Содержание
Введение
1 Технологическая часть
2 Расчетная часть
2.1 Конструктивный расчет
2.2 Материальный расчет
2.3 Электрический расчет
2.4 Энергетический расчет
Список литературы
Введение
Основоположникамиэлектрического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции иЧарльз Холл в США.
23 апреля 1886 года ПольЭру и 9 июля того же года Чарльз Холл заявили, независимо друг от другааналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема,растворенного в расплавленном криолите. Эти даты следует считать началомвозникновения алюминиевой промышленности. В последующие годы электролитическоепроизводства алюминия стало развиваться чрезвычайно интенсивно.
К началу текущегостолетия производство алюминия существовало в шести странах: Швейцарии,Франции, США, Германии, Англии и Австрии. В настоящее время производствоалюминия осуществляется на более ста электролизных и глиноземных заводов мира.
Алюминиевая промышленность,созданная в нашей стране, занимает одно из ведущих мест в мире, как по объемампроизводства, так и по технической оснащенности. В августе 1929 годаправительство приняло решение о строительстве первых в СССР алюминиевыхзаводов.
Наибольшее развитие,алюминиевая промышленность, получила с вводом в действие мощных алюминиевыхзаводов, оборудованными электролизерами с верхним токоотводом и, особенно,таких гигантов цветной металлургии как Братский и Красноярский алюминиевыезаводы. На базе электроэнергии гидроэлектростанций рек Сибири и Волги былипущены заводы: Волгоградский (1959г.), Иркутский (1962г.), Красноярский(1964г.), Братский (1966г.) и д.р.
В настоящее времясущественно изменяется технологическая оснащенность алюминиевых заводов,характерны не только высокие темпы роста производства металла, но и стремлениек максимальной механизации трудоемких процессов улавливанию и регенерациисолей, фтора, перехода от выпуска чушкового металла к производствуполуфабрикатов, широкому использованию систем управления, максимальнойрационализации процесса электролизера.
Технологическоеперевооружение алюминиевых заводов выдвигает их в число наиболее совершенных вмировой алюминиевой промышленности.
1. Технологическаячасть
Электролиз алюминияявляется материалоемким процессом. В качестве основного сырья для производстваалюминия используется глинозем. Глинозем должен быть чистым, содержатьминимальное количество влаги, хорошо растворяться в электролите, не даватьосадков в электролизере на подине и иметь низкую степень пыления.
Основной средой, вкоторой протекает процесс электролиза, является электролит. Основнымикомпонентами является криолит (Na3 Al F6), фтористый алюминий (Al F3) и глинозем (Al2 О3). Электролитпромышленных электролизеров отличается от криолита некоторым избыткомфтористого алюминия, что характеризуется криолитовым отношением электролита(к.о.), молекулярным отношением NaF:Al F3.
Помимо основныхкомпонентов, электролит содержит в небольших количествах некоторые другиевещества, образующихся за счет примесей, вносимых с сырьем или вводимыхспециально для улучшения физико-химических свойств расплава СаF2, MgF2, NaCe, LiF.
Для чистого криолита к.о.= 3, электролит с таким к.о. считается нейтральным. Электролиты, содержащиеизбыток NaF и к.о. > 3 — называютсящелочными, а электролиты, имеющие избыток AI F3 и к.о.
На практике к.о.электролитов поддерживается 2,6 — 2,8. Это обеспечивается избытком NaF в электролите в количестве 2,5 — 5%.На передовых заводах эксплуатирующих электролизеры с обожженными анодами,электролиты еще более кислые — к.о. поддерживают 2,2 — 2,4.
Состав электролита
Na3 Al F6 (криолит) 70 — 90%;
Al2 О3 (оксид алюминия) 1 — 10%;
СаF2, MgF2 от 6 — 9%.
Процесс электролизаалюминия проводят при t0 955 — 9650C.
Нормальная работаалюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического итехнологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости отконструктивных особенностей электролизера. К этим параметрам относятся:
Сила тока — устанавливается в зависимости отразмеров, конструкции и технологического состояния электролизеров.
