Описание конструкции электролизера
Содержание
Введение
. Описательная часть
.1 Описание конструкции
электролизера
.1.1 Катодное устройство
.1.2 Анодное устройство
.1.3 Ошиновка электролизера
.1.4 Газоулавливающие устройства
.2 Напряжение, разложение глинозема
.3 Виды товарной продукции
. Расчётная часть
.1 Материальный баланс
.2 Конструктивный расчет
.3 Электрический баланс
электролизёра
.4 Тепловой баланс электролизёра
.5 Расчёт цеха
. Организационно экономическая часть
.1 Расчет производственной программы
Список использованной литературы
Введение
Алюминий - легкий,
прочный и пластичный металл. Уникальное сочетание его свойств, в числе которых
- долговечность, непроницаемость, высокая тепло- и электропроводность,
устойчивость к коррозии и возможность стопроцентной переработки - делает его
незаменимым компонентом для огромного количества промышленной продукции - от
электрической лампочки до реактивного самолета.
Он относится к III
группе периодической системы, обозначается символом Al, имеет атомный номер 13
и атомную массу 26,98154. Температура его плавления составляет 660°. Алюминий
чрезвычайно распространен в природе: поэтому параметру он занимает четвертое
место среди всех элементов и первое - среди металлов (8,8% от массы земной
коры), ноне встречается в чистом виде. Его в основном добывают из бокситов,
хотя известно несколько сот минералов алюминия (алюмосиликаты, алуниты и т.п.),
абсолютное большинство которых не подходит для получения металла.
Это один из самых
востребованных металлов, и по темпам роста потребления он давно и с большим
отрывом оставил позади сталь, никель, медь и цинк. Главная область его
применения - авиа- и автомобилестроение.
Благодаря своей
легкости и прочности алюминий делает автомобили и самолеты более безопасными и
позволяет сократить расход топлива и объем вредных выбросов, от чего выигрывают
не только производители транспорта, но и все население планеты.
Алюминий без
преувеличений можно назвать металлом будущего - возможности и темпы развития
человечества напрямую зависят от развития алюминиевой отрасли. Интенсивный рост
мирового населения предполагает строительство новых дорог и зданий, а также
производство транспорта в объеме, достаточном для перевозки ежегодно
увеличивающегося количества пассажиров. Все это возможно только с применением
алюминия.
Кроме того,
алюминий - важный участник глобальной борьбы за экологическую безопасность и
предотвращение угрозы глобального потепления. По сравнению с другими металлами
его производство значительно более дружелюбно по отношению к окружающей среде,
он может бесконечно перерабатываться, не теряя своих уникальных свойств, а с
его применением создается энергоэффективный транспорт и экологичное жилье.
Первичный алюминий
используется в транспортной, строительной, электротехнической и упаковочной
отраслях промышленности. Предприятия РУСАЛа производят первичный алюминий в
соответствии с международными стандартами, российскими ГОСТами и различными
техническими спецификациями, разработанными по запросам потребителей.
1. Описательная часть
.1 Описание конструкции электролизера
.1.1 Катодное устройство
Наиболее распространенной модификацией является
катодные кожухи с днищем, которые применяют на электролизерах всех типов и
устанавливают на фундаментах в одноэтажных корпусах, и на специальных ригельных
балках в двухэтажных корпусах. Один из возможных вариантов такого катодного
устройства представлен.
В результате пропитки футеровки компонентами
расплава и воздействия высокой температуры объем футеровки возрастает,
благодаря чему возникают значительные усилия, воздействующие на стенку
катодного кожуха, что приводит к его деформации, разрешению футеровки и
сокращению срока службы электролизера. Для обеспечения надежной и длительной
работы ванны катодный кожух выполняют жесткой конструкции, способной
противостоять возникающие усилиям. Различают два вида катодных кожухов с днищем
и без днища.
Футеровка
Состоит из углеродистой, огнеупорной и
теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет определенную роль,
обладающие способностью взаимодействовать с большинством химических элементов и
их соединений. От качества футеровки в решающей степени зависит срок службы
ванны.
