پایان نامه بهینه سازی انرژی در فرآیند تولید روی

تعداد صفحات: ۱۵۴ | قابل ویرایش

فهرست مطالب پایان نامه بهینه سازی انرژی در فرآیند تولید روی

عنوان                                                  صفحه

مقدمه————————————– ۲

فصل اول: خواص و کاربرد فلز روی

۱-۱- خواص عمومی——————————— ۵

۱-۱-۲- خواص فیزیکی و مکانیکی———————– ۵

۱-۱-۳- خواص حرارتی——————————— ۷

۱-۱-۴-خواص الکتریکی، مغناطیسی و الکتروشیمیایی—– ۱۰

۱-۱-۵- خواص اتمی و بلور شناسی———————- ۱۲

۱-۲- موقعیت در جدول تناوبی————————- ۱۳

۱-۲-۱- شیمی فضایی———————————- ۱۳

۱-۲-۲- حالت تک ظرفیتی—————————— ۱۴

۱-۲-۳- حالت دو ظرفیتی—————————— ۱۴

۱-۲-۴- حلالیت املاح———————————- ۱۵

۱-۲-۵- واکنش پذیری——————————— ۱۵

۱-۲-۶- اندازه‌گیری غلظت روی در محلول سولفات روی—- ۱۸

۱-۳- مصارف فلز روی——————————- ۱۹

۱-۳-۱- روی جهت تولید گرد روی (خاکه روی)———– ۲۰

۱-۳-۲- روش‌های تولید گرد روی———————— ۲۱

۱-۳-۳- ترکیب شیمیایی و خصوصیات فیزیکی گرد روی—– ۲۳

۱-۳-۴- مصارف گرد روی——————————- ۲۳

۱-۳-۵- کاربرد روی در باتری————————- ۲۷

۱-۳-۶- روی به عنوان رنگ دانه———————– ۲۸

۱-۳-۷- روی در تصفیه آب—————————– ۳۰

۱-۳-۸- مصرف روی جهت تندرستی انسان، جانوران و گیاهان ۳۱

۱-۳-۹- روی در ساخت اسباب بازی———————- ۳۱

۱-۳-۱۰- مصرف روی در گالوانیزاسیون—————— ۳۱

۱-۳-۱۱- دیگر مصارف روی—————————– ۳۲

۱-۳-۱۲- مواد جانشین روی—————————- ۳۲

فصل دوم: هیدرومتالورژی

۲-۱- مقدمه——————————— ۳۵

۲-۲- هیدرومتالورژی کانه یا کنسانتره اکسیدی روی   ۳۵

۲-۲-۱- استفاده از کنسانتره اکسید روی————– ۳۵

۲-۲-۱-۱- کنسانتره روی تکلیس نشده (خام)————- ۳۵

۲-۲-۱-۲- کنسانتره تکلیس شده (کلسین)—————- ۳۶

۲-۲-۲- استفاده از کانه خردایش شده معدن ( روش انحلال مستقیم)   ۳۷

۲-۲-۲-۱- روش مرسوم——————————— ۳۸

۲-۲-۲-۲- روش ویژه———————————- ۳۸

۲-۳- لیچینگ——————————– ۳۹

۲-۴-خنثی سازی————————————– ۴۵

۲-۵- کاهش غلظت آهن در محلول لیچ———— ۴۶

۲-۶- رسوب گذاری سیلیس موجود در محلول لیچ—- ۴۷

۲-۷- عملیات حذف کلر از محلول سولفات روی—- ۴۹

۲-۸- رسوب گذاری سولفات روی قلیایی———— ۵۱

