Доля падения напряжения от анодных эффектов

Величину падения напряжения от анодных эффектов ∆U_АЭ, В определяем по формуле:

∆U_АЭ =                                                             (36)

где U_АЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаю …… В;

n - длительность анодного эффекта, принимаю …… мин;

k - частота анодного эффекта, принимаю …... в сутки;

1440 - число минут в сутках.

∆U_АЭ = -----------------

Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите, Uэл, В находят по формуле Форсблома и  Машовца

Uэл =                                       (37)

где I - сила тока, А;

р - удельное электросопротивление электролита, 0,53 Ом*см;

l - межполюсное расстояние, по практическим данным принимаю……см;

Sа - площадь анода, см² (формула ……);

2 (La + Вa) - периметр анода, см (формулы ….…..)

Uэл = --------------------------------------

Падение напряжения в ошиновке

Падение напряжения в ошиновке каждого электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах, U_О = 0,25 В.

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных, U_ОО = 0,016 В.

 

Результаты расчётов сводим в таблицу 2.

Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока ______ кА

Размеры в вольтах

Наименование токопроводящих участков	Ucp	Up	Uгр
Ер -
UА -
UП -
UЭЛ -
ΔUАЭ -		—
UО -
UОО -		—	—
Итого

 

В практике электролиза различают три вида напряжений: среднее, рабочее и греющее.

Среднее напряжение Uср на электролизёре состоит из двух видов:

- электрохимическое напряжение, которое непосредственно участвует в электрохимических реакциях, это напряжение разложения Eр, анодное и катодное перенапряжения.

- омическое падение напряжения в: электролите, аноде, катоде, ошиновке и общесерийной ошиновке доля напряжения от анодных эффектов,

Рабочее напряжение Up определяется показаниями вольтметра на электролизной ванне.

Греющее напряжение Uгр учитывает падение напряжения во всех греющих элементах электролизера, т. е. находящихся внутри того объема, с поверхности которого рассчитываются потери тепла в окружающую среду.

 

Тепловой баланс электролизера

Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, т.е. когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх.Тогда уравнение теплового баланса можно представить как

Qэл + Qан = Q_Г + Q _Al + Q_газ + Qп,                                             (38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

Qан - приход тепла от сгорания анода;

Q_Г - расход тепла на разложение глинозёма;

Q _Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;

Q_газ - тепло, уносимое отходящими газами;

Qп - потери тепла в окружающее пространство от электролизёра.

Приход тепла

4.1.1 Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж:

Q эл  = 3600 * I * U_гр * τ                                                  (39)

где 3600 – тепловой эквивалент одного кВт*ч;

I – сила тока, кА;

U_гр – греющее напряжение, В (таблица 2);

τ – время, один час.

Q эл  =

4.1.2 Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж:

Qан = Р¹_СО2 * ∆H^T_CO2  + Р¹_СО  * ∆H^T_CO                                       (40)

где Р¹_СО2  и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода;

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

∆H²⁹⁸_СО2 = 394 070 кДж/кмоль

∆H²⁹⁸_СО  = 110 616 кДж/кмоль

Количество киломолей оксидов углерода определяется исходя из формул (10 и 11):

Р¹_СО2  =                                                          (41)

где Р_СО2 – количество образовавшегося диоксида углерода, кг;

44 – молекулярная масса СО₂

Р¹_СО2  = --------

Р¹_СО  =                                                              (42)

где Р_СО – количество образовавшегося оксида углерода, кг;

28 – молекулярная масса СО

Р¹_СО  = ---------

Qан =                                                                                

Расход тепла

4.2.1 На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:

Q_Г = R¹_Г * ∆H^T_Г                                                              (43)

где R¹_Г - расход глинозёма, кмоль (формула 44);

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

R¹_Г  =                                                          (44)

где R_Г – приход глинозема, кг;

102– молекулярная масса Al₂O₃

R¹_Г  = --------

Q_Г =

4.2.1 Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время. Тогда 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, (по формуле 46);

∆H^T1_Al - энтальпия алюминия при температуре 960°С, составляет 43 982 кДж/кмоль;

∆H^T2_Al - энтальпия алюминия при температуре 25 °С, равна 6 716 кДж/кмоль. 

Р¹_Al =                                                           (46)

где Р_Al – производительность электролизера (формула 1), кг;

26,93 – атомная масса алюминия

Р¹_Al = ---------

Q_Al =                                                                     

4.2.3 Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. Расчет ведём на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Q_газ, кДж будет:

Q_газ = Р¹_СО *(ΔH^T1_CO - ΔH^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 24 860 кДж/кмоль

∆H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25°С, равна 8 816 кДж/кмоль

ΔH^T1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550°С, равна 40 488 кДж/кмоль 

ΔH^T2_CO2 –энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16 446 кДж/кмоль

Q_газ =

4.2.4 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, то для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра Q_П, кДж определяются по разности между приходом и расходом тепла по рассчитанным статьям:

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

Qп  =  

Результаты расчета представлены в таблице 3

Таблица 3 - Тепловой балансэлектролизера на силу тока______кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии			На разложение глинозёма
			С вылитым металлом
От сгорания угольного анода			С отходящими газами
			Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра
Итого		100,00	Итого		100,00