Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3 Архитектура Биология География Другое Иностранные языки Информатика История Культура Литература Математика Медицина Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Программирование Психология Религия Социология Спорт Строительство Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника

Приход материалов в электролизёр рассчитывается по расходу сырья на один кг алюминия с учетом производительности электролизёра в час.

3 Расчётная часть

3.1 Материальный баланс

3.1.1 Приход материалов

Приход материалов в электролизёр рассчитывается по расходу сырья на один кг алюминия с учетом производительности электролизёра в час.

1) Производительность электролизёра, т.е. количество алюминия, выделяющееся за единицу времени , кг/ч, определяется по формуле

,

где I – сила тока, А;

– выход по току алюминия, доли единиц;

q – электрохимический эквивалент, принимаем q= 0,3356 г/А∙ч.

кг/ч.

Зная производительность электролизёра и удельный расход сырья, рассчитаем приход глинозёма в ванну , кг/кг Al, по формуле

,

где – расход глинозёма, принимаем кг/ч;

кг/кг Al.

Зная производительность электролизёра и удельный расход сырья, рассчитаем приход анодов в ванну , кг/кг Al, по формуле

где расход анодов, принимаем кг/ч;

кг/кг Al,

Зная производительность электролизёра и удельный расход сырья, рассчитаем приход фтористых солей в ванну , кг/кг Al, по формуле

,

где – расход фтористых солей, принимаем кг/ч.

кг/кг Al.

3.1.2 Расход материалов

Расход материалов складывается из следующих статей:

1) Алюминий. Количество полученного в результате электролиза алюминия определяется производительностью электролизёра, , кг/ч

=99,445кг/ч.

2) Анодные газы. Количество анодных газов рассчитывается по суммарной реакции протекающей в электролизёре, и по составу анодных газов. Реакция имеет вид

Al₂O₃+xC=2Al+(2x-3)CO+(3-x)CO₂.

Количество CO, , кмоль/ч, определяется из уравнения

,

где - мольная доля CO в анодных газах, = 0,39.

кмоль/ч.

Количество СО₂ , кмоль/ч, определяется из уравнения

,

где - мольная доля CO₂ и в анодных газах, = 0,61.

кмоль/ч.

Весовое количество CO , кг/ч, определяется по формуле

,

где 28 – молекулярный вес CO.

кг/ч.

Весовое количество CO₂, , кг/ч, определяется по формуле

,

где 44 – молекулярный вес CO₂

кг/ч.

3) Потери углерода , кг/ч, определяются как разность между приходом обожженных анодов и количеством израсходованного с газами углерода по формуле

,

где P_C - количество израсходованного с газами углерода, кг/ч,

-количество израсходованных обожженных анодов, кг/ч.

Количество израсходованного с газами углерода Р_С, кг/ч, рассчитывается по уравнению

,

кг/ч,

кг/ч.

4) Потери глинозёма в виде пыли и механические потери , кг/ч, принимаются как разность между приходом глинозёма в электролизёр и теоретическим расходом глинозёма и рассчитываются по формуле

,

где – теоретический расход глинозёма, кг/ч.

Зная количество алюминия, выделяющееся за единицу времени, определяем теоретический расход глинозёма , кг/ч, по формуле

=1,89 ,

кг/ч,

кг/ч.

5) Потери фтористых солей в виде возгонов и газов, удаляемых системами вентиляции, на пропитывание подины и с угольной пеной, если она снимается , кг/ч, принимают равным приходу фторсолей

кг/ч.

Результаты расчёта материального баланса электролизёра сводим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Материальный баланс электролизёра

3.2 Конструктивный расчёт электролизёра

1) Анодное устройство.

Определение габаритов электролизёра начинаем с расчёта размеров анода или анодного массива.

Зная силу тока и анодную плотность тока, определяем площадь анода, , см² , по формуле

,

где D_a – анодная плотность тока, А/см².

см².

Для электролизёров с обожженными анодами мощностью 175 кА и выше анод состоит из блоков. Размеры блоков составляют 700·1455 мм, высота 600 мм. Для таких электролизёров рассчитывается необходимое количество анодов , шт, по формуле

,

шт.