۲-۹- تصفیه پساب—————————- ۵۱

۲-۱۰-کاهش غلظت کادمیوم و نیکل در محلول لیچ – ۵۲

۲-۱۱- کاهش غلظت کبالت در محلول لیچ———- ۵۴

فصل سوم: الکترومتالورژی

۳-۱- مقدمه——————————— ۵۷

۳-۲- اصول الکترووینینگ——————— ۵۸

۳-۲-۱-الکترولیت—————————- ۵۸

۳-۲-۲- فرایند الکترولیتی——————- ۵۸

۳-۳-۳- پتانسیل الکتریکی تجزیه————– ۵۹

۳-۳-۴- پتانسیل الکتریکی منفرد عناصر فلزی—- ۶۰

۳-۳-۵- پلاریزه شدن الکترودها—————- ۶۰

۳-۳-۶- فراپتانسیل (فراولتاژ)————— ۶۱

۳-۳-۷- فراپتانسیل کاتدی——————– ۶۱

۳-۳-۸- فراپتانسیل آندی——————— ۶۲

۳-۳- مقاومت اهمی الکترولیت و اتصالات——– ۶۲

۳-۴- پتانسیل لازم برای الکترولیز———— ۶۳

۳-۵- چگالی جریان————————— ۶۵

۳-۶- راندمان جریان————————- ۶۶

۳-۷- الکترووینینگ روی———————- ۶۷

۳-۸- الکترودها—————————– ۶۷

۳-۹- واکنش های شیمیایی در الکترووینینگ روی– ۶۸

۳-۱۰- روش های صنعتی الکترووینینگ———– ۶۹

۳-۱۱- اثر ناخالصی ها بر کمیت و کیفیت محصول الکترووینینگ روی—————————————- ۷۰

۳-۱۲- اثر افزودنی ها در الکترووینینگ روی—- ۷۱

فصل چهارم: بررسی مقاله‌های ارائه شده

مقاله ارائه شده توسط‌‌ آقایان: دکتر محمد شیخ شاب بافقی و امیر شیخ غفور———————————————- ۷۹

مقاله ارائه شده توسط M.Emre و S.Gurmen:————– 91

مقاله ارائه شده توسط: D.B.DREISINGER A.M.ALFANTAZI and— 94

مقاله ارائه شده توسط IVANIVANOV——————— 101

فصل پنجم: مواد و روش آزمایش

۵-۱- مواد و تجهیزات مورد نیاز——————— ۱۰۹

۵-۲- ساخت محلول استاندارد————————– ۱۰۹

۵-۲-۱- ساخت محلول استاندارد سولفات روی———— ۱۰۹

۵-۲-۲- ساخت محلول استاندارد اسید سولفوریک——— ۱۱۰

۵-۳- آزمایش تاثیر غلظتهای متغیر سولفات روی با غلظت ثابت اسید ۱۱۰

۵-۳-۱- محاسبه وزن تئوری و راندمان—————— ۱۱۱

۵-۴- تبدیل واحد غلظتهای اسید و سولفات روی به واحد حجم   ۱۱۲

۵-۵- آزمایش تاثیرات غلظتهای مختلف اسید سولفوریک با غلظت ثابت سولفات روی—————————————- ۱۱۳

۵- ۶- آزمایش تاثیر صمغ عربی ———————- ۱۱۳

۵-۶-۱- تبدیل واحد ppm به واحد گرم بر لیتر———- ۱۱۴

۵-۶-۲- محاسبه مقدار حجم صمغ که از محلول استاندارد باید برداشته و در بالن‌ها ریخته شود—————————– ۱۱۴

