Đang tải... (xem toàn văn)
Tính toán thiết kế bể nhuộm màu, bịt kín trong dây chuyền anot hoá 700.000 m2năm Chi tiết anot có dạng hình học như hình dưới, kích thước 5x5x500 cm Chiều dày lớp oxit gồm 5 µm lớp barrie và 15 µm lớp oxit xốp.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐẦU BÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên: Lê Văn Quý Lớp: CH1Đ11 Chuyên ngành: CN Hóa Vô cơ – Điện hóa Năm học: 2014 - 2015 Ngày nhận đầu bài: 18/09/2014 Ngày hoàn thành: 23/11/2014 1. Nhiệm vụ: Tính toán thiết kế bể nhuộm màu, bịt kín trong dây chuyền anot hoá 700.000 m 2 /năm 2. Các số liệu đầu: - Chi tiết anot có dạng hình học như hình dưới, kích thước 5x5x500 cm - Chiều dày lớp oxit gồm 5 µm lớp barrie và 15 µm lớp oxit xốp. 3. Yêu cầu của đồ án: a. Nội dung các phần thuyết minh: 1. Lời mở đầu: 2. Tổng quan - Cơ sở lý thuyết quá trình anot - Giới thiệu một số dây chuyền, thiết bị anot hoá nhôm. - Lựa chọn dây chuyền, thiết bị cho bản đồ án. 3. Tính toán công nghệ: - Tính lượng nguyên liệu, tính phối liệu, theo năng suất yêu cầu. - Tính toán lượng hoá chất tiêu hao thay thế, năng lượng tiêu hao nếu có. 4. Tính toán thiết bị chính: - Tính kích thước: tính kích thước các bể, lựa chọn vật liệu xây bể 5. Lựa chọn các thiết bị phụ trợ cho các bể (thiết bị gia nhiệt, bơm, lọc, ống dẫn) 6. Kết luận: 7. Tài liệu tham khảo. b. Các bản vẽ: 1. Bản vẽ sơ đồ dây chuyền anot hoá (Bản vẽ A 1 ). 1 2. Bản vẽ chi tiết bể nhuộm màu và bể bịt kín (Bản vẽ A 1 ). Phú Thọ, ngày 18 tháng 09 năm 2014 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BỘ MÔN DUYỆT Hà Mạnh Chiến 2 Mở đầu Nhôm là một kim loại đang được sử dụng ngày càng rộng dãi trong dân dụng, chúng có thể được dùng làm khung, cánh cửa, hàng rào … Ưu điểm của nhôm là chúng có hình thức đẹp, nhẹ, giá thành thấp. Tuy vậy chúng vẫn có một số nhược điểm đó là độ cứng thấp, khả năng chịu ăn mòn còn thấp. Để đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng thì bề mặt nhôm cần được xử lý. Có nhiều cách cải tiến tính chất của nhôm để đáp ứng được thị hiếu người tiêu dùng như sử dụng kỹ thuật anot hoá, sơn phủ, tạo hợp kim Do sự ứng dụng ngày càng gia tăng của nhôm cho nên Tôi nghiên cứu để thiết kế bể anot hoá Nhôm. Trong tài liệu này Tôi sẽ thực hiện 2 nội dung chính: - Tìm hiểu kỹ thuật anot hoá Nhôm để từ đó đưa ra các lựa chọn thiết kế thích hợp cho bể anot hoá - Thiết kế bể anot hoá Nhôm 3 I. Cơ sở hóa lý quá trình anot hóa nhôm Khi nối Nhôm vào cực dương như hình 1 (sử dụng dòng điện một chiều) thì Nhôm sẽ bị Anot hóa. Quá trình anot sẽ tạo một lớp màng oxit trên bề mặt Nhôm, vì lớp màng này rất cứng và trơ về mặt hoá học cho nên nếu thực hiện đúng kỹ thuật trong một thời gian hợp lý thì lớp màng oxit tạo thành sẽ tăng cứng cho Nhôm và bảo vệ Nhôm ở bên trong lớp màng. Hình 1: Hình mô tả các giai đoạn tạo thành lớp oxit khi anot hoá, Các mũi tên trên hình thể hiện chiều của điện