Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке рассчитывается ис­ходя из длины шинопроводов, проходящих по торцам корпусов, сред­ним проездам внутри корпуса и между корпусами. По данным практи­ки эксплуатации электролизных серий эта величина составляет (0,03 - 0,05)В на каждую ванну.

Данные расчетов электрического баланса электролизера необхо­димо свести в таблицу:

Таблица 3.2

Участок цепи	Вольт	%
1. Напряжение разложения	1,596	36,56
2. Анодное устройство	0,348	7,97
4. Электролит	1,506	34,49
3. Катодное устройство	0,403	9,23
5. Общесерийная ошиновка	0,03	0,69
6. Ошиновка электролизера	0,428	9,80
7. Повышение напряжения за счет анодных эффектов	0,055	1,26
Греющее напряжение	3,887
Рабочее напряжение	4,281
Среднее напряжение	4,366	100

 

U_p = E + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_эл + ΔU_{o. э};

U_p = 1,596 + 0,348 + 0,403 + 1,506 + 0,428 = 4,281 В.

U_cp = E + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_{ан. эф} + ΔU_эл + ΔU_{o. э} + ΔU_o.o,

U_cp = 1,596 + 0,348 + 0,403 + 1,506 + 0,428 + 0,03 + 0,055 = 4,366 В.

Paсход электроэнергии на производство 1 т. Al:

W = U_ср * 10³/ j * η_т, кВт*ч/т;

W = 4366/0,336 * 0,926 * 1000 = 14032,449 кВт*ч/т.

 

Энергетический баланс

Основной частью полного расчета электролизера являются тепловые расчеты и балансы. Нормальную работу алюминиевого электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу. В зависимос­ти от того, относится баланс к действующей или проектируемой ванне, составление его преследует различные цели.

Для действующих электролизеров тепловой баланс позволяет выявить причины, вызывающие повышенный расход электроэнергии, и найти оп­тимальные межполюсные расстояния. При расчете новых электролизеров тепловые балансы дают возможность определить необходимую тепловую изоляцию электролизера, обеспечивающую сохранение теплового равно­весия при принятых условиях процесса электролиза.

Наряду с определением оптимальных условий работы электролизера, т.е. таких, при которых он бы работал с максимальной производитель­ностью и минимальным расходом электроэнергии, большое значение имеют вопросы интенсификации процесса электролиза. Определение путей интенсификации возможно только на основе тепловых и энергетических балансов, которые являются основными методами изучения ха­рактеристик электролизеров и позволяют улучшить их конструкцию и технические показатели,

Уравнение теплового баланса

Тепловой баланс электролизера характеризует материальный и энергетический обмен между электролизером и средой. Баланс бази­руется на первом начале термодинамики или, точнее, на термохими­ческом законе Гесса, который вытекает из первого начала и гласит, что тепловой эффект реакции зависит лишь от начального и конечно­го состояния системы. Таким образом, при составлении теплового баланса можно не интересоваться течением процессов, происходящих внутри электролизера, а важно знать, какие вещества и в каких количествах попадают в электролизер, какие конечные вещества и в каких количествах получаются, сколько тепла затрачивается на осуществле­ние превращений, происходящих в электролизере, и теряется в окру­жающее пространство.

Тепловой баланс составляют применительно к заранее принятой температуре, например к температуре электролиза, 0°, 25°С или к температуре окружающего воздуха. По этому вопросу имеются различ­ные мнения, но конечные данные получаются одинаковыми независимо от принятой температуры. Обычно это 25°С или температура, при ко­торой протекает процесс.

Уравнения тепловых балансов имеют вид:

1. при температуре электролиза

Q_эл + Q^/_ан + Q_ис = Q^/_разл + Q_нагр + Q_п.

2. при 25°C (289^ОК) или любой другой температуре ниже температу­ры плавления

Q_эл + Q_ан + Q_тс = Q_разл + Q_мет + Q_газ + Q_п.

