電解液の過熱問題
銅の電解精製セルはオーム抵抗により発熱します。アノードとカソードの間の電解質を流れる電流は、堆積された銅 1 キログラムあたり約 0.25 ～ 0.35 kWh の熱を生成します。適切な冷却がないと、電解液の温度が 60 ～ 65 度の動作限界を超えて上昇します。
電解液が過熱すると、プロセスに複数の問題が発生します。水素の発生が銅の堆積と競合するため、電流効率が低下します。堆積物の形態が悪化し、粗いこぶ状のカソードが生成されます。酸ミストの発生量が増加し、作業環境が悪化します。製油所は電流密度を下げる必要があり、生産量が直接低下します。
電解液循環ループ内の冷却コイルは、過熱に対する主な防御手段です。これらのコイルの効率が低下すると、製油所全体の生産量が低下します。診断と修正は迅速に行う必要があります。
冷却コイルの非効率性の診断パス
銅の電解精錬における冷却コイルの性能低下は、診断可能な特定の原因によるものです。体系的なトラブルシューティングにより、数日ではなく数時間以内に根本原因が特定されます。
電解液には、55 ～ 65 度で 40 ～ 50 g/L の銅と 150 ～ 200 g/L の硫酸が含まれています。この高温の濃縮された酸は、ほとんどの金属を攻撃します。ステンレス鋼の冷却コイルでは、壁温度が飽和点を下回ると、硫酸銅の結晶化により表面スケールが発生します。古い製油所で伝統的に使用されている鉛冷却コイルはゆっくりと腐食し、絶縁性の硫酸鉛層を形成します。
冷却水の品質も同様に重要です。硬水はチューブ内に炭酸カルシウムのスケールを堆積させます。冷却塔の水は、内部表面を覆う生物学的汚れを引き起こします。どちらの機構もチューブ壁を冷却媒体から断熱します。
構造化された診断アプローチでは、電解液側と冷却水側の両方の入口温度と出口温度を測定し、実際の全体的な熱伝達係数を計算して、それを清浄な状態のベースラインと比較します。-実際の U- 値とベースライン U- 値の間のギャップにより、汚れの深刻度が定量化され、是正措置の指針となります。
表 1: 銅の電解精錬における冷却コイル効率の診断指標
| 症状 | 考えられる原因 | 診断測定 | 是正措置 |
|---|---|---|---|
| U-価値は数か月にわたって徐々に低下します | 電解液側の硫酸銅スケール | 目視検査;酸溶解度試験 | 化学薬品によるスケール除去または PTFE の交換 |
| 冷却水メンテナンス後のU-値の急激な低下 | 内部硬水スケール | 冷却水の分析; ΔP増加 | 内部スケール除去 |
| セルバンク全体で冷却が不均一になる | 流れの偏在 | 個々のセルの温度マッピング | フローのバランスを再調整します。 PTFE グリッドを検討する |
| 洗浄後も継続的な低い U-値 | 壁の薄化または永続的なスケール | 超音波厚さ測定 | コイルをPTFEに置き換える |
| 季節によるパフォーマンスの変動 | 冷却水温度の振れ | チラーまたは冷却塔のログのレビュー | 冷却水システムまたは PTFE コイルの大型化 |
銅精錬所の操業経験と熱交換器の性能基準に基づいた診断方法。
PTFE が汚れのサイクルを断ち切る理由
PTFE 冷却コイルは、メンテナンス手順ではなく材料特性を通じて、銅の電気精錬サービスにおけるパフォーマンス損失の根本原因に対処します。
硫酸銅スケールの核形成には、高エネルギーの表面サイトが必要です。- PTFE は表面エネルギーが低いため、核生成サイトがほとんどありません。形成されたスケールは付着力が弱く、通常の電解液の流れでは剥がれる傾向があります。化学薬品を使用しなくても、伝熱面はより長期間きれいな状態を保ちます。
150-200 g/L、60 度の硫酸は PTFE を攻撃しません。腐食は発生しません。壁の薄化は進行しません。冷却コイルは、設置時の肉厚と熱伝達特性を無期限に維持します。鉛とステンレス鋼の代替品はどちらも、この環境では徐々に劣化します。
PTFE コイルでは冷却水側の汚れが依然として発生する可能性がありますが、滑らかな内部ボアは腐食した金属よりもスケールの付着に強く抵抗します。化学的に不活性なチューブ壁により、冷却水の汚染物質がピンホール腐食部位を通って電解液に浸出する可能性が排除されます。
タンクハウス改造の結果
銅精錬所では、40 セルセクションの鉛冷却コイルを PTFE 熱交換器に置き換えました。{3}鉛コイルは 4 ～ 6 週間ごとにスケール除去が必要で、洗浄ごとに U 値が 40% 低下しました。汚れたコイルを備えたセルの電解液温度は、ピーク電流動作中に 68 度に達し、アンペア数の削減を余儀なくされました。
PTFE コイルは、15 度の冷水を使用した同等の冷却能力に合わせてサイズ設定されました。グリッド構成により、冷却面がセル幅全体に均一に分布しました。 12 か月の連続運転後、アンペア数制限なしで電解液温度は 61±2 度に維持されました。 U-値はクリーンなベースラインの 8% 以内に留まりました。 12 か月間、化学薬品によるスケール除去は行われませんでした。
まとめ
銅の電解精錬における冷却効率の低下は、硫酸銅のスケーリングと金属コイルの酸腐食が原因で発生します。診断温度と U- 値の測定により、主要なメカニズムが特定され、是正措置が導き出されます。
PTFE 熱交換器は、材料特性を通じて両方のメカニズムに対処します。低い表面エネルギーによりスケールの付着が最小限に抑えられ、化学的不活性により酸腐食が排除されます。金属コイルの劣化と回復を繰り返すことなく、安定した熱伝達性能を維持します。
冷却メンテナンスの削減と電解液温度の安定化を目指す銅精錬所の場合、セル寸法、電解液組成、動作温度、冷却水の仕様、および現在の冷却性能データを提出すると、PTFE 冷却コイルのサイジングに関する工学分析が利用可能になります。
