 =0v
銅的析出電位較氫為正，加之氫在銅上析出的超電壓值又很大（當25℃及電流密度為100 a/m2時，電壓為0.584v），故只有當陰極附近的電解液中銅離子濃度極低，並由於電流密度過高而發生嚴重的濃差極化時在陰極上才可能析出氫氣。
綜上很述，銅電解精煉過程中，在兩極上的主要反應是粗銅在陽極上的溶解和銅離子在陰極上的析出。但是實際電解時，陽極銅除了以二價銅離子的形式溶解外，還會以一價銅離子的形態溶解，即：
cu-2e=cu2+
生成的一價銅離子在有金屬銅存在的情況下，和二價銅離子產生下列平衡：
2cu+=cu2++cu
該反應的平衡常數為：
在一定溫度下有一定的平衡常數，且隨著溫度的公升高而向生成cu2+的方向進行，在含cu2+64g/l和h2so450g/l的溶液中，平衡常數與溫度的關係為：
但是，在一般的電解條件下，一價離子cu+和平衡濃度還是很小的，例如在含h2so450g/l和cu2+32g/l的溶液中，50℃時cu2+的含量約為0.143g/l。
在生產過程中，cu+和cu2+之間的平衡常常不斷地受到破壞，其主要原因有兩個；
1）cu+被氧化成cu2+
這一反應的速度隨溫度的公升高及與空氣接觸程度的增加而加快，結果消耗了溶液中的硫酸，並使溶液中的cu2+濃度增加。
2）cu+分解而析出銅粉
析出的銅粉進入陽極泥，使陽極泥中的***含量降低，並造成銅的損失。
上述兩個原因都使得cu+的濃度往往稍低於藕色平衡濃度，這又促使反應（1.9）和（1.10）向著生成cu+的方向進行，使陽極的電流效率提高，陰極的電流效率降低，並導致溶液中的cu2+的濃度不斷增加。
cu+分解和氧化的結果，使電解液中游離硫酸含量減少和cuso4的濃度增加。陽極中的銅和cu2o以用陰極銅的化學溶解（稱為反溶）也會使電解液中的含銅量增加，即
此外，溶液中的游離硫酸濃度的降低，還可以導致cuso4的水解，即
進一步破壞了cu2+與cu+之間的平衡，並增多陽極泥中的銅量。
假若電解過程使用的電流密度太小時，cu2+在陰極上的放電可能變得不完全，而按下式進行一還原生成cu+ ：
cu2++e=cu+
同時，銅在陽極上隨即按式
cu+-e=cu2+
而氧化，從而導致電流效率的下降。
綜上所述，銅電解精煉過程，主要是在直流電的作用下，銅在陽極上失去電子後以cu2+ 的形態溶解，而cu2+在陰極上得到電子以金屬銅的形態析出的過程。除此之外，還不可避免地有cu+的產生，並引起一系列的副反應，使電解過程複雜化。
根據以上情況，可以認為銅電解精煉時較有利的工作條件是：電解液中含有足夠高的游離硫酸和二價銅離子，電解液的溫度不宜過高，採用足夠高的電流密度，儘量減少電解液與空氣的接觸。
銅的電解精煉是以火法精煉產出的精銅為陽極，以電解產出的薄銅片為（始極片）作陰極，以硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液。在直流電的作用下，陽極銅電化學溶解，純銅在陰極上沉積，雜質則進入陽極泥和電解液中，從而實現了銅與雜質的分離，銅精煉工藝流程如下圖
銅電解精煉一般流程圖
表一電解槽的計算已知條件
表二陽極成分
表三銅電解過程元素分配表
表四銅電解技術經濟指標
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