Доля увеличения напряжения от анодных эффектов

Увеличение падения напряжения от анодных эффектов ∆U_АЭ, В определяется:

∆U_АЭ = (36)

где U_АЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаем В;

n - длительность анодного эффекта, принимаем мин;

k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем;

1440 - число минут в сутках.

∆U_АЭ =

Падение напряжения в электролите

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

(37)

где I - сила тока, А;

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

l - междуполюсное расстояние, см;

Sа - площадь анода, см²;

2 (La + Вa) - периметр анода, см.

Uэл =

Падение напряжения в ошиновке электролизёра

Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: U_О = 0,3 В. Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: U_ОО = 0,016 В

Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока кА

Размеры в вольтах

Падение напряжения на участках электролизера	Ucp	Up	Uгр
Напряжение разложения глинозема
В теле анода
Вподине
В элек5тролите
Доля увеличения напряжения от анодных эффектов
В ошиновке электролизера
В обще серийной ошиновке
Итого

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 = 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.

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).