Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет электролизера с самообжигающимися анодами

Содержание

• Введение
• Конструктивный расчёт электролизёра
• Материальный расчёт электролизёра
• Электрический расчёт электролизёра
• Энергетический расчёт электролизёра
• Автоматизация производства
• Техника безопасности

Литература

• Введение
• Алюминий - третий по распространённости химический элемент в земной коре. Он встречается только в соединениях. Наиболее распространены в природе каолинит Al₂O₃2SiO₂2H₂O - важнейшая составная часть глины, корунд Al2O3 - прозрачные кристаллы, полевой шпат или ортоклаз K₂OAl₂O₃6Si0₂ , боксит Al₂O₃nН₂О - алюминиевая руда, нефелин N₂OAl₂O₃2SiO₂ .
• Впервые металлический алюминий получил датский физик Г. Эрстед в 1825 году, восстановив хлористый алюминий амальгамой калия. Позднее этот способ был улучшен. В 1865 году русский учёный Н.Н. Бекетов получил алюминий вытеснением его из фтористых соединений магнием. Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США в 1866 году.
• Температура плавления алюминия технической чистоты (99,5%) 658^оС, удельная теплота плавления около 390 Дж/г, удельная теплоёмкость при 0^оС - 0,88 Дж/г^оС, температура кипения при 2500 ^оС. Плотность алюминия составляет 2,703 г/см³. Алюминий обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью.

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов - это небольшая плотность, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокая тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионно стоек к ряду химических веществ. Благодаря всем этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными металлами он нашёл широкое применение в самых различных отраслях современной промышленности. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов - авиационная и автомобильная промышленности, железнодорожный и водный транспорт, приборостроение и химическая промышленность.

Конструктивный расчёт электролизёра

электролизёр самообжигающийся анод расчет

Выбор плотности тока

Плотность тока принимаем i_а = 0,6 А/см², (I, стр. 26).

При конструктивном расчёте определяют основные размеры (габариты) электролизёра.

Размер анода

Площадь сечения анода S_a определяется по силе тока I и анодной плотности тока i_a:

S_a = I/d_a = 160000/0,6 = 266666,6 см²;

Ширину анода В_а принимаем равной 2700 мм, (I, стр. 27) следовательно длина А_а определяется:

А_а= S_a / В_а=266666,6 /2700 = 9877 мм;

Высота анода Н_а определяется из суммы высот конуса спекания h_к (1200 мм) и уровня жидкой анодной массы (400 мм):

Н_а = h_к + h_ж =1200 + 400 = 1600 мм

Внутренние размеры шахты электролизёра

Определяем из найденных размеров длины и ширины анода и расстояния до стенок бортовой футеровки электролизёра.

Принимаем расстояние от анода до продольной стороны а=650 мм, а от торцевой стороны до бортовой футеровки в=500 мм, (I, стр. 28). Тогда внутренние размеры шахты составят:

длина L_ш=А_а+2в=9877+2500 = 10877 мм;

ширина B_ш=В_в+2а=2700+2650 = 4000 мм;

Глубина шахты электролизёра Н_ш при уровне металла h_м=350 мм, электролита h_э= 165 мм и толщины корки электролита с глинозёмом в шахте ванны h_г=50 мм составит:

Н_ш = h_м + h_э + h_г =350+165+50 = 565 мм;

Конструкция катода

Основные размеры конструктивных элементов сборно-блочного катодного устройства определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых промышленностью прошивных угольных блоков и сталеалюминевых токоподводящих штырей.

Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм. и длиной от 600 до 2300 мм. При ширине подины ванны 4150 мм выбираем длину катодных блоков 2300 мм и 1500 мм. Число блоков определяется по формуле, исходя из длины шахты:

n_б = 2L_ш/590 = 37

Расстояние между катодными и боковыми блоками в торцах шахты электролизера, мм:

где =1/2 - число подовых секций в ряду.

Таким образом, подина электролизёра будет смонтирована из 36 подовых секций с перевязкой центрального шва по 18 секций в ряду. В паз каждого блока заделываются углеродистой пастой катодные стержни (блюмсы) сечением 1515 cм, и длиной 255 cм для блоков 4065230 и длиной 170 cм для блоков 4055150.