Принимаем = 40 шт.

Уточняем анодную плотность тока , А/ см² , по формуле

,

А/ см².

Это значение анодной плотности тока используем в дальнейших расчётах.

Расстояние между блоками по продольной стороне составляет a=50 мм, а между рядами блоков b=160 мм.

Тогда длина анодного массива , см, рассчитывается по формуле

см.

Ширина анодного массива , см, рассчитывается по формуле

,

см.

Ток к каждому анодному блоку подводится с помощью трёх ниппелей. Число ниппелей, установленных на электролизёре, , шт, рассчитывается по формуле

,

где 3 – количество ниппелей подводимых ток к одному анодному блоку;

¾ количество анодных блоков, шт.

шт.

Суммарное сечение ниппелей в блоке , мм², рассчитывается по формуле

,

где d_н - диаметр стального ниппеля, мм.

мм².

Плотность тока в ниппелях , А/ мм², рассчитывается по формулам

,

А/ мм².

Сечение алюминиевых штанг принимаем равным мм. Суммарное сечение штанг , мм²,рассчитывается по формуле

,

мм².

Плотность тока в алюминиевых штангах , А/ мм², рассчитывается по формуле

,

А/ мм².

2) Катодное устройство.

Определяем внутренние размеры шахты электролизёра. Ширину шахты В_ш, мм, рассчитываем по формуле

,

где С–расстояние «борт-анод» по продольной стороне КУ, принимаем С=400 мм;

мм

Длина шахты L_ш, мм, рассчитывается по формуле

,

где D – расстояние «борт-анод» по торцевой стороне КУ, принимаем D = 400 мм.

мм

Глубина шахты H_ш мм, определяется суммой уровней технологического алюминия, электролита и толщиной корки электролита с глинозёмом в шахте ванны, и рассчитывается по уравнению

H_ш =h_м + h_э + h_г ,

где h_м - уровень технологического алюминия, мм,

h_э - уровень технологического электролита, мм,

h_г - толщина корки электролита с глинозёмом в шахте ванны, мм.

На практике H_ш=500-600 мм

Принимаем H_ш = 500 мм.

1) Конструкция подины.

Основные размеры подины определяются найденными геометрическими размерами шахты ванны и стандартными размерами выпускаемых угольных блоков и блюмсов. В отечественной промышленности применяются только сборно-блочные подины.

Выпускаются катодные блоки высотой h_б = 400 мм, шириной b_б = 550 мм и длиной L_Б = 3500 мм.

Схема укладки подовых блоков приведена на рисунке 3.1.

1 – боковая футеровка; 2 – межблочный шов; 3 – катодные блоки; 4 – продольные и торцевой периферийные швы.

Рисунок 3.1 – Схема укладки подовых блоков

Торцевой периферийный шов должен составлять от 50 до 200 мм. Это расстояние можно проверить расчетом

Размер периферийного шва по продольной стенке , мм, рассчитываем по формуле

,

где L_Б – длина катодного блока, мм.

мм.

Число блоков в подине , шт, рассчитываем исходя из длины шахты по формуле

,

шт.

Принимаем = 26 шт.

Расстояние между катодными и боковыми блоками в торцах шахты электролизёра , мм, рассчитываем по формуле

,

мм.

2) Определяем размеры катодного кожуха. Длину катодного кожуха L_кож, мм, находим по формуле

,

мм.

Ширину катодного кожуха Н_кож, мм, находим по формуле

,

мм,

Высоту катодного кожуха В_кож, мм, находим по формуле

,

где 30 мм – сухой барьерный слой, (СБС),

65·2 мм - два ряда диатомового кирпича,

65·3 мм – три ряда шамотного кирпича,

22 мм - слой шамотной засыпки,

8 мм – межслойные швы.

мм.

В паз каждого катодного блока заливаются чугуном стальные стержни, размеры которых 115·230 мм.

Суммарное сечение катодных стержней электролизёра , мм², рассчитывается по формуле

,

где ¾ сечение стального катодного стержня без учёта чугунной заливки, мм²;

¾ количество катодных стержней, равное количеству катодных блоков в подине, шт.

мм².