۵-۷- آزمایش تاثیر سولفات منگنز——————– ۱۱۵

۵-۸- آزمایش تاثیر صمغ در حضور منگنز با غلظت ثابت ppm200 115

۵-۹- آزمایش تاثیر صمغ در حضور پرمنگنات ———– ۱۱۶

۵-۱۰- آزمایش تاثیر‌آهن II ————————— 116

۵-۱۱- آزمایش تاثیر تلاطم—————————- ۱۱۷

۵-۱۲- آزمایش تاثیر شدت جریان از ۲۵/۰ آمپر تا ۵/۱ آمپر    ۱۱۷

۵-۱۳- آزمایش تاثیر دما—————————– ۱۱۷

۵-۱۴- مواد و تجهیزات مورد نیاز در روش آزمایشگاهی پیوسته

۵-۱۵- روش انجام آزمایش در حالت پیوسته ————

فصل ششم: نتایج و مدولاسیون

۶-۱- تاثیر غلظت اسید سولفوریک بر راندمان و انرژی مصرفی  ۱۲۱

۶-۲- تاثیر غلظت روی بر راندمان و انرژی مصرفی—— ۱۲۲

۶-۳- بررسی تاثیر صمغ عربی بر راندمان و انرژی مصرفی ۱۲۴

۶-۴- تاثیر غلظت سولفات منگنز بر انرژی مصرفی و راندمان   ۱۲۵

۶-۵- بررسی غلظت صمغ در حضور سولفات منگنز بر راندمان و انرژی ۱۲۷

۶-۶- بررسی تاثیر پرمنگنات بر راندمان و انرژی مصرفی ۱۲۸

۶-۷- بررسی تاثیر غلظت صمغ در حضور پرمنگنات بر راندمان و انرژی————————————————— ۱۳۰

۶-۸- بررسی تاثیر تلاطم الکترولیت بر راندمان و انرژی مصرفی    ۱۳۱

۶-۹- بررسی تاثیر غلظت آهن بر راندمان و انرژی—— ۱۳۳

۶-۱۰- بررسی تاثیر غلظت اسید در دانسیته جریان مختلف بر راندمان و انرژی——————————————— ۱۳۴

۶-۱۱- بررسی تاثیر غلظت روی در دانسیته جریانهای مختلف بر راندمان و انرژی——————————————- ۱۳۶

۶-۱۲- بررسی تاثیر دانسیته جریان در غلظتهای مختلف پرمنگنات بر راندمان و انرژی———————————– ۱۳۷

۶-۱۳- بررسی تاثیر دانسیته جریان در غلظتهای مختلف صمغ بر راندمان و انرژی در حضور پرمنگنات————————– ۱۳۸

۶-۱۴- بررسی تاثیر اسید در دماهای مختلف بر راندمان و انرژی    ۱۳۹

۶-۱۵- بررسی تاثیر غلظت روی دردماهای مختلف بر راندمان و انرژی ۱۴۰

۶-۱۶- بررسی تاثیر دما در غلظت‌های مختلف پرمنگنات بر راندمان و انرژی——————————————— ۱۴۱

۶-۱۷- بررسی تاثیر دما (درغلظتهای مختلف صمغ) بر راندمان و انرژی در حضور پرمنگنات———————————- ۱۴۲

۶-۱۸- مدلسازی توسط نرم افزار SPSS —————– 143

۶-۱۹- بررسی تأثیر دبی‌های مختلف بر راندمان و انرژی مصرفی در روش پیوسته ——————————————-

۶-۲۰- بررسی تأثیر دانسیته جریان بر راندمان و انرژی مصرفی در روش پیوسته ——————————————-

۶-۲۱- بررسی تأثیر غلظت اسید بر راندمان و انرژی مصرفی در روش پیوسته——————————————–

فصل هفتم: نتیجه گیری

نتیجه‌گیری —————————————- ۱۴۶

مراجع ——————————————– ۱۴۹

چکیده بهینه سازی انرژی در فرآیند تولید روی

مصرف انرژی الکتریکی در فرآیندهای تصفیه الکتریکی و الکترووینینگ تاثیر بسیار زیادی بر روی هزینه تولید سایر پارامترهای محصولات تولید شده دارد. بنابراین کمینه کردن میزان انرژی مصرفی، میتواند از دیدگاههای مختلف ثمربخش باشد. در این پروژه توانستیم مصرف انرژی را حدود ۱۸درصد نسبت به کشورهای پیشرفته‌ صنعتی و حدود ۴۰ درصد نسبت به کارخانجات تولید روی در ایران کاهش دهیم.

در این پروژه به نتایجی رسیدیم که در ذیل به آن اشاره می‌شود:

۱) افزایش دما باعث کاهش راندمان و افزایش انرژی مصرفی می‌شود.

۲) دانسیته جریان به مقدار A/m^۲۵۰۰ بهترین دانسیته برای این فرآیند در نظر گرفته شد.

۳) غلظت محلول الکترولیت بهینه بصورت :۵۰ روی،  ۱۴۰ اسید سولفوریک، PPm350 سولفات منگنز، PPm500 پرمنگنات و PPm100 صمغ بدست آمد.

