Применение прямого электрического нагрева для выпаривания травильных растворов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 275

1976

ПРИМЕНЕНИЕ ПРЯМОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА ДЛЯ ВЫПАРИВАНИЯ ТРАВИЛЬНЫХ РАСТВОРОВ

В. П. ПИЩУЛИН

(Представлена научным семинаром кафедры процессов, аппаратов н кибернетики химических производств)

Травильные растворы, содержащие 14,9% РеС12, 14,6% РеС13 и 9,06% СиС12, образующиеся в результате взаимодействия раствора хлорного железа с медью в процессе травления плат, являются отходами, обезвреживаются в настоящее время известью и вывозятся в отвал, загрязняя грунтовые воды.

Выпаривание травильных растворов приводит к выделению хлоридов меди и железа в виде твердых 'кристаллогидратов, для чего необходимо выпарить из каждого литра травильного раствора около 560 г воды. Таким образом, путем выпаривания получаются твердые соли РеС12*4Н20, РеС1з*6Н20 и СиС12-2Н20, которые могутлрименятьсядля укрепления грунтов, и чистая вода в результате конденсации вторичного пара, которая может быть использована на нужды предприятия или сброшена в канализацию вместе с промывными водами [1].

Специфика предприятия, а также особенности и преимущества прямого электрического нагрева, так же как высокая интенсивность тепло-подвода, отсутствие теплопередачи, высокий коэффициент использования электрической энергии, гибкое и тонкое регулирование тепловыделения, простота устройства и компактность установки, высокая культура производства способствовали выбору в качестве теплоносителя переменного электрического тока промышленной частоты [2].

В данном сообщении приведены результаты исследования электрофизических свойств системы электрод — травильный раствор — элекрод, необходимых для расчета и конструирования вьшарного аппарата электродного типа. Были определены удельная электропроводность травильного раствора в течение процесса выпаривания, граничные падения напряжения в системе электрод — травильный раствор, удельные граничные сопротивления, температуры кипения, состав раствора.

Исследования проводились в измерительной ячейке с плоскопараллельными электродами. В качестве материала электродов был выбран электродный графит, поскольку электродный графит обладает высокой электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошо механически обрабатывается. В измерительную ячейку заливался определенный объем исследуемого раствора. Электроды закреплялись в ячейке на определенном расстоянии. К ним через амперметр, вольтметр и автотрансформатор подводился переменный электрический ток. При установившихся плотности электрического тока и температуре раствора замерялось общее падение напряжения электрического тока на ячейке,

а также с помощью щупа и высокомерного измерителя напряжения ИВ-4 определялось падение напряжения электрического тока в растворе между электродами. Разность между значениями общего падения напряжения на ячейке и падением напряжения на растворе, деления пополам, представляет граничное ладение напряжения у одного электрода. Удельное граничное сопротивление рассчитывалось как частное от деления граничного падения напряжения на плотность тока. Результаты исследования приведены в та'бл. 1.

Таблица 1

Влияние плотности тока, температуры и концентраций травильного раствора на граничное падение напряжения и удельное граничное сопротивление

с с Состав раствора, г/л Температура, °с Плотность тока, а\смг Граничное падение напряжения, 8 Удельное граничное сопротивление, ом ■ см2 Примечание