Плотность в стальных стержнях , А/ мм², рассчитывается по формуле

,

А/ мм².

5) Ошиновка электролизёра

Подвод тока к анодам осуществляется с помощью четырёх стояков. Каждый стояк состоит из жёсткой части в виде шин и гибкой в виде лент.

Суммарное сечение шин в стояках , мм² определяется по формуле

,

где ¾ плотность тока в стояках, А/ мм², по справочным данным принимаем =0,4 – 0,44 А/ мм².

А/ мм².

Сечение шин принимаем мм, сечение алюминиевых лент мм.

Количество алюминиевых шин в стояках , шт, рассчитывается по формуле

,

шт.

Принимаем = 22 шт.

При этом плотность тока в стояках , А/ мм², рассчитываем по формуле

,

А/ мм².

Суммарное сечение лент в гибкой части стояков равняется суммарному сечению шин, тогда количество лент в пакетах , шт, рассчитывается по формуле

,

шт,

Принимаем = 777 шт.

Суммарное сечение катодных шин ошиновки , мм², рассчитывается по формуле

,

мм².

Определяем количество катодных шин , шт, по формуле

,

шт.

Принимаем =22 шт.

Стальные катодные стержни (блюмсы) соединяются с алюминиевыми катодными шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных к катодным стержням и швам. Сечение пакета из алюминиевых лент, которое соответствует сечению одного блюмса, , мм² , рассчитывается по формуле

,

мм².

Количество лент на один стержень ,шт, рассчитывается по формуле

,

где ¾ сечение ленты, мм².

шт.

Принимаем = 45 шт.

Количество боковых блоков n_б.бл, шт, рассчитывается по формуле

где П_ш- периметр шахты, мм,

L_бл – количество анодных блоков, шт.

Периметр шахты П_ш ,мм, рассчитывается по формуле

,

мм,

шт.

Принимаем n_бл = 71 шт.

3.3 Электрический баланс

Вопрос о снижении расхода электроэнергии является одним из важнейших в алюминиевой промышленности. Поэтому необходимо знать на каких участках электролизера происходят потери электроэнергии, и от каких причин они зависят.

Расчет электрического баланса состоит в определении падении напряжения в конструктивных элементах электролизера, в электро­лите и напряжений поляризации. Рассчитанные или принятые по прак­тическим данным падения напряжения сводятся в таблицу, которую называют электрическим балансом электролизера.

В практике электролиза различают три вида напряжения:

1)среднее напряжение (U_ср) - включает в себя все виды паде­ния напряжения и напряжение поляризации для того, чтобы рассчитать мощность контролирующих параметров агрегатов всех серий электролизёров;

2) рабочее напряжение (U_p) - это фактическое напряжение, определяемое показаниями вольтметра на ванне, и является рабочим контролирующим параметром работы ванны;

3)греющее напряжение (U_гр) - учитывает падение напряжения во всех греющих элементах электролизера, т.е. находящихся внутри того объема, с поверхности которого рассчитываются потери тепла в окружающее пространство. Греющее напряжение обязательно включает в себя и напряжение поляризации.

Вводим следующие обозначения:

E – напряжение поляризации (напряжение разложения глинозёма), В;

– падение напряжения в аноде, В;

– падение напряжения в катоде, В;

– падение напряжения вэлектролите, В;

– падение напряжения от анодного эффекта, В;

– падение напряжения в ошиновке электролизера, В;

– падение напряжения в общесерийной ошиновке, В.

Среднее напряжение U_cp, В, рассчитывается по формуле

U_cp = E + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_{ан. эф} + ΔU_эл + ΔU_{o. э} + ΔU_o.o

Рабочее напряжение рассчитывается U_p, В, рассчитывается по формуле

U_p = E + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_эл + ΔU_{o. э}

Греющее напряжение U_гр, В, рассчитывается по формуле

U_гр = Е + ΔU_a + ΔU_k + ΔU_{ан. эф} + ΔU_эл

3.3.1 Напряжение поляризации

Для расчета ЭДС поляризации Е, В, используем следующее эмпирическое уравнение

Е = 1,28 + 0,37·D_a;

где D_a – анодная плотность тока, А/см².