Среднее напряжение — вычисляется по показаниям серийныхсчетчиков вольт/часов.
Рабочее напряжение — контролируется по показаниямвольтметров и поддерживается в пределах, оговариваемых рабочимитехнологическими инструкциями.
Среднее напряжение — состоит из рабочего напряжения,напряжения анодных эффектов и перепада напряжения в ошиновке междуэлектролизерами.
Количествотехнологического алюминия — в электролизере характеризуется высотой столба (уровня) металла вшахте ванны. Уровень металла в силу высотой теплопроводности алюминия позволяетрегулировать теплоотдачу электролизера.
Количество электролита — тоже характеризуется его уровнем вшахте ванны. Практика показывает, что оптимальный уровень электролита находитсяв пределах 150 — 180мм., для самообжигающихся анодов.
Анодные эффекты — подразделяют на тусклые (меньше10В.), средние (менее 25В.), ясные (более 25В.). Анодные эффекты оказываютсущественное влияние на тепловой режим электролизера.
Форма рабочегопространства — нормально работающего электролизера характеризуется обязательным наличиемзащитного гарнисажа в зоне электролита, круто падающей настыли в зоне металла иотсутствием осадка и настыли на подине под анодом.
Перепад напряжения — в подине электролизера во многомзависит от формы рабочего пространства ванны и определяется путем измерения приборами,составляет 0,3 — 0,4В.
Основнымитехнологическими параметрами, определяющими правильность формированиясамообжигающегося анода, являются высота конуса стекания, уровень и температуражидкой анодной массы.
Для конструкции с верхнимтокоподводом — минимальное расстояние от штырей до подошвы анода, числогоризонтов, на которых установлены штыри, высота выступающих частейконструкций, применяемых для охлаждения жидкой части анода.
2. Расчетная часть
2.1 Конструктивныйрасчет электролизера
Сила тока (J) 155кА;
Анодная плотность (da) 0,68А/см2;
Ширина анода (Вa) 2750мм.;
Высота конуса спекания (hк) 1300мм.;
Высота уровня жидкойанодной массы (hж) 350мм.;
Уровень электролита (hэ) 180мм.;
Уровень металла (hм) 300мм.;
Толщина корки электролита(hч) -50мм.
При конструктивномрасчете определяются основные размеры электролизера.
Определение размерованода
По заданной силе тока J = 155кА, и анодной плотности тока da = 0,68, определенной по зависимоститока da = 0,68, определенной по зависимостианодной плотности от Аллы тока, определяем площадь сечения анода:
/> />
Приняв ширину анода /> = 2750мм., находим длинуанода:
/> />
/>
Высота анода />, складывается из высотыуровня жидкой анодной массы:
/>/>
и высоты конуса спекания:
/>
/>
/>/>
Внутренние размерышахты
Их определяют с учетомнайденных размеров анода и выбранного расстояния анода от боковой и торцевойстенок бортовой футеровки кожуха.
Расстояние от продольнойстороны анода до боковой футеровки />
до торцевой футеровки />
1. Внутренняя сторонашахты ванны
/>
2. Внутренняя длина шахтыванны
/>
3. Глубина шахты ванны
Определяем уровнемтехнологического />
/>
уровнем электролита
/>
толщиной коркиэлектролита с глиноземом
/>
/>
Расчет анодныхштырей
Длина стальной частиштыря 1950мм.
Диаметр верхней части 138мм.
Диаметр нижней части 100мм.
Длина конусной части 1080мм.
Длина штыря со штангой 2700мм.
Длина алюминиевой части 750мм.
Определяем среднийдиаметр штыря:
/>
Среднее значение штыря:
/>
Общее сечение штырей ваноде:
/>
Плотность тока в стальнойчасти штырей:
/>/>
Средняя токовая нагрузкана 1 штырь, принимается 2160А (max2200A).
