Свойств промышленного электролита

Стр 1 из 5Следующая ⇒

Содержание

Введение. 2

1 Описательная часть. 3

1.1 Требования к промышленному электролиту. 3

1.1.1 Свойств промышленного электролита. 3

1.2. Конструкция электролизера с СОА.. 3

1.2.1. Катодное устройство. 3

1.2.2 Анодное устройство. 3

1.2.3 Ошиновка электролизера. 3

1.3 Показатели процесса электролиза. 3

2 Расчётная часть. 4

2.1 Материальный баланс. 4

2.1.1 Производительность электролизера. 4

2.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр. 4

2.1.3 Расчёт продуктов электролиза. 4

2.1.4 Расчёт потерь сырья. 5

2.2 Конструктивный расчет. 6

2.2.1 Расчёт анодного устройства электролизера. 6

2.2.2 Расчёт катодного устройства. 7

2.2.3 Расчёт катодного кожуха. 8

2.3 Электрический баланс электролизёра. 9

2.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве. 9

2.3.2 Падение напряжения в подине. 10

2.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов. 10

2.3.4 Падение напряжения в электролите. 10

2.3.5 Падение напряжения в ошиновке электролизёра. 11

2.4 Тепловой баланс электролизёра. 11

2.4.1 Расчет прихода тепла. 11

2.4.2 Расчёт расхода тепла. 12

2.5 Расчёт цеха. 13

Список использованных источников. 16

Введение

Описательная часть

Требования к промышленному электролиту

Свойств промышленного электролита

Электролит – это…….

Конструкция электролизера с СОА

Катодное устройство

Катодное устройство алюминиевого электролизера предназначено ……….

Анодное устройство

Анодное устройство алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза.

Ошиновка электролизера

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей — анодной и катодной.

Показатели процесса электролиза

Расчётная часть

Материальный баланс

В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные оксиды углерода.

Расчет веду на основании заданных параметров:

- сила тока I = кА

- анодная плотность тока d_а = А/см²

- выход по току η = %

Расход сырья N, кг на получение 1 кг алюминия

- глинозем, N_Г=

- фтористый алюминий, N_Фа=

- фтористый кальций, N_Cа =

- анодная масса, N_М =

Проектируемый цех состоит из ___ серий. Для упрощения расчёты проводятся на один час работы электролизёра.

Производительность электролизера

Производительность электролизера Р_А1, кг рассчитывается на основе закона Фарадея:

Р_А1= j * I * τ * η (1)

где j - электрохимический эквивалент алюминия 0, 335 кг/(кА*ч);

I - сила тока, кА;

τ - время, час;

η - выход по току, д. е.

P _А1=

Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Затраты по сырью составят:

- глинозема R_Г, кг

R_Г= P_Al * N_Г (2)

R_Г=

- фтористых солей (АlF₃, СаF₂) R_Ф, кг

R_Ф =P_Al * (N_Фа + N_Ca) (3)

R_Ф =

- анодной массы R_м, кг

R_М = P_Al * N_М (4)

R_М =

Расчёт потерь сырья

Теоретический расход глинозема составляет 1, 89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:

G = P_Al * (Nг - 1, 89) (13)

G =

Потери углерода Rуг, кг рассчитывают по разности прихода анодной массы R_М и расхода углерода, связанного в окислы:

Rуг = R_М - (m_сco_{2 +} m_cco) (14)

Rуг =

Приход фторсолей принимаем равным их расходу. Результаты расчёта сводим в таблицу 1.

Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока кА

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем			Алюминий
			СО₂
			СО
Анодная масса			Потери:
			Глинозем
			Фтористые соли
Фтористые соли			Анодная масса
Всего		100	Всего		100

Конструктивный расчет

Конструктивный расчет определяет основные проектные параметры электролизера: длину и ширину самообжигающегося анода, количество токоподводящих штырей, размеры шахты и кожуха катодного устройства и другие.

Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из

Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (рисунок 1). Для электролизёра типа С-8БМ установлено, что расстояние

- от продольной стороны анода до футеровки, а = 63, 5 см

- от торца анода до футеровки, в = 50 см.

Рисунок 1 - Схема анода и шахты электролизёра

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты определяются:

Lш = Lа + 2*в; (21)

Lш =

Вш = Ва + 2*а (22)

Вш =

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную швом вперевязку из коротких и длинных прошивных блоков. Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 40 см, шириной b_б = 55 см, и длиной l_б от 110 до 400 см. При ширине шахты см применяют катодные блоки:

- короткие l_кб = 160 см

- длинные l_дб = 220 см

Число секций в подине, Nс определяют исходя из длины шахты:

Nс = (23)

где Lш – длина шахты, см;

b_б – ширина подового блока;

с – ширина шва между блоками, 4 см.

Общее число кисло катодных блоков N_б, равно:

N_б = Nс * 2 (24)

N_б =

Подина данного электролизера монтируется из катодных блоков, уложенных в два ряда по штук с перевязкой центрального шва. Межблочные швы при монтаже подины набиваются холоднонабивной подовой массой. Для отвода тока от подины в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):

- для блока 160 см длина блюмса 219 см;

- для блока 220 см длина блюмса 279 см.

