Проект алюминиевого электролизера

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Конструктивный расчет электролизера с самообжигающимся анодом с верхним токоподводом на силу тока 105 кА

Служит для определения основных размеров (габаритов) электролизера и начинается с расчета размеров анода.

Определение размеров анода

Исходя из заданной силы тока и выбранной плотности тока определяем площадь анода:

Площадь Sa определяем по выражению:

Sa=

где:

I - Сила тока; А

Da - Анодная плотность тока; А/см²

Sa==150000см²

Ширину анода принимаем на основании практических данных.

Ширина анода Ba = 270см.

Тогда длинна анода (La), с учетом заданной его ширины (Ba), определяется по формуле.

La=

Где: Ba - ширина анода; см.

Sa - площадь анода; см²

La==560см.

(Принимаем 1340мм) и уровня жидкой аногдной массы h_ж (принимаем 360мм)

Отсюда:

Ha=h_к+h_ж=1340+360=1700мм.

Внутренние размеры шахты электролизёра определяем из найденных размеров (длины и ширины) анода и расстояния до стенок бортовой футеровки электролизёра.

2. Расчет внутренних размеров шахты ванны

После определения размеров анода, находим ширину шахты (Вш) и длину шахты (Lш) предварительно выбрав расстояние (с) от анода продольной стороны, (d) - расстояние до торца. По практическим данным:

c = 550 - 650мм. с = 600мм.

d = 500 - 600мм. d = 500мм.

Вш = Ва + 2с = 2700 + 2 * 600 = 3900мм.

Lш = Lа + 2d =5600 + 2 * 550 = 6700мм.

Глубина шахты ванны (Hш) определяется высотой слоя алюминия h_м=320мм , слоя электролита h_э=180мм , и толщиной корки застывшего электролита с глиноземом находящимся в шахте h_г =50мм.

Hш = h_м+ h_э + h_г =320+180+50=550мм.

Внутренние размеры шахты ванны:

Вш = 370см; Lш = 680см; Hш = 50см;

3. Конструкция подины

Основные размеры подины определяются не только вышеприведенными расчета

Применяются подовые блоки:

h_б = 400мм; b_б = 550мм; l_б = 600 - 2200мм.

Число блоков определяется из длины шахты:

n_б = == 22,7 блока

Таким образом, принимаем nб= 22шт.

Блоки укладываем разной длины, чтобы не было единого центрального шва. (Подина набирается с перевязкой центрального шва, что достигается шахматным расположением длинных и коротких секций в ванне).

Расстояние между катодными блоками и блоками в торцах шахты (Lтор) определяется следующим образом:

Lтор===125мм.

Где: - количество подовых секций в ряду.

===11 штук.

Таким образом подина монтируется из 22 подовых секций с перевязкой центрального шва, по 11 секций в ряду .

4. Размеры катодного кожуха

электролизер конструктивный токоподвод анод

Из известных конструкций катодного кожуха выбираем кожух с металлическим днищем контрфорсного типа, основным преимуществом которого является возможность создать достаточно прочную конструкцию катодной части даже при большой длине электролизера.

Определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной теплоизоляционного материала. Боковая футеровка электролизера выполняется из угольных блоков толщиной 200мм и теплоизоляционного слоя толщиной 60мм , а для подины шахты ванны , кроме катодных боков высотой 400мм , угольной подушки 30мм, теплоизоляционного слоя из 5 рядов кирпича по 65 мм каждый и шамотной засыпки толщиной 50мм , внутренние размеры катодного кожуха составят:

Lкож =Lш +2*(200+65)=6700+2*(200*65)=7230мм.

Bкож =Bш+2*(200+65)=3900+530=4430мм.

Нкож =Нш + 400+30+5*65+50=550+400+30+5*65+50=1355мм.