По конструкции углеродной футеровки промышленные
электролизеры можно разделить на три группы:
. Монолитные катоды создавались путем набойки
шахты пластичной подовой массы. Это самый дешевый тип катодного устройства, но
из-за низкого качества подина, выделения большего количества смолистых
соединений при обжиге они в настоящее время не находят применения.
. Катоды из обожженных блоков с набивными
межблочными швами являются наиболее отработанным и практически единственным
типом подины, широко применяемым в алюминиевой промышленности России.
Межблочные швы - слабо место подины, и их качество во многом определяет срок
службы электролизера.
. Склеенные полумонолитные катоды из обожженных
и механически обработанных блоков представляют собой наиболее совершенный (и
самый дорогой) тип катода, который обеспечивает длинный срок службы
электролизера. Этот тип подины пока не нашел широкого применения из-за высокой
стоимости блоков и сложности монтажа.
Гнездо для монтажа блюмса в катодных блоках,
изготавливаемых в России, имеет форму ласточкина хвоста. Соединение блока с
блюмсом чаще всего осуществляют заливкой жидкого чугуна в пространства между
ними. При недостаточном или неравномерном нагреве блока и блюмса перед заливкой
чугуна в блоках образуются трещины, приводящие к преждевременному выходу ванн
из строя.
Поверхность угольной подины плохо смачивается
жидким алюминием, и для снижения перепада напряжения в ней приходится поддерживать
большей столб жидкого металла на подине. Снижением перепада напряжения в подине
способствовало бы использование смачиваемых алюминиевых подовых блоков. Поэтому
в последние годы расширяется объем исследований материалов на основе
тугоплавких соединений, улучшающих свойства угольной футеровки катода, наиболее
подходящей из которых являются бориды и карбиды титана и циркония.
Новые материалы для футеровки подины, по мнению
исследователей, позволят в 5-10 раз увеличить съем алюминия с единицы площади
катода, на 25-30% снизить расход электроэнергии и увеличить срок службы ванны
на 3-4 года. Основные сведения о проводимых работах по применению тугоплавких
соединений для покрытия поверхности подин.
1.1.2 Анодное
устройство
Анодное устройство
алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для
подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза. Основным
материалом самообжигаюшегося анода служит пек и углеродистая масса. По мере
протекания процесса электролиза анод спекается, а затем сгорает. Поэтому его
надо периодически опускать. Для этого служит специальный подъемный механизм
анодного устройства.
В отечественной
алюминиевой промышленности наиболее распространен тип электролизера с
самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Анод находится внутри
металлического кожуха, назначение которого - удержать жидкую часть углеродистой
массы и придать ей по мере коксования нужную форму. Ток к аноду подводится с
помощью сталеалюминевых штырей, устанавливаемых сверху в тело анода. Кроме
подвода тока, штыри выполняют роль несущих анод элементов. Сталеалюминевый
штырь в отличие от ранее применяемых стальных не только обладает повышенной
электропроводностью, но и способствует стабилизации электромагнитного поля
электролизера, так как в алюминиевой части не обладает магнитными свойствами.
Штыри при помощи специальных эксцентриковых зажимов крепятся к анодной раме.
Назначение рамы -
удерживать анод в горизонтальном положении и подводить ток к штырям. Анодную
раму, как правило, изготавливают из стальных балок, вдоль которых монтируют
токоподводящие алюминиевые шины. В электролизерах наиболее современных
конструкций анодная рама полностью выполнена из алюминиевого сплава и, обладая
высокой электропроводностью, является несущей конструкцией.
В современных
электролизерах этого типа на силу тока 150-160 кА масса анода со штырями
составляет 70-80 т. Для перемещения анодной рамы с подвешенным к ней анодом в
вертикальном направлении служит подъемный механизм. В отличие от механизма,
необходимого для периодического вертикального перемещения анодной рамы
относительно угольного анода, этот механизм называется основным.