Размеры катодного кожуха

Внутренние размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной слоя теплоизоляционных материалов. При условии применения в качестве бортовой футеровки угольных плит толщиной 200 мм и и шамотной засыпки (50 мм), а для подины шахты ванны , кроме подовых блоков высотой 400 мм, сухой барьерной смеси (30мм), трех слоев шамота марки ША (65*3), двух слоев пенодиатомита (65*2) и диатомитовой крошки (22 мм), внутренние размеры катодного кожуха составят:

Длина L_кож=L_ш+2(200+50)=10877+2(200+50)=11377 мм;

Ширина В_кож=В_ш+2(200+50)=4500+2(200+50)=4500 мм;

Высота Н_кож=Н_ш+400+30+365+265+22=565+400+30+365+265+22= 1342 мм;

Принимаем катодный кожух шпангоутного типа с днищем, с вертикальными бортами и открытым сплошным по всему периметру фланцевым листом. Толщина стенок ванны и днища 1,6 см. Число шпангоутов 16, расстояние между ними 59 см.

Материальный расчёт электролизёра

Расчёты ведут на один час работы электролизёра.

Производительность электролизера (Р) в час при силе тока I=160000 А и принятом выходе по току _т=85 % составляет:

Р=0,335I_т=0,3351600008510^-5=45,9 кг/ч;

Расход сырья зависит от типа электролизёра, условий вентиляции, применяемых средств механизации и автоматизации процесса и т.д. На основании передового опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров и конструктивных особенностей принятого для расчёта электролизера принимаем следующие расходы сырья на 1 кг получаемого металла: глинозёма 1,93 кг, фтористого алюминия 0,043 кг, криолита 0,019 кг, анодной массы 0,59 кг. При этом расход сырья на 45,9 кг/час получаемого алюминия составит:

глинозёма 45,91,93 =87,93 кг/ч;

фтористого алюминия и криолита 45,56(0,043 +0,019)=2,82 кг/ч;

анодной массы 45,90,59 = 26,88 кг/ч;

Теоретический расход глинозёма должен составлять 1,89 на 1 кг алюминия. Тогда полученные потери глинозёма составят:

(1,93 -1,89) 45,9=1,82 кг/ч;

Они объясняются наличием в его составе примесей и механическими потерями.

Потери анодной массы составят: (0,59 - 0,42)45,9=7,75 кг/ч;

Они объясняются в основном реакциями протекающими у анода.

Количество СО и СО₂, кмоль/ч определяется из уравнений:

кмоль/ч;

0,62 кмоль/ч;

где N_CO2=0,6, N_CO=0,4 - мольные доли в анодных газах;

Весовые количества СО и СО2, кг/ч, определяются:

Р_СО=М_СО28=0,6228=17,86 кг/ч;

Р_СО2=М_СО244=41,46 кг/ч;

Потери углерода определяются:

Р_С= Р_а -Р_с

где Р_а - приход анодной массы:

Р_а=Р_AlP_a=26,68

Р_с - кол-во израсходованного с газами углерода:

Р_с=(М_СО-М_СО2)12=18,72

Р_С=26,68-18,72=8,16 кг/ч;

Потери фтористых солей в виде возгонов и газов принимают равными приходу фтористых солей: 0,0945,9 = 4,1 кг/ч.

Материальный баланс представлен в таблице 1.

Таблица 1. Таблица материального баланса

Приход	кг/ч	%	Расход	кг/ч	%
Глинозём Фтористые соли Анодная масса	87,93 4,1 26,88	73,96 3,44 22,6	Алюминий Потери глинозёма Газы СО СО2 Потери фтористых солей Анодная масса	45,9 1,82 17,86 41,46 4,1 7,75	38,6 1,54 15,02 34,86 3,44 6,54
ИТОГО	118,9	100	ИТОГО	118,9	100

Электрический расчёт электролизёра

Расчёт элементов токоподвода.

Расчёт ошиновки состоит в определении сечения и длины токопроводящих проводников электролизёра.

Принимаем экономическую плотность тока i_эк для алюминиевых шин - 0,4 А/мм², стальных стержней и штырей - 0,2 А/мм², алюминиевых спусков - 0,7 А/мм² (I, стр. 38).

Сечение ошиновки определяется:

мм²;

Число шин в шинопроводе:

шт;

где S_ш1 - сечение одной шины (I, стр. 38).

Принимаем 16 шин, которые собираются в пакеты по 8 шин, расположенные с двух сторон электролизёра.

В случае верхнего токоподвода число штырей определяется из условий оптимальной средней токовой нагрузки на штырь - 2300А. Тогда число штырей составит:

шт;

Так как штыри в аноде располагаются в четыре ряда, то число штырей принимаем кратное четырём - 70 штырей.