Катодный кожух с днищем изготавливают из листовой стали толщиной 10мм. Торцевые стенки кожуха для придания ему большей жесткости усиливают двутавровыми балками. Под днищем приваривают опорные двутавровые балки, передающие весовую нагрузку электролизера на железобетонную опорную конструкцию. Боковые стороны кожуха усиливают швеллерными балками и сжимают стальными контрфорсами. Контрфорсы устанавливаются из расчета, что между ними находятся два блюмса. Исходя из расчитаного числа катодных блоков, определяем число контрфорсов - 20, по 10 контрфорсов с каждой стороны ванны.

5. Материальный расчет электролизера самообжигающимся анодом, верхним токоподводом, I =105кА,n_т = 0,89%

Известно, что в процессе электролиза криолито-глиноземного расплава образуется алюминий; при этом расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных оксида и диоксида углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате уноса пыли вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегося анода часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих коксования.

При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья на производство алюминия. Расчет обычно ведут на 1 ч работы электролизера.

Производительность электролизера (Р) в час при силе тока I=105000 А и принятом выходе по току з_т=89 % составляет:

P=0,335/з_т = 0,335 * 105 000 * 89 * 10^-5 =31 кг/ч (округленно).

Расход сырья зависит от типа электролизера, условий вентиляции, применяемых средств механизации и автоматизации процесса и ряда других факторов.

Обычно расход сырья определяют на основании накопленного в промышленности опыта эксплуатации электролизеров и уточняют при обязательных

испытаниях группы электролизеров новой конструкции перед внедрением их в промышленном масштабе.

На основании передового опыта эксплуатации алюминиевых электролизеров и конструктивных особенностей принятого для расчета электролизера принимаем следующие расходы сырья на 1 кг получаемого алюминия, кг: глинозема 1,920;

фтористого алюминия 0,025; криолита 0,020; анодной массы 0,530. При этом расход сырья для получения 31 кг/ч алюминия составит:

глинозема 31*1,92= 59,5 кг/ч; суммы фтористого алюминия и криолита 31(0,025+0,020) = 1,4 кг/ч;

анодной массы 31*0,53= 16 кг/ч.

Теоретически расход глинозема должен составлять 1,89 кг на 1 кг алюминия. Полученные в рассчитываемом варианте потери глинозема (1,92--1,89)*31=0,93 кг/ч объясняются наличием н его составе примесей и механическими потерями.

Расход анодной массы обусловлен в основном реакциями, протекающими у анода. Для расчета количества углерода, который окисляется кислородом, выделяющимся в результате электролитического разложения глинозема, принимаем, по данным практики, состав анодных газов, % (объемн.): СО₂ 60 и СО 40.

При получении 31 кг алюминия выделится кислорода 31*48:54 =27,5 кг, где 48 и 54 соответственно количество кислорода и алюминия в глиноземе.

Из этого кислорода перейдет: в состав СО₂ 27,5*2,60: (2*60+40) = 20,6 кг, в состав СО 27,5*40: (2*60+40) =6,8 кг, где 60 и 40--содержание СО₂ и СО соответственно, % (объемн.).

Отсюда можно рассчитать количество углерода, связанного в СО₂ (углекислый газ): 20,6*12:16*2=7,7 кг, в оксид углерода СО (угарный газ):6,8*12:16=5,1 кг.

Таким образом, при получении 31 кг алюминия в час выделяется СО₂ Рсо₂ =19,4+7,3=28,3 кг/ч; оксида углерода: Р_со=6,4+4,8= 11,9 кг/ч.

По данным материального расчета можно составить материальный баланс электролиза (табл. 11).

Таблица 11. Материальный баланс электролизера на силу тока 105 кА

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозем Фтористые соли Анодная масса	59,5 1,4 16	77,37 1,8 20,83	Алюминии Анодные газы	31 40,3	40,3 52,4
			Потери:
			глинозем	0,93	1,2
			фтористые соли	1,3	1,69
			анодная масса	3,37	4,41
Итого	76,9	100,0	Итого	76,9	100,0

6. Электрический расчет электролизера

Электрическим расчет состоит в определении сечения и длины токоподводяших проводников электролизера и составляющих среднего напряжения.