Таким образом,
анодное устройство электролизера с самообжигающимся анодом и верхним
токоподводом состоит из несущей токоподводящей рамы, вертикально установленных
штырей, углеродистой анодной массы и механизмов перемещения анода и анодной
рамы. Все эти основные элементы свойственны в том или другом конструктивном
оформлении электролизерам с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом.
.1.3 Ошиновка
электролизера
Ошиновка является
токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей -
анодной и катодной. Электролизеры, располагаемые рядами один за другим,
соединены токопроводами из алюминиевых шин различного сечения и включены в
электрическую цепь последовательно: катодные шины одного электролизера
соединены с анодными шинами другого. Группа электролизеров, объединенная в одну
цепь, называется серией.
В анодную часть
ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные шины, от которых
ток при помощи специальных контактов передается к штырям. Катодная часть
ошиновки состоит из гибких лент - катодных спусков, отводящих ток от катодных
стержней подины, и катодных шин.
Существует много
схем устройства шинопроводов электролизеров. Выбор схемы ошиновки зависит от
типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. При выборе ошиновки
следует руководствоваться следующими данными: оптимальная плотность тока в
ошиновке, наименьшее влияние взаимодействия магнитных полей на процесс
электролиза и возможность быстрого отключения и подключения в электрическую
печь одного электролизера без нарушения работы остальных.
1.1.4
Газоулавливающие устройства
Назначение
газоулавливающих устройств как составной части электролизера - сбор
выделяющихся в процессе электролиза газов на месте их возникновения и
последующий вывод газов в газоочистную систему. Выбор конструкции устройства
для газоулавливания во многом зависит от типа электролизера. Наилучшей
конструкцией является укрытие всего электролизера.
Для электролизера с
самообжигающимся анодом и верхним токоподводом практически невозможно
применение устройств для газоулавливания, предусматривающих полное укрытие
электролизера, так как их очень трудно обслуживать, а полную герметизацию
осуществить практически невозможно. Для электролизеров данного типа широкое
распространение получила так называемая колокольная конструкция
газоулавливания.
Основным
преимуществом этой конструкции является улавливание концентрированных газов и
возможность дожигания летучих составляющих, образующихся при коксовании анода,
а также дожигания СО до CO2 в специальных устройствах - горелках. “Колокольное”
устройство представляет собой набранную из отдельных секций конструкцию,
опоясывающую по периметру анод на уровне нижнего края анодного кожуха.
Недостатком такой системы является неполное улавливание (до 70%) отходящих от
электролизера газов.
.2 Напряжение
разложение глинозема
Напряжение
разложения глинозема зависит от материала анода. При электролизе с угольными
анодами разряжающийся на электроде кислород окисляет углерод до СО2 и СО. Тогда
напряжение разложения глинозема равно 0,9В-1,1В. Процесс окисления углерода,
сопровождается выделением энергии. Окисление углерода приводит к анодной деполяризации,
от которой снижается напряжение разложения глинозема. Однако эти числа
действительны только в теории, на практике эти значения равны 1,4В-1,6В. Это
происходит вследствие того что окисление угольного анода в реальных условиях
протекает значительно сложнее чем это принимается в теоретических расчетах.
Разница между
теоретическими затратами напряжения и практическими, обусловлена тем что
образование анодных газов затруднено и происходит через образование
промежуточных соединений на что и тратиться дополнительная энергия:
С + О2 = СхО =
СО
С + О2 = СхО =
СО2
.3 Виды товарной продукции
Номенклатура
товарной продукции из года в год расширяться; основные ее виды - Алюминий в
чушках (ГОСТ 11070 - 74), слитки плоские для проката (ГОСТ 9498 - 71), катанка
(ГОСТ 13843 - 68), цилиндрические слитки (ГОСТ 19437 - 74), слитки для
проволоки (ГОСТ 4004 - 64), алюминиевые шины, рулонная заготовка, силумин и
другие виды литейных сплавов. Для повышения эффективности использования
алюминия в народном хозяйстве номенклатура товарной продукции электролизных
цехов все больше изменяется в сторону непереплавляемых в последующем видов
продукции. Для этого стремятся к уменьшению выпуска чушкового металла и к
выпуску продукции наиболее прогрессивными методами, совмещающими в одном
агрегате непрерывную разливку с последующей прокаткой. При выпуске такой
продукции сокращаются энергетические затраты и исключаются потери алюминия
неизбежные при повторной переплавке.
