Свойства и состав промышленного электролита

Содержание

 

Введение. 2

1 Описательная часть. 2

1.1 Требования к промышленному электролиту. Взаимосвязь вязкости, плотности и электропроводности электролита. 2

1.1.1 Свойства и состав промышленного электролита. 2

1.2. Конструкция электролизера с СОА.. 2

1.2.1. Катодное устройство. 2

1.2.2 Катодные кожухи. 2

1.2.3 Подина. 3

1.2.4 Анодное устройство. 3

1.2.5 Ошиновка электролизера. 3

1.3 Опасные и вредные факторы.. 4

2 Расчётная часть. 6

2.1 Материальный баланс. 6

2.1.1 Производительность электролизера. 6

2.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр. 6

2.1.3 Расчёт продуктов электролиза. 6

2.1.4 Расчёт потерь сырья. 7

2.2 Конструктивный расчет. 8

2.2.1 Расчёт анодного устройства электролизера. 8

2.2.2 Расчёт катодного устройства. 9

2.2.3 Расчёт катодного кожуха. 10

2.3 Электрический баланс электролизёра. 11

2.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве. 11

2.3.2 Падение напряжения в подине. 12

2.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов. 12

2.3.5 Падение напряжения в ошиновке электролизёра. 13

2.4 Тепловой баланс электролизёра. 13

2.4.1 Расчет приход тепла. 14

2.4.2 Расчёт расхода тепла. 14

2.5 Расчёт цеха. 16

3.1 Организационная структура проектируемого цеха. 18

3.2 Расчет производственной программы.. 18

Список использованных источников. 19

 

 

 

Введение

 

 

Описательная часть

Требования к промышленному электролиту. Взаимосвязь вязкости, плотности и электропроводности электролита

 

 

Свойства и состав промышленного электролита

Электролит – это…….

 

 

Конструкция электролизера с СОА

Катодное устройство

Катодное устройство алюминиевого электролизера предназначено для создания условий, необходимых для протекания процесса электролиза в криолитно-глиноземном расплаве

 

 

Анодное устройство

Анодное устройство алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза.

 

 

Ошиновка электролизера

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей — анодной и катодной.

 

 

Показатели процесса электролиза

 

 

Расчётная часть

 

Материальный баланс

 

В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплавленный алюминий и газообразные оксиды углерода.

Расчет веду на основании заданных параметров:

- сила тока I = кА

- анодная плотность тока d_а = А/см²

- выход по току η = %

Расход сырья N, кг на получение 1 кг алюминия

- глинозем, N_Г =

- фтористый алюминий, N_Фа =

- фтористый кальций, N_Cа =

- анодная масса, N_М =

Проектируемый цех состоит из серий.

 

2.1.1 Производительность электролизера

Производительность электролизера Р_А1, кг рассчитывается по закону Фарадея:

Р_А1 = j _* I _* τ _* η, (1)

где j - электрохимический эквивалент алюминия 0,335г/(А*ч);

I - сила тока, кА;

τ - время, час;

η - выход по току, д. е.

P _А1 =

 

Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Затраты по сырью составят:

- глинозема R_Г, кг

R_Г = P_{Al *} N_Г (2)

R_Г =

- фтористых солей (А1F₃,СаF₂ ) R_Ф, кг

R_Ф =P_{Al *} (N_Фа+ N_Ca) (3)

R_Ф =

- анодной массы R_м, кг

R_м = P_{Al *} N_М (4)

R_м =

 

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 = P_{Al *} (Nг - 1,89) (13)

G =

Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы R_м и расхода углерода, связанного в окислы:

Rуг = R_м - (m_cco₂ + m_cco) (14)

Rуг =

Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным их расходу.

 

 

 

Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока кА

 

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем			Алюминий
СО2
СО
Анодная масса			Потери:
Глинозем
Фтористые соли
Фтористые соли			Анодная масса
Всего			Всего

 

Конструктивный расчет

 

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.

Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из

Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для электролизёра типа С-8БМ установлено, что расстояние

- от продольной стороны анода до футеровки, а = см

- от торца анода до футеровки, в = см.

АНОД

Рисунок 1 - Схема анода и шахты электролизёра

 

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты определяются:

Lш = Lа + 2*в; (21)

Lш =

Вш = Ва + 2*а (22)

Вш =

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную швом в перевязку из коротких и длинных прошивных блоков. Принимаю катодные блоки высотой h_б = 40 см, шириной b_б = 55 см, и длиной:- короткие l _кб = 160 см- длинные l _дб = 220 см

Число секций в подине, Nс определяют исходя из длины шахты:

Nс = (23)

где Lш – длина шахты, см;

b_б – ширина подового блока;

с – ширина шва между блоками, 4 см.

Число катодных блоков N_б, равно:

N_б = Nс * 2 (24)

N_б =

Подина данного электролизера монтируется из катодных блоков, уложенных в два ряда по штук с перевязкой центрального шва. Межблочные швы при монтаже подины набиваются холоднонабивной 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 = (25)

bт =

- по продольным сторонам, bп:

bп = (26)

bп =

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см.

Расчёт катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5), (27)

где: Lш - длина шахты, см;

Пу – толщина угольной плиты,;

3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

Lк =

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (28)

где: Вщ - ширина шахты, см;

5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк =

Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):

- теплоизоляционная засыпка 3-5 см;

- два ряда легковесного шамота или красного кирпича толщиной 6,5 см;

- три ряда шамотного кирпича по 6,5 см;

- угольная подушка 3-5 см;

- подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 5 + 5* 6,5 + 3 + Нш + h_б (29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б– высота подового блока, см.

Нк =

Принимаю катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно, по с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12мм. Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров, а также имеет рёбра жёсткости.

 

Падение напряжения в подине

Падение напряжения в подине, U_П мВ смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова:

U_П = (32)

где l_пр - приведенная длина пути тока, см (33);

ρ_бл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72*10^-3 Ом*см;

В_ш - половина ширины шахты ванны, см;

В_бл - ширина катодного блока с учётом набивного шва, см (34);

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, см;

S_cт – площадь сечения блюмса, см² (35);

d_a - анодная плотность тока, А/см².

Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению:

(33)

где h_бл - высота катодного блока, см;

h_ст - высота катодного стержня, 14,5 см;

В_ст - ширина катодного стержня, 26 см

l_пр =

Ширина катодного блока с учетом набивного шва В_бл,см равна:

В_бл = b_б + с, (34)

где b_б – ширина подового блока, см;

с – ширина набивного шва между блоками, см.

В_бл =

Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:

S_ст = h_ст * В_ст (35)

S_ст =

Тогда падение напряжения в подине U_П, мВ составит:

U_П =

Расчет прихода тепла

Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (39)

где 3600 – тепловой эквивалент одного кВт_*ч, кДж;

I – сила тока, кА;

U_гр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);

τ – время, часы.

Q эл =

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_{СО2 *} ∆H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (40)

где Р¹_СО2 и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);

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

∆H²⁹⁸_СО2 = 394070 кДж/кмоль

∆H²⁹⁸_СО = 110616 кДж/кмоль

(41)

(42)

Р¹_СО =

Qан =

Расчёт расхода тепла

На разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

Q_Г = R¹_Г * ∆H^T_Г (43)

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

(44)

R¹_Г =

Q_Г =

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 ∆H^T1_Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25°С энтальпия алюминия ∆H^T2_Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда, 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 определяемое по формуле:

(46)

Р¹_Al =

Q_Al =

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 Q_газ, кДж будет равен:

Q_газ = Р¹_{СО *} (H^T1_CO - H^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 24860 кДж/кмоль

H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль

H^T1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль

H^T2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

H^T2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Q_газ =

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:

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

Q_п =

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера 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			Итого

 

Расчет оборудования

 

Переменный ток напряжением 220 кВ от общей энергосистемы поступает на понизительные подстанции завода, где напряжение понижается до 10 кВ. Далее переменный ток подаётся на кремниево – преобразовательные подстанции (КПП), где преобразуется в постоянный, а напряжение понижается до 850 В.