trường Khi nhúng nhôm vào dung dịch, ở anot nhôm có quá trình hòa tan điện hóa nhôm Al = Al 3+ + 3e (p1) Đồng thời nhôm tác dụng với dịch điện phân theo phản ứng 2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 (p2) Diễn ra đồng thời với quá trình hòa tan nhôm là quá trình thoát oxi theo phản ứng 4OH - - 4e = O 2 + 2H 2 O (p3) Quá trình giải phóng oxi có thể qua các bước: 2OH - = H 2 O + O 2 - (p4) O 2- = O - + e (p5) O - = O + e (p6) 2O = O 2 (p7) 4 Các sản phẩm trung gian O 2- , O tác dụng với nhôm anot (vật cần oxi hóa) 2Al 3+ + 3O 2- = Al 2 O 3 (p8) 2Al + 3O = Al 2 O 3 (p9) Quá trình hình thành màng nhanh chóng. Quá trình hòa tan màng sẽ xảy ra đồng thời: Al 2 O 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O (p10) Hòa tan màng này sẽ tạo ra các lỗ xốp. Ở catot, quá trình khử : H + + 2e = H 2 (p11) Khi hình thành lỗ xốp: O 2- , O khuyếch tán qua màng ở đáy các lỗ xốp và hình thành Al 2 O 3 . Phần này sẽ tiếp tục phát triển làm dày thêm màng oxít. Đồng thời phần màng ở phía trên sẽ bị hòa tan , phần trên các lỗ xốp có dạng hình côn. Trong các lỗ xốp có các phản ứng hydrat hóa Al 2 O 3 + H 2 O = Al 2 O 3 .H 2 O (p12) Al 2 O 3 +3H 2 O = Al 2 O 3 .3H 2 O (p13) Al 2 O 3 .nH 2 O + H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4 ) 3 + (n+3) H 2 O (p14) Tóm lại quá trình anot hoá sẽ tạo ra cấu trúc hai lớp oxit trên bề mặt nhôm bị anot hoá như trên hình 2, lớp phía ngoài xốp có nhiều lỗ và lớp trong là lớp Al 2 O 3 không có lỗ, xít chặt, cách điện gọi là lớp barie. Hình 2: Hình ảnh minh hoạ lớp màng Al 2 O 3 tạo thành trong quá trình anot hoá Dung dịch được chọn để anot hoá phải là dung dịch mà không hoà tan được Al 2 O 3 , hoặc giả sử nếu có hoà tan được màng Al 2 O 3 thì cũng ở tốc độ rất chậm so với tốc độ tạo thành màng. Thành phần dung dịch tuỳ thuộc người chế tạo màng muốn thích lớp màng xốp hay lớp màng barie phát triển. Lớp màng barie 5 thường dễ phát triển trong các môi trường trung tính, ở môi trường này Al 2 O 3 rất khó bi hoà tan ví dụ như các dung dịch : ammonium borate, phosphate, tartrate. Lớp màng xốp thường phát triển ưu thế trong các dung dịch axit, ở môi trường này thì Al 2 O 3 vừa bị hoà tan và cũng đồng thời vừa phát triển. Dung dịch ứng dụng rộng nhất là dung dịch axit loãng H 2 SO 4 1M, một số dung dịch dùng cho trường hợp riêng đó là dung dịch có các thành phần như oxalic acid, phosphoric acid. 1.1 Lớp barie Khi bề mặt nhôm bị bao phủ bởi một lớp oxit thì màng này sẽ cách điện và ngăn không cho dòng điện đi qua trừ phi hiệu điện thế tăng 1-2 V. Để tạo thành lớp barie thì cần một điện trường lớn hơn 1V/nm (V/ chiều dày màng), hay cách nói khác là khi tăng dần điện thế thì chưa đến được một giới hạn nhất định thì sẽ không có dòng. Vượt thế qua giá trị tới hàn này thì lực điện trường đủ sức để di chuyển ion Al 3+ và O 2- xuyên qua lớp oxit để tạo thành màng barie. Dòng điện qua màng là dòng di