2. Расчётная часть
Для получения алюминия - сырца в электролизёр
загружают глинозём, анодную массу и фторсоли. В процессе электролиза образуются
в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими
газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений
и глинозёма.
При применении самообжигающихся анодов в
процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при
коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с
поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на
электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной
массы и недостатками обслуживания электролизёра.
2.1 Материальный баланс
В процессе
электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли
и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные
окислы углерода.
Расчет алюминиевого
электролизёра с непрерывным самообжигающимся анодом ведем по заданным
параметрам:
сила тока I=173 кА
анодная плотность
тока da = 0,731 А/см2
выход по току h =88.8 %
расход сырья N кг
на получение 1 кг алюминия:
глинозем, Nг=
1,936 кг
фтористый алюминий,
NФа= 0,0012кг
фтористый кальций,
NCa = 0,0213 кг
анодная масса, NM = 0,521 кг
Материальный баланс
рассчитываю на 1 час работы электролизера.
Производительность электролизера
Производительность
электролизера РAl, кг рассчитывается по формуле:
РА1 = j * I * τ * h,(2.1)
где j -
электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);- сила тока, кА;
τ - время, час;
h -
выход по току, доли единицы.
P
А1 = 0,335 * 173 * 1*0,888 = 51.46 кг
Расчёт прихода сырья в электролизёр
Приход материалов в
электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и
производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья
составит:
глинозема RAl, кг
RГ =
PAl
*
NГ
(2.2)
RГ
=
51,46*1,936 = 99.63 кг
- фтористых солей
(АlF3,СаF2
) RФ, кг
RФ=PAl*(NФа+NCa)
(2.3)
RФ
= 51,46* ( 0,0012 + 0,0213) = 1,16 кг
- анодной массы RМ,
кг
Rм
= PAl
*
NМ
(2.4)
Rм
= 51,46 * 0,521 = 26,81 кг
Расчёт продуктов электролиза
Количество анодных
газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре.
Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO2
- 60; СО - 40.
При получении PAl алюминия выделится
кислорода m0, кг:
(2.5)
где 48 и 54 -
молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.
кг
Из этого количества
в двуокись углерода свяжется кислорода m0co2, кг:
(2,6)
кг
в окись углерода
свяжется кислорода m0co, кг:
(2.7)
Где 60 и 40 - процентное содержание
двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.
кг
Отсюда можно
рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:
(2.8)
кг
Количество углерода
связанного в оксид углерода, mсco, кг:
(2.9)
кг
Таким образом, в
час выделяется оксидов Pco2
и Pco, кг:
Pco2 = m0co2 + mcco2 (2.10)
Pco = m0co
+ mcco (2.11)
Pco2
= 34,31 + 12,87 = 47,18 кг
Pco = 11,44 +
8,58 = 20,02 кг
Всего образуется
анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2
+
Pco
(2.12)
Ргаз = 47,18
+ 20,02 = 67,2 кг
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 = PAl * (Nг - 1,89)(2.13)
G = 51,46 *
(1,936 - 1,89 ) = 2,37 кг
Потери углерода
Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода,
связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (2.14)
Rуг = 26,81 - ( 12,87 + 8,58 ) = 5,36 кг
Приход фторсолей в
электролизёр принимаем равным расходу.
Данные расчета
материального баланса приведены в таблице 2.1
Таблица 2.1 - Материальный
баланс на силу тока 173 кА
Приход
|
кг
|
%
|
Расход
|
кг
|
%
|
Глинозем
|
99,63
|
78,08
|
Алюминий
|
51,46
|
40,33
|
|
|
|
СО2
|
47,18
|
36,97
|
|
|
|
СО
|
20,02
|
15,69
|
Анодная
масса
|
26,81
|
21,01
|
Потери:
|
|
|
|
|
|
Глинозем
|
2,42
|
1,9
|
|
|
|
Фтористые
соли
|
1,16
|
0,91
|
Фтористые
соли
|
1,16
|
0,91
|
Анодная
масса
|
5,36
|
4,2
|
ИТОГО:
|
127,6
|
100
|
ИТОГО:
|
127,6
|
100
|
.2 Конструктивный расчет
В задачу
конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.
