Курсовая работа на тему:
Конструктивный расчет ванн
Содержание
1) Конструктивный расчет
1.1 На основании этих данных определяем размеры анода.
1.2 Размеры шахты ванны
1.3 Конструкция подины
1.4 Внутренние размеры катодного кожуха.
1.5 Наружные размеры катодногокожуха
2) Материальный расчет
2.1 Расходные нормы
2.2 Расходная часть
3) Электрический расчет
3.1 Определяем падение напряжения в анодном устройстве
3.1.1 Падение напряжения в стояках
3.1.2 Определяем падение напряжения в анодных шинах
3.1.3 Определяем падение напряжения в анодных спусках
3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемсяаноде
3.1.5 Определяем падение напряжения в контактах анодногоузла
3.1.6 Падение напряжений в анодном устройстве определяетсясуммой всех падений напряжения в аноде
3.2 Падение напряжения в электролите
3.3 Падение напряжения в катодномустройстве
3.3.1 Падение напряжения в подине
3.3.2 Падение напряжения в стержнях не заделанных в подину
3.3.3 Падение напряжения в катодных спусках
3.3.4 Падение напряжения в катодных шинах
3.3.5 Падение напряжения в контактах
3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектов
3.5 Греющее напряжение
3.6 Рабочее напряжение
3.7 Среднее напряжение
3.8 Определяем основные показатели
4) Тепловой расчет
4.1 Приход
4.1.1 Тепло от электроэнергии
4.1.2 Тепло от сгорания анода
4.1.3 Суммарный приход тепла
4.2 Расход тепла
4.2.1 На разложение глинозема
4.2.2 С выливкой металла
4.2.3 Унос тепла с газами
4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера
5) Расчет числа электролизеров в серии
1) Конструктивный расчет
Конструктивный расчетвыполняется для определения размеров конструктивных элементов ванн, для этогонеобходимы следующие показатели: сила тока на ванне, анодная плотность тока. Аноднуюплотность тока принимаем 0,78 А/см21.1 На основании этих данных определяем размерыанода
/>,
где: I — сила тока, А, dA — плотность тока, А/см2
/>
ВА — ширина анодногомассива принимаем 210 см, тогда длина анодного массива будет:
/>
НА — высота анодногомассива:
НА= hконусаспекания + hжидкой части = 135 + 45=180 см
1.2 Размеры шахты ванны
Внутренние размеры шахты ванныопределяются исходя из размеров анодного массива и расстояния до боковойфутеровки, которое составляет: по продольной стороне 55см, а по торцевой 50см.
Ширина шахты — ВШ
ВШ = ВА +2 · 55 = 210 + 110= 320 см
Длина шахты — LШ
LШ= LАМ + 2 · 50 = 427,4 + 100 = 527,4 см
Глубина шахты — НШ
НШ = hМЕ + hЭЛ = 30+ 20 =50 см1.3 Конструкция подины
Число блоков. В настоящее времядлина катодных блоков 60 — 220 см, шириной 55 см, высотой 40 см, ширинаугольной засыпки 4 см. Отсюда число катодных блоков в ряду будет равно:
/>
а — размер набоечного шва вторцах
/>
b — Размернабоечного шва по продольным сторонам
/>,
где L1и L2 длина катодных блоков, см1.4 Внутренние размеры катодного кожуха.
Определяются размерами шахтыванны с учетом теплоизоляции
Длина катодного кожуха LКОЖ.
LКОЖ.= LШ + 2 (20 + hТЕПЛ)= 527,4 + 2 (20 + 8) = 583,4 см
Ширина катодного кожуха ВКОЖ.
ВКОЖ. = ВШ+ 2 (20+8) = 320 + 56 = 376 см
Высота кожуха НКОЖ.
НКОЖ. = НШ+ НБ + 6,5 + 5 = 50 + 40 + 11,5 = 101,5 см1.5 Наружные размеры катодного кожуха
Наружная длина LКОЖ.Н.
LКОЖ.Н.= LКОЖ. + (2 · 40) = 583,4 + 80 = 663,4см
Наружная ширина кожуха ВКОЖ.Н.
ВКОЖ.Н. = ВКОЖ. +(2 · 40) = 376 + 80 = 456 см
2) Материальный расчет
Проводится для определенияпроизводительности электролизера и расхода сырья на производство алюминия. Исходнымиданными является сила тока, выход по току и расходные нормы по сырьевымматериалам и анодной массе.