КПП сооружаются вблизи электролизных корпусов, чтобы избежать больших потерь постоянного тока в ошиновке на участке от подстанции до электролизёра, а также больших затрат на устройство шинопроводов.

Серия электролиза алюминия состоит из двух корпусов и питается постоянным током от одной КПП. Электролизёры в серии соединены в электрическую цепь последовательно. Значит, число рабочих электролизеров в серии определяется суммой средних напряжений электролизеров и напряжением выпрямительных агрегатов. При этом также учитываются:

- потери напряжения U₁ в шинопроводах КПП (принимаем 1 %),

- резерв напряжения U₂ для компенсации возможных колебаний во внешней электросети (принимаем 1 %),

- резерв напряжения U₃ для предупреждения снижения силы тока при возникновении анодного эффекта (принимаем 30 В).

Расчёт показателей СКЭ

В соответствии с заданием количество установленных электролизёров в сериях, N_УСТ:

N_УС = Nу * n (53)

N_УС =

1. Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * η * 8760 * Nр * 10^-3 (54)

где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА*ч);

I - сила тока, кА;

η - выход по току, д. е.;

8760 - часов в год;

Nр - число рабочих электролизёров в серии.

Pс =

Годовая производительность ____ серий Р, т будет:

Р = Рс * n (55)

Р =

2. Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т равен:

W = (56)

3. Выход по энергии ηэ, г/(кВт*ч)

(57)

 

ηэ = -----------------

 

Рассчитанные параметры и показатели приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 - Производственная программа по выпуску алюминия _____ серий

Технико-экономические показатели, ед. изм.	Обозначение/ формула	Цифровое значение
Число установленных электролизёров, шт.	NУСТ
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт.	а =
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дни	t
Длительность планового ремонта, дни	T
Число электролизёров в ремонте, шт.	Nрез
Число рабочих электролизёров, шт.	N р
Сила тока, кА	I
Выход по току, %	η
Производительность электролизёра, т/сутки	m
Среднее напряжение, В	Uср
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т	W
Производительность, т/год	Р

 

Содержание

 

Введение. 2

1 Описательная часть. 2

1.1 Требования к промышленному электролиту. Взаимосвязь вязкости, плотности и электропроводности электролита. 2

1.1.1 Свойства и состав промышленного электролита. 2

1.2. Конструкция электролизера с СОА.. 2

1.2.1. Катодное устройство. 2

1.2.2 Катодные кожухи. 2

1.2.3 Подина. 3

1.2.4 Анодное устройство. 3

1.2.5 Ошиновка электролизера. 3

1.3 Опасные и вредные факторы.. 4

2 Расчётная часть. 6

2.1 Материальный баланс. 6

2.1.1 Производительность электролизера. 6

2.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр. 6

2.1.3 Расчёт продуктов электролиза. 6

2.1.4 Расчёт потерь сырья. 7

2.2 Конструктивный расчет. 8

2.2.1 Расчёт анодного устройства электролизера. 8

2.2.2 Расчёт катодного устройства. 9

2.2.3 Расчёт катодного кожуха. 10

2.3 Электрический баланс электролизёра. 11

2.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве. 11

2.3.2 Падение напряжения в подине. 12

2.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов. 12

2.3.5 Падение напряжения в ошиновке электролизёра. 13

2.4 Тепловой баланс электролизёра. 13

2.4.1 Расчет приход тепла. 14

2.4.2 Расчёт расхода тепла. 14

2.5 Расчёт цеха. 16

3.1 Организационная структура проектируемого цеха. 18

3.2 Расчет производственной программы.. 18

Список использованных источников. 19

 

 

 

Введение

 

 

Описательная часть

Требования к промышленному электролиту. Взаимосвязь вязкости, плотности и электропроводности электролита

 

 

Свойства и состав промышленного электролита

Электролит – это…….