Анодное устройство электролизера
Размеры анода:
Площадь сечения
анода Sа определяется по формуле:
, (2.15)
где I - сила тока,
А;анодная плотность тока, А/см2
см2
Ширина анода Ва,
см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С-8БМ,
принимается 285 см.
Тогда длина анода
La, см будет:
(2.16)
см
Расчёт штырей, с
помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и
плотности тока в стальной части штыря равной dш = 0,19 А /мм2.
Применяемые штыри
имеют следующие размеры, мм:
общая длина - 2700
длина стальной
части -1950
длина алюминиевой
штанги - 1040
максимальный
диаметр - 138
минимальный диаметр
- 100
Площадь сечения
всех штырей SО., мм2 определяются:
(2.17)
910526 мм2
Штыри имеют форму
усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.
(2.18)
мм
Площадь сечения
одного штыря Sш, мм2:
(2.19)
мм2
где DШ -
средний диаметр штыря, мм
Зная площадь
сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их
количество, К:
(2.20)
Штыри на анодной
раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаем их количество кратным 4, то есть
80 штук.
Расчёт катодного устройства
Катодное устройство
электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания
процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство
состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного цоколя и углеродистой
футеровки, образующей шахту электролизёра.
Размеры шахты
электролизёра
Внутренние размеры
шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 2.16) и
принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 2.1). Для
данного типа электролизёра установлено, что расстояние
от продольной
стороны анода до футеровки, а = 65 см
от торца анода до
футеровки, в = 55 см.
Рисунок 2.1 Схема
анода и шахты электролизёра
Тогда длина Lш, см
и ширина Вш, см шахты будут:
ш =Lа + 2*в;(2.21)
Вш = Ва + 2*а(2.22)
ш = 830 + 2 * 55 = 940 см
Вш = 285 + 2 * 65 = 415 см
Глубина шахты
электролизёра С-8БМ равна 56,5 см.
Катодное устройство
электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных
прошивных блоков в перевязку.
Отечественная
промышленность выпускает катодные блоки высотой hб = 40 см, шириной
bб = 50 см, и длиной: короткие l кб = 160 см, длинные l дб
= 220 см
Число секций в
подине, Nс определяют исходя из длины шахты:
(2.23)
где bб -
ширина подового блока;
с - ширина шва
между блоками, 4 см.
Межблочные швы при
монтаже подины набиваются 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 = (2.25)
bт =
- по продольным
сторонам, bп:
(2.26)
Размеры катодного кожуха
Внутренние размеры катодного кожуха определяются
из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 2.21, 2.22) и
толщины слоя теплоизоляционных материалов.
Длина катодного
кожуха Lк, см:
к =
Lш +
2 (Пу + 3,5), (2.27)
где: Lш - длина
шахты, см;
ПУ -
толщина угольной плиты,;
,5 - толщина
теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.
Lк =940 + 2*(20 + 3,5) = 987 см
Ширина катодного
кожуха Вк, см:
Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (2.28)
где: ВЩ
- ширина шахты, см;
,5 - толщина
теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.
Вк =
415 + 2 (20+5) = 465
Футеровка днища
катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):
теплоизоляционная
засыпка 3 см;
- два ряда легковесного
шамота или красного кирпича 2 6,5 см;
три ряда шамотного
кирпича 3 6,5
см;
угольная подушка 3 см;
подовый блок 40 см.
Тогда высота катодного
кожуха Нк, см будет:
Нк = 3 + 5* 6,5 + 3 + Нш + hб
(2.29)
где: Нш - глубина
шахты, см;б - высота подового блока, см.