ηi — выход по току, принимаем 0,9
I — сила тока 70000 А2.1 Расходные нормы
AI2O3 — 1,92 — 1,93 т/т AI — Рг
Анодная масса — 0,5 т/т AI — Ра
Фторсоли 0,057 т/т AI — Рф 2.1 Приходная часть
Производительность электролизераопределяется по формуле
Р AI = С· I · ηi · 10-3, гдеС — электрохимический эквивалент, 0,336 г/А·ч
Р AI =0,336 · 70000 · 0,9 · 0,001 = 21,17 кг/ч
Определяем приход материалов вванну
Р AI2O3 = Р AI · Рг= 21,17 · 1,92 = 40,65 кг
РАНОД = Р AI · Ра = 21,17 · 0,5 = 10,6 кг
РФТОР = Р AI · РФ = 21,17 · 0,057 = 1,21 кг
2.2 Расходная часть
Анодные газы
Количество СО и СО2.
NСОи NСО2 — мольные доли СОи СО2в анодных газах, NСО — 0,4, а NСО2 — 0,6.
/>
/>
Весовое количество СО и СО2
РСО2 = МСО2· 44 = 0,44 · 44 = 19,36 кг
РСО = МСО· 28 = 0,29 · 28 = 8,12 кг
Потери глинозема ΔР AI2O3.
ПAIп,т — практический и теоретический расход глинозема, т/т AI
ΔР AI2O3 = Р AI (ПAIп — ПAIт) = 21,17· (1,92 — 1,89) = 0,635 кг
Потери фторсолей ΔРФТОР.
ΔРФТОР = РФТОР= 1,21 кг
Потери углерода РС =(МСО + МСО2) · 12 = (0,29 + 0,44) · 12 = 8,76 кг
ΔРС = РАНОД — РС = 10,6 — 8,76 = 1,84 кг
Таблица материального баланса.
/>
3) Электрический расчет
Цель: определение конструктивныхразмеров ошиновки, определение падения напряжения на всех участках цепи,составление баланса напряжений. Определение рабочего греющего и среднегонапряжения. Определение выхода по энергии и удельного расхода по электроэнергии.
dAI =0,415 A/мм2 = 41,5A/см2
dCu= 0,7 A/мм2 = 70 A/см2
dFe= 0,18 A/мм2 = 18 A/см23.1 Определяем падение напряжения в анодномустройстве3.1.1 Падение напряжения в стояках
/>,
где:
I — сила тока, А
ρt — удельное сопротивление проводника, Ом · см
а — длина участка шинопровода,см
SОб — общее сечение проводника, см2
SЭК-экономически выгодное сечение стояка, см2
/>
nШ — число алюминиевых шин, шт
/>,
где:
SПР — практическое сечение одной шины, см2
SОб — общее сечение стояка, см2
SОб= nШ · SПР= 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2
ρt AI — удельное сопротивление алюминиевых шин
ρt AI =2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10-6 Ом · см,
где t изпрактических данных 60 ° С
ρt AI =2,8 (1 + 0,0038 · 60) · 10-6 = 3,44 · 10-6 Ом · см
высота стояка а — изпрактических данных 265 см
/>3.1.2 Определяем падение напряжения в анодных шинах
Общее сечение анодных шин
SОб=SОб ст = nШ· SПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2
Удельное сопротивление АI шин при t = 80 ° С
ρt AI =2,8 (1 + 0,0038 · 80) · 10-6 = 3,65 · 10-6 Ом · см
Длина анодных шин принимаетсяравная длине кожуха + 100 см
LА.Ш.= LКОЖ + 100см = 583,4 + 100 = 683,4 см
Падение напряжения в анодныхшинах
/>
Определяем количество рабочихштырей
/>,
где:
2 — количество рабочих рядов, шт
Р — периметр анода, см
Р = 2 · (LА+ ВА) = 2 · (210 + 427,4) = 1274,8 см
/>
Определяем среднее сечение штыря
/>
Определяем средний диаметр штыря
/>
Длина штыря 105см3.1.3 Определяем падение напряжения в анодныхспусках
Удельное сопротивление анодныхспусков при t = 150 ° С
ρt Cu =1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,9 · 10-6 Ом · см
Сечение анодных спусков
/>
При длине анодных спусков 210 смопределяем падение напряжения
/>
Определяем количество медныхшинок приходящихся на 1 штырь, если сечение одной шинки 1см2
/>3.1.4 Определяем падение напряжения всамообжигающемся аноде
Определяется по формуле
/>
Где:
ВА — ширина анода, см
SА — площадь анода, см2
К — количество штырей, шт
lСР — среднее расстояние от токоведущих штырей до подошвы анода — 45см