۴) با توجه به اینکه مقدار انرژی مصرفی در فرایند تولید روی در صنعت ایران حدود ۵/۴ و در صنعت کشورهای پیشرفته حدود ۳/۳ می‌باشد، در این تحقیق توانستیم مقدار انرژی مصرفی را تا  ۷۵/۲ کاهش دهیم که با توجه به ارقام ذکر شده، حدود ۱۷درصد نسبت به صنعت پیشرفته جهان وحدود ۴۰ درصد نسبت به صنعت ایران، انرژی مصرفی را کاهش دهیم.

۵) مدلسازی فرایند به کمک نرم افزار SPSS انجام گرفت به طوری که در نهایت مدلی با درجه اعتبار بالایی به دست آمد.

‌

مقدمه پایان نامه فرآیند تولید روی

یکی از برجسته‌ترین صفات بارز روی، محافظت از فولاد در برابر خوردگی است. خوردگی جزء مسائل مهم تاثیرگذار در اقتصاد می‌باشد و عاملی است که باعث کند شدن حرکت روبه رشد اقتصاد می‌گردد، تخمین زده شده است که حداقل ۴ درصد از درآمد ناشی از تولید ناخالص ملی در کشورهای صنعتی به خاطر مسئله خوردگی از دست میرود. زمانی که فولاد توسط روی پوشانده می‌شود دوام و پایداری آن بسیار بیشتر می‌شود. جهت پوشاندن فولاد برای مقابله با خوردگی، مناسب‌ترین پوشش، لایه‌ای از روی می‌باشد و تا به حال هیچ ماده دیگری نتوانسته جایگزین مناسبی برای آن باشد.

ضمناً با توجه به استفاده زیاد فولاد در جهان، بیشتر شدن زمان ماندگاری آنها و جایگزین نشدن در آن مدت لازم، سبب صرفه‌جوئی در ذخایر معدنی، انرژی و آلودگی کمتر محیط زیست میشود. برای مثال، آماری که برای این صرفه جوئی در کشور سوئد گرفته شده است، هر ساله، میزان انرژی صرفه جوئی شده به جهت استفاده از فولاد با پوشش روی، معادل با انرژی یک کارخانه برق هسته‌ای می‌باشد.

بنابراین با توجه به اهمیت فلز روی، پژوهشی را بر روی تاثیرات پارامترهای مختلف بر بازده جریان الکترووینینگ و انرژی مصرفی انجام داده‌ایم که با توجه به نتایج بدست آمده نشان از موفقیت آمیز بودن پروژه را دارد.

حال به توضیح فصلهائی که در این پایان‌نامه، ارائه گردید می‌پردازیم:

فصل اول، مربوط به خواص فیزیکی و شیمیائی فلز روی و مصارف این فلز می‌باشد.

فصل دوم، راجع به استخراج روی به روش هیدرومتالورژی توضیح داده شده است بطوری که در این روش، ابتدا مواد خام حاوی روی در یک حلال مناسب حل شده و سپس بوسیله الکترووینینگ، روی از محلول بازیابی می‌گردد.

در فصل سوم، فرایند الکترومتالورژی که مبحث اصلی این پروژه است به تفصیل بیان شده است.

و فصل چهارم، به بررسی مقاله‌های ارائه شده در موضوع الکترووینینگ پرداخته است.

در فصل پنجم، روش آزمایش و کارهای عملی برای انجام این پروژه به طور کامل توضیح داده شد. و در فصل ششم، تفسیر و مدلاسیون و نمودارهای بدست آمده ارائه شده است.

و نهایتاً در فصل هفتم، نتیجه گیری کلی و مراجع نگارش شده است.

