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

Наименование участков	Ucp	Up	Uгр
Ер
UА
UП
UЭЛ
∆UАЭ
UО
UОО
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

 

Расчёт цеха

 

В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и цехом, а также удельный расход электроэнергии.

Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.

КПП обеспечивает серию электролизёров напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 1% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.

Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:

U = 850 - (U₁ + U₂ + U₃) (49)

U =

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

(50)

где U - напряжение серии U, В

U_СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);

U_АЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

 

Количество установленных электролизеров в серии должно быть кратно четырем, поэтому в данной серии можно установить электролизеров.

Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров N_У должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

Количество резервных ванн N_Р рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:

(51)

где N – число рабочих электролизёров в серии;

t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 7 дней;

Т – срок службы электролизёра, 4 года;

365 – дней в году.

 

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию, тогда в серии рабочих электролизеров N шт. будет:

(52)

где N - число установленных электролизеров;

N_Р - число резервных электролизеров

В сериях будет корпуса, в них установленных электролизёров, N_УСТ:

N_УСТ = N_{У *} n (53)

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * η * 8760 * N * 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;

N - число работающих ванн в серии.

Р_С =

Годовая производительность цеха Рц, т будет:

Рц = Рс _* n (55)

Рц =

 

Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по формуле:

(56)

 

Выход по энергии г/кВт*ч

(57)