ρt — удельное электро сопротивление анода 0,007 Ом · см
dА — анодная плотность тока — 0,78 А/см2
D — длина забитой части штыря — 85 см
/>3.1.5 Определяем падение напряжения в контактаханодного узла
Принимается по практическимданным:
Анодная шина — анодный стояк
Анодный стояк — катодная шина
Анодная шина — анодный спуск
Принимаем по 0,005 в на каждомучастке, тогда
ΔUКОНТ= 0,005 · 3 = 0,015 в
В контакте шинка — штырь 0,007 в,тогда общее падение напряжения в контактах составляет ΔUКОНТАН. = 0,022 в3.1.6 Падение напряжений в анодном устройствеопределяется суммой всех падений напряжения в аноде
ΔUАНУСТР = ΔUСТ + ΔUА.Ш. + ΔUА. СП.+ ΔUА + ΔUКОНТАН =
= 0,036 + 0,1 + 0,0426 + 0,254 +0,022 = 0,4546 в
3.2 Падение напряжения в электролите
Рассчитывается по формуле
/>,
где:
I — сила тока 70000 А
ρt — удельное сопротивление электролита 0,5 Ом · см
l — межполюсное расстояние 4-5 см
SА — площадь анода, см2
LА — длина анода 427,4 см
ВА — ширина анода 210см
/>3.3 Падение напряжения в катодном устройстве3.3.1 Падение напряжения в подине
/>
где lПР — приведенная длина пути тока по блоку
/>,
где:
Н — высота катодного блока 40 см
h — высотакатодного стержня с учетом чугунной заливки 13 см
в — ширина катодного стержня сучетом чугунной заливки 26см
/>
ρt — удельное электро сопротивление угольного блока 0,005Ом · см
А — половина ширины шахты 320: 2= 160 см
а — ширина бортовой настыли вшахте ванны 40-60 см
В — ширина блока с учетом шва 59см
SСТ — площадь поперечного сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки 338см2
dА — 0,78 А/мм2
/>3.3.2 Падение напряжения в стержнях не заделанных вподину
/>
где:
L — длина стержня 50 см
S — суммарная площадь поперечных сечений катодных стержней
S = 23 ·11,5 · 16 = 4232 см2
ρFe — удельное сопротивление стержней при t= 150 ° С
ρt = 13 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,08 · 10-5Ом · см
/>3.3.3 Падение напряжения в катодных спусках
/>
где:
L — длина спусков 60 см
ρСu — удельное сопротивлениекатодных спусков при t = 150 ° С
ρt = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,912 ·10-6 Ом · см
SЭ.В.- экономически выгодная площадь поперечного сечения спусков
/>
Число лент в пакете катодныхспусков приходящихся на 1 штырь
/>
Площадь поперечного сечения лент
/>
Падение напряжения
/>3.3.4 Падение напряжения в катодных шинах
/>
где:
ρAI — удельное сопротивление АI шин при t= 150 ° С
ρt AI =2,8 (1 + 0,0038 · 150) · 10-6 = 4,396 · 10-6 Ом · см
L — длинакатодных шин
L = LK + 100 см = 583,4 + 100 = 683,4 см
SК.Ш. — площадь сечения катодных шин
/>
Площадь сечения 1-ой шины 43 ·6,5 = 279,5 см2
Количество шин
/>
S — экономически выгодная площадь сечения катодных шин
S =279,5 · 6 = 1677 см2, падение напряжения.
/>3.3.5 Падение напряжения в контактах
1) Катодный стержень — спуск.
2) Спуск — катодная шина.
Составляют по 0,005 в на каждомучастке, поэтому в сумме 0,01 в.
3.3.6 Падение напряжения вкатодном устройстве.
Определяется как сумма всехпотерь
/>3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектов
/>
где: /UА.Э. — напряжение анодного эффекта до 40 в, К — количество анодных эффектов всутки 1 шт, UРАБ — принимаем 4,25 в, τ — продолжительность анодного эффекта, принимаем 2 мин.
/>3.5 Греющее напряжение
ΔUГР= ΔUА + ΔUПОД+ ΔUЭЛ + ΔUА.Э.+ UРАЗЛ=
= 0,254 + 0,32 + 1,6 + 0,0496 +1,65 = 3,8736 в
3.6 Рабочее напряжение
ΔUРАБ= ΔUЭЛ + UРАЗЛ+ ΔUКАТ. УСТР. + ΔUАН. УСТР. + ΔUОБЩЕСЕР.=
= 1,6 + 1,65 + 0,4839 + 0,4546 +0,05 = 4,2385 в3.7 Среднее напряжение
ΔUСР= ΔUРАБ + ΔUА.Э.