/>
Конструкция катода
Основные размерыконструктивных элементов сборноблочного катодного устройства определяетсянайденными геометрическими размерами выпускаемых промышленностью прошивныхугольных блоков и стальных токопроводящих стержней.
Размеры подовых блоковвыбираем:
400 х 500 х 2000
где />
Подовые секции укладываютв подину с шириной шва />
Количество катодныхсекций
/>
т.к. расстояние междукатодными секциями, будет при таких данных слишком мало, принимаем />
Расстояние междукатодными блоками и боковой футеровкой шахты:
/>
Расстояние междукатодными блоками и боковыми блоками в торцах шахты
/>
Разметы катодного кожухазависят от геометрических размеров шахты ванны и толщены слоя футеровочных итеплоизоляционных материалов.
асбестовый лист, толщина />;
шамотная крупка засыпка /> на дне 50мм.
/> стороны борта 50мм.
Кирпичная футеровкавключает Р рядов шамотного и Q рядов легковесного шамотного кирпича, всего 4-6рядов.
Углеродистая подушка изподовой массы
/>
Расчет внутреннегоразмера кожуха
Внутренние размерыопределяются внутренними размерами шахты ванны и толщиной слоятеплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве боковой футеровкиугольных плит толщиной 200мм. и теплоизоляционного слоя толщиной 50мм., а дляподины шахты ванны, кроме катодных блоков высотой 400мм. теплоизоляционногослоя из 5 рядов кирпича по 65мм.
Внутренние размерыкатодного кожуха составят:
длина
/>
/>
ширина
/>/>
/>
высота
/>
/>/>
Расчет плотноститока в одном катодном стержне
Выбираем катодные стержниразмером 115 х 230 х 2590, катодные блоки 30 штук.
/>
Полученные данныеоформляем в сводную таблицу №1.
Таблица 1 — Сводныеданные
Наименование показателей
Ед. измерения
Значение Сила тока
кА 155 Выход по току % 86 Анодная плотность тока
а/см2 0,68 Количество катодных блоков шт. 30 Размер анодного массива мм. 8440 х 2750 Размер шахты мм. 9440 х 4050 Глубина шахты мм. 550 Количество штырей шт. 72
2.2 Материальныйрасчет электролизера
При производстве алюминияв процессе электролиза криалитно-глиноземного расплава расходуется глинозем иугольный анод с образованием газообразных окисей и двуокиси углерода. Крометого, в результате испарения электролита и разложения его составляющиххимическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результатепылеуноса вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некотороеколичество фтористых солей и глинозема. В случае применения самообжигающегосяанода, часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих еекоксование.
При материальном расчетеопределяют производительность электролизера и расход сырья на производствоалюминия.
производительностьэлектролизера (Р), при силе тока J = 155А и принятом выходе по току />= 86% составляет:
/>
где 0,3354 — электрохимический эквивалент для />/>;
/> — сила тока;
/> — выход по току.
/>
Р = 44,79 кг/г — такоеколичество /> сырца требуется дляведения технологического процесса.
Расходныекоэффициенты
Таблица 2 — Расходныекоэффициенты
Наименование
Значение Глинозем 1915-1920кг/г. Криолит свежий 2кг/ч. Фтористый алюминий 26-28кг. Криолит флотационный 45-47кг. Анодная масса 525-530кг.
Содержание отходящих газов СО2
СО
60%
40% Содержание углерода в анодной массе 96% Содержание связующий ванн массе 30% Выход угольной пены 30кг/ч. Содержание фторсолей в угольной пене 70% Выход пены з анодной массы 6% КПД напольного укрытия по фтору 80%
На получение /> сырца — 44,79кг/ч.,необходимо израсходовать:
глинозема
1,920 * 44,79 =85,99кг/ч.
свежего криолита
0,002 * 44,79 =0,0896кг/ч.
фтористого алюминия
0,028 * 44,79 = 1,25кг/ч.
криолита вторичного
0,047 * 44,79 = 2,1кг/ч.
анодной массы
0,530 * 44,79 =23,74кг/ч.
Итого: 113,17кг/ч.