Расчет токоподводящих проводников

Сечение шинопровода, подводящего ток к электродам, определяют по величине силы тока н плотности тока в шинах. Для выбора расчетной плотности тока в шинопроводах Л. Л. Костюковым предложена следующая зависимость экономичной плотности тока (d_эк, А/мм²):

где А--стоимость ниш, руб /т; d--плотность шин, г/см³; b--срок амортизации шипопровода, годы; b_н -- нормативный срок окупаемости капитальных вложений, годы; (p--удельное электросопротивление шинопровода, Ом.м или (Ом.мм²/м),

а_э -- стоимость 1 кВт * электроэнергии, руб.

Для упрощения дальнейших расчетов принимаем одностороннюю схему ошиновки, состоящую из алюминиевых шин, собранных в пакеты одинакового сечения по всей длине. Плотность тока в стояках, анодных и катодных пакетах принимаем равной 0,3 А/мм².

При этих условиях сечение ошиновки для рассматриваемого электролизера будет равно:

S_ш = I/d_ш = 105 000/0,3 = 350000 мм²

Для обеспечения заданной плотности тока при условии применения шин сечением 430-65 мм число их составит: 350000:430*65=12,5шт.

Принимаем 12 шин, которые собирают в пакеты по 6 шин, располагаемые с двух сторон электролизера.

Ток к аноду подводится четырьмя рядами вертикально расположенных сталеалюминиевых штырей. Из конструктивных размеров анода принимаем длину стальной части штыря 1400 мм и алюминиевой 1000 мм. Число штырей и площадь их сечения определяем из условия оптимальной средней токовой нагрузки на штырь около 2000 А и плотности тока для стали d_ст=0,2 A/мм².

Число штырей: K= 105000: 2000=52шт.

Для удобства размещения штырей и аноде принимаем А=52т. При этом площадь сечения стальной части штыря будет равна:

S _шт ==I: Kd_ст =105000: 52*,2=10096мм².

При этом средний диаметр стальной части штыря составит 115 мм. Принимаем штырь с максимальным диаметром рабочей части 130 мм, минимальным диаметром рабочей части 100 мм, высотой конусной части 900 мм. Конструктивным расчетом число катодных стержней определено равным 20 при поперечном сечении S_к.с=115·230 мм. Плотность тока в них составит:

d_к.с =I:20 S_к.с =105000: 20·115·230=0,19 А/мм².

Стальные катодные стержни соединяются с алюминиевыми шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных к катодным стержням ,и шинам. Среднюю длину соединительных пакетов принимаем из конструктивных соображений равной 800 мм. Сечение пакета из алюминиевых лент при допустимой плотности тока в них 0,7 А/мм² составит: S_п= 105000:0,7*20=7500мм².

Принимаем стандартные алюминиевые ленты сечением 1·5200 мм. Тогда число лент в пакете составит: n_л=7500:1,5·200=25 принимаем 24 ленты в пакете.

Исходя из размеров анодного и катодного устройств, общую длину катодных пакетов принимаем равной 8100 мм, анодной ошиновки 7600 мм, стояков 3000 мм.

Составляющие среднего напряжения

Составление баланса напряжения электролизера заключается в определении составляющих падения напряжения (Uср), В:

Ucp=? Uа.у + ?Uэ + ?Uк.у + ?Uа. э + Е + ?Uо. о,

где ?Uа.у--падение напряжения в анодном устройстве, В; ?Uэ--то же, в ния напряжения от анодных эффектов, В; Е--обратная э.д.с., В; ?Uо.о--падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде.

Падение напряжения в анодной ошиновке (?Uа.о), состоящей из стояков длиной L_ст=3,0 м и анодных пакетов длиной L_п=7,6 м одинакового сечения S=12·430·65=335400 мм², но которым протекает ток силой I=100000 А, определяется как ?Uа.о=Irа. о.