Нк =3 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 + 40
= 135 см
Принимаем катодный кожух
контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой
продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали
толщиной 10 мм, днище - 12мм.
Кожух снаружи
укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.
.3 Электрический баланс электролизёра
Электрический
расчёт электролизера заключается в определении всех составляющих падения
напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю
падения напряжения при анодных эффектах.
Среднее напряжение
UСР. В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на
производство алюминия и равно:
Uср =
Ер + ∆Uа
+ ∆Uп +
∆Uаэ +
∆Uэл
+ ∆ Uо
+ ∆Uоо,
(2.30)
где ЕР -
напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5 В;
∆Uа
- падение напряжения в анодном устройстве, В;
∆UП
- падение напряжения в подине, В;
∆UАЭ
- доля увеличения напряжения при анодных эффектах, В;
∆UЭЛ
- падение напряжения в электролите, В;
∆UО
- падение напряжения в ошиновке электролизёра, В;
∆UОО
- падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.
Падение напряжения в анодном устройстве
Падение напряжения
в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах
и аноде. При ориентировочных расчётах для определения падения напряжения в
аноде с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А.
Коробовым, тогда ∆UА, мВ равно:
,(2.31)
где Sa - площадь
анода, 236662 см2;
К - количество
токоподводящих штырей (формула 2.20); 80ср - среднее расстояние от подошвы
анода до концов токоподводящих
штырей, принимаем
25 см.- анодная плотность тока, 0,731 А/см2;
ρа - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750
-950 °С равно 8*10-3 Ом *см.
Падение напряжения в подине
Падение напряжения
в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А.
Коробова и А.М. Цыплакова, ∆UП, мВ:
(2.32)
где lпр -
приведенная длина пути тока (формула 2.33), 28,43 см;
ρбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3
Ом *см.;
Вш - половина
ширины шахты ванны (формула 2.22), 207,5 см;
Вбл - ширина
катодного блока (формула 2.34), 54 см;- ширина настыли, равна расстоянию от
продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;т - площадь сечения блюмса
(формула 2.35), 377см2;- анодная плотность тока, 0,731 А/см2.
Приведенную длину
пути тока по блоку lпр, см определяем по уравнению:
(2.33)
где hбл - высота
катодного блока; 40ст - высота катодного стержня, 14,5 см;
Вст - ширина
катодного стержня, 26 см
см
Ширина катодного
блока с учетом набивного шва Вбл, см равна:
Вбл = bб
+ с,(2.34)
где bб - ширина
подового блока;
с - ширина
набивного шва между блоками.
Вбл = 50 + 4 = 54
Площадь сечения
катодного стержня с учетом заделки равна:
ст =
hст * Вст (2.35)
ст =
14,5 * 26 = 377см2
Тогда падение
напряжения в подине ∆UП, В составит (формула 2.32):
Доля увеличения напряжения от
анодных эффектов
Величину падения
напряжения от анодных эффектов ∆UАЭ, В определяем по формуле:
(2.36)
где UАЭ
- напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;- длительность анодного
эффекта, принимаем 0,8 мин;- частота анодного эффекта в сутки, принимаем 0,5;
- число минут в
сутках.
В
Падение напряжения в электролите
Падение напряжения в
электролите, Uэл,
В определяется по формуле Форсблома и Машовца:
(2.37)
где I - сила тока,
А;
р - удельное
электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом * см;- межполюсное расстояние,
по практическим данным принимаем 5,5 см;а - площадь анода, см2 (формула );
(La + Вa) -
периметр анода, см.
