Материал: Расчет процесса получения алюминия

Длина: L_кож = L_ш + 2∙20 + 2∙5=865+40+10=915 Ширина: В_кож = В_ш + 2∙20 + 2∙5=335+50=385

Подина шахты ванны набирается из катодных блоков, угольной подушки, теплоизоляционного слоя из кирпича и шамотной засыпки. Исходя из этого высота кожуха составляет, см:

Н_кож=Н_ш + h_б + h_уг + h_кирп + h_зac= 50+40+3+5∙6,5+2=127,5,

где h_уг - толщина угольной подушки (обычно 3 - 5см); h_кирп - толщина слоя из пяти рядов кирпичей по 6,5 см каждый; h_зас - толщина слоя шамотной засыпки (обычно 2 - г - 5см).

Материальный расчет электролизера

В этом разделе определяют приход материалов в электролизер и выход материалов из него (расход материалов).

Расчет прихода материалов

Приход рассчитывается по расходу сырья на 1 кг алюминия и по производительности электролизеров за 1 час. В табл.1 представлены данные по расходу сырья, полученные на основании опыта эксплуатации электролизеров. В расход обожженных анодов включены огарки, удаляемые из электролизера. Увеличенный расход анодной массы и фторидов на электролизерах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодов.

Таблица 1. Расход сырья (кг/кг алюминия) для различных типов электролизеров.

Производительность электролизера, т.е. количество алюминия, образующегося за 1 час, рассчитывается, кг/час:

Р = I∙q∙ η_Т ∙10^-5=155∙10³∙0,335∙90∙10^-5=46,733,

где q - электрохимический эквивалент, 0,335 г / (А∙ч).

Зная производительность электролизера и задавшись расходом материалов (см. табл.1), можно рассчитать приход материалов в ванну, кг/час:

Р_Al2O3=p_Al2O3∙P=1,92∙46,733=89,727; Р_а=р_а∙Р=0,560∙46,733=26,170;

Р_ф= p_ф∙Р=0,052∙46,733=2,430,

где p_Al2O3, р_а, p_ф расходы глинозема, анода (или анодной массы) и фторидов соответственно, кг/кг алюминия - на основе данных табл.1).

Расчет расхода материалов

Выход материалов из электролизера состоит из следующих статей. Алюминий. Количество полученного алюминия (Р) рассчитано ранее.

Анодные газы. Они образуются при окислении углерода анода и состоят из двуокиси и моноокиси углерода. Содержание их в анодных газах в мольных долях составляют 0,3-0,5 и 0,7-0,5 для СО и С0₂ соответственно. Содержания их заданы. Количества их, образующиеся за один час, определяются, кг/час:

Р_со= (N_co∙Р∙28) / [ (2-N_co) ∙18] =0,475∙46,733∙28/27,45 =22,643, где N_co - мольная доля СО.

Р_со2= (N_co2∙P∙44) / [ (1+N_co2) ∙18] = (0,525∙46,733∙44) /27,45, где N_co2 - мольная доля СО2.

Суммарная масса анодных газов, кг/час: Р_{а. г.} =Р_со+Р_со2= 22,643+39,327=61,97.

Потери анодной массы (или обожженных анодов). Они определяются как разность между приходом анодной массы (или обожженных анодов) Р_а и количеством израсходованного с анодными газами углерода. Потери анодной массы, кг/час:

Р_{а. м.} = Р_а-Р_с, где Р_с=12 [ (Р_со/28) + (Р_со2/44)] =12 (0,809+0,894) =0,020 кг/час, подставим в выражение для Р_{а. м.:} Р_{а. м.} =26,170-20,436=5,734 кг/час.

Потери глинозема, кг/час:

∆Р_Al2O3= Р_Al2O3-Р_{Al2O3 (теор)} =89,727-88,279=1,448, где Р_{Al2O3 (теор)} =102 Р /54 = 1,889Р= 88,279 кг/час.

Потери фторидов. Это потери в виде возгонов, а также на пропитывание подины. Их принимают равными приходу фторидов Р_ф.

Полученные данные сводятся в таблицу табл.2.

Таблица 2. Материальный баланс электролизера.

Энергетический расчет электролизера

Энергетический расчет фактически является расчетом теплового баланса. Электролизер можно представить, как систему, которая снабжается теплом за счет прохождения тока (Q_эл) и сгорания анода Q_aн). Система расходует тепло на разложение глинозема (Q_paзл), теряет его с вылитым металлом (Q_мeт) и с отходящими газами (Q_гaз), а также расходует тепло на потери в окружающее пространство (Q_n). Таким образом, уравнение теплового баланса может быть записано как Q_эл + Q_aн = Q_paзл + Q_мeт + Q_гaз + Q_n

Все входящие в это уравнение величины рассчитываются применительно к одному часу работы электролизера.