Для определения электросопротивления анодной ошиновки r_а.о необходимо найти удельное электросопротивление алюминия (p_t) при средней температуре работы анодной ошиновки, рапной t₁=50°C. Принимаем удельное электросопротивление алюминия при t=20 °С, р_о=0,020 Ом-мм²м, б =0,004. Тогда:

p_t=p_о [1 +б (t₁--t)] ==0,029 [I +0,004 (50--20)] =0,035 Ом * мм²/м.

Отсюда электросопротивление в анодной ошиновке будет равно: r_а.о=ptl:S=0,035·(3,0+7,6):335400=1,11·10^-6 Ом, где l=L_ст+L_п, а падение напряжения в ней составит ?Uа.о=Ir _а.о=105 000·1,11·10^-6=0,12В.

практических данных. В сварных контактах анодные шины--стояк, стояк--гибкий пакет шин, гибкий пакет шин--катодные шины перепад напряжения соответственно составляет 0,004+0,003+0,003=0,01 В. В прижимном контакте анодная шина--алюминиевая штанга штыря н в сварном алюминиевая штанга--стальная часть штыря перепад напряжения составляет 0,015+0,015=0,03 В. Таким образом, паление напряжения в контактах анодного узла ?Uа.к =0,010+0,030 =-0,040 В. Определение падения напряжения в аноде--наиболее сложная задача при составлении баланса напряжения электролизера, так как падение напряжения в аноде зависит от многих переменных факторов. В. П. Никифоровым, А. М. Цыплаковым и В. П. Лебедевым рекомендован достаточно точный метод расчета падения напряжения в аноде электролизеров с верхним токоподводом, не зависящий от конструкции токоподводящего штыря.

При ориентировочных расчетах для определения паления напряжения в аноде с верхним токоподводом можно пользоваться уравнением, предложенным А. М. Коробовым:

Uа =(26 000- [16000- 10,9(S_a:K)805lср -lсрSa:(6,85K)] D} pa.

Подставляя в это уравнение принятые ранее значения составляющих, определяем падение напряжения в аноде (площадь сечения анода Sа=270·530=143100 см²; число токоподводяших штырей К=52среднее расстояние от “подошвы” анода до токоподводящих штырей l_ср=45 см): l_ср=l_min+1/2H, где H=40 см--шаг перестановки штырей: l_min=25 см--минимальное расстояние от штырей до “подошвы” анода.

Плотность тока в аноде D=I:S_а= 105 000: 15000 =0,733 А/см². Удельное сопротивление анода принимаем равным p_a=9·10^-з Ом-см. Тогда:

Uа= [26000-- (16000-- 10,9 ·150000:52--805·45--45·150000:6,85·52 X 0,733] 9·10^-3=505 мВ, или 0,505 В.

Суммируя составляющие, находим падение напряжения в анодном устройстве:

?Uа.у==?Uа.о+?Uа.к+?Uа = 0,11 + 0,04 + 0,505 == 0,665 В.

Падение напряжения в электролите с криолитовым отношением 2,7, в составе которого 5 % (по массе) Al₂O₃ и 4--6 % (по массе) CaF₂, определяем по уравнению, предложенному Г. Ф. Форсбломом и В. П. Машовцом:

где I--сила тока 100000 А, р--удельное электросопротивление электролита (0,488 Ом·см для принятого состава) l--междуполюсное расстояние (4,7 см по практическим данным), Sа -- площадь сечения анода (143000 см²), 2(А+В)-- периметр анода, см (длина анода А=530 см, ширина В=270 см)

Падение напряжения в электролите с криолитовым отношением 2,7, в составе которого 5 % (по массе) Al₂O₃ и 4--6 % (по массе) CaF₂, определяем по уравнению, предложенному Г. Ф. Форсбломом и В. П. Машовцом:

Uэ===1,43В

где I--сила тока 105000 А, р--удельное электросопротивление электролита (0,488 Ом·см для принятого состава) l--междуполюсное расстояние (4,7 см по практическим данным), Sа -- площадь сечения анода (150000 см²), 2(А+В)--периметр анода, см (длина анода А=560 см , ширина В=270)

Падение напряжения в катодном устройстве складывается из падения напряжения на подине, и частях катодных стержней, не заделанных в подину, в соединительных алюминиевых пакетах, катодной ошиновке и в контактах катодные стержни-- соединительные пакеты и соединительные пакеты--катодная ошиновка.