خواص عمومی روی

فلز روی به رنگ سفید مایل به آبی یا نقره‌ای می‌باشد. روی خالص خیلی نرم است. در درجه حرارت‌های معمولی ترد و شکننده بوده و با ضربات چکش به راحتی می شکند و آن را نمی‌توان نورد کرد. در درجه حرارت‌های ۱۰۰ الی ۱۵۰ درجه سانتی گراد می توان آن را به راحتی نورد و تبدیل به ورق نمود و ورق هایی به ضخامت تا ۱/۰میلی‌متر از آن ساخت؛ ولی در ۲۵۰ درجه سانتی گراد مجددا به حالت ترد و شکننده در آمده و به شکل گرد در می‌آید؛ ولی برای ضخامت‌های کم قابلیت تورق ومفتول کشی را دارا می باشد

سختی و مقاومت تسلیم فلز روی وقتی که با هیچ عنصری آلیاژ نشده باشد، از قلع و سرب بالاتر است و نسبت به آلومینیوم و مس پایین تر می‌باشد. در مکان‌هایی که تنش‌های زیادی به فلز وارد می شود نبایستی از فلز روی استفاده نمود؛ چرا که روی در مقابل خزش، مقاومت کمی از خود نشان می دهد.

مصارف این فلز تابع شکل پذیری آن است. وقتی که این فلز با ۴ درصد آلومینیوم آلیاژ شود، مقاومت تسلیم و سختی آن به  اندازه قابل توجهی افزایش خواهد یافت. چنین آلیاژی از قابلیت ریخته‌گری برخوردار بوده و به خصوص ریخته گری تحت فشار برای آن زیاد رایج است. سایر طرق ریخته گری کمتر مصرف می شوند.

فلز روی با خاصیت الاستیسیته زیاد، شکل پذیر بسیار خوبی دارد. خاصیت الکترونگاتیوی روی سبب استفاده وسیع آن در باتری های خشک شده است. از خواص مهم و تکنیکی روی در صنعت، حفاظت خیلی خوب پوشش های آن در مقابل خوردگی است.

موقعیت روی در جدول تناوبی

روی در گروه IIB و دوره چهارم جدول تناوبی قرار داد و هم گروه با عناصر کادمیوم و جیوه می‌باشد. عناصر روی، کادمیوم و جیوه به دنبال مس،‌ نقره و طلا قرار می‌گیرند و دو الکترون اوربیتال S در خارج لایه پر شده d دارند. سومین پتانسیل یونش در مورد Hg,Cd,Zn فوق العاده بالا می‌باشد؛ چون این عناصر، ترکیبی جز آن که لایه d پر باشد تشکیل نمی‌دهند، در نتیجه به عنوان عناصر «غیرواسطه» در نظر گرفته می‌شوند؛ در حالیکه عناصر Au,Ag,Cu با همین مقیاس «عناصر واسطه» تلقی می‌شوند.

هم چنین این فلزات نرم‌تر و دارای نقطه ذوب پایین‌تر هستند. Zn از عناصر مجاور خود در گروه‌های واسطه به طور قابل توجهی الکتروپوزیتیوتر می‌باشد (البته Cd نیز همین وضعیت را داراست.) شیمی Cd,Zn خیلی به هم شبیه می‌باشد؛ ولی شیمی Hg با شیمی Cd,Zn به طور قابل ملاحظه‌ای متفاوت می‌باشد. یون Zn^۲+ قدری مشابه Mg^۲+ می‌باشد. این عنصر انواع ترکیبات با پیوند کووالانس را تشکیل می‌دهد.

تولید گرد روی به روش اتمایز کردن

اتمایز کردن به معنای تبدیل مایعات به پودر می‌باشد. در این روش ابتدا روی را به حالت مذاب در آورده سپس از طریق نازلی، قطرات بسیار کوچک مذاب روی، به داخل جریان هوای افقی راه پیدا می‌کند و در آنجا،‌ فشار هوا (یا گاز دیگری) باعث اتمایز شدن قطرات می‌گردد و در نهایت محصول توسط فیلترهای کیسه‌ای جمع‌آوری می‌گردند.

محصول این روش به طور معمول درشت‌تر از محصول روش قبلی می‌باشد؛ بدین صورت مرسوم است که محصول روش تقطیر را، گرد روی و محصول روش اتمایز کردن را، پودر روی می‌نامند.