Конструктивным расчётом число катодных стержней определено равным 36 при поперечном сечении 150150 мм. Плотность тока в них составит: i_к.с.=I/36 150 150=160000/36 150 150=0,19 А/мм.

Катодные стержни соединяются с алюминиевыми шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных к катодным стержням и шинам. Сечение пакета из алюминиевых лент определяется:

мм²;

Принимаем стандартные алюминиевые ленты сечением 1,5200 мм, тогда число лент в пакете:

шт;

Исходя из размеров анодного и катодного устройств общую длину катодных пакетов принимаем равной 800 мм, анодной ошиновки 10000 мм, стояков 3000 мм.

Составляющие среднего напряжения.

Составление баланса напряжения электролизера заключается в определении составляющих падения напряжения Uср, В.

U_ср=U_а.у+U_э+U_к.у+U_а.э+U_о.о+Е;

где U_а.у - падение напряжения в анодном устройстве,

U_э - падение напряжения в электролите,

U_к.у - падение напряжения в катодном устройстве,

U_а.э - падение напряжения от анодных эффектов,

U_о.о - падение напряжения в общесерийной ошиновке,

Е - обратная эдс.

Падения напряжения в анодном устройстве.

Оно состоит из суммы падения напряжения в ошиновке, контактах и аноде.

Падение напряжения в анодной ошиновке U_а.о, состоящей из стояков длиной L_ст=3000 мм и анодных пакетов длиной L_п=10000 мм одинакового сечения S=1643070=481600 мм², по которым протекает ток силой I=160000А, определяется как U_а.о=I r_a.o.

Для определения электросопротивления r_a.o. необходимо знать удельное электросопротивление алюминия _t при средней температуре работы равной t₁=950C. Принимаем удельное сопротивление алюминия при t=920C, ₀=0,029 Оммм²/м, =0,004. Тогда

_t=₀[1+(t₁-t)]=0,029[1+0,004(50-20)]=0,033 Оммм²/м.

Отсюда электросопротивление в анодной ошиновке будет:

 Ом.

Падение напряжения составит:

U_а.о=Ir_a.o.=160000210^-6=0,32 Вт.

Падение напряжения в различных контактах принимается на основании практических данных. В сварных контактах анодная шина-стояк, стояк-гибкий пакет шин, гибкий пакет шин-катодные шины перепад напряжения составляет 0,004, 0,003, 0,003 соответственно и будет равен 0,004+0,003+0,003=0,01 В.

В прижимном контакте анодная шина-алюминиевая штанга-стальная часть штыря перепад напряжения составит 0,015+0,015=0,03 В. Таким образом, падение напряжения в контактах анодного узла будет: Uа.к.=0,01+0,03=0,04 В.

При расчетах для определения падения напряжения в аноде с верхним токоподводом можно пользоваться уравнением

;

Подставляя в это уравнение принятые ранее значения составляющих, определяем падение напряжения в аноде. Площадь сечения анода Sа=266666,6 см²; число штырей K=80 шт; среднее расстояние от подошвы анода до штырей

см;

где l_min - минимальное расстояние от конца штыря до подошвы анода,

l - шаг между горизонтами, n_г - число горизонтов.

Среднее удельное электросопротивление анода _а=910^-3 Омсм; плотность тока в аноде D=0,7 А/см²;

601,965 мВ или 0,602 В.

Суммируя составляющие находим падение напряжения в анодном устройстве:

Uа.у.= Uа.о.+ Uа.к.+ Uа.=0,32+0,04+0,602=0,962 В.

Падение напряжения в электролите.

Определяем по формуле:

;

где - удельное электросопротивление электролита;

l - межполюсное расстояние;

I - сила тока;

2(А+В) - периметр анода;

В

Падение напряжения в катодном устройстве

Складывается из падения напряжения на подине, в частях катодных стержней, не заделанных в подину, в соединительных алюминиевых пакетах, катодной ошиновке и в контактах блюмсы - соединительные пакеты и соединительные пакеты - катодная ошиновка.