Для определения падения напряжения в подине (U_п, мВ), смонтированной из прошивных угодных блоков шириной 550 мм, пользуются равнением М.А. Коробова, А.М. Цыплакова и Б. И. Тимченко:

Un =[lпp_бл*,10³+(3,83* 10^-2 B_ш+ 2,87а³?а)b_бл/S_ст] Dа.

В этом случае приведенную длину пути тока по катодному блоку l_пр см вычисляют по уравнению l_пр=2,5+0,92H--1,1H+132:b, где H-- высота катодного блока (40 см); h и bрррh--соответственно высота и ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки, см (в рассчитываемом случае h=13 см, b=26 см)

Тогда l_пр=2,5+0,92·40--1,1 ·13 + 132:26== 30,1 см.

Удельное электросопротивление прошивных блоков рассчитанное на основании измерения соответствующих параметров по данным ВАМИ, принимаем равным p_бл =372 10^{- 3} Ом см

Половина ширины шахты ванны (В_ш) в пашем случае, согласно конструктивном) расчету, составляет 195 см

Ширина бортовой настыли в шахте ванны (а) при условии оптимальной ее формы при которой настыль ограничивается проекцией анода на подину шахты, составляет 60 см. Ширина катодного блока (b_бл) с учетом набивного шва 55+4=59 см. Площадь сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки Sст=13·26=338 см² Анодная плотность тока Dа=0,699 А/см²

Подставляя в уравнение принятые и вычисленные значения, находим перепад напряжения в полипе

U_п=[30,1· 3,72·10 ^-3·10 ³+(3,83 10 ^-2· 195² + 2,87 ·60?60) ·59: 338] X 0,733=354 мВ, или 0,354 В

Падение напряжения на участках катодных стержней, не заделaнныx в почину, определяем, исходя из следующих данных общее сечение катодных стержней S_к=115·230·20=529000 мм²; длина выступающей части катодного стержня (из конструктивных расчетов) l=0,3 м, средняя температура его нагрева 250 °С При этой температуре удельное электросопротивление стали составляет p='0,22 Ом· мм²/м

При этих условиях сопротивление составит:

г=0,22·0,3:529000=0,12· 10 ^-6 Ом.

Падение напряжения на выступающих из подины участках катодных стержней будет равно:

?Uст=105000· 0,12·10^-6=0,013 В.

Аналогично рассчитываем падение напряжения в алюминиевых соединительных лентах (?Uл).

Из конструктивного расчета длинна алюминиевых соединительных лент l=0,8 м при площади их поперечного сечения Sл=1,5 ·200· 24 ·20=144000 мм²;

удельное электросопротивление алюминия при средней температуре лент 80 єС р=0,036 Ом· мм²/мм

Находим общее сопротивление в соединительных лентах:

r=0,036·0,8:144000=0,2·10^-6 Ом.

Падение напряжения в них составит: ?Uл= 105000·0,2· 10^-6 =0,02В.

Падение напряжения в катодной ошиновке электролизера при ее длине lк.о.=8,1 м площади поперечного сечения Sк.o. = 430·65·12=335400 мм² и удельном сопротивлении p=0,032 Ом·мм²/м (средняя температура ошиновки 50 °С) составит

Uк.о.=lpl_к.о./S_к.о.=105000 ·0,032· 8,1:535400=0,051 В.

Падение напряжения в сварных контактах (?Uк) пакет алюминиевых лент--катодный стержень и пакет алюминиевых лент--катодная ошиновка принимаем по данным практики эксплуатации соответственно равными 0,006 и 0,004 В.