где ΔUОБЩЕСЕР — падение напряжения в общесерийной ошиновке, принимаем 0,05в
ΔUРАБ= 4,2385 + 0,0496 = 4,2881 в
Данные из расчета сводим втаблицу
/>
3.8 Определяем основные показатели
Выход по энергии
/>
где:
ηi — выход по току, принимаем 0,9
с — электрохимический эквивалент0,336 г/А·ч
/>
Удельный расход электроэнергии
/>
4) Тепловой расчет
Данный расчет составляется для t = 25 ° С. При выполнении данного расчетаучитывается уравнение теплового баланса.
QЭЛ+ QСГОР. АНОДА = QРАЗЛ+ QМЕТ + QГАЗ+ QПОТ4.1 Приход4.1.1 Тепло от электроэнергии
I — сила тока 70 кА
UГР — напряжение греющее 3,87 в
QЭЛ= 3,6 · 103 · I · UГР= 3,6 · 103 · 70 · 3,87 =975240 кДж/ч4.1.2 Тепло от сгорания анода
QСГОР.АНОДА = PCO · ΔНCO + PCO2· ΔНCO2
где: ΔНСО2 и ΔНСО — тепловой эффект образования реакции СО2 и СО.
По справочнику:
ΔНсо2 = 394070кДж. /кМоль
ΔНсо = 110616 кДж. кМоль
PCOи PCO2 количества СО иСО2в кило молях
/>, />
где: m — объемная доля СО2 в анодных газах, принимаем0,6 или 60%
/>
/>
QСГОР.АНОДА = 0,294 · 110616 + 0,440 · 394070 =
= 32521,1 + 173390,8 = 205911,9кДж/ч4.1.3 Суммарный приход тепла
QПРИХ= QСГОР. АНОДА + QЭЛ= 205911,9 + 975240 = 1181151,9 кДж/ч4.2 Расход тепла4.2.1 На разложение глинозема
QРАЗЛ= РАI2О3 · НТАL2О3
где: НТАI2О3 — тепловой эффект образования реакции глиноземапри температуре 25 ˚С.
По справочнику:
НТАI2О3 = 1676000 кДж. /кМоль
РАI2О3 — расход глинозема на электрическое разложение
/>
где: F — число Фарадея 26,8 А·ч
/>
QРАЗЛ= 0,39 · 1676000 = 653640 кДж/ч4.2.2 С выливкой металла
Определяется из условияравенства вылитого AI и наработанного за то же время
QМЕТ= РAI · (ΔН960 — ΔН25)
где:
/>
27 — атомная масса алюминия
ΔН960 — теплосодержаниеалюминия при температуре 960 ˚С — 43982 кДж/моль
ΔН25 — теплосодержаниеалюминия при температуре 20 ˚С — 6716 кДж/моль
QМЕТ= 0,78 · (43982 — 6716) = 29067,5 кДж/ч4.2.3 Унос тепла с газами
QГАЗ= V · C · (t2 — t1)
где:
V — объем газов, принимаем 7600 м3/ч
С — теплоемкость анодных газов1,4 кДж/м3·°С
t1,t2 — температура газов 25 °С, 50 °С
QГАЗ= 7600 · 1,4 · (50 — 25) = 266000 кДж/ч4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера
QПОТ= QПРИХ — (QРАЗЛ+ QМЕТ + QГАЗ)=
= 1181151,9 — (653640 + 29067,5 +266000) = 232444,4 кДж/ч
/>
5) Расчет числа электролизеров в серии
Число работающих электролизеровопределяется UСР и UПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.Для серии электролизеров выпрямительный агрегат имеет U= 850 в. Учитываются потери напряжения в шинопроводах подстанции, принимаем 1%.Резерв напряжения при снижении I при анодном эффектепринимаем 40 в. Резерв напряжения для компенсации колебаний напряжения вовнешней электросети 1%. При этом напряжение серии составит:
UСЕРИИ= 850 — (8,5 + 40 + 8,5) = 793 в
Число работающих электролизеров
/>
Число резервных электролизеров
/>
Производительность серии в год
Р = I · 8760· 0,336 · nРАБ · ηi · 10-6 =
= 70000 · 8760 · 0,336 · 185 ·0,9 · 10-6 = 34305 т/год