Для определения падения напряжения в подине (U_п, мВ), смонтированной из прошивных угольных блоков шириной 550 мм, пользуются уравнением:

мВ;

где _бл - удельное электросопротивление блока, =3,7210^-3Ом см;

В_ш - половина ширины шахты ванны, 200 см;

В_бл - ширина блока с учётом шва, 59 см;

S - площадь поперечного сечения катодного стержня с учётом чугунной заливки, 1717=289 см²;

А - ширина настыли, 24 см;

i_а - анодная плотность тока, 0,6 А/см²;

l_пр - приведённая длина пути тока по блоку, см;

l_пр=2,5+0,92Н-1,1h+132/b

где Н - высота блока, см; b и h - высота и ширина блюмса с учётом замазки;

l_пр=2,5+0,9240-1,117+132/17=28,4 см

мВ;

Падение напряжения в блюмсах не заделанных в подину определяем исходя из следующих параметров: общее сечение блюмсов S_к=15015037=832500 мм²; длина выступающей части катодного стержня (из конструктивных расчётов) l=0,325 м; средняя температура его нагрева 230-270 С. При этой температуре удельное электросопротивление стали составит =0,22 Оммм²/м.

При этих условиях сопротивление составит:

r=0,22 0,325/832500=8,58910^-8 Ом.

Падения напряжения на выступающих из подины участках катодных стержнях будет:

U_ст=1600008,58910^-8=0,0137 В.

Аналогично рассчитываем падение напряжения в алюминиевых соединительных лентах (U_л).

Из расчёта длина алюминиевых соединительных лент l=0,8 м при площади их поперечного сечения S_л=1,5 200 2,7 37=29970 мм².

Удельное электросопротивление в соединительных лентах =0,036 Оммм²/м. Находим общее сопротивление в соединительных лентах:

r=0,036 0,8/29970=9,6 10^-7 Ом .

Падение напряжения в них составит: U_л=1600009,6 10^-7=0,15 В.

Падение напряжения в катодной ошиновке электролизёра при её длине l_к.о.=10,5 м, площади поперечного сечения S_к.о.=4306016=412800 мм² и удельном сопротивлении =0,032 Оммм²/м(средняя температура ошиновки 50С) составит: U_к.о.=Il_к.о/ S_к.о.=1600000,03210,5/412800=0,13 В.

Падение напряжения в сварных контактах (Uк), пакет алюминиевых лент - катодных стержень и пакет алюминиевых лент - катодная ошиновка принимаем по данным практики 0,006 и 0,004 В соответственно.

Тогда суммарное падение напряжения в катодном устройстве составит:

U_к.у.= U_п +U_ст +U_к.о +U_л+U_к.=0,138+0,0137+0,13+0,15+0,01=0,4327 В.

Доля падения напряжения от анодных эффектов в среднем напряжении была определена ранее: U_а.э.=1 1,5 35/24 60=0,036 В

Где 1,5 - средняя продолжительность анодного эффекта с напряжением 35 В, 24 - число часов в сутках, 60 - число минут в часе.

Обратная э.д.с. Е=1,13+0,37 i_а=1,13+0,37 0,6=1,352 В

Где i_а - анодная плотность тока, 0,6 А/см²

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем по данным практики:_. U_о.о =0,05 В.

Суммируя все составляющие , находим среднее напряжение:

U_ср=U_а.у + U_э + U_к.у + U_о.о + Е + U_а.э=

= 0,962 + 1,78 + 0,4347 + 0,05 + 1,352 + 0,036 = 4,61 В.

Рабочее напряжение электролизёра меньше среднего на величину падения напряжения в общесерийной ошиновке и на долю падения от анодных эффектов:

U_раб.= U_ср - U_о.о -U_а.э.=4,61-0,05-0,036=4,524 В.

Баланс напряжения электролизёра показан в таблице 2.

Таблица 2. Баланс напряжения электролизёра.

Составляющие среднего напряжения	Греющее, В	Нагревающее,В	Всего
			В	%
Анодная ошиновка Контакты анодного узла Анод	- - 0,962	0,32 0,04 -	0,32 0,04 0,962	6,62 0,83 19,91
Итого в анодном устройстве	0,962	0,36	1,322	27,36
Подина ванны Блюмсы (выступающая часть) Алюминиевые спуски Катодная ошиновка Контакты катодного узла	0,138 - - - -	- 0,0137 0,01 0,13 0,01	0,138 0,0137 0,01 0,13 0,01	2,86 0,28 0,21 2,69 0,21
Итого в катодном устройстве	0,138	0,1537	0,2917	6,04
Электролит Напряжение разложения	1,78 1,352	- -	1,78 1,352	36,84 27,98
Итого рабочее напряжение	4,232	0,5137	4,746	98,22
От анодных эффектов Общесерийная ошиновка	0,036 -	- 0,05	0,036 0,05	0,75 1,03
Итого среднее напряжение	4,268	0,5637	4,832	100

Энергетический расчёт электролизёра

Нормальную работу алюминиевого электролизёра можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равен его приходу. Энергетический расчёт заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизёра на основании этих составляющих.