Тогда суммарное падение напряжения в катодном устройстве составит:

?Uк.у.= ?Uп+ ?Uсг+ ?Uк.о.+ ?Uл+ ?Uк =0,354+0,013+0,051+0,02 + 0,01 =0,448 В

До падения напряжения от анодных эффектов в среднем напряжении била определена ранее при расчете числа электролизеров в серии и составляла ?U а.э.=0036 В. Обратная э.д.с.

Е= 1,13+0,37D_a,

где D_a -- анодная плотность тока А/см² Е=1,13+0,37· 0,733=1,401В

Паление напряжения в общесерийной ошиновке принимаем по данным практики эксплуатации электролизных серий ?U о.о. =0,05 В

Суммируя все составляющие, находим среднее напряжение

?U cp=0,665+ 1,43+0,448+0,036+ 1,401+0,05=4,017 В

Полученные в результате проведенного расчета составляющие падения напряжения в различных конструктивных узлах электролизера подразделяются на греющие и негреющие. Такое подразделение составляющих среднего напряжения электролизера необходимо для определения прихода тепла от электрической энергии при составлении теплового баланса (см. энергетический расчет). Для удобства использования полученных данных при дальнейших расчетах объединим их в табл. 12

Таблица 12. Баланс напряжения электролизера на 105 к

Составляющие среднего напряжения	Греющее, В	Нагревающее, В	Bсeго
			В	%
Анодная ошиновка	--	0,12	0,12
Контакты анодного узла	--	0,04	0,04
Анод	0,505	--	0,505
Итого в анодном устройстве	0,505	0,16	0,665
Подина ванны	0,354	--	0,354
Катодные стержни (выступающая из	--	0,012	0,012
подины часть)
Алюминиевые соединительные ленты	--	0,02	0,02
Катодная ошиновка	--	0,051	0,051
Контакты катодного узла	--	0,01	0,01
Итого в катодном устройстве	0, 354	0,093	0,448
Электролит	1,43	--	1,43
Напряжение разложения	1,389	--	1,389
Итого рабочее напряжение	3,678	0,253	3,931
От анодных эффектов Общесерийная ошиновка	0,036	0,05	0,036 0,05
Итого среднее напряжение	3,714	0,303	4,017	100

Рабочее напряжение электролизера меньше среднего на величину падения напряжения в общесерийной ошиновке и на долю падения напряжения от анодных эффектов:

U раб = Uср -- ?Uо.о. -- ?Uа.э.

7. Энергетический расчет электролизера

Нормальную работу алюминиевого электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу. Энергетический расчет заключается в определении составляющих прихода н расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих.

Тепловой баланс составляют применительно к заранее принятой температуре. Обычно это--температура окружающей среды или температура, при которой протекает процесс. В последнем случае н расчеты необходимо вводить данные о тепловых эффектах при температуре процесса, однако от этого расчеты становятся менее точными из-за отсутствия надежных сведении. Так как энергообмен, не связанный с массопередачей, не зависит от температуры, при которой составляется тепловой баланс, то поэтому более простым и точным представляется расчет теплового баланса при температуре окружающей среды.

В этом случае электролизную ванну можно представить как систему, которая снабжается теплом за счет прохождения электрического тока и сгорания угольного анода. Тепло расходуется па разложение глинозема и теряется этой системой через теплоотдающие поверхности электролизера, а также с удаляемыми продуктами (жидким алюминием и газами). Суммарная величина расхода тепла от протекания побочных реакции, испарения электролита и других факторов незначительна и при составлении теплового баланса не учитывается.

При составлении теплового баланса используются данные как электрического, так и конструктивного, и материального расчетов.

На основании вышеизложенного уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде:

Q_эл + Q_ан = Q_разл +Q_мет + Q_газ + Q_п,

где Q_эл --приход тепла от электрической энергии, кДж

Q_aн--то же, от сгорания угольного анода, кДж;

Q_разл--тепло, необходимое на разложение глинозема, кДж;

Q_мет--тепло, уносимое вылитым металлом, кДж;

Q_газ--то же, уносимое отходящими газами, кДж;

Q_п--потери тепла в окружающее пространство конструктивными элементами электролизера, кДж.