При получении /> сырца, Р = 44,79кг/ч.,выделяется кислород. />/> 48; где 48 и 54 количествомолей /> и /> в глиноземе.
44,79 / 54 * 48 = 39,8кг.
Из этого количествакислорода перейдет в состав /> и />.
Расход количествауглерода, который окисляется кислородом, выделяющиеся в результатеэлектрохимического разложения глинозема, принимаем состав анодных газов.
/> = 60%;
/> = 40%.
/> = 39,8 * 60 * 2 / (2 * 60 + 40) =29,9кг/ч.
/> = 39,8 * 40 / (2 * 60 + 40) =9,95кг/ч.
Потери глинозема составляют:
(1,92 — 1,89) * 44,79 =1,34кг/ч.
где 1,89 — теоретическийрасход глинозема.
Отсюда отсчитываемколичество углерода связанного двуокись углерода /> (углеродистый)газ.
/>/>
в окись углерода СО(угарный газ)
/>
где 16; 12 — молекулярнаямасса /> и />.
Таким образом приполучении 44,79кг/ч. /> сырцавыделяется:
/> = 29,9 + 11,21 = 41,1кг/ч.
/> = 9,95 + 7,46 = 17,4кг/ч.
Потери анодной массыс летучими при коксовании
0,530 * 44,79 * 0,3 * (1- 0,8) = 1,42кг/ч.
с угольной пеной:
0,530 * 44,79 * 0,06 =1.42кг/ч.
с примесями: (зола /> ит.д.)
0,530 * 44,79 — (1,42 +1,42)] * (1 — 0,96) = 0,89кг/ч.
Потери фторсолей напропитку угольной подины
ширина подины; Вш 4050
ширина анода; Lш 9440
удельная пропитка подины 230
коэффициент пересчета Fu криолита 1,842
срок службы электролизера 4* 365 * 24
/>
Потери фтора сугольной пены
0,060 * 44,79 * 0,7 =1,88кг/ч.
где 0,060 — выход пены изанодной массы;
0,7 — содержаниефторсолей в угольной пене.
Потери фтора ватмосферу корпуса электролизера
фтористый алюминий 1,25
свежий криолит 0,09
расход криолитавторичного 2,1
(0,09 + 1.25 + 2,1) — (0,4 + 1,88) * 0,2 = 0,23
где 0,40 — потери напропитку угольной подины;
1,88 — потери F с угольной пены;
0,2 — коэффициент газовуходящих в атмосферу.
Потери фтора вгазоочистку
(0,09 + 1,25 + 2,1) — (0,41 + 1,88) * 0,8 = 1,6кг/ч.
где 0,8 — 80% КПДначального укрытия по фтору.
По проведенным расчетамсоставляем материальный баланс процесса электролиза на один электролизер.
Таблица 3 — Материальныйбаланс электролизера на силу тока 155000А
Приход
Наименование
кг/час
% Глинозем 85,99 76 Свежий криолит 0,0896 0,079 Фтористый алюминий 1,25 1,10 Криолит вторичный 2,1 1,86 Анодная масса 23,74 21 Итого: 113 100
Расход
Наименование
кг/час
% Алюминий 44,79 39,9
Анодные газы
/>
/>
41,1
17,4
36,6
15,4 Потери глинозема 1,34 1,2
Потери анодной массы
— с летучими
с угольной пеной
с примесями
1,42
1,42
0,89
1,3
1,3
0,74 Потери фторсолей на пропитку подины 0,46 0,40
Потери фтора
— с угольной пеной
— в корпус
— на газоочистку
1,88
0,23
1,6
1,7
0,21
1,43 Итого: 112,5 100
2.3 Электрическийрасчет электролизера
Электрический расчетэлектролизера выполняется с целью определения греющего, среднего и рабочегонапряжения.
Исходные данные:
Сила тока 155кА
Выход по току 86%
Размер анода 2750х 8440мм.
Площадь анода 227941
Высота столба анода 1600мм.
Количество штырей 72шт.