chuyển các ion âm, những ion này sẽ phản ứng để tạo ra lớp màng barie. Các anion oxi sẽ di chuyển qua màng oxit để phản ứng với Al tại bề mặt phân chia Al-Al2O3 để tạo nên lớp màng oxit. Còn trên catot thì xảy ra quá trình khử H+ thành H2. Quá trình này được minh hoạ ở hình 3 ở dưới : Hình 3 : Cơ chế tạo lớp barie Phản ứng tạo lớp màng barie 6 Tính chất lớp màng barie được thống kê ở bảng 1 : Bảng 1 : Tính chất lớp barie Thông số Đơn vị đo Giá trị Khối lượng riêng g/cm 3 3,89 Độ xốp % 0 Màu sắc Trắng ngà Độ bền uốn Mpa 379 Mô đun đàn hồi Gpa 375 Mô đun trượt Gpa 152 Độ bền nén Mpa 2600 Độ cứng Kg/mm 2 1440 Nhiệt độ nóng chảy 0 C 1750 Hệ số dẫn nhiệt W/m°K 35 Hệ số giãn nở nhiệt 10 –6 /°C 8,4 Lớp barie bền với nhiều loại hoá chất trong khoảng pH từ 5-10 cho nên lớp này có khả năng bền với nhiều tác nhân ăn mòn. Do bền nhiệt nên nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ dưới 300 0 C. Cách điện tốt, sẽ bị dẫn điện nếu có điện thế 20-40 V/µm. có hằng số điện môi từ 8-10. 1.2 Lớp oxit xốp 7 Lớp oxit xốp thường được chế tạo trong các dung dịch axit, vì thế dung dịch này sẽ thường chứa nhiều muối nhôm do hoà tan nhôm. Lớp này có thể dễ dàng tổng hợp ở chiều dày 100 µm, chiều dày có thể lớn hơn lớp barie 100 lần. Trái với màng barie thì việc sử dụng điện thế cao trong chế tạo lớp này là không cần thiết. Trong quá trình anot Al luôn bị hoà tan. Phản ứng anot 2Al = 2Al 3+ + 6e (p15) Phản ứng catot 6H + + 6e = 3H 2 (p16) Lớp xốp tạo thành thường có lỗ và hình 6 cạnh, điều này được thể hiện ở hình 4. Trong nhiều trường hợp cấu trúc các lỗ xốp có thể bị rối loạn (khác nhau về kích thước các lỗ). Kích thước lỗ, đường kính lỗ phụ thuộc vào thành phần dung dịch, điện thế, nhiệt độ. Kích thước cell và pore trong dung dịch H 3 PO 4 thường lớn hơn so với trong dung dịch H 2 SO 4 , nếu tăng thế thì kích thước cell sẽ tăng. Kích thước cell tăng tỷ lệ so với tăng thế (tuyến tính). Kích thước mỗi lỗ (cell) thường nằm trong khoảng 50-300 nm, đường kính lỗ (pore) thường có giá trị khoảng 1/3 kích thước lỗ. Trong dung dịch axit H 2 SO 4 thì thường nếu chiều dày màng 20-50 µm thì nếu kích thước lỗ 40-60 nm thì đường kính lỗ (pore) thường có giá trị là 20 nm. Đáy các lỗ là lớp barie. Hình 4 : minh hoạ lớp xốp Một số hình ảnh hiển vi điện tử (SEM) lớp màng oxit tạo thành trong một số dung dịch được thể hiện ở hình 5: 8 Hình 5 : Hình ảnh lỗ xốp tạo thành trong quá trình anot hoá Al với các điều kiện khác nhau a, Trong dung dịch H 2 SO 4 1M ; 2,5 V. b, Trong dung dịch oxalic acid 0,3 M ; 40 V. c, Trong dung dịch oxalic acid 0,3 M ; 11 mA/cm2 d, Trong dung dịch H 3 PO 4 0,75 M ; 80 V. Khi thực hiện quá trình anot hoá thì ở đáy các lỗ xốp này thì dòng sẽ đi qua nhiều vì khoảng cách giữa kim loại và dung dịch điện phân là ngắn nhất. Điện trường ở vị trí này cũng đều nhất và mạnh nhất. Do đó dưới tác dụng của điện trường các ion dễ đi qua vị trí này để tạo