В
Падение напряжения в ошиновке
электролизёра
Падение напряжения
в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных
электролизерах: ∆UО =0,25В
Падение напряжения в общесерийной ошиновке
Падение напряжения
в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ∆UОО
= 0,016 В
Таблица 2 2- Электрический баланс
электролизера на силу тока 173 кА
Наименование
участков
|
Ucp
|
Up
|
Uгр
|
Ер
|
1,5
|
1,5
|
1,5
|
UА
|
0,484
|
0,484
|
0,484
|
UП
|
0,323
|
0,323
|
0,323
|
UЭЛ
|
1,982
|
1,982
|
1,982
|
UАЭ
|
0,008
|
--
|
0,008
|
UО
|
0,25
|
0,25
|
0,25
|
UОО
|
--
|
--
|
Итого:
|
4,563
|
4,539
|
4,547
|
2.4 Тепловой баланс
электролизёра
Нормальная работа
электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход
и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза
становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх
Приход тепла в
электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от
сгорания анодной массы.
Тепловой баланс составляют
применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре
протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25°С.
В этом случае
уравнение теплового баланса можно представить в виде:
Qэл + Qан
= QГ
+ Q Al
+ Qгаз
+ Qп, (2.38)
где Qэл - приход
тепла от электроэнергии;ан - приход тепла от сгорания анода;Г - расход тепла на
разложение глинозёма;Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;газ - тепло,
уносимое отходящими газами;п - потери тепла в окружающее пространство.
Приход тепла от
прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:
Q эл = 3600
* I * Uгр
* τ (2.39)
где 3600 - тепловой
эквивалент 1 кВт*ч, кДж;- сила тока, кА;гр - греющее напряжение, В (из таблицы
2);
τ - время, часы.
Q эл = 3600
* 173 * 4,547 * 1 = 2831871,6 кДж
Приход тепла от
сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:
Qан =
Р1СО2 * ∆HTCO2
+
Р1СО * HTCO
(2.40)
где Р1СО2
и Р1СО - число киломолей оксидов углерода; определяется
по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);
∆НТСО2
и ∆НТСО - тепловые эффекты реакций образования СО2
и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):
∆H298СО2
= 394070 кДж/кмоль
∆H298СО
= 110616 кДж/кмоль
(2.41)
кмоль
(2.42)
кмоль
Qан =1,07*394070+0,72*110616=501298,42
кДж
Расход тепла
На разложение
глинозема расходуется тепла QГ, кДж:
QГ
= R1Г
* ∆HTГ,
(2.43)
где R1Г
- расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 2.44
∆HTГ -
тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный
1676000 кДж/кмоль.
(2.44)
кмоль
кДж
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 ∆HT1Al
составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆HT2Al
равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла QAl, кДж с выливаемым алюминием
составят:
QAl
=
Р1Al
*
(∆HT1Al
- ∆HT2Al)
(2.45)
где Р1Al
- количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:
(2.46)
кмоль
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. Тогда унос
тепла с газами Qгаз, кДж будет равен:
Qгаз
= Р1СО
* ( HT1CO
- HT2CO) + Р1СО2
* (HT1CO2 - HT2CO2),
(2.47)
где Р1СО
и Р1СО2 - количество CO и CO2, кмольT1CO
- энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмольT2CO
- энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль T1CO2
- энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль T2CO2
- энтальпия СО2 при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль
Qгаз = кДж
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:
Qп =
(Q эл + Qан)
- (QГ
+ QAl
+
Qгаз)
(2.48)
кДж
Таблица 2.3 - Тепловой
баланс электролизера на силу тока 173 кА
Приход
тепла
|
кДж
|
%
|
Расход
тепла
|
кДж
|
%
|
От
прохождения электроэнергии
|
2831871,6
|
84,96
|
На
разложение глинозёма
|
1642480
|
49,28
|
|
|
|
С
вылитым металлом
|
71178,06
|
2,14
|
От
сгорания угольного анода
|
501298,42
|
15,04
|
С
отходящими газами
|
37276,26
|
1,12
|
|
|
|
Конструктивными
элементами и с поверхности электролизёра
|
1582235,7
|
47,46
|
ИТОГО
|
3333170,02
|
100
|
ИТОГО
|
3333170,02
|
100
|
2.5 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 тремя сериями и 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 2% 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)
(2.49)
U = В
Число рабочих
электролизеров
Число рабочих
электролизеров N в серии составит:
, (2.50)
где: U - напряжение
серии U, В СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы
2,2);АЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)
Число установленных
электролизёров в серии 175
Для максимального
использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения
постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров
NУ должно быть больше, чем работающих, на число резервных
электролизеров.
