Материал: Описание конструкции электролизера

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 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;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:

ш =Lа + 2*в;(2.21)

Вш = Ва + 2*а(2.22)

ш = 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:

_к = L_ш + 2 (П_у + 3,5), (2.27)

где: Lш - длина шахты, см;

П_У - толщина угольной плиты,;

,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;

,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;б - 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.

.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); 80ср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих

штырей, принимаем 25 см.- анодная плотность тока, 0,731 А/см2;

ρа - 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;

ρбл - 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;- ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;т - площадь сечения блюмса (формула 2.35), 377см²;- 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; 40ст - 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:

_ст = h_{ст *} В_ст (2.35)

_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;- длительность анодного эффекта, принимаем 0,8 мин;- частота анодного эффекта в сутки, принимаем 0,5;

- 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;- межполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см;а - площадь анода, см2 (формула );

(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	--	--
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 25°С.

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;ан - приход тепла от сгорания анода;Г - расход тепла на разложение глинозёма;Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;газ - тепло, уносимое отходящими газами;п - потери тепла в окружающее пространство.

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

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (2.39)

где 3600 - тепловой эквивалент 1 кВт*ч, кДж;- сила тока, кА;гр - греющее напряжение, В (из таблицы 2);

τ - 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^T1_CO - энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль^T2_CO - энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль ^T1_CO2 - энтальпия СО2 при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль ^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 _СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2,2);АЭ- 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;- длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 5 - 8 дней;

Т - срок службы электролизёра, 4 года;

- 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;_Р - число резервных электролизеров.

N_У = 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:

с = 0,335 * I * η * 8760 * N * 10-3 (2.54)

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

η - выход по току, д. е.;

- часов в год;- 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.

.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, %	η	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.)

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

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

.        Мой конспект лекций по производству алюминия.