Описание конструкции электролизера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описательная часть

1.1 Описание конструкции электролизера

1.1.1 Катодное устройство

1.1.2 Анодное устройство

1.1.3 Ошиновка электролизера

1.1.4 Газоулавливающие устройства

1.2 Напряжение, разложение глинозема

1.3 Виды товарной продукции

2. Расчётная часть

2.1 Материальный баланс

2.2 Конструктивный расчет

2.3 Электрический баланс электролизёра

2.4 Тепловой баланс электролизёра

2.5 Расчёт цеха

3. Организационно экономическая часть

3.1 Расчет производственной программы

Список использованной литературы

Введение

Алюминий - легкий, прочный и пластичный металл. Уникальное сочетание его свойств, в числе которых - долговечность, непроницаемость, высокая тепло- и электропроводность, устойчивость к коррозии и возможность стопроцентной переработки - делает его незаменимым компонентом для огромного количества промышленной продукции - от электрической лампочки до реактивного самолета.

Он относится к III группе периодической системы, обозначается символом Al, имеет атомный номер 13 и атомную массу 26,98154. Температура его плавления составляет 660°. Алюминий чрезвычайно распространен в природе: поэтому параметру он занимает четвертое место среди всех элементов и первое -- среди металлов (8,8% от массы земной коры), ноне встречается в чистом виде. Его в основном добывают из бокситов, хотя известно несколько сот минералов алюминия (алюмосиликаты, алуниты и т.п.), абсолютное большинство которых не подходит для получения металла.

Это один из самых востребованных металлов, и по темпам роста потребления он давно и с большим отрывом оставил позади сталь, никель, медь и цинк. Главная область его применения - авиа- и автомобилестроение.

Благодаря своей легкости и прочности алюминий делает автомобили и самолеты более безопасными и позволяет сократить расход топлива и объем вредных выбросов, от чего выигрывают не только производители транспорта, но и все население планеты.

Алюминий без преувеличений можно назвать металлом будущего - возможности и темпы развития человечества напрямую зависят от развития алюминиевой отрасли. Интенсивный рост мирового населения предполагает строительство новых дорог и зданий, а также производство транспорта в объеме, достаточном для перевозки ежегодно увеличивающегося количества пассажиров. Все это возможно только с применением алюминия.

Кроме того, алюминий - важный участник глобальной борьбы за экологическую безопасность и предотвращение угрозы глобального потепления. По сравнению с другими металлами его производство значительно более дружелюбно по отношению к окружающей среде, он может бесконечно перерабатываться, не теряя своих уникальных свойств, а с его применением создается энергоэффективный транспорт и экологичное жилье.

Первичный алюминий используется в транспортной, строительной, электротехнической и упаковочной отраслях промышленности. Предприятия РУСАЛа производят первичный алюминий в соответствии с международными стандартами, российскими ГОСТами и различными техническими спецификациями, разработанными по запросам потребителей.

1. Описательная часть

1.1 Описание конструкции электролизера

1.1.1 Катодное устройство

Наиболее распространенной модификацией является катодные кожухи с днищем, которые применяют на электролизерах всех типов и устанавливают на фундаментах в одноэтажных корпусах, и на специальных ригельных балках в двухэтажных корпусах. Один из возможных вариантов такого катодного устройства представлен.

В результате пропитки футеровки компонентами расплава и воздействия высокой температуры объем футеровки возрастает, благодаря чему возникают значительные усилия, воздействующие на стенку катодного кожуха, что приводит к его деформации, разрешению футеровки и сокращению срока службы электролизера. Для обеспечения надежной и длительной работы ванны катодный кожух выполняют жесткой конструкции, способной противостоять возникающие усилиям. Различают два вида катодных кожухов с днищем и без днища.

Футеровка

Состоит из углеродистой, огнеупорной и теплоизоляционной частей, каждая из которых выполняет определенную роль, обладающие способностью взаимодействовать с большинством химических элементов и их соединений. От качества футеровки в решающей степени зависит срок службы ванны.

По конструкции углеродной футеровки промышленные электролизеры можно разделить на три группы:

1. Монолитные катоды создавались путем набойки шахты пластичной подовой массы. Это самый дешевый тип катодного устройства, но из-за низкого качества подина, выделения большего количества смолистых соединений при обжиге они в настоящее время не находят применения.

2. Катоды из обожженных блоков с набивными межблочными швами являются наиболее отработанным и практически единственным типом подины, широко применяемым в алюминиевой промышленности России. Межблочные швы - слабо место подины, и их качество во многом определяет срок службы электролизера.