Количество
резервных ванн NР рассчитывается исходя из необходимости
капитального ремонта электролизеров по формуле:
, (2.51)
где: N - число
рабочих электролизёров в серии;- длительность простоя ванн в ремонте, по
практическим данным 5 - 8 дней;
Т - срок службы
электролизёра, 4 года;
- дней в году.
Принимаем 1
резервный электролизёр на серию.
Тогда в серии будет
установленных электролизеров NУ, шт.:
NУ
= N+ NР,(2.52)
где N - число
рабочих электролизеров;Р - число резервных электролизеров.
NУ
= 175 + 1 = 176
При двухрядном
расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии можно установить 176
электролизеров, т.е. размещается в двух корпусах по 88 электролизеров в каждом.
Один из этих электролизеров резервный, тогда рабочих электролизеров будет 87.
По расчетам установленных электролизеров 704, из этого следует, что остается
запас напряжения.
В 4 сериях будет 8
корпусов, в них установлено электролизёров, NУСТ:
NУСТ =
NУ
* n(2.53)
NУСТ =
176 * 4 = 704
Годовая
производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:
с = 0,335 * I * η * 8760 * N * 10-3 (2.54)
где 0,335 -
электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);- сила тока, кА;
η - выход по току, д. е.;
- часов в год;-
число работающих ванн в серии.
РС = 0,335 * 173* 0,888 * 8760 * 175
* 10-3 = 78894,37 т
Годовая
производительность цеха Рц, т будет:
электролизер алюминий углеродный
футеровка
Рц = Рс * n (2.55)
Рц = 78894,37 * 4 = 315577,48 т
Удельный расход
электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:
(2.56)
кВт/ч
Выход по энергии
(2.57)
г/кВт*ч
3. Организационно экономическая часть
Данный курсовой проект содержит расчёт
оборудования электролизного цеха, состоящего из четырех серий. Для реализации
проекта необходимо 176 электролизеров с самообжигающимся анодом и верхним
токоподводом. Тогда в каждой серии разместится по 704 электролизёра. Рабочих
электролизеров в этом цехе 175, число ванн, подлежащих капитальному ремонту 4.
При силе тока 173 кА и выходе по току 88,8%
выход алюминия- сырца на одну ванну в сутки составляет 1,235 тонн.
В четырех сериях за год выпуск алюминия- сырца
составляет 315577,48 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним
токоподводом составляет 4,563В.
Удельный расход электроэнергии
составляет кВт*ч/т.
.1 Расчет производственной программы
Таблица 3.1
Показатели
|
Формула
|
Цифровое
значение
|
Число
установленных электролизёров, шт.
|
NУ
704
|
|
Число
ванн подлежащих капитальному ремонту, шт.
|
4
|
|
Длительность
простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней
|
t
|
7
|
Длительность
планового ремонта, дней
|
T
|
365
|
Число
электролизёров в ремонте, шт.
|
1
|
|
Число
рабочих электролизёров, шт.
|
N = NУ
- Nр
|
175
|
Сила
тока, А
|
I
|
173000
|
Выход
по току, %
|
η
|
88,8
|
Выход
на ванну, т/сутки
|
m
|
1235,04
|
Среднее
напряжение, В
|
Uср
|
4,563
|
Удельный
расход электроэнергии, кВт*ч/т
|
15338,85
|
|
Производительность
цеха
|
Рц
|
315577,48
|
Список
использованной литературы
1. Учебник
- Металлургия алюминия (Троицкий И.А, Железнов В.А.)
2. Учебник
- Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом (Янко Э.А.)
. Учебник
- Металлургия легких металлов (В.И. Москвитин, И.В. Николаев, Б.А. Фомин)
. Учебник
- Электрометаллургия алюминия (Минцис М.Я.)
. Мой
конспект лекций по производству алюминия.