تولید به روش اتمایز کردن معمولا نیاز به ۱۰-۵ کیلوگرم در دقیقه فلز روی و ۱۰۳۰ تا ۱۳۸۰ کیلوپاسکال فشار هوا دارد. اغلب کارخانجات تولید روی الکترولیتی، جهت تامین پودر روی مورد نیاز برای تصفیه محلول سولفات روی در کنار تولید شمش،‌یک واحد تولید پودر روی به روش اتمایز کردن دارند.

در این روش با تنظیم نازل و حجم و فشار سیال، دانه‌بندی پودر روی قابل کنترل می‌باشد. در کارخانه Risdon در استرالیا بیش از نیمی از ذرات،‌ قطری بین ۲۰۰-۴۰ میکرون دارند؛ در حالی که پودر روی مصرفی در کارخانه Illinois در حدود ۷۰ درصد، قطری بین ۷۵ تا ۸۰۰ میکرون دارند.

پودر روی به صورت اشکال نامنظمی تولید می‌شود. این در حالی است که گرد روی به صورت کاملا کروی با سطح مخصوص زیادتری نسبت به پودر روی حاصل می‌گردد: به طوری که نسبت سطح مخصوص بر واحد جرم گرد روی بسیار بیش‌تر از مقدار آن برای پودر روی می‌باشد. سطح مخصوص زیاد باعث افزایش اکسید روی وکاهش محتوی روی فلزی می‌گردد. بر روی، روی فلزی یک فیلم نازک اکسید تشکیل می‌شود که موجب کاهش کارآیی آن می‌گردد که نیاز به احیا نمودن مجدد آن می‌باشد.

فهرست منابع پایان نامه بهینه سازی فرآیند تولید روی

۱- کلینی، سیدمحمدجواد و مرادی، سعید؛ بازیابی روی از باطله کارخانه فلوتاسیون سرب و روی انگوران؛ مجله عملی ـ پژوهشی فنی و مهندسی مدرس، شماره نهم، پاییز ۱۳۸۱.

۲- مرادی، سعید؛ تولید روی به روش هیدرومتالورژی؛ سمینار درسی هیدرومتالورژی پیشرفته، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس؛ ۱۳۷۷.

۳- منش کریمی، مهرداد و ملاردی، محمدرضا؛ شیمی صنایع معدنی؛ انتشارات سام؛ تهران؛ ۱۳۷۸.

۴- دکتر جمشید مفیدی؛ اصول الکتروشیمی؛ چاپ چهارم؛ انتشارات دانشگاه تهران؛ ۱۳۶۸.

۵- تاثیر ناخالصی‌ها و صمغ عربی بر الکترووینینگ روی توسط دکتر محمد شیخ شاب بافقی (استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران) و امیر شیخ غفور.

۶- Morgan SWK., 1985. Zinc and its alloys and compounds. Ellis Horwood limited, Uk.

۷- Porter F., 1991. Zinc Handbook- Properties, Processing, and Use in Design. International Lead-Zinc Research Organization, Marcel Dekker.

۸- Wheeler A., 1999. Zinc World, Applications. Grundig Microwave Technology Ltd.

۹- Martin M. and wildt R., 2003. “Zinc Protects: Closing the Loop” IZA, Belgium.

۱۰- Koleini SMJ. And Moradi S., 2004. ” Pilot Plant Leaching of Zinc from Angouran Plant Flotation Thickener Overflow Using Sulphuric Acid”. Green Processing Conference, Perth, Australia.

۱۱- Ozberk E., Collins MJ., Makwana M., Masters IM., Pullenberg R. and Bahl W.,1995. “Zinc Pressure Leaching at the Ruhr-Zink Refinery”. Hydrometallurgy, 39 (1995) 53-61, Elsevier.

۱۲- Raghavan R., Mohanan PK., Verma SK., 1997.”modified zinc sulphate solution purification technique to obtain low levels of cobalt for the zinc electrowinning process”.

۱۳- US. Patent (4,005, 174), 1977. “Process for the elimination of chloride from zinc sulphate solutions”. Jan, 25.

۱۴- Jankola WA., 1995. “Zinc Pressure Leaching at Cominco”. Hydrometallurgy, 39 (1995) 63-70, Elsevier.