Анодная плотность тока 0,68А/см2
Размер шахты 4050х 9440мм.
Глубина шахты 550мм.
Расстояние от анода допродольной
стенки шахты 650мм.
до торцевой стенки 550мм.
Количество подовых секций 15х 2 = 30шт.
Сечение катодных стержней 115х 230мм.
Ошиновкаэлектролизера. Анодная ошиновка
Определяем общее сечениешин стояков, при этом принимаем плотность тока в шиноподводе 0,4
/>
Принимает алюминиевыешины сечения 430 х 60мм, тогда число шин в стояках будет равно:
П = 387500 / (430 * 60) =15 шт.
Катодная ошиновка
Катодная часть ошиновкисостоит из гибких листпусков отводящих ток от катодных стержней подшин ккатодным шинам. Сечение лент в пакете 1.5 х 200мм.
/>
где 0,7 — плотность токав лентах А/мм;
30 — количество пакетов
Тогда количество лент водном пакете
/>
Падение напряженияв анодной ошиновке
Падение напряжения ванодной ошиновке />состоящей изстояков Lст — 3,0м. и анодных пакетов 9,9м. (размеры определяютсяконструкцией электролизера).
Сечение анодной ошиновкиопределено 387500 по которым протекает ток J = 155кА
/>
где ча.о. — электросопротивление анодной ошиновки
Для определенияэлектросопротивления анодной ошиновки — ча.о., необходимо найти удельноесопротивление />, при средней t0500C.
Принимаем удельноеэлектросопротивление /> при t0200C.
/>
d = 0,004
/>
/>
Отсюдаэлектросопротивление в анодной ошиновке будет равно:
/>
/>
/>
Падение напряженияв аноде
При ориентированныхрасчетах определения падения напряжения в аноде используем уравнение:
/>
Находим площадь сеченияанода
Sa = 275 * 844 = 232100мм2
где к — количество штырей72шт.;
/> — средне расстояние от торцов всехтоковедущих штырей до подошвы;
/> — анодная плотность тока принимаем0,7;
/> - вреднее удельноеэлектросопротивление 0,008ом.см.
Среднее расстояние отторцов штырей до подошвы анода (/>) можетбыть определено из выражения:
/>
где /> — минимальное расстояние отторца штыря до подошвы анода 25см.;
nч — число горизонтов установки штырей принимаем 2;
/> - шаг между горизонтами 20.
/>
Подставляем в формулуМ.А. Коробова найденные значения:
/>
Ua = 0,565 B
Принимает из практическихданных, что падение напряжения штырь-штанга Uшт — 0,01В падение напряжения в контактах Uконт — 0,01В.
Падение напряженияв анодном узле
Состоит из суммы паденийнапряжения в аноде и контактах.
/>
Падение напряженияв электролите
Где сила тока 15000А.
Р — удельное сопротивление электролита,0,500ом.см. при К.О. 2,5;
/> - межполюсное расстояние 5,5см.
Sa — 232100см2
2 * (А + В) — периметр
(844 + 275) * 2 = 2238см.
/>
/>
/>
Падение напряжения в катодномустройстве
Складывается изнапряжения в подине, в частях катодных стержней, в соединительных пакетах, вконтактах соединений стержень-пакет-ошиновка.
/>
где /> - приведенная длина токапо катодному блоку.
/> - удельное сопротивление прошивныхблоков, принимаем по данным ВАМН 3,72*10-3.
Вш — половина ширины шахты ванны.
а — ширина бортовой настыли шахтыванны, при условии оптимальной ее формы и составляет 60см.
/> - ширина катодного блока с учетомнабивочного шва 55 + 4 = 59см.
Sст — площадь сечения катодного стержня 115 х 230 = 365см2.
ia — анодная плотность тока 0.7А/см.
Приведенную длину путитока (/>) по катодному блоку,вычисляем по уравнению:
/>
где Н — высотакатодного блока 40см.
/>и в — соответственно ширина ивысота катодного стержня с учетом чугунной заливки />=13см. в = 26см.