3. Склеенные полумонолитные катоды из обожженных и механически обработанных блоков представляют собой наиболее совершенный (и самый дорогой) тип катода, который обеспечивает длинный срок службы электролизера. Этот тип подины пока не нашел широкого применения из-за высокой стоимости блоков и сложности монтажа.

Гнездо для монтажа блюмса в катодных блоках, изготавливаемых в России, имеет форму ласточкина хвоста. Соединение блока с блюмсом чаще всего осуществляют заливкой жидкого чугуна в пространства между ними. При недостаточном или неравномерном нагреве блока и блюмса перед заливкой чугуна в блоках образуются трещины, приводящие к преждевременному выходу ванн из строя.

Поверхность угольной подины плохо смачивается жидким алюминием, и для снижения перепада напряжения в ней приходится поддерживать большей столб жидкого металла на подине. Снижением перепада напряжения в подине способствовало бы использование смачиваемых алюминиевых подовых блоков. Поэтому в последние годы расширяется объем исследований материалов на основе тугоплавких соединений, улучшающих свойства угольной футеровки катода, наиболее подходящей из которых являются бориды и карбиды титана и циркония.

Новые материалы для футеровки подины, по мнению исследователей, позволят в 5-10 раз увеличить съем алюминия с единицы площади катода, на 25-30% снизить расход электроэнергии и увеличить срок службы ванны на 3-4 года. Основные сведения о проводимых работах по применению тугоплавких соединений для покрытия поверхности подин.

1.1.2 Анодное устройство

Анодное устройство алюминиевого электролизера, являясь одним из электродов, предназначено для подвода тока в зону непосредственного протекания процесса электролиза. Основным материалом самообжигаюшегося анода служит пек и углеродистая масса. По мере протекания процесса электролиза анод спекается, а затем сгорает. Поэтому его надо периодически опускать. Для этого служит специальный подъемный механизм анодного устройства.

В отечественной алюминиевой промышленности наиболее распространен тип электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Анод находится внутри металлического кожуха, назначение которого - удержать жидкую часть углеродистой массы и придать ей по мере коксования нужную форму. Ток к аноду подводится с помощью сталеалюминевых штырей, устанавливаемых сверху в тело анода. Кроме подвода тока, штыри выполняют роль несущих анод элементов. Сталеалюминевый штырь в отличие от ранее применяемых стальных не только обладает повышенной электропроводностью, но и способствует стабилизации электромагнитного поля электролизера, так как в алюминиевой части не обладает магнитными свойствами. Штыри при помощи специальных эксцентриковых зажимов крепятся к анодной раме.

Назначение рамы - удерживать анод в горизонтальном положении и подводить ток к штырям. Анодную раму, как правило, изготавливают из стальных балок, вдоль которых монтируют токоподводящие алюминиевые шины. В электролизерах наиболее современных конструкций анодная рама полностью выполнена из алюминиевого сплава и, обладая высокой электропроводностью, является несущей конструкцией.

В современных электролизерах этого типа на силу тока 150--160 кА масса анода со штырями составляет 70--80 т. Для перемещения анодной рамы с подвешенным к ней анодом в вертикальном направлении служит подъемный механизм. В отличие от механизма, необходимого для периодического вертикального перемещения анодной рамы относительно угольного анода, этот механизм называется основным.

Таким образом, анодное устройство электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом состоит из несущей токоподводящей рамы, вертикально установленных штырей, углеродистой анодной массы и механизмов перемещения анода и анодной рамы. Все эти основные элементы свойственны в том или другом конструктивном оформлении электролизерам с самообжигающимися анодами и верхним токоподводом.

1.1.3 Ошиновка электролизера

Ошиновка является токонесущим элементом конструкции электролизера и состоит из двух частей -- анодной и катодной. Электролизеры, располагаемые рядами один за другим, соединены токопроводами из алюминиевых шин различного сечения и включены в электрическую цепь последовательно: катодные шины одного электролизера соединены с анодными шинами другого. Группа электролизеров, объединенная в одну цепь, называется серией.

В анодную часть ошиновки входят гибкие пакеты, анодные стояки и уравнительные шины, от которых ток при помощи специальных контактов передается к штырям. Катодная часть ошиновки состоит из гибких лент - катодных спусков, отводящих ток от катодных стержней подины, и катодных шин.