Ширина периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:

- в торцах подины, bт,

bт = (25)

bт =

- по продольным сторонам, bп:

bп = (26)

bп =

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56, 5 см.

Расчёт катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3, 5), (27)

где: Lш - длина шахты, см;

Пу – толщина угольной плиты;

3, 5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

Lк =

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (28)

где Вщ - ширина шахты, см;

5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк =

Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):

- теплоизоляционная засыпка 3-5 см;

- два ряда легковесного шамота или красного кирпича толщиной 6, 5 см;

- три ряда шамотного кирпича по 6, 5 см;

- угольная подушка 3-5 см;

- подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 5 + 5* 6, 5 + 3 + Нш + h_б (29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б – высота подового блока, см.

Нк =

Принимаю катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно ____, по ____ с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12 мм. Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров, а также имеет рёбра жёсткости.

Падение напряжения в подине

Падение напряжения в подине, U_П мВ смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова:

U_П= (32)

где l_пр - приведенная длина пути тока, см (33);

ρ _бл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3, 72*10^-3 Ом*см;

В_ш - половина ширины шахты ванны, см;

В_бл - ширина катодного блока с учётом набивного шва, см (34);

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, см;

S_cт – площадь сечения блюмса, см²(35);

d_a - анодная плотность тока, А/см².

Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению:

(33)

где h_бл - высота катодного блока, см;

h_ст - высота катодного стержня, 14, 5 см;

В_ст - ширина катодного стержня, 26 см

l_пр=

Ширина катодного блока с учетом набивного шва В_бл, см равна:

В_бл = b_б + с, (34)

где b_б – ширина подового блока, см;

с – ширина набивного шва между блоками, см.

В_бл =

Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:

S_ст= h_ст * В_ст (35)

S_ст=

Тогда падение напряжения в подине U_П, мВ составит:

U_П =

Расчет прихода тепла

Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (39)

где 3600 – тепловой эквивалент одного кВт_*ч, кДж;

I – сила тока, кА;

U_гр– греющее напряжение, В (из таблицы 2);

τ – время, часы.

Q эл =

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_СО2 _* ∆ H^T_CO₂+ Р¹_{СО *} H^T_CO (40)

где Р¹_СО2и Р¹_СО– число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);

∆ Н^Т_СО2 и ∆ Н^Т_СО– тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода при 25°С (298 К):

∆ H²⁹⁸_СО2 = 394070 кДж/кмоль

∆ H²⁹⁸_СО = 110616 кДж/кмоль

(41)

(42)

Р¹_СО =

Qан =

Расчёт расхода тепла

На разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

Q_Г = R¹_Г * ∆ H^T_Г (43)

где ∆ H^T_Г - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25˚ С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

(44)

R¹_Г =

Q_Г=

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

При температуре выливаемого алюминия 960°С энтальпия алюминия ∆ H^T¹ _Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25°С энтальпия алюминия ∆ H^T² _Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда, потери тепла Q_Al, кДж с выливаемым алюминием составят:

Q_Al = Р¹_Al _* (∆ H^T¹_Al - ∆ H^T²_Al) (45)

где Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

(46)

Р¹_Al =

Q_Al =

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. Тогда унос тепла с газами Q_газ, кДж будет равен:

Q_газ= Р¹_СО _* ( H^T¹_CO-H^T²_CO) +Р¹_СО2 _* (H^T¹_CO2- H_T₂^CO2), (47)

где Р¹_СО и Р¹_СО2– количество CO и CO₂, кмоль

H^T¹_CO– энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль

H^T²_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль

H^T¹_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль

H^T²_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Q_газ=

Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

Q_п=(Q эл + Qан) - (Q_Г + Q_Al + Q_газ) (48)

Q_п =

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии			На разложение глинозёма
От прохождения электроэнергии			С вылитым металлом
От сгорания угольного анода			С отходящими газами
От сгорания угольного анода			Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра
Итого			Итого

Расчёт цеха

В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и цехом, а также удельный расход электроэнергии.

Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.

КПП обеспечивает серию электролизёров напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 1% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.

Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:

U =850 - (U₁ + U₂ + U₃) (49)

U =

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

(50)

где U - напряжение серии U, В

U_СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);

U_АЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

Количество установленных электролизеров в серии должно быть кратно четырем, поэтому в данной серии можно установить электролизеров.

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

Количество резервных ванн N_Р рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:

(51)

где N – число рабочих электролизёров в серии;

t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным дней;

Т – срок службы электролизёра, 4 года;

365 – дней в году.

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию, тогда в серии рабочих электролизеров N шт. будет:

(52)

где N - число установленных электролизеров;

N_Р - число резервных электролизеров

В сериях будет корпуса, в них установленных электролизёров, N_УСТ:

N_УСТ= N_У _* n (53)

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0, 335 * I * η * 8760 * N * 10^-3 (54)

где 0, 335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);