Тогда />
/>
В формулу Коробоваподставляем полученные значения:
/>
/>
Падение напряжения научастках катодных стержней на выступающих из подины участков катодных стержней.
Определяем исходя изследующих данных:
Общая площадь катодныхстержней:
Sк = 115 *230 * 30 = 793500мм2
где 30 — количествостержней.
Длина выступающей частикатодных стержней из конструктивного расчета
/>
/>
При этой температуреудельное электросопротивление стали составляет />
Сопротивление стальныхстержней
/>
Исходя из полученныхданных, определяем падение напряжения на участках катодных стержней.
/>
/>
Падение напряженияв алюминиевых соединительных лентах ΔUл
Определяем площадьсечения алюминиевых лент:
/>
Конструктивная длинаалюминиевых лент:
/>
Удельное сопротивлениеалюминия при средней t0лент 800C
/>.
Находим общеесопротивление в соединительных лентах
/>
Падение напряжения в них составит:
/>
/>
Принимаем из практическихданных катодные контакты 0,01В
Падение напряженияв катодном узле
Складывается из падениянапряжения на подине, катодных контактов, падения напряжения на алюминиевыхлентах и участках катодных стержней.
/>/>
/>
Напряжениеразложения
Для электролизеров сполусухими анодами с верхним токоподводом напряжения разложения рассчитываетсяпо формуле:
/>
где />
/>
/>
Падение напряженияот анодных эффектов
Определяем по формуле:
/>
где /> — превышение напряжения вэлектролизере во время анодных эффектов.
t — продолжительность анодного эффекта.
n — количество вспышек.
24; 60 — количество минутв сутках.
Частота анодных эффектовот 0,5 — 1; выбираем 1 анодный эффект.
Напряжение от анодныхэффектов от 35 — 50В; выбираем 35В.
Продолжительность анодныхэффектов 2 — 3мин.; выбираем 2 минуты.
/>
/>
Расчет падениянапряжения в ошиновке
Падение напряжения вкатодной ошиновке при ее длине />,площади поперечного сечения /> иудельном сопротивлении /> составит:
/>
/>
/>
Греющее напряжение
Определяем по формуле:
/>
где Uа.у. — падение напряжения в анодном узле.
Uк.у. — падение напряжения в катодномузле.
Uэл. — падение напряжения в электролите.
Uн.р. — направление разложения.
Uан.эф. — падение напряжения от анодногоэффекта.
/>
/>
Суммируя все составляющиенаходим среднее напряжение:
/>
Падение напряжения вобщесерийной ошиновке принимаем по практическим данным 0,04В.
/>
/>
Отсюда />
/>/>
Удельный расходэлектроэнергии
/>
где J — сила тока.
A — часовая производительность.
24 — количество часов всутках
/>
/>
Баланс напряженияэлектролиза
Таблица 4 — Баланснапряжения электролиза
Статьи падения напряжения
Падение напряжения
Uгр
Uраб
Uср
Всего
В
%
Анодные контакты
Анод
+
+
+
+
+
+
0,02
0,565
0,45
12,7
Итого в анодном устройстве + + + 0,585 13,1
Электролит
Напряжение разложения
+
+
+
+
+
+
1,70
1,38
38,2
31
Итого в электролите + + + 3,08 69,2
Подина
Контакты катодного узла
Катодный стержень
Катодные алюминиевые ленты
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0,35
0,01
0,013
0,020
7,86
0,22
0,29
0,45
Итого в катодном устройстве + + + 0,393 8,83
Продолжение Таблицы 4
Статьи падения напряжения
Падение напряжения
Uгр
Uраб
Uср
Всего
В
%
Анодная ошиновка
Катодная ошиновка
-
-
+
+
+
+
0,18
0,13
4,04
2,9
Итого в ошиновке - + + 0,31 6,97
Падение напряжения
от анодного эффекта
общесерийная ошиновка
+
-
-
+
+
+
0,048
0,04
1,1
0,90
Всего: 4,1 4,4 4,45 4,45 100
2.4 Энергетический расчетэлектролизера
Нормальную работуэлектролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когдарасход тепла в единицу времени равняется его приходу.
