Sinkkielektrolyysiprosessin vastinkytkennän simulaatiomalli

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda simulaatiomalli teollisesta sinkkielektrolyysiprosessista ja rajaamalla simulaatiomalli liuotuksen virtapiireihin. Työ jatkaa osittain Kalle Palolan työtä, jossa prosessista luotiin sähköinen vastinkytkentä.

Simulaatiomallin luomisen apuna käytettiin prosessista saatua mittausdataa, sekä myös mittausdataa ja sähköisen vastinkytkennän mallia. Mallin tärkeimpinä toimintoina ovat simuloitavat oikosulkutilanteet sekä jännite ja virtamittaukset tietyistä virtapiirin kohdista. Lisäksi mallin virta, käämikytkimen asento ja riviparien irtikytkentä haluttiin myös simuloitavaksi. Tarkoituksena siis oli saada malli, jota voitaisiin hyödyntää tutkimus ja koulutustarkoituksissa, sekä mahdollisesti digitaalisena kaksosena.

Työn tärkeimmän tavoitteen eli simulaatiomallin lisäksi luotiin mallista parametrinen, jolloin useita eri komponenttien parametreja voidaan myös muuttaa halutessa ja kokeilla niiden vaikutusta prosessiin, myös liuoksen pitoisuuksien arvot luotiin malliin, jolloin esimerkiksi happopitoisuuksia muuttamalla voidaan kokeilla sen vaikutusta mallissa, sekä oikean mittausdatan perusteella myös ajaa simulaatiomallia ja siten voitiin tarkastella ja verrata prosessin ja simulaatiomallin käyttäytymistä.

Ylijännite osaltaan tuli myös tutkimuksen aiheeksi, tämän monimutkaisen ja suuren vaikutuksen vuoksi simulaatioon ja oikeaan prosessiin. Tutkimuksen aikana huomattiin myös, että halutessa digitaalinen kaksonen, joka vastaisi oikeaa prosessia tarkasti pitäisi simulaatioon sisällyttää sinkkikertymän ja sen aiheuttaman muutoksen huomioiminen mallissa, sekä sähkömotorisen voiman muuttaminen kapasitiiviseksi, jotta sen vaikutus reaaliajassa voidaan simuloida eri tilanteissa.

The purpose of this master’s thesis was to create simulation model of industrial zinc electrowinning process with limiting the simulation model to process current loops only. Work continues partially the Kalle Palola’s masters thesis about creating electrical equivalent circuit from the process.

Simulation model was created by using the measured data from the real process and the electrical counter connection schematic. Simulation model most important features are the ability to simulate short circuits situations and the current and voltage measurements from specific parts of the circuit additionally, the model current, the position of the on-line tap switcher and possibility to electrically separate specific cell group(s) from the model were important features to include in simulation model. Finally, the model would be used for research and educational purposes inside the company and later on possibly as digital twin.

Simulation model was also made parametric so that different component parameters and values can be changed as required to widen the possibilities of the simulation for future testing. Electrolyte concentrations was also included in model so that by adjusting the acid concentration it’s effects can be tested from simulation model and compared to real process data.

Overvoltage was also partly researched as it is complex and affects the whole process. During research also was noticed that if model would be used as digital twin that would accurately repeat the real process behavior it would be necessary to include the mathematical model of zinc deposition and also to change the electromotive force to capacitive so that the whole process could be simulated in real time and changes could be observed over time in different situations.