Существует много схем устройства шинопроводов электролизеров. Выбор схемы ошиновки зависит от типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. При выборе ошиновки следует руководствоваться следующими данными: оптимальная плотность тока в ошиновке, наименьшее влияние взаимодействия магнитных полей на процесс электролиза и возможность быстрого отключения и подключения в электрическую печь одного электролизера без нарушения работы остальных.

1.1.4 Газоулавливающие устройства

Назначение газоулавливающих устройств как составной части электролизера - сбор выделяющихся в процессе электролиза газов на месте их возникновения и последующий вывод газов в газоочистную систему. Выбор конструкции устройства для газоулавливания во многом зависит от типа электролизера. Наилучшей конструкцией является укрытие всего электролизера.

Для электролизера с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом практически невозможно применение устройств для газоулавливания, предусматривающих полное укрытие электролизера, так как их очень трудно обслуживать, а полную герметизацию осуществить практически невозможно. Для электролизеров данного типа широкое распространение получила так называемая колокольная конструкция газоулавливания.

Основным преимуществом этой конструкции является улавливание концентрированных газов и возможность дожигания летучих составляющих, образующихся при коксовании анода, а также дожигания СО до CO2 в специальных устройствах -- горелках. “Колокольное” устройство представляет собой набранную из отдельных секций конструкцию, опоясывающую по периметру анод на уровне нижнего края анодного кожуха. Недостатком такой системы является неполное улавливание (до 70%) отходящих от электролизера газов.

1.2 Напряжение разложение глинозема

Напряжение разложения глинозема зависит от материала анода. При электролизе с угольными анодами разряжающийся на электроде кислород окисляет углерод до СО2 и СО. Тогда напряжение разложения глинозема равно 0,9В-1,1В. Процесс окисления углерода, сопровождается выделением энергии. Окисление углерода приводит к анодной деполяризации, от которой снижается напряжение разложения глинозема. Однако эти числа действительны только в теории, на практике эти значения равны 1,4В-1,6В. Это происходит вследствие того что окисление угольного анода в реальных условиях протекает значительно сложнее чем это принимается в теоретических расчетах.

Разница между теоретическими затратами напряжения и практическими, обусловлена тем что образование анодных газов затруднено и происходит через образование промежуточных соединений на что и тратиться дополнительная энергия:

С + О₂ = С_хО = СО

С + О₂ = С_хО = СО₂

1.3 Виды товарной продукции

Номенклатура товарной продукции из года в год расширяться; основные ее виды - Алюминий в чушках (ГОСТ 11070 - 74), слитки плоские для проката (ГОСТ 9498 - 71), катанка (ГОСТ 13843 - 68), цилиндрические слитки (ГОСТ 19437 - 74), слитки для проволоки (ГОСТ 4004 - 64), алюминиевые шины, рулонная заготовка, силумин и другие виды литейных сплавов. Для повышения эффективности использования алюминия в народном хозяйстве номенклатура товарной продукции электролизных цехов все больше изменяется в сторону непереплавляемых в последующем видов продукции. Для этого стремятся к уменьшению выпуска чушкового металла и к выпуску продукции наиболее прогрессивными методами, совмещающими в одном агрегате непрерывную разливку с последующей прокаткой. При выпуске такой продукции сокращаются энергетические затраты и исключаются потери алюминия неизбежные при повторной переплавке.

2. Расчётная часть

Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу и фторсоли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.

При применении самообжигающихся анодов в процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того, анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.

2.1 Материальный баланс

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

Расчет алюминиевого электролизёра с непрерывным самообжигающимся анодом ведем по заданным параметрам:

- сила тока I=173 кА

- анодная плотность тока d_a = 0,731 А/см2

- выход по току =88.8 %

-расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия:

- глинозем, N_г= 1,936 кг

- фтористый алюминий, N_Фа= 0,0012кг

- фтористый кальций, N_Ca = 0,0213 кг

- анодная масса, N_M = 0,521 кг

Материальный баланс рассчитываю на 1 час работы электролизера.

Производительность электролизера

Производительность электролизера Р_Al, кг рассчитывается по формуле:

Р_А1 = j _* I _* ф _* ,(2.1)

где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);

I - сила тока, кА;

ф - время, час;

- выход по току, доли единицы.