Как видно из приведенных уравнений, баланс при температуре электролиза учитывает:

в приходной части:

- тепло от электрической энергии Q_эл = 3,598 * U_гр * I, кДж/ч (U_гр - греющее напряжение, В; 3,598 - тепловой эквивалент ватт-часа, кДж/Вт*ч);

- тепловые эффекты процессов сгорания углерода Q^/_ан;

- используемое тепло анодных газов Q_ис;

в расходной части:

- тепловой эффект реакции разложения Q^/_разл;

- тепло, расходуемое на нагрев и плавление загружаемых ма­териалов Q_нагр;

- тепловые потери Q_п.

Баланс при 25°С учитывает:

в приходной части:

- тепло от электрической энергии Q_эл = 3,598 * U_гр * I;

- тепловые эффекты процессов сгорания углерода Q_ан;

- теплосодержание загружаемых материалов в интервале темпера­тур от 298°К до их фактической температуры Q_тс;

в расходной части:

- тепло, необходимое на разложение глинозема Q_разл;

- тепло, уносимое вылитым металлом Q_мет;

- тепло, уносимое отходящими газами Q_газ;

- тепловые потери в окружающее пространство конструктивными элементами электролизера Q_п.

Сравнение этих двух балансов показывает следующее:

1. Баланс при температуре электролиза требует учета количества и состояния только исходных материалов; конечные продукты и от­ходы можно не учитывать. Баланс при 25°С должен учитывать теп­ло загружаемых исходных материалов, полученных продуктов и отходов. Поэтому при снятии тепловых балансов действующих ванн объем работы и количество расчетов для балансов, приведенных к темпе­ратуре электролиза, могут заметно сократиться. Однако при этом требуется определять используемое тепло анодных газов, что вызы­вает необходимость измерять или рассчитывать их количество или температуру.

2. Баланс при температуре электролиза находится ближе к дейст­вительным процессам, так как все величины реальны. В балансе с другой температурой некоторые величины имеют условное значение (например, тепловой эффект реакции при 25°С). В ряде случаев можно пользоваться измеренными величинами, не пересчитывая их, согласно температуре баланса.

3. Баланс при температуре 25°С более логичен в отношении энерго-и массобмена электролизера со средой: тепло поступает с материа­лами и уносится с продуктами и отходами. Можно пользоваться таб­лицами стандартных тепловых эффектов, без пересчета.

Тепловые балансы обоих видов остаются равноправными и выбор лю­бого из них практически не влияет на конечный результат. В случае приведения баланса к температуре электролиза необходимо вводить данные о тепловых эффектах при температуре процесса, но это делает расчеты менее точными из-за отсутствия надежных сведений.

В балансе при 25°С можно не учитывать изменение теплосодержа­ние материалов, загружаемых в электролизер, в пределах темпера­туры корпуса Т_к – 298^О К (температура баланса). Эти температуры близки между собой, следовательно, ими можно пренебречь..

Тепловой баланс, снятый с действующих электролизеров, считается удовлетворительным, если расхождение между расходной и приходной частями не превышает 5 – 8%. В проектируемых электролизерах дебаланс должен быть не более 1,5 - 2 %. При составлении теплового ба­ланса используются данные конструктивного, материального и элек­трического расчетов.

Термодинамические расчеты

Уравнение теплового баланса алюминиевого электролизера представля­ем в следующем виде:

Q_эл + Q_ан = Q_разл + Q_мат + Q_реак + Q_ме + Q_газ + Q_п,

где Q_эл - приход тепла от электроэнергии, ккал/ч;

Q_ан- приход тепла от сгорания анода, ккал/ч;

Q_разл - тепло необходимое для разложения глинозема, ккал/ч;

Q_мат - тепло необходимое для нагрева и плавления загружае­мых материалов, ккал/ч;

Q_реак -расход тепла на реакцию, ккал/ч;

Q_ме - тепло, уносимое с вылитым металлом, ккал/ч;

Q_газ - тепло уносимое с анодными газами, ккал/ч,

Q_п - потери тепла в окружающее пространство, ккал/ч.