Е = 1,28+ 0,37 · 0,785 = 1,571 В.

2) Падение напряжения в обожжённом аноде

Схема угольного обожженного анода представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема угольной части анода

Падение напряжения в обожженном аноде , В, складывается из падений напряжения в угольной части анода, в контактах анод-ниппель, стальном кронштейне, контактах кронштейн – штанга, алюминиевой штанге и определяется по следующему уравнению

,

где – падение напряжения в угольной части анода, В;

– падение напряжения в контакте угольный анод- стальной

ниппель, В;

– падение напряжения в стальном ниппеле, В;

– падение напряжения в кронштейне, В;

– падение напряжения в контакте кронштейн - алюминиевая

штанга, В;

– падение напряжения в алюминиевой штанге, В.

Падение напряжения в угольной части анода , В, можно рассчитать по уравнению

В,

где – удельное электросопротивление угольного блока, Ом∙см;

– путь тока по блоку, см;

S – среднее сечение угольного блока, через которое протекает ток, см².

Удельное электросопротивление угольного анода , Ом∙см, рассчитываем по формуле

Ом·см,

где t – температура анода в среднем за цикл работы, принимаем t = 640 ^оС.

Ом∙см.

Путь тока по блоку , см, рассчитывает по формуле

,

где H_СР – сумма глубин гнезда и средней высоты рабочей части блока, см;

h – глубина гнезда, принимаем h = 10 см;

Д_Г – диаметр ниппельного гнезда, принимаем Д_Г = 19,5 см.

Сумма глубин гнезда и средней высоты рабочей части блока H_СР, см, рассчитывается по формуле

Н_ср =

где H – высота угольного блока, принимаем Н = 60 см.

см,

см.

Схема угольного обожженного анода в соответствии с рисунком 3.3

1 – угольный блок; 2 – чугунный контакт блок – ниппель; 3 – стальной ниппель; 4 – стальной кронштейн; 5 – контакт кронштейн - штанга; 6 – алюминиевая штанга.

Рисунок 3.3 – Анодный блок в сборе

Среднее значение блока S, см², находится как среднеарифметическое между контактной поверхностью чугунной заливки с блоком и сечением блока,рассчитываем по формуле

,

где S₁ – полная площадь ниппельного гнезда, см²;

S₂ – площадь подошвы анодного блока, см².

Полная площадь ниппельного гнезда S₁, см², находится по формуле

,

где D_ГН – диаметр ниппельного гнезда, см;

n – глубина ниппельного гнезда, см;

3 – число ниппелей, которое приходится на один анодный блок.

см².

Площадь подошвы анодного блока S₂, см², находится по формуле

S₂ = a ∙ b,

S₂ = 70 ∙ 145,5 = 10185 см²,

см².

Падение напряжения в угольной части анода , В, рассчитываем по формуле

В.

Падение напряжения в контакте угольный блок – ниппель , В, определяем по формуле

,

где ρ - удельное электросопротивление контакта угольный блок-ниппель, практическим данным принимаем равным ρ = 42 ∙10^-3 Oм ∙ см;

S_КОНТ - среднее сечение контакта, см²,рассчитывается по формуле

,

см²,

В.

Падение напряжения в ниппеле , В, определяем по формуле

,

где ρ_н – удельное электросопротивление ниппеля, по практическим данным ρ_н = 68 ∙ 10^-6 Ом ∙ см;

S - среднее сечение ниппеля, см².

,

см²,

В.

Падение напряжения в кронштейне , В, измеренное на действующих электролизёрах, может быть принято в нашем проекте В.

Падение напряжения в контакте кронштейн - алюминиевая штанга , В, принимаем В.

Падение напряжения в алюминиевых штангах , В, определяем по формуле

,

где R_ШТ – сопротивление алюминиевой штанги, Ом;

n_ШТ – число штанг на электролизере, шт.

Вычислим сопротивление алюминиевой штанги R_ШТ, Ом по формуле

,

где – удельное электросопротивление алюминиевой штанги при температуре равной 110 ^оС, принимаем по практическим данным ρ_шт = 0,043 Ом ∙ мм²/м;

l – длина пути электротока в штанге, принимаем l = 1,5 м;

S_ШТ - сечение алюминиевой штанги, принимаем S_ШТ = 150 ∙ 150 мм².