P _А1 = 0,335 * 173 * 1*0,888 = 51.46 кг

Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Тогда приход сырья составит:

- глинозема R_Al, кг

R_Г = P_{Al *} N_Г (2.2)

R_Г = 51,46*1,936 = 99.63 кг

- фтористых солей (АlF₃,СаF₂ ) R_Ф, кг

R_Ф=P_Al*(N_Фа+N_Ca) (2.3)

R_Ф = 51,46* ( 0,0012 + 0,0213) = 1,16 кг

- анодной массы R_М, кг

R_м = P_{Al *} N_М (2.4)

R_м = 51,46 * 0,521 = 26,81 кг

Расчёт продуктов электролиза

Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO₂ - 60; СО - 40.

При получении P_Al алюминия выделится кислорода m₀, кг:

(2.5)

где 48 и 54 - молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.

кг

Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m₀co₂, кг:

(2,6)

кг

в окись углерода свяжется кислорода m0co, кг:

(2.7)

Где 60 и 40 - процентное содержание двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.

кг

Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:

(2.8)

кг

Количество углерода связанного в оксид углерода, m_сco, кг:

(2.9)

кг

Таким образом, в час выделяется оксидов Pco₂ и Pco, кг:

Pco₂ = m₀co₂ + m_cco₂ (2.10)

Pco = m₀co + m_cco (2.11)

Pco₂ = 34,31 + 12,87 = 47,18 кг

Pco = 11,44 + 8,58 = 20,02 кг

Всего образуется анодных газов Р_газ, кг:

Р_газ = P_co2 + P_co (2.12)

Ргаз = 47,18 + 20,02 = 67,2 кг

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)(2.13)

G = 51,46 * (1,936 - 1,89 ) = 2,37 кг

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

Rуг = R_м - (m_cco₂ + m_cco) (2.14)

Rуг = 26,81 - ( 12,87 + 8,58 ) = 5,36 кг

Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.

Данные расчета материального баланса приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Материальный баланс на силу тока 173 кА

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем	99,63	78,08	Алюминий	51,46	40,33
			СО2	47,18	36,97
			СО	20,02	15,69
Анодная масса	26,81	21,01	Потери:
			Глинозем	2,42	1,9
			Фтористые соли	1,16	0,91
Фтористые соли	1,16	0,91	Анодная масса	5,36	4,2
ИТОГО:	127,6	100	ИТОГО:	127,6	100

2.2 Конструктивный расчет

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.

Анодное устройство электролизера

Размеры анода:

Площадь сечения анода S_а определяется по формуле:

_, (2.15)

где I - сила тока, А;

da- анодная плотность тока, А/см2

см²

Ширина анода Ва, см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С-8БМ, принимается 285 см.

Тогда длина анода La, см будет:

(2.16)

см

Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря равной d_ш = 0,19 А /мм².

Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:

- общая длина - 2700

- длина стальной части -1950

- длина алюминиевой штанги - 1040

- максимальный диаметр - 138

- минимальный диаметр - 100

Площадь сечения всех штырей SО., мм² определяются:

(2.17)

910526 мм²

Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.

 (2.18)

мм

Площадь сечения одного штыря S_ш, мм2:

(2.19)

мм²

где D_Ш - средний диаметр штыря, мм

Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:

(2.20)

Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаем их количество кратным 4, то есть 80 штук.

Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного цоколя и углеродистой футеровки, образующей шахту электролизёра.

Размеры шахты электролизёра

Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 2.16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 2.1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние

- от продольной стороны анода до футеровки, а = 65 см

- от торца анода до футеровки, в = 55 см.

Рисунок 2.1 Схема анода и шахты электролизёра

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

Lш =Lа + 2*в;(2.21)

Вш = Ва + 2*а(2.22)

Lш = 830 + 2 * 55 = 940 см

Вш = 285 + 2 * 65 = 415 см

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

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков в перевязку.

Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 40 см, шириной b_б = 50 см, и длиной: короткие l к_б = 160 см, длинные l д_б = 220 см

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

 (2.23)

где b_б - ширина подового блока;

с - ширина шва между блоками, 4 см.

Межблочные швы при монтаже подины набиваются 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, b_т,

b_т = (2.25)

b_т =

- по продольным сторонам, b_п:

(2.26)

Размеры катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 2.21, 2.22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

L_к = L_ш + 2 (П_у + 3,5), (2.27)

где: Lш - длина шахты, см;

П_У - толщина угольной плиты,;

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

Lк =940 + 2*(20 + 3,5) = 987 см

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (2.28)

где: В_Щ - ширина шахты, см;

3,5 - толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк = 415 + 2 (20+5) = 465

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

- теплоизоляционная засыпка 3 см;

- два ряда легковесного шамота или красного кирпича 2 6,5 см;

- три ряда шамотного кирпича 3 6,5 см;

- угольная подушка 3 см;

- подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 3 + 5_* 6,5 + 3 + Нш + h_б (2.29)

где: Нш - глубина шахты, см;

hб - высота подового блока, см.