Приход тепла

От прохождения электрического тока приход тепла определяется по уравнению:

Q_эл=3600 I U_гр

Где 3600 - тепловой эквивалент, кВтч;

Q_эл=3600 160 4,268=2458368 кДж

От сгорания угольного анода приход тепла определяется по уравнению:

Q_ан=M_СО2 Н_СО2 + M_СО Н_СО;

Где M_СО2 и M_СО - мольные доли СО₂ и СО соответственно (кмоль/ч);

Н_СО2 и Н_СО - тепловые эффекты реакции образования СО₂ и СО при t=25С , равные соответственно 393 777 и 105 141, кДж/моль;

Q_ан =0,94393 777+0,62105 141 = 435 337 кДж/ч;

Расход тепла

На разложение глинозёма расходуется:

Q_разл=P_AL2O3 H_т ^AL2O3

Где P_AL2O3 - расход глинозёма на электролитическое разложение:

P_Al2O3 = кмоль/ч;

F - число Фарадея F=26,8 Ач;

H_т ^AL2O3 - тепловой эффект реакции образования оксида алюминия при 25С (равняется 1 653 503 кДж/кмоль);

I-сила тока; з-выход по току;

Подставляя эти значения составляющих в уравнение получим:

Q_разл= кДж;

Потери тепла с выливаемым из электролизёра алюминием рассчитывается, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла.

При температуре выливаемого алюминия 960С изменение энтальпии алюминия составит =1393,3 кДж/кг. Отсюда потери тепла с выливаемым алюминием составит:

Q_мет=45,9 1393,3=63 952 кДж/ч;

Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газа за счёт подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведём расчёт на основные компоненты анодных газов - оксид и диоксид углерода.

Температуру отходящих газов принимаем по данным практики 550С. Энтальпию составляющих отходящего газа находим в справочнике и определяем потери тепла с газами:

Q_газ=P_CO2ДH_CO2+P_COДH_CO;

Q_газ=41,25602,5+17,5627,6 =35 836 кДж/ч;

Где P_CO2 и P_CO -количество CO₂ и CO, кг/ч;

Тепловые потери с поверхности электролизёра определяют на основании законов теплоотдачи конвекцией и излучением.

Для определения теплоотдачи конвекцией применяем зависимость:

Q_к=_к S(t_п-t_в)

Где - коэффициент конвективной теплоотдачи, кДж/м²чС;

S - площадь теплоотдающей поверхности, м²;

t_п - температура поверхности, С;

t_в - температура окружающей среды, С;

_к=А t^1/3

где А - коэффициент зависящий от свойств среды и определяющей температуры, под которой понимают t_m=0,5(t_c+t_в);

t - разность температур стенки и воздуха.

Для горизонтальных плит, с которых тепловой поток идёт вверх, коэффициент _к увеличивают на 30%, а если тепловой поток идёт вниз, то уменьшают на 30%.

Зависимость коэффициента А от определяющей температуры для вертикальной стенки показана в таблице 3 и рисунке 1.

Таблица 3

tm, С	0	50	100	200	300	500	1000
А	6,07	5,31	4,47	4,06	3,56	2,93	2,01



Рис. 1 Зависимость коэффициента А от определяющей температуры.

Воспользуемся данными практики КрАЗа с электролизёра С8БМ на силу тока 155 кА показанных в таблице 4.

Экспериментально определённые температуры основных элементов электролизёра.

Таблица 4.

Теплоотдающая поверхность электролизёра С8БМ с верхним токоподводом	Температура	Площадь, м2	ц, доли единиц
	стенки	воздуха
Штыри Поверхность анодной массы	80 120	20 20	30,6 24,2	0,55 1
Анодный кожух: Верхняя площадка Боковая поверхность продольных сторон (верх) Боковая поверхность продольных сторон (низ) Рёбра жёсткости продольных сторон Боковая поверхность торцевых сторон (верх) Боковая поверхность торцевых сторон (низ) Рёбра жёсткости торцевых сторон Контрфорсы анодного кожуха Обвязочный лист Газосборный колокол Глинозёмная засыпка Открытая поверхность электролита	41 90 320 174 87 290 121 60 88 416 343 967	20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20	11,5 13,44 13,44 28,1 4,56 4,56 9,6 5,7 22,7 2,3 8 7,3	1 0,71 0,71 0,44 0,71 0,71 0,44 0,5 0,56 0,69 1 1
Катодный кожух: Верхняя зона продольных сторон Средняя зона продольных сторон Нижняя зона продольных сторон Верх торцевой стороны Середина торцевой стороны Низ торцевой стороны Коробка торцевой стороны Днище Рёбра жёсткости на торце Шпангоуты под днищем Шпангоуты вдоль продольных сторон Фланец продольной стороны Фланец торцевой стороны Блюмсы	280 310 90 180 220 65 30 120 15 28 220 230 255	20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20	12.93 12,93 12,93 5,7 5,7 5,7 6,7 42,2 17,08 49,3 53,8 9,5 3,2 8,2	0,71 0,71 0,71 1 1 0,74 0,65 0,76 1 0,74 0,5 1 1 0,71