Ом,

В.

Найдём падение напряжения в аноде , В, по формуле

,

В.

3) Падение напряжения в катодном устройстве

1-катодный блок; 2 – чугунная заливка; 3- блюмс.

Рисунок 3.4 – Схема катодного блока

Расчёт падения напряжения в катодном устройстве , В, ведём по формуле

,

где R_КУ – электросопротивление катодного устройства, Ом, рассчитывается по формуле

R_КУ = R_М-БЛ + R_БЛ + R_БЛ-СТ + R_СТ,

где R_М-БЛ – электросопротивление контакта металл – подовый блок, Ом;

R_БЛ – электросопротивление подового блока, Ом;

R_БЛ-СТ - электросопротивление контакта подовый блок – стержень, Ом;

R_СТ – электросопротивление стального стержня, Ом;

Электросопротивление контакта металл – подовый блок R_М-БЛ, Ом, рассчитываем по формуле

,

где – удельное электросопротивление контакта металл – блок, принимаем по практическим данным Ом ∙ см;

S_АМ– площадь анодного массива, см², принимаем из конструктивного расчёта.

Ом.

Электросопротивление подовых блоков R_БЛ, Ом, рассчитываем по формуле

,

где – удельное электросопротивление угольного блока, принимаем Ом ∙ см;

– длина пути тока в блоке, см;

– сечение блока, см².

Найдём длину пути тока в блоке , см, по формуле

,

где – высота катодного блока, принимаем см;

– высота блюмса с учётом чугунной заливки, принимаем см;

– ширина блюмса с учётом чугунной заливки, принимаем см.

см.

Найдём сечение блока , см², по формуле

,

где – ширина анодного массива, см.

см².

Ом.

Электросопротивление контакта блок – стержень, R_БЛ-СТ, Ом, рассчитывается по формуле

,

где – удельное электросопротивление контакта блок – стержень,

по практическим данным принимаем Ом ∙ см;

– средняя площадь контакта стального стержня с угольным подовым блоком, см²,рассчитывается по формуле

,

где – скрытая часть катодного стержня, см.

см²,

Ом.

Электросопротивление катодных стержней R_ст , Ом, рассчитывается по эмпирической формуле

,

где – удельное электросопротивление катодных стержней, Ом ∙ см, рассчитывается по формуле

,

где t – температура рабочего блюмса, принимаем в пределах t = 160-200 ^оС.

Ом ∙см,

Ом.

Электросопротивление катодного устройства R_КУ, Ом составляет

R_КУ = 1,96 ∙ 10^-7+ 0,238 ∙ 10^-7+ 1,75 ∙ 10^-7+ 8,2 ∙ 10^-7= 12,148 ∙ 10^-7 Ом.

Падение напряжения в катодном устройстве В, составляет

320000 ∙ 12,148 ∙ 10^-7 =0,389 В.

Схема катодного блока показана на рисунке 3.5

1 – угольная часть блока; 2 – скрытая часть катодного стержня; 3 – свободный конец катодного стержня, который выходит через окно продольной стенки кожуха; 4 – пакет алюминиевых лент; 5 – потай, набиваемый между блюмсами в пазу блока из углеродистой подовой массы.

Рисунок 3.5– Схема катодного блока

Для падения напряжения в катодном устройстве проведём проверочный расчёт.

Проверку проводим по следующей формуле

,

где – приведённая длина пути тока по катодному блоку, см;

– удельное электросопротивление блока, Ом ∙ см, принимаем Ом ∙ см;

А_Ш – половина ширины шахты, см;

а – средняя толщина гарнисажа, принимаем а = 64 см;

B’ – ширина катодного блока с учётом межблочного шва, принимаем B’ = 59 см;

S_СТ – сечение стержня с учётом чугунной заливки, см²;

– уточнённая анодная плотность тока, рассчитанная в конструктивном расчёте.

Рассчитаем приведённую длину пути тока по катодному блоку , см, по формуле

,

см,

В.