Энергетический расчетзаключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессеэлектролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этихсоставляющих:
/>
Исходные данные:
сила тока - 155кА
η - 86%
глинозем - 1920кг/т
анодная масса - 530кг
часоваяпроизводительность - 44,49кг/ч
электрохимическийэквивалент - 0,336
Часоваяпроизводительность определяется по формуле:
/>
где А — производительность.
J — сила тока
η — выход по току.
0,336 — электрохимическийэквивалент.
А = 0,336 * 155 * 0,86
А = 44,79кг/ч
Зная А, определяем
/>
Приход тепла
Qприх = Qреак + Qан + Qэн
где Qреак — тепло обратной реакции.
Qан — тепло от сгорания анода.
Qэн — тепло от электроэнергии.
Тепловые эффекты реакцийпротекают при электролизе, получены при t0
25 (2980К)
Qприх = 2191799, 86 кДж/ч
Расходныекоэффициенты
Таблица 5 — Показателирасходных коэффициентов
Наименование глинозема
Расход на 1т. />
Расход на часов производительности Глинозем 1,920 85,99 Анодная масса 0,530 23,74
1. От взаимодействияпродуктов электролиза (или тепло обратной реакции)
/>
Тепло обратной реакцииопределяем по формуле:
/>
где /> — тепловой эффект реакциииз Табл.№5 15681.
/>
где /> — 0,86 — выход по току.
2. Использование теплаанодных газов СО2 и СО при охлаждении от 9600до 5000Сгде Рсо2 и Рсо — число молей в час данных газов.
/>
где m = 0,6 (60%), доля СО2 иСО в анодных газах.
/>
Отсюда находим Qан * газов
/>
/>
где цифровые данные24,886 и 15,238 из Табл.№5 /> и />
3. Тепло отэлектроэнергии
/>
/>
Расход тепла
/>
а) На электрохимическуюреакцию
/>
(на разложение глинозема)
/>
/>
/>
б) На нагрев материалов
Температура окружающейсреды 250С — загружаем сырье и доводим до t0процесса 9600C
/>
где />
/>
где /> - расход на часовуюпроизводите2ьность (табл.№5).
/>
/>
в) Тепло теряемое сотходящими газами СО2 и СО
/>
/>
/>и />-число молей в час данных газов (определены ранее).
/>
/>
г) Тепло, теряемоенаружными поверхностями электролизера
При расчете приняты t0 окружающего воздуха 2980К(250С), t0 поверхностей электролизера определяемзамерами.
Тепло, теряемое, срассчитываемых поверхностей, определяем как суммарные потери конвенций иизлучение.
Расчеты ведутся поформуле:
/>
где n — коэффициент разложения поверхности
En — степень черноты.
/> - коэффициент излучении.
20,53 — коэффициентизлучения абсолютно черного тела.
S — площадь поверхности.
/> - в С0поверхностивоздуха.
/> - t0в К поверхности воздуха.
Значения тепловых потерьзаносим в Таблицу № 6.
Таблица 6 — Показателитепловых потерь
Наименование участка поверхности
Sм2
/>
Е
t0C
поверх.
t0C
возд.
n
Потери тепла QкДж/ч
Катодный кожух
— вертикальная поверх-ть.
— горизонтальная поверх-ть.
— днище кожуха
38,4
6,99
45,23
0,89
0,89
0,71
0,8
0,8
0,8
105
205
102
25
25
25
2,6
3,3
1,6
117271,88
64683,55
100854,75
Катодные стержни
— вертикальные
— горизонтальные
2,86
4,14
0,71
0,71
0,8
0,8
160
160
25
25
2,6
3,3
13884
21431 Корка электролита 4,1 1 0,6 250 25 3,3 49132,25
Поверхность анода
— горизонтальная
— вертикальная
— вертикальная
23,2
8,95
26,86
0,89
0,89
0,89
0,8
0,8
0,8
145
71
185
25
25
25
3,3
3,3
3,3
121105,66
15946,42
197644,70 Поверхность анодных штырей 21,84 0,55 0,8 90 25 2,6 37273
Газосборных колокол
— горизонтальная пов-ть.