I. ПРИХОД

1. Приход тепла от прохождения электрического тока определяем по уравнению:

Q_эл = 0,86 * I * U_гр, ккал/ч;

Q_эл = 0,86 * 220000 * 3,887 = 735420,4 ккал/ч,

где I - сала тока на электролизере, А;

U_гр - греющее напряжение на электролизере, В;

0,86 - тепловой эквивалент ватт-часа, ккал/Вт*ч

2. приход тепла от сгорания угольного анода определяется зависимостью:

Q_ан = P_СО2 * ∆Н^СО2 + P_СО * ∆Н^СО;

где Р_СО2 и Р_СО - соответственно число киломолей в час СО иСО₂;

∆Н^СО2 и ∆Н^СО - соответственно тепловые эффекты реакций образования СО и CО₂ из углерода и кислорода, ккал/кмоль;

Т₁ - температура окружающей среды.

Число киломолей Р_СО2 и Р_СО в час определяем из уравнений:

Р_СО2 = 18,657*10^-6 * I * η_т *[m/(1 + m)];

Р_CO = 18,657*10^-6 * I * η_т *[1 - m/(1 + m)];

Р_СО2 = 18,657*10^-6 * 220*10³ * 0,926 * 0,375 = 1,425кмоль/ч;

Р_CO = 18,657*10^-6 * 220*10³ * 0,926 * 0,25 = 0,950 кмоль/ч,

где I - сила тока, А;

η_т - выход до току, доли единицы;

m - объемная доля CO₂ в анодных газах, m= 0,6 (60%). Тепловые эффекты реакций образования окиси и двуокиси углерода при температуре равной 30°С (303^OK) принимаем по справочным дан­ным:

H^CO2 = 94050 ккал/кмоль; H^CO = 26400 ккал/кмоль,

Используя полученные данные рассчитываем приход тепла от сгорания анода:

Q_ан = 1,425 * 94050 + 0,950 * 26400 = 159101,25 ккал/ч.

Итого. приход тепла составляет: Q_прих = Q_эл + Q_ан;

Q_прих = 735420,4 + 159101,25 = 894521,25 ккал/ч.

II. РАСХОД

1. Расход тепла на разложение глинозема определяется следующей зависимостью:                                                                                               

Q_разл = Р_Al2O3 * ∆H^Al2O3;

где Р_Al2O3 - расход глинозема на электролитическое разложение, кмоль/ч;

∆H^Al2O3 - тепловой эффект реакции образования окиси алюминия при температуре 30°С (303^ОК) принимаем по справочным данным: ∆H^Al2O3 = 400000 ккал/кмоль.

Р_Al2O3 = 1/2Р_Al = I * η_т * 10^-3/6F;

где P_Al - число киломолей в час алюминия, определяется из урав­нения:                                    

P_Al = I * η_т * 10^-3/3F кмоль/ч,

где I - сила тока, А;

η_т - выход по току, доли единицы;

F- число Фарадея, F=26,8 A*ч.

Р_Al = 220000 * 0,926 * 10^-3 / 3 * 26,8 = 2,534 кмоль/ч;

Р_Al2O3 = 1/ 2 *2,534 = 1,267 кмоль/ч.

Подставляя принятые и полученные значения в уравнение, определяем расход тепла на разложение глинозема, ккал/ч.

Q_разл = 1,267 * 400000 = 506800 ккал/ч.

2. Потери тепла с вылитым металлом определяем по уравнению:

Q_ме = Р_Al (j^Al – j^Al)

где - Р_Al число киломолей в час алюминия;

j^Al, j^Al - теплосодержание алюминия при температуре 960 и 30°С, ккал/кмоль, принимаем по справочным данным:

j^Al =8967,8 ккал/кмоль;   j^Al =173,8 ккал/кмоль.

Q_ме = 2,534 * (8967,8 – 173,8) = 22283,996 ккал/ч.

3. Потери тепла с отходящими газами определяем по уравнению:

Q_газ = Р_СО2 * (j^CO2 – j^CO2) + P_CO * (j^CO – j^CO),

где Р_СО2 и P_CO - соответственно число киломолей в час СО₂ и СО;

j^CO2, j^CO -соответственно теплосодержание окиси и двуокиси углерода при температуре отходящих газов, прини­маем равной 550°С;

j^CO2, j^CO - соответственно теплосодержание CO₂ и СО при темпера­туре окружающей среды 30°С.

