Тема 2. 4 металлургия алюминия

Расчёт и проектирование электролизёра для

Получения алюминия

Преподаватель       Л.Н. Минакова

Студент                                                    

Группа                    Мд –                        

Красноярск

2021

Содержание

Введение. 2

1 Материальный баланс электролизера. 3

1.1 Расчёт производительности электролизера. 3

1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр. 3

1.3 Расчёт анодных продуктов электролиза. 3

1.4 Расчёт потерь сырья. 4

2 Конструктивный расчет электролизера. 5

2.1 Расчёт анодного устройства. 5

2.2 Расчёт катодного устройства. 6

3 Электрический баланс электролизера. 8

3.1 Падение напряжения в аноде. 9

3.2 Падение напряжения в подине. 9

3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов. 9

3.4 Падение напряжения в электролите. 10

3.5 Падение напряжения в ошиновке. 10

4 Тепловой баланс электролизера. 11

4.1 Приход тепла. 11

4.2 Расход тепла. 11

5 Расчет количества оборудования и ТЭП.. 13

5.1 Расчёт одной серии. 13

5.2 Расчёт _________ серий. 14

5.3 Технико – экономические показатели работы _________ серий. 15

 

Введение

Электролизер представляет собой сложный агрегат, в котором совмещены химические, электрические и тепловые процессы. Через электролизер, преобразуясь внутри него, протекают материальные и энергетические потоки. Работу электролизеров характеризуют весьма большим количеством различных показателей, которые приводят на заводах в сводках и называют технико-экономическими показателями – ТЭП. Часть показателей относится к работе одного электролизера, часть – к работе корпуса электролиза, цеха или завода. Основными из них, которые используются также в расчетах электролизеров, являются следующие показатели:

I - сила тока;

U - напряжение на электролизере;

Р_Al - производительность – масса полученного металла в единицу времени;

η - выход по току – величина, равная отношению массы металла, фактически полученной при электролизе к теоретически ожидаемой массе металла за то же время, рассчитываемой по закону Фарадея на ту же силу тока;

W - удельный расход электроэнергии – расход электроэнергии на единицу массы получаемого металла;

l - расстояние между катодом и анодом (межполюсное расстояние МПР);

d_а - анодная плотность тока – величина, равная отношению силы тока к единице геометрической площади анода, через которую протекает электрический ток;

N - расходы глинозема, углерода, фторидных солей – величины масс веществ, расходуемых при электролизе для получения единицы массы металла или в единицу времени и др. показатели.

На ТЭП электролиза значительно влияет стоимость: электроэнергии, материалов и компонентов электролита. Оптимальный состав электролита на предприятии выбирают с учетом различных критериев: высокий выход по току; малый расход энергии; экологические требования; малая себестоимость металла, поэтому не существует единого состава электролита.

Следовательно, для создания электролизера необходимо взаимное согласование конструкции электролизера и потоков вещества и энергии, соответствующих высоким ТЭП. Электролизер в рабочем состоянии обязательно содержит анод, электролит и катод.

Электролит – это расплав на основе натриевого криолита, в котором растворены фториды алюминия, кальция и глинозем. Расплав представляет собой ионную жидкость, основными структурными элементами которой являются ионы: Na⁺, Ca²⁺, AlF₆^3-, AlF₄^-, Al₂OF₆^2-, Al₂O₂F₄^2- и др.

Анод изготовляется из углеродистых материалов, он опущен в электролизер сверху и на 6-8 см погружен в электролит. В работающем электролизере катодом является слой расплавленного алюминия, расположенный на углеродистой подине, которую также называют катодом.

Реакции, протекающие на катоде и аноде, в упрощенной форме имеют вид

Al³⁺ + 3ē = Al

2О^2- – 4 ē + С = СО₂

В Рабочей тетради представлены теоретические и технологические данные, приведена последовательность расчета материального, электрического и теплового балансов, основные параметры и материалы конструкции электролизера, даны основные расчетные формулы и справочные данные. Проектирование электролизера производится на основе опыта эксплуатации электролизёров С-8БМ с самообжигающимся анодом и заданных исходных данных:

- сила тока серии, I = ______кА

- выход по току, h = ______ %

- анодная плотность тока d_а = _____ А/см²   

- цех состоит из   n = ____ серий

Норму расхода сырья N, кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:

- глинозем Г, N_Г                 =_________ кг

- фтористый алюминий, N_Фа =_________ кг

- фтористый кальций, N_Cа      =_________ кг

- анодная масса, N_М          =_________ кг

Для упрощения, расчёты ведём на один час работы электролизера.