Нк =3 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 + 40 = 135 см

Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали толщиной 10 мм, днище - 12мм.

Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.

2.3 Электрический баланс электролизёра

Электрический расчёт электролизера заключается в определении всех составляющих падения напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю падения напряжения при анодных эффектах.

Среднее напряжение U_СР. В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно:

U_ср = Е_р + ?U_а + ?U_п + ?U_аэ + ?U_эл + ? U_о + ?U_оо, (2.30)

где Е_Р - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5 В;

?U_а - падение напряжения в анодном устройстве, В;

?U_П - падение напряжения в подине, В;

?U_АЭ - доля увеличения напряжения при анодных эффектах, В;

?U_ЭЛ - падение напряжения в электролите, В;

?U_О - падение напряжения в ошиновке электролизёра, В;

?U_ОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Падение напряжения в анодном устройстве

Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и аноде. При ориентировочных расчётах для определения падения напряжения в аноде с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым, тогда ?U_А, мВ равно:

,(2.31)

где Sa - площадь анода, 236662 см2;

К - количество токоподводящих штырей (формула 2.20); 80

Lср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих

штырей, принимаем 25 см.

da - анодная плотность тока, 0,731 А/см2;

са - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8*10-3 Ом *см.

Падение напряжения в подине

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

(2.32)

где lпр - приведенная длина пути тока (формула 2.33), 28,43 см;

сбл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 * 10-3 Ом *см.;

Вш - половина ширины шахты ванны (формула 2.22), 207,5 см;

Вбл - ширина катодного блока (формула 2.34), 54 см;

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;

Scт - площадь сечения блюмса (формула 2.35), 377см²;

da - анодная плотность тока, 0,731 А/см².

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

(2.33)

где hбл - высота катодного блока; 40

hст - высота катодного стержня, 14,5 см;

Вст - ширина катодного стержня, 26 см

см

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

В_бл = b_б + с,(2.34)

где bб - ширина подового блока;

с - ширина набивного шва между блоками.

В_бл = 50 + 4 = 54

Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:

S_ст = h_{ст *} В_ст (2.35)

S_ст = 14,5 * 26 = 377см²

Тогда падение напряжения в подине ?UП, В составит (формула 2.32):

Доля увеличения напряжения от анодных эффектов

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

(2.36)

где U_АЭ - напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;

n - длительность анодного эффекта, принимаем 0,8 мин;

k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 0,5;

1440 - число минут в сутках.

В

Падение напряжения в электролите

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

(2.37)

где I - сила тока, А;

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

l - межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;

Sа - площадь анода, см2 (формула );

2 (La + Вa) - периметр анода, см.

В

Падение напряжения в ошиновке электролизёра

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

Падение напряжения в общесерийной ошиновке

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ?_UОО = 0,016 В

Таблица 2 2- Электрический баланс электролизера на силу тока 173 кА

Наименование участков	Ucp	Up	Uгр
Ер	1,5	1,5	1,5
UА	0,484	0,484	0,484
UП	0,323	0,323	0,323
UЭЛ	1,982	1,982	1,982
UАЭ	0,008	--	0,008
UО	0,25	0,25	0,25
UОО	0,016	--	--
Итого:	4,563	4,539	4,547

2.4 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 25С.

В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Qэл + Qан = Q_Г + Q _Al + Q_газ + Qп, (2.38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

Qан - приход тепла от сгорания анода;

QГ - расход тепла на разложение глинозёма;

Q Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;

Qгаз - тепло, уносимое отходящими газами;

Qп - потери тепла в окружающее пространство.

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

Q эл = 3600 * I * U_гр * ф (2.39)

где 3600 - тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;

I - сила тока, кА;

Uгр - греющее напряжение, В (из таблицы 2);

ф - время, часы.