thành màng oxit. Quá trình tạo màng sẽ làm cho chiều cao của mỗi lỗ sẽ tăng dần(chiều dày màng) nhưng bề dày thành lỗ và kích thước của lỗ không đổi. Vì chiều dày lớp barie là không đổi cho nên dòng và thế dường như cũng không đổi. Điều này được thể hiện rõ hơn qua đo đạc ở hình 6 : 9 Hình 6: Sự thay đổi thế và dòng trong quá trình anot hoá Al Lớp màng xốp này sẽ không có tính ứng dụng nhiều nếu không có biện pháp bịt lỗ. Một biện pháp bịt lỗ thường dùng là sử dụng nước nóng Al 2 O 3 + 3 H 2 O = 2AlOOH.H2O Quá trình bịt này tạo thành lớp màng không thấm nước và tương đối bền với môi trường. Hình ảnh mô tả quá trình bịt lỗ bằng nước được minh hoạ ở hình 7 : Hình 7: Quá trình bịt kín lỗ xốp bằng nước a, lớp xốp chưa bịt kín b, Tạo thành các gel AlOOH.H2O ở ngoài và thành lỗ xốp c, Các gel tạo thành kết hợp lại với nhau tạo ra một dạng Boehmite, tốc độ quá trình này phụ thuộc tốc độ nước di chuyển vào trong lỗ và tốc độ chuyển ra của anion. d, Tạo ra lớp tinh thể Boehmite trên bề mặt lỗ xốp (đường gạch chéo) 10 [...]... kiềm 7 Bể rửa nước thường 8 Bể rửa nước thường 9 Bể trung hoà 10 .Bể rửa nước thường 11 .Bể rửa nước thường 12 .Bể anốt 13 .Bể anốt 14 .Bể chờ 15 .Bể chờ 16 .Bể rửa nước thường 17 .Bể rửa nước DI 18 .Bể mạ màu nâu/ghi 19 .Bể rửa nước thường 20 .Bể mạ màu vàng 21 .Bể rửa nước thường 22 .Bể rửa nước DI 23 .Bể rửa nước DI nóng 24 .Bể rửa nước DI 25 .Bể phủ bóng ED 26 .Bể rửa nước thường 27 .Bể rửa nước thường 28 .Bể bịt kín. .. Hình 3.2: Cấu tạo bể anot thiết kế a) Hình chiếu đứng và chiếu bằng của bể b) Hình phóng to vị trí 1 tại thành bể Bể được thiết kế có chiều rộng 1m, chiều dài bên trong bể là 7 m, thành bể có chiều dài là 253 mm trong đó có 250 mm bê tông và 3 mm nhựa PVC Vị trí đặt catot và anot được thiết kế trên hình 3.3: 26 1 2 1 2 1 Hình 3.3: Bản vẽ thiết kế đặt vị trí catot và anot Bản vẽ 3.3 thiết kế các vị trí... đặt trong bể theo phương thẳng đứng và xếp khít Chiều dài hệ thống catot đặt trong bể thiết kế là 6,5 m, như vậy số thanh catot khoảng 32 thanh Hệ thống khuấy trộn: dùng bơm đảo trộn dung dịch Vật liệu làm bể: bể sẽ xây dựng bằng bê tông dày 25 cm để thuận tiện đi lại trên bể kiểm tra hàng anot, trục với các sản phẩm bị rơi, vệ sinh bể Bên trong bể có bọc nhựa PVC 3 mm Cấu tạo bể anot được thiết kế. .. tính năng như chế độ dòng không đổi, chế độ thế không đổi 22 III THIẾT KẾ BỂ 3.1 Sơ đồ hệ thống bể Từ những nghiên cứu ở mục I tôi đề xuất các bể trong xưởng anot hoá nhôm như sau : Sơ đồ hệ thống bể : 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 22 23 24 2 26 27 28 29 Phòng dáo nước 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Thùng sấy 5 1 Bể tẩy dầu mỡ 2 Bể khắc mòn 3 Bể rửa nước thường 4 Bể khắc mòn 5 Bể khắc mòn 6 Bể. .. dịch điện phân cách mặt bể chọn là 20 cm, điều này tránh tràn dung dịch ra khỏi bể khi nhúng anot Dung dịch sau làm mát sẽ được đưa vào bể ở phía đáy Bản vẽ thiết kế