Находим потери тепла конвекцией:

_к=5,027 =19,681 кДж/(м ч С)

Q_к= 19,6816030,6=36134,33 кДж/час

_к=4,928 = 22,872 кДж/(м ч С)

Q_к=22,87210024,2=55351,12 кДж/час

_к=5,126 =14,143 кДж/(м ч С)

Q_к=14,1432111,5=3415,51 кДж/час

_к=5,002 =20,615 кДж/(м ч С)

Q_к=20,6157013,44=19394,96 кДж/час

_к=4,458 =29,848 кДж/(м ч С)

Q_к=29,84830013,44=120349,01 кДж/час

_к=4,796 =25,709 кДж/(м ч С)

Q_к=25,70915428,1=111254,87 кДж/час

_к=5,009 =20,347 кДж/(м ч С)

Q_к =20,347674,56=6216,44 кДж/час

_к=4,526 =29,254 кДж/(м ч С)

Q_к= 29,2542704,56=36017,42 кДж/час

_к=4,925 =22,937 кДж/(м ч С)

Q_к=22,9371019,6=22239,60 кДж/час

_к=5,077 =17,366 кДж/(м ч С)

Q_к=17,366405,7=3959,39 кДж/час

_к=5,007 =20,438 кДж/(м ч С)

Q_к=20,4386822,7=31547,44 кДж/час

_к=4,249 =31,208 кДж/(м ч С)

Q_к=31,2084162,3=28424,33 кДж/час

_к=4,407 =30,243 кДж/(м ч С)

Q_к=30,2433238=78147,28 кДж/час

_к=3,226 =31,684 кДж/(м ч С)

Q_к=31,6849477,3=219033,31 кДж/час

Итого потери тепла конвекцией с наружных стенок электролизёра составит:

Q_к=Q₁+Q₂+Q₃+…+Q₁₄

Q_к=552451 кДж/час

Находим потери тепла с тепловым излучением:

Q_изл=С_0пF;

Где С₀ - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела,

С₀ =20,75 кДж/(м²чК²);_п - приведённая степень черноты, для стали _п =0,77, для анодной массы_п =0,47, для глинозёма _п =0,53;

- угловой коэффициент;

Т_п и Т_в - температура теплоотдающей поверхности и окружающей среды;

Q_изл=0,7720,7530,60,55=20547 кДж/час

Q_изл=0,4720,7524,21=20727 кДж/час

Q_изл=0,7720,7511,51=1730 кДж/час

Q_изл=0,7720,7513,440,71=14406 кДж/час

Q_изл=0,7720,7513,440,71=140735 кДж/час

Q_изл=0,7720,7528,10,44=11764 кДж/час

Q_изл=0,7720,754,560,71=3953 кДж/час

Q_изл=0,7720,754,560,71=44296 кДж/час

Q_изл=0,7720,759,60,44=10844 кДж/час

Q_изл=0,7720,755,70,5=1809 кДж/час

Q_изл=0,7720,7522,70,56=12911 кДж/час

Q_изл=0,7720,752,30,69=37837 кДж/час

Q_изл=0,5320,7581=63183 кДж/час

Q_изл=0,6320,757,31=3276 кДж/час

Q_изл=0,7720,7512,90,71=12236 кДж/час

Q_изл=0,7720,7512,90,71=15406 кДж/час

Q_изл=0,7720,7512,90,71=13038 кДж/час

Q_изл=0,7720,755,71=5761 кДж/час

Q_изл=0,7720,755,71=32176 кДж/час

Q_изл=0,7720,755,70,74=2569 кДж/час

Q_изл=0,7720,756,70,65=2764 кДж/час

Q_изл=0,7720,7542,20,76=31204 кДж/час

Q_изл=0,7720,7517,081=27079 кДж/час

Q_изл=0,7720,7549,30,74=-10140 кДж/час

Q_изл=0,7720,7553,80,5=5798 кДж/час

Q_изл=0,7720,759,51=37765 кДж/час

Q_изл=0,7720,753,21=13961 кДж/час

Q_изл=0,7720,758,20,71=60677 кДж/час

Итого потери тепла с излучением составят:

Q_изл=Q₁+Q₂+…+Q₂₈;

Q_изл=638311 кДж/час;

Находим потери тепла теплопередачей:

1. Теплопередача через боковые стенки

Первый слой - угольные блоки;

Второй слой - шамотная засыпка;

₁=3,14+0,0021t;

900 л₂=0.091+0.00028t;

960С 100

20С

б=100;

Сопротивление слоев при нулевой температуре:

;

;

Определяем перепады температур:

С;

С;

Определяем температуру на границе слоев:

t₂=t₁-Дt₁=900-83.39=816.61С;

t₃=t₂-Дt₂=816.61-716.6=100.01С;

Определяем средние температуры слоев:

С;

С;

Находим коэффициент теплопроводности:

л₁=3,14+0,0021858,3=4,94;

л₂=0,091+0,00028458,31=0,22;

Рассчитываем тепловые сопротивления слоев:

;

; ;

Определяем плотность теплового потока:

Вт/м²;

Вт/м²;

т.к. большая разница между q_т.п. и q_к. увеличиваем температуру поверхности до160С;

Вт/м²;

Вт/м²;

Находим общую площадь боковой теплопередающей поверхности:

S=2L_кожH_кож+2B_кожH_кож=2111,3+24,51,3=40,3м²;

Находим потери тепла теплопередачей через боковую стенку:

Q_т.п.=40,3(160-20) 18= 101,556 кВт =101,5563600=365 601 кДж/ч;

2. Теплопередача через днище:

Сопротивление слоев при нулевой температуре:

;

;

;

;

;

;

;

Определяем перепады температур:

С;

С;

С;

С;

С;

С;

С;

Определяем температуру на границе слоев:

t₂=t₁-Дt₁=900-106.47=793.53 С;

t₃=t₂-Дt₂=793.53-27.52=766.01 С;

t₄=t₃-Дt₃=766.01-27.52=738.49 С;

t₅=t₄-Дt₄=738.49-27.52=710.96 С;

t₆=t₅-Дt₅=710.96-260.44=450.52 С;

t₇=t₆-Дt₆=710.96-260.44=190.09 С;

t₈=t₇-Дt₇=190.09-90.09=100 С;

Определяем средние температуры слоев:

С;

С;

С;

С;

С;

С;

С;

Находим коэффициент теплопроводности:

л₁=0,105+0,00028*846.767 =0.342;

л₂=0.88+0.00023*806.389 =0.331;

л₃=0.88+0.00023*772.438 =0.321;

л₄=0.88+0.00023*741.701 =0.313;

л₅=0.093+0.0002*596.113 =0.272;

л₆=0.093+0.0002*393.099 =0.215;

л₇=0.091+0.00028*246.55 =0.174;

Рассчитываем тепловые сопротивления слоев:

;

;

;

;

;

; ;

Определяем плотность теплового потока:

Вт/м²;

Вт/м²; т.к. большая разница между q_т.п. и q_к. уменьшаем температуру поверхности до 70С;

Вт/м²;

Вт/м²;

Находим общую площадь теплопередающей поверхности:

S=L_шB_ш=114,5=49,5м²;

Находим потери тепла теплопередачей:

Q_т.п.=49,5(70-20) 12,75= 10,71 кВт =147,983600=38 556 кДж/ч;

Составляем тепловой баланс электролизёра на силу тока 160 кА:

Таблица 5

Статья	Приход	Статья	Расход
	кДж/час	%		кДж/час	%
От прохождения эл. тока От сгорания угольного анода	2 458 368 435 337	84,9 15,1	На разложение глинозёма С вылитым алюминием С отходящими газами Катодным устройством Анодным устройствам	1 268 492 63 952 35 836 604 157 679 063	44,4 2,25 1,25 21,16 30,94
Итого:	2 893 705	100	Итого:	2 855 700	100

Невязка баланса составляет:

Автоматизация производства

Автоматизация мощных серий алюминиевых электролизеров с обоженными анодами на протяжении последних лет ведется путем разработки и внедрения централизованных АСУТП «Электролиз» на базе типовых и специализированных управляющих вычислительных комплексов (УВК) М-6000 СМ-2.В процессе разработки и эксплуатации таких систем, а также в результате сопоставительного анализа с АСУТП родственного назначения установлено, что аппаратурный объем вычислительных устройств составляет до 12% всего оборудования. Доминирующую часть по стоимости и аппаратуре в УВК занимают устройства связи с объектом (УСО), внешняя память, устройство ввода-вывода информации и внутрисистемной связи.