Q эл = 3600 * 173 * 4,547 * 1 = 2831871,6 кДж

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_{СО2 *} ?H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (2.40)

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

(2.41)

кмоль

(2.42)

кмоль

Qан =1,07*394070+0,72*110616=501298,42 кДж

Расход тепла

На разложение глинозема расходуется тепла QГ, кДж:

Q_Г = R¹_{Г *} ?H^T_Г, (2.43)

где R¹_Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 2.44

?HTГ - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ?С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

(2.44)

кмоль

кДж

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 QAl, кДж с выливаемым алюминием составят:

Q_Al = Р¹_{Al *} (?H^T1_Al - ?H^T2_Al) (2.45)

где Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

(2.46)

кмоль

кДж

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 Qгаз, кДж будет равен:

Q_газ = Р¹_{СО *} ( H^T1_CO - H^T2_CO) + Р¹_{СО2 *} (H^T1_CO2 - H_T2^CO2), (2.47)

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

Q_газ = кДж

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) (2.48)

кДж

Таблица 2.3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 173 кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии	2831871,6	84,96	На разложение глинозёма	1642480	49,28
			С вылитым металлом	71178,06	2,14
От сгорания угольного анода	501298,42	15,04	С отходящими газами	37276,26	1,12
			Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра	1582235,7	47,46
ИТОГО	3333170,02	100	ИТОГО	3333170,02	100

2.5 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 тремя сериями и 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 2% 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) (2.49)

U = В

Число рабочих электролизеров

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

, (2.50)

где: U - напряжение серии U, В

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

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

Число установленных электролизёров в серии 175

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:

, (2.51)

где: N - число рабочих электролизёров в серии;

t - длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 5 - 8 дней;

Т - срок службы электролизёра, 4 года;

365 - дней в году.

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию.

Тогда в серии будет установленных электролизеров N_У, шт.:

N_У = N+ N_Р,(2.52)

где N - число рабочих электролизеров;

N_Р - число резервных электролизеров.

NУ = 175 + 1 = 176

При двухрядном расположении электролизеров в корпусе, по проекту в серии можно установить 176 электролизеров, т.е. размещается в двух корпусах по 88 электролизеров в каждом. Один из этих электролизеров резервный, тогда рабочих электролизеров будет 87. По расчетам установленных электролизеров 704, из этого следует, что остается запас напряжения.

В 4 сериях будет 8 корпусов, в них установлено электролизёров, N_УСТ:

N_УСТ = N_{У *} n(2.53)

N_УСТ = 176 * 4 = 704

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * з * 8760 * N * 10-3 (2.54)

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

I - сила тока, кА;

з - выход по току, д. е.;

8760 - часов в год;

N - число работающих ванн в серии.

Р_С = 0,335 * 173* 0,888 * 8760 * 175 * 10^-3 = 78894,37 т

Годовая производительность цеха Рц, т будет:

электролизер алюминий углеродный футеровка

Рц = Рс _* n (2.55)

Рц = 78894,37 * 4 = 315577,48 т

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

 (2.56)

кВт/ч

Выход по энергии

(2.57)

г/кВт*ч

3. Организационно экономическая часть

Данный курсовой проект содержит расчёт оборудования электролизного цеха, состоящего из четырех серий. Для реализации проекта необходимо 176 электролизеров с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом. Тогда в каждой серии разместится по 704 электролизёра. Рабочих электролизеров в этом цехе 175, число ванн, подлежащих капитальному ремонту 4.

При силе тока 173 кА и выходе по току 88,8% выход алюминия- сырца на одну ванну в сутки составляет 1,235 тонн.

В четырех сериях за год выпуск алюминия- сырца составляет 315577,48 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним токоподводом составляет 4,563В.

Удельный расход электроэнергии составляет кВт*ч/т.

3.1 Расчет производственной программы

Таблица 3.1

Показатели	Формула	Цифровое значение
Число установленных электролизёров, шт.	NУ	704
Число ванн подлежащих капитальному ремонту, шт.		4
Длительность простоя одной ванны в капитальном ремонте, дней	t	7
Длительность планового ремонта, дней	T	365
Число электролизёров в ремонте, шт.		1
Число рабочих электролизёров, шт.	N = NУ - Nр	175
Сила тока, А	I	173000
Выход по току, %	з	88,8
Выход на ванну, т/сутки	m	1235,04
Среднее напряжение, В	Uср	4,563
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/т		15338,85
Производительность цеха	Рц	315577,48

Список использованной литературы

1. Учебник - Металлургия алюминия (Троицкий И.А, Железнов В.А.)

2. Учебник - Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом (Янко Э.А.)

3. Учебник - Металлургия легких металлов (В.И. Москвитин, И.В. Николаев, Б.А. Фомин)

4. Учебник - Электрометаллургия алюминия (Минцис М.Я.)

5. Мой конспект лекций по производству алюминия.

Размещено на Allbest.ru