1 РеС12-4Н20 — 343, 0,25 0,66 2,64 Электроды

2 35 0,50 1,30 2,60 графитовые,

рабочая по-

3 РеС13-6Н20 —341, 0,75 1,90 2,53 верхность

4 СиС12-2Н20 — 161 0,25 0,35 1,40 10 см2

5 55 0,50 0,75 1,50

6 0,75 1,10 1,47

7 1,00 1,50 1,50

8 0,25 0,27 1,08

9 75 0,50 0,57 1,14

10 0,75 0,83 1,11

11 1,00 1,14 1,14

12 0,25 0,16 0,64

13 105 0,50 0,33 0,66

14 (кипение) 0,75 0,50 0,66

15 1,00 0,65 0,65

РеС12-4Н20 — 770, 120

16 РеС13-6Н20 — 766, (кипение) 1,00 0,2 0,2

СиС12-2Н20 — 362

Как видно из полученных данных, температура кипения исходного травильного раствора, содержащего 343 г/л РеС12 • 4Н20, 341 г]л РеС13Х Х6Н20 и 161 г/л СиС12 • 2Н20, составляет 105° С, а выпаренного раствора, состоящего только из кристаллогидратов хлоридов железа и меди 770 г/л ИеСЬ • 4Н20, 766 г/л РеС13 • 6Н20 и 362 г/л СиС12 • 2Н20, —120° С. Граничные падения напряжения прямо пропорционально возрастают с увеличением плотности тока и уменьшаются с температурой. Так, например, при увеличении плотности тока в 4 раза от 0,25 до 1 а/см2 граничные падения напряжения также возрастают в 4 раза в исследованном интервале температур; а при плотности тока 0,75 а/см2 с увеличением 'температуры с 35° С до температуры кипения 105° С граничные падения напряжения уменьшаются с 1,90 до 0,50 в. Удельное граничное сопротивление практически не зависит от плотности тока в исследованном интервале плотностей тока и уменьшается с увеличением температуры. Для выпаренного травильного раствора, состоящего практически из кристаллогидратов хлоридов меди и железа, при температуре кипения 120° С удельное граничное сопротивление составляет 0,2 ом-см2. Выпаренный

6. Заказ 8986.

81

раствор при температуре кипения представляет собой подвижную жидкость, которая при охлаждении полностью кристаллизуется.

По данным табл. 1 проведен расчет удельной электропроводности, поскольку весь раствор находится между плоскопараллельными электродами, установленными строго напротив друг друга. Значения удельной электропроводности рассчитывались по уравнению

1/п х =- , (1)

Л£/Р

где х — удельная электропроводность раствора, омгг-см-1; I — плотность тока, а]см2; I — расстояние между электродами, см\ А£/р — падение напряжения на растворе, в.

Расчетные значения удельной электропроводности приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения удельной электропроводности травильного раствора

№ п. п. 1 2 3 4 5

Температура, 105 120

еС 35 55 75 (кипение) (кипение)

X, ом~1 см"1 0,10 0,14 0,16 0,21 0,17

Примечание. Состав раствора опытов 1, 2, 3, 4 — ИеСЬ • 4Н20—343 г/л, ИеСЬ • 6Н20 — 341 г/л; СиСЬ • 2Н20— 161 г/л. Состав раствора опыта 5 — ИеСЬ • . 4Н20 —770 г/л; РеС13 • 6Н20 —766 г/л; СиС12 • 2Н20 — 362 г/л.

Как показали расчетные данные, удельная электропроводность линейно растет с температурой и может быть определена с точностью ±2,5% по уравнению

х, = *2оо+0,153 • 10"2(/—20), (2)

где Х20° —удельная электропроводность раствора при 20° С, равная 0,98 ом-1 • см-1;

I — температура раствора, °С.

На основании полученных данных предложена технологическая схема утилизации травильных растворов выпариванием в электродных выпарных аппаратах, выбрана оптимальная плотность электрического тока 1 а]см2, напряженность электрического поля — 6 в/см, оптимальная температура упаренного раствора на выходе из аппарата 120° С, проведен расчет выпарного аппарата.

Выводы

1. Исследована возможность выпаривания травильных растворов в выпарных аппаратах с прямым электрическим нагревом.

2. Определены электрофизические свойства в системе электрод — травильный раствор — электрод, необходимые для расчета выпарных аппаратов.

3. Найдены оптимальные условия проведения процесса выпаривания с применением прямого электрического нагрева.

ЛИТЕРАТУРА

1. С. А. Б а бен к о, В. П. П и щ у л и н. Пути переработки травильных растворов. Известия ТПИ, т. 259, Томск, Изд-во Томского университета (в печати).

2. Н. И. Г е л ь п е р и н. Выпарные аппараты. М.} Госхимиздат, 1947.