Применительно к системам управления электролиза алюминия децентрализация базового УВК является не достаточной для решения указанных проблем. Наиболее эффективным является применение микропроцессорных вычислительных средств в непосредственной близости от объекта управления-электролизера. Иными словами сбор и обработка информации о технологическом состоянии электролизера, а также управление ими должны осуществляться функционально законченными микроЭВМ на нижнем уровне многоуровневой системы управления. Такие системы с распределенной архитектурой на базе микроЭВМ обладают неоспоримыми преимуществами:

-Высокой живучестью и гибкостью, а также возможностью самодиагностики неисправностей.

-Сокращение сроков и трудоемкости разработки новых систем и их поэтапном внедрении.

-Уменьшении массы, габаритов и стоимости комплекса технических средств.

-Улучшением условий работы обслуживающего персонала.

Оснащению современных серий электролиза алюминия децентрализованными системами управления на базе микропроцессорной вычислительной техники уделяется большое внимание за рубежом. Во Франции (фирма «Алюминиум Пешине») и Германии осуществлена разработка АСУТП для серий электролиза с использованием микроЭВМ для каждого электролизера. На базе отечественных и импортных микроЭВМ разрабатываются и внедряются децентрализованные системы управления в ПНР (завод «Конин»), СРР (завод «Слатина»).

Техника безопасности

Общие положения

К работе в электролизных цехах допускаются лица не моложе 18 лет. Рабочие, инженерно-технические работники, поступающие на работу в цеха, подлежат предварительному медицинскому освидетельствованию, а постоянно работающие на предприятии - периодическому медицинскому осмотру.

Рабочие, вновь поступающие на работу, должны получить вводный инструктаж по технике безопасности в отделе ТБ завода. Рабочие, вновь приняты и переведенные из одного отделения в другое на работу по специальности, перед допуском к работе должны быть проинструктированы по ТБ непосредственно на рабочем месте.

К самостоятельной работе рабочие допускаются только после обучения безопасным методам работы и стажировки на рабочем месте, а также проверке из знаний по ТБ в цеховых комиссиях, утвержденных главным инженером предприятия. Повторный инструктаж для рабочих электролизных цехов проводится повторно каждые 6 месяцев.

В цехах должен быть список особо опасных работ, утвержденный главным инженером. Выполнение таких работы производится специально обученными рабочими, умеющими пользоваться средствами личной защиты и знающими способы оказания первой медицинской помощи. Все работы повышенной опасности производятся по нарядам - допускам, с соблюдение требований «положение о применении нарядов-допусков при производстве работ повышенной опасности на предприятиях цветной металлургии» и «инструкции по организации и ведению работ в газоопасных местах на предприятиях химической, металлургической и нефтеперерабатывающей промышленности».

Запрещаются работы без соответствующей спец одежды, спец обуви и предохранительных приспособлений, а также при нарушении их ношения.

Правила безопасного ведения технологических процессов

Технологические процессы в цехах производства алюминия, цехах анодной массы должны осуществляются в соответствии с технологическими инструкциями, утвержденными главным инженером завода. В технологических инструкциях указываются приемы работ, обеспечивающие минимальное выделение вредных веществ, лучистого и конвекционного тепла в воздушную среда производственных помещений. В этом разделе рассматриваются наиболее важные правила безопасного обслуживания оборудования цехов электролиза.

Литература

1. Борисоглебский Ю.В. Расчет и проектирование алюминиевых электролизеров. - Л.: ЛПИ, 1981,-80c.

2. Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизеров. - М.: Металлургиздат, 1963.- 320 с.

3. Металлургия алюминия / Ю.В. Борисоглебский и др. -Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. - 438 с.

4. Расчет дуговых сталеплавильных печей: Метод указания по выполнению курсового и дипломного проектирования/Сост.: С.М. Тинькова, А.П. Скуратов; КИЦМ. Красноярск, 1990.-40 с.

5. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей.- М.: Металлургия, 1986.- 376 с.

6. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства/ Е.Н. Панов, Г.Н. Василенко и др.- М. Изд. Дом «Руда и металлы», 1998, 256 с

7. Блох А.Г. Теплообмен излучением: Справочник. - М. 1991

Размещено на Allbest