Проверка показала, что основной расчёт падения напряжения сделан верно.

4) Падение напряжения от анодных эффектов

Увеличение падения напряжения вследствие анодных эффектов , В, может быть вычислено из выражения

,

где – повышение напряжения на электролизере во время анодного эффекта, принимается в интервале В, принимаем 50 В.

τ – длительность анодного эффекта, принимаем в интервале τ мин, принимаем 1,5 мин.

n – частота анодных эффектов, число вспышек в сутки на ванну, принимается в интервале n шт/сут, принимаем n = 0,3 шт/сут.

– коэффициент времени (количество минут в сутках).

В.

5) Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите , В, рассчитывают по уравнению

,

где – удельное электросопротивление электролита, принимаем в интервале Ом ∙ см, принимаю 0.48 Ом ∙ см

l – межполюсное расстояние, принимаем в интервале см, принимаем l = 5 см.

S_A – площадь поперечного сечения анодного массива, см²;

А – длина анодного массива, см;

В – ширина анодного массива, см;

2(А+В) – периметр анодного массива, см.

В.

6) Падение напряжения в ошиновке электролизёра

При силе тока выше 200 кА используется поперечное размещение электролизёров в корпусе.

l₁ – участок подключения стальных стержней к катодной ошиновке; l ₂ – участок подключения анодных штанг к распределительной шине; l ₃ – участок от крайнего катодного стержня до ближайшего анодного стояка последующей ванны, принимаем l₃ = 500 см; l₄ – участок обводной шины (на условной схеме не показана), принимаем l₄ = 1450 см; l₅ – высота анодного стояка, принимаем l₅ = 360 см.

Рисунок 3.6 – Схема ошиновки при поперечном размещении электролизёров в корпусе

Падение напряжения в катодных шинах на участке подключения стальных стержней определяем U₁, В, определяем по формуле

,

где – удельное электросопротивление алюминиевой штанги при температуре t = 70 ^ОС, принимаем Ом ∙ см;

– экономическая плотность тока для элементов токоподвода, принимаем по справочным данный d₀= 0,44 А/мм²;

– участок подключения стальных стержней к катодной шине, см, рассчитывается по формуле

см

см,

В.

Падение напряжения в анодных шинах на участке подключения штанг U₂, В, определяется по формуле

,

где – удельное электросопротивление шин при температуре t = 70 ^ОС, принимаем Ом ∙ см;

– участок подключения штанг к ошиновке, см, рассчитывается по формуле

,

см,

В.

Падение напряжения в ошиновке от крайнего катодного стержня предыдущей ванны до ближайшего анодного стояка последующей ванны ,В, рассчитывается по формуле

,

где – участок от крайнего катодного стержня до ближайшего анодного стояка последующей ванны, согласно рисунку принимаем l ₃ = 500 см;

0,77 - распределение тока на ближайшие стояки.

В.

Падение напряжения в обводной шине , В, рассчитывается по формуле

,

где – участок обводной шины, принимаем l₄ = 1450 см;

0,23 - распределение тока на ближайшие стояки.

В.

Падение напряжения в стояках , В, определяется по формуле

,

где ρ₅₀ - удельное электросопротивление алюминиевых свояков при температуре t = 50 °С, принимаем ρ₅₀ = 3,4 ∙ 10^-6 Ом ∙ см;

– высота анодного стояка, принимаем см.

В,

Падение напряжения в анодной шине от стояка до крайней штанги , В, определяется по формуле

,

где – длина участка ошиновки от анодного стояка до крайней штанги, прини маем см.

0,027 В.

Падение напряжения в алюминиевых гибких лентах , В, рассчитывается по формуле

,

где ρ₁₂₀ - удельное электросопротивлени е гибких лент при температуре t= 120° С, принимаем ρ₁₂₀ = 4,14 ∙ 10^-6, Ом ∙ см;

– участок отвечающий средней длине гибких катодных спусков, принимаем см.

В.

Падение напряжения в ошиновке электролизера , В, принимается по практическим данным в таблице 3.2:

Таблица 3.2 – Падение напряжения в участках ошиновки

Следовательно, падение напряжения в ошиновке электролизера