8. Приход тепла

От прохождения электрического тока приход тепла определяется по уравнению

Q_эл=3600 IU_гp,

где 3600 тепловой эквивалент кВт.ч, кДж/(кВт.ч).

Подставляя в уравнение значение силы тока I=100 кА и греющего напряжения из электрического баланса U_гр =3,758 В, находим

Q_эл = 3600 * 105 * 3,758 = 1 420 524 кДж.

Oт сгорания угольного анода приход тепла определяется следующей зависимостью:

Q_aн=P_CO2·?H^CO2_T1+P_CO·?H^CO_T1.

где Р_CO2 и р_со--соответственно число киломолей в час СО₂ и CO;?H^CO2_T1

?H^CO_T1 --соответственно тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода, кДж/кмоль; T₁--температура окружающей среды, К.

Число киломолей P_CO2 и P_CO в час определяется соответственно из выражении:

P_CO2 = 18,657·10^-3Iз ·m/1+m; P_CO = 18,657·10^-зI·1-m/1+m .

При силе тока I=105 кA, выходе по току з=0,89 (89 %) и объемной доле СО₂ и анодных газах m=0,6 (60%)

P_CO2= 18,657 * 10^-3 * 105 * 0,89 ·06/1+0,6 = 0,6611 кмоль;

P_CO2=18,657 *10^-3 * 105 * 0,89 *1-0,6/1+0,6=0,4358 кмоль.

Тепловые эффекты реакции образования диоксида и оксида углерода при 25 єС (298 К) находим в справочнике:

H^CO2₂₉₈ = 394 070 кДж/кмоль; H^CO2₂₉₈ =110 616 кДж/кмоль .

Подставляя найденные значения в уравнение, определяем приход тепла от сгорания угольного анода:

Q_ан = 0,6611 * 394 070+0, 4358 * 110616=74266,13кДж

Всего приход тепла составит:

Q_np = Q_эл + Q_ан == 1 420 524 + 74266,13= 1494790,13 кДж

9. Расход тепла

На разложение глинозема расходуется: Q_разл=P_Al2O3 ·H^Al2O3 _T

где P_Al2O3 -- расход глинозема на электролитическое разложение;

P_Al2O3=1/2P_Al=Iзт/6F кмоль, ?H^Al2O3_T --тепловой эффект реакции образования оксида алюминия при 25єС (298 К) равняется 1 676 000 кДж/кмоль; F--число Фарадея, равное 26,8 А·ч.

Q_разл=*1676000=974018 кДж.

Подставляя эти значения составляющих в уравнение, находим расход тепла на разложение глинозема:

Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла.

При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 єС--6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла с выливаемым алюминием:

Q_мет = 1,0759 (43 982 - 6716) = 40 094 кДж.

Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует.

В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов--оксид и диоксид углерода.

Температуру отходящих газов принимаем по данным практики равной 550є'С.

Энтальпию составляющих отходящего газа находим в справочнике и определяем потери тепла с газами:

Q_газ =0,6611 (40488- 16416) +0,4358 (21 860 - 8816) = 21598,56 кДж

где 0,6611 и 0,4358 -- соответственно числа киломолей диоксида и оксида углерода, выделяющихся и течение часа; 40488 и 16446--энтальпия диоксида углерода соответственно при 550 и 25 °С, кДж/кмоль; 24860 и 8816--то же, для оксида углерода, кДж/кмоль.

Тепливые потери с поверхности электролизера определяют на основании законов теплопередачи конвекцией и излучением.

Для определения теплоотдачи конвекцией применяем зависимость:

Q_к=б_кS (t_п-t_в),

где Q_к--отдача тепла конвекцией, кДж; б_к--коэффициент конвективной теплоогдачи, кДж(м²·ч·єС); S--площадь теплоотдающей поверхности, м²; t_п--температура поверхности, °С; t_в--температура окружающей среды (воздуха), °С.