На основании практических данных принимаем:

 j^CO2 = 9665 ккал/кмоль, j^CO = 5933 ккал/кмоль,

j^CO2= 3923 ккал/кмоль, j^CO = 2104 ккал/кмоль.

Число киломолей Р_СО2, и Р_СО рассчитывали при определении тепла от сгорания угольного анода.

Подставляя принятые и рассчитанные значения в уравнение определяем потери тепла с отходящими газами.

Q_газ = 1,425(9665 – 3923) + 0,950(5933 – 2104) = 11819,9 ккал/ч.

4. Тепло необходимое на нагрев в расплавление материалов, загру­жаемых в электролизер рассчитываем до уравнению:

Q_мат = Q_гл + Q_ф.с.,

где Q_гл - потери тепла на нагрев а разложение глинозема:

Q_гл = ∆Н_г * Р_Al2O3;

Q_гл = 249 * 121,98 = 30373,02 ккал/ч,

∆Н_г -по справочным данным теплоcодержание глинозема в пре­делах температур 30 - 950°С составляет ∆Н_г=249 ккал/кг;

Р_Al2O3 - расход глинозема, кг/кг алюминия (данные материального баланса).

Q_ф.с. = ∆Н_ф.с. * Р_ф.с.;

Q_ф.с. = 426 * 2,67 = 1137,42 ккал/ч,

∆Н_ф.с. - по справочным данным теплосодержание для фтористых солей в пределах температур 30 - 950°C составляет (включая температуру плавленая) ∆Н_ф.с. =426 ккал/кг;

Р_ф.с. - расход фторсолей, кг/кг алюминия (данные материального баланса).

Используя справочные и рассчитанные значения, определяем количество тепла необходимое на нагрев и расплавление материалов, загружаемых в электролизер.

Q_мат = 30373,02 + 1137,42 = 31510,44 ккал/ч.

5. Расход тепла на реакцию:

nС +nСO₂ = 2 nСО                                                            

определяем по уравнению: Q_реакц = 0,075 * n * I * H

где I - сила тока, кА;

H - тепловой эффект реакции; принимаем по справочным дан­ным H = 3362,7 ккал/кг;

n - количество углерода, расходуемого по реакции:

n = 3 * η_т + 1,5х – 3 / (2 – х);

n = 3 * 0,926 + 1,5 * 0,55 -3 / (2 – 0,55) = 0,416,

где η_т - выход по току, доли единицы;

х - состав анодных газов (х = 0,55).

Подставляя все найденные значения, определя­ем расход тепла на реакцию.

Q_реакц = 0,075 * 0,416 * 220 * 3362,7 = 23081,573 ккал/ч.

6. Потери тепла в окружающее пространство конструктивными элемен­тами электролизера составляют:

Q_пот = Q_прих – (Q_разл + Q_ме + Q_газ + Q_мат + Q_реакц);

Q_пот = 894521,65 – (506800 + 22283,996 + 11819,9 + 31510,44 + 23081,573) =

= 299025,741 ккал/ч.

Используя рассчитанные выше значения, определяем расход теп­ла вэлектролизере:

Q_расх = Q_разл + Q_ме + Q_газ + Q_мат + Q_реакц + Q_пот;

Q_расх = 506800 + 22283,996 + 11819,9 + 31510,44 + 23081,573 + 299025,741 =

= 894521,65 ккал/ч.

Полученные данные сводам в таблицу:

Таблица 3.3

Приход тепла			Расход тепла
Статьи	ккал/ч	%	Статьи	ккал/ч	%
1.От подведенной электроэнергии	735420,4	82,21	1.Разложение глинозема	506800	56,6
2.От сгорания анода	159101,25	17,79	2. С вылитым металлом	22283,996	2,49
			3.С отходящими газами	11819,9	1,32
			4. На нагрев и расплавл. материалов	31510,44	3,52
			5. На реакцию	23081,573	2,58
			6. Потери в окружающее пространст­во	299025,741	33,43
Итого:	894521,65	100	Итого:	894521,65	100

 

Расчет серии