— наклоненная пов-ть.
2,6
7,14
0,8
0,8
0,8
0,8
320
320
25
25
3,3
2,95
51413
138132 Всего потери тепла с поверхности
928744
Всего потери тепла споверхности Qпов = 928744кДж/ч
Определениеплощадей теплоотдавающих поверхностей
Катодный кожух
а) Sдн. = 9,940 * 4,550 = 45,23м2.
б) Sгор. = 45,23 — (9,44 * 4,05) = 6,99 м2.
в) Sвер. = (9,940 + 4,550) * 2 * 1,325 = 38,40 м2.
Катодные стержни
30 шт., выступают на0,3м.
а) Sверт. = 30 * (0,23 * 0,155 + 2 * 0,300* 0,115)
Sверт. = 2,86 м2.
б) Sгор. = Sгор. вв. + Sгор.ви.= 30 * 2 * (0,3 * 0,23)
Sгор = 4.14 м2.
Корка электролита
Газосборный колокол недоходит до кожуха на 1500м.
Sкор. = Р * 0,15
где Р — периметрвнутренней поверхности катодного кожуха
Р = 2 * 9,44 + 2 * 4,05 = 26,98 м2.
Sкор = 26,98 * 0,15 = 4,1 м2.
Поверхность анода
а) Sгор. = 2,75 * 8,44 = 23,38 м2.
где Р — периметр анода.
б) Sв1 = Р * />= 22,38 * 0,4 = 8,95 м2.
в) Sв2 = />= 22,38 * 1,2 = 26,86 м2.
где /> - 0,400мм.
/> - 1,200мм.
Поверхность анодныхштырей
dш = 1,38 на Н — 0,7м. количество 72шт.
Sш = 72 * />*d * Н = 72 * 3,14 * 0,138 * 0,7
Sш = 21,84 м2.
Поверхностьгазосборного колокола
а) Sнакл =0,26 * Рнакл = 0,26 * 27,46 = 7,14 м2.
б) Sгор = 0,1 * Ргор = 0,1 * 25,82 = 2,6 м2.
Потери тепла извлекаемые металломопределяются по формуле:
/>
где Q/> - теплоемкость />.
Q/> - 1,11кДж/ч/град.кг
А — производительность
Qме = 1,11 * (960 — 25) * 44,7
Qме = 46391,9Дж/час.
Расход тепла
Опеределяем из полученныхданных:
Qрасх = Qразл + Qнагр + Qгаз + Qпов + Qме
Qрасх = 1060245 + 123992,4 + 32396 +928774 + 46391,9
Qрасх = 2191799,3 кДж/ч
Таблица 7 — Тепловойбаланс
Приход тепла
Статья
кДж/ч
%
Тепло реакции
/>
Q реакции 114333,3 5,24
Тепло от анодных газов
/> 32682,2 1.50
Тепло от подведенной энергии
Qэл 2044783,86 93,25 Всего приход 2191799,36 100
Расход тепла
Статья
кДж/ч
%
Энергия реакции
/>
Qразл 1060245 48,64
Нагрев материалов
Qнагр 123992,4 5,7
Тепло с отходящих газов
Qгаз 32396 1,49
Тепло с поверхности
Qпов 928774 42,1
Тепло с извлекаемым металлом
Qме 46391,9 2,13 Всего расход 2191799,36 100
Список литературы
1. Троицкий И.А.,Железнов В.А. “Металлургия алюминия”, 1977.
2. Терентьев В.Г.,Школьников Р.М., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И.“Производство алюминия”, 1998.
3. Янко Э.А.,Лозовский Ю.Д., “Производство алюминия в электролизерах с верхнимтокоподводом”, 1976.
4. Справочникметаллурга по цветным металлам “Производство алюминия”.