Теплоотдача излучением выражается зависимостью

Q_изл = С₀е_пц (T_п/100)4 - (T_в/100)⁴.

где Q_изл--отдача тепла излучением, кДж; С_о--коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 20,53 кДж(м²·ч·К); е_п--приведенная степеньчерноты, безразмерная величина; ц--угловой коэффициент или коэффициент облученности окружающего пространства; T_п и T_в--соогвстсгвспно температуры теплоотдающен поверхности и окружающей среды, К.

При расчетах обычно находят потери тепла штырями, анодной массой, боковыми поверхностями анодного и катодного кожуха, газосборпым колоколом, коркой электролита и днищем кожуха.

Расхождение между приходной и расходной частями теплового баланса при правильном подборе величин, участвующих в расчете, не должно превышать 1,5--2,0 %. Исходя из этого, для упрощения расчета тепловые потери с поверхностей электролизера определяем по разности:

Qп = (Qэл + Qaн) - (Qразл + Qмет + Qгаз) = (1 420 524+74266,13) - (974018 + 40 094 + 21598,56) = 1433096,04 кДж.

10. Тепловой баланс электролизера на силу тока 100 кА

Приход тепла	кДж	%	Расход теплa	кДж	%
От прохождения электрического ока	1 420 524	82,7	11а разложение линозема	974018	55,1
			С вылитым алюминием	40 094	2,4
			С отходящими газами	21598,56	1,3
			С поверхности лектролизера	1433096,04	41,2
Итого	1494790,13	100	И т о г о	1 635 993	100

Новая конструкция электролизера обязательно проходит стадию испытаний на группе опытных электролизеров. Во время этих испытаний уточняют конструктивные параметры электролизера н отрабатывают технологический режим.

На основании полученных в результате опытной проверки данных уточняют расчеты алюминиевого электролизера по всем частям и составляют рекомендации по дальнейшему его использованию.

11. Расчет числа электролизеров и производительности серии

Число работающих электролизеров в серии определяется средним напряжением электролизера (без составляющей от анодных эффектов) и напряжением выпрямительных агрегатов. При этом учитываются: потери напряжения в шинопроводах преобразовательной подстанции (принимаем 1 %), резерв напряжения для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта (принимаем 30 В) и резерв напряжения для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимаем 1 %).

При этих условиях для подстанции на 850 В определяющее число устанавливаемых в серии электролизеров напряжение составит: 850--(8,5+30+8,5) =803 В.

При работе в режиме, когда допускается один анодный эффект в сутки продолжительностью 1,5 мин с напряжением 35 В, составляющая часть от анодных эффектов в среднем напряжении электролизера будет равна: 1·1,5·35/(24·60) = 0,036 В (принимаем 0,4 В), где 24--число часов в сутках; 60--число минут в часе.

Число рабочих электролизеров n _раб в серии составит;

n _раб == 803/(4,29 -- 0,04) == 189 (округленно).

Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции н обеспечения постоянства производительности серии число устанавливаемых в ней электролизеров должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.



Число резервных электролизеров в серии определяется продолжительностью межремонтной эксплуатации (принимаем 3 года) и числительностью простоя на ремонте (принимаем 18 сут с обжигом).

Общее число устанавливаемых в серии электролизеров п составит:

n=n _раб+n₁= 189+3= 192.

При наиболее распространенном двухрядном расположении электролизеров серия из 192 электролизеров размещается в двух корпусах электролиза по 96 электролизеров в каждом.

Годовая производительность серии (Р) рассчитывается по формуле

Р= I · 8760 · 0,335 з_тn_раб · 10^-6= 1050 000 ·8760 ·0,335· 0,89·189 · 10^-6 = 51 831 т,

где I--сила тока серии, А; 8760--число часов в голу; 0,335--электрохимический эквивалент, г/(А.ч); з_т--выход по току, доли ед.; n_раб--число работающих электролизеров в серии.

Размещено на Allbest.ru

...