điện cực anot được thiết kế như trên hình 3.6 29 Hình 3.6 : Bản vẽ lắp điện cực anot Dầm treo anot chọn là nhôm hợp kim 6063 Điện cực anot chọn làm bằng vật liệu đồng Bản vẽ thiết kế đồ gá : Hình 3.7 : Bản vẽ thiết kế đồ gá cho sản phẩm... fluorides có thể cản trở quá trình bịt kín Một số muối kim loại cũng hay dùng để bịt kín Các muối này sẽ hấp phụ lên lớp phủ, chúng tạo ra kết tủa hydroxit để bịt kín Các muối Nickel, cobalt được sử dụng nhiều trong lĩnh vự này Chúng làm giảm đáng kể sự mất mầu khi sử dụng kỹ thuật thuốc nhuộm Dichromat cũng được dùng trong một số trường hợp để bịt kín chống ăn mòn Dung dịch bịt kín thông dụng thường chứa... 3 Các ống phun nước này được chọn là vật liệu PVC có đường kính ống là 5 cm, trên ống có khoan các lỗ có đường kính khoảng 2 mm để phun đều dung dịch dọc theo chiều dài bể 28 Hình 3.5 : Bản vẽ thiết kế hệ thống lấy nước nóng ra khỏi bể Bản vẽ thiết kế 3.5 thiết kế hệ thống lấy dung dịch nóng ra khỏi bể rồi đem lọc bỏ các tạp chất cơ học ở thiết bị lọc lưới, sau khi lọc tạp chất cơ học dung dịch được... cơ bản là chất màu nằm đều trong toàn bộ màng - Kỹ thuật nhuộm màu bằng điện ly : Hình 16 minh hoạ phương pháp Hình 16 : Kỹ thuật nhuộm màu bằng điện ly Cơ sở phương pháp là sử dụng dòng điện để điện phân kết tủa kim loại vào trong lỗ Các kim loại kết tủa trong lỗ có thể là Sn, Ni, Co 1.10 Bịt kín màng Đây gần như là công đoạn cuối cùng của quá trình anot Sử dụng nước bịt kín nói chung ít làm thay... trí đường 1 sẽ là nơi đặt catot, đường số 2 là nơi thiết kế đặt anot Khoảng cách catot so với thành bể ở chiều dài là 10 cm, khoảng cách anot và catot được thiết kế là 20 cm Khoảng cách anot và catot so với mép bể ở đầu và cuối là 25 cm, sở dĩ có lựa chọn này vì đây là vị trí cầu trục thao tác nhấc đồ gá nên cần khoảng cách này lớn hơn Bản vẽ thiết kế vị trí đặt hệ thống ống nước khuấy trộn, làm mát,... 1.4 Sự thay đổi chiều dày màng oxit trong quá trình anot Sự thay đổi chiều dày màng trong quá trình anot hoá được thể hiện trên hình 8 : Hình 8 : Sự thay đổi chiều dày màng theo thời gian anot Theoretical : đường tính toán lý thuyết Actual : đường thay đổi theo thực tế Ở trên hình 8 có thể thấy chiều dày màng phát triển gần như tỷ lệ tuyến tính với thời gian anot hoá Điều này cũng có vẻ phù hợp với . BÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên: Lê Văn Quý Lớp: CH1Đ11 Chuyên ngành: CN Hóa Vô cơ – Điện hóa Năm học: 2014 - 2015 Ngày nhận đầu bài: 18/09/2014 Ngày hoàn thành: 23/11/2014 1. Nhiệm vụ: Tính toán. cho bản đồ án. 3. Tính toán công nghệ: - Tính lượng nguyên liệu, tính phối liệu, theo năng suất yêu cầu. - Tính toán lượng hoá chất tiêu hao thay thế, năng lượng tiêu hao nếu có. 4. Tính toán thiết. thước 5x5x500 cm - Chiều dày lớp oxit gồm 5 µm lớp barrie và 15 µm lớp oxit xốp. 3. Yêu cầu của đồ án: a. Nội dung các phần thuyết minh: 1. Lời mở đầu: 2. Tổng quan - Cơ sở lý thuyết quá trình