Приход тепла.

Приход тепла от прохождения электрического тока определяется, кДж:

Q_эл=3,6∙I∙U_гр,

где I - сила тока, А; U_гр - греющее напряжение, В. Это напряжение слагается из падений напряжения на аноде, на подине, в электролите, от анодных эффектов, а также напряжения разложения. Точное определение его затруднительно.

По практическим данным можно принять для всех типов электролизеров U_гр = 0,89∙U_cp=3,757 В, Q_эл=3,6∙155∙10³ ∙3,757=2096406 кДж

Приход тепла от окисления углерода анода определяется, кДж:

Q_aн= Р′_со∙∆Н?_{298 (со)} + Р′_со2∙∆Н?_{298 (со2),}

где Р′_со и Р′_со2 соответственно числа молей СО и СО₂, образовавшиеся за один час работы, находятся по формулам:

Р′_со=Р_со10³/М (СО) =808,579, Р′_со2=Р_со210³/М (СО₂) =893,795.

∆Н?_{298 (со)} и ∆Н?_{298 (со2)} тепловые эффекты реакций образования оксида и моноксида углерода, кДж/моль. Эти данные имеются во многих справочниках, например, в [2].

Q_aн=808,579∙110,5+893,795∙393,51=441076,3 кДж.

Расход тепла. Расход тепла на разложение глинозема определяется, кДж:

Q_paзл=Р′_{Al2O3 (теор)} ∙ ∆Н ^ᵒ_{298 (Al2O3),}

где

Р′_{Al2O3 (теор)} =865,48 количество молей Al₂O₃, затрачиваемое на получение Р кг алюминия; ∆Н ^ᵒ_{298 (Al2O3) -} тепловой эффект реакции образования оксида алюминия, кДж/моль (его также определяют по справочникам, например, по [2]).

Q_paзл=865,48∙1675=1449679 кДж.

Расход тепла с вылитым металлом

Эта статья рассчитывается исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла. Температура выливаемого алюминия составляет 950-960°С. Известно, что для алюминия разность энтальпий (∆Н^?_Т - ∆Н ^?₂₉₈), кал/моль, равна при 1200°К 8730, а при 1300°К 9430. При расчете необходимо, задавшись температурой выливаемого алюминия, определить разность энтальпий в привычной размерности (кДж/моль).

Выбираем Т=950°С=1223°К. Тогда (9430-8730) / (1300-1200) =7, 7∙ (1223-1200) =161, 8730+161=8891 кал/моль.

Решим пропорцию, найдем разность энтальпий

,891 ккал/моль - х,

ккал/моль - 4,1868 кДж/моль

х=37,225 кДж/моль.

Расход тепла определяется, кДж:

где Р' = Р10³/М (_Al2O3) =1730,852 - количество молей алюминия, нарабатываемых за один час, тогда Q_мeт=64430,966 кДж.

Расход тепла с отходящими анодными газами

По практическим данным температура отходящих газов равна 550-600°С. Значение температуры задается. Также принимается, что подсос воздуха отсутствует и, следовательно, отходящие газы состоят только из диоксида и моноксида углерода. Разность энтальпий этих газов при заданной температуре и температуре окружающей среды определяется из уравнения теплоемкости С^?_р=а + bТ + с^′/Т², коэффициенты которого приведены ниже (табл.3) [2].

Таблица 3. Коэффициенты уравнения теплоемкости, Дж/ (моль-град)

Разность энтальпий определяется:

Н^?_Т - Н ^?₂₉₈= = a (T - 298) + b/2 (Т² - 298²) + с' [ (1/298) - (1/T)]

Для СО: Н^?_Т - Н ^?₂₉₈=14915,25+1206,476 - 100=16021,721 Дж/моль. Для СО₂: Н^?_Т - Н ^?₂₉₈=23173,5+2660,133-1876,6= 23957,033 Дж/моль.

Следует помнить, что разность энтальпий при подставлении коэффициентов из табл.3 будет иметь размерность Дж/моль. Расход тепла определяется, кДж:

Q_гaз= [Р′_со (Н^?_Т - Н ^?₂₉₈) _CO+ Р′_со2 (Н^?_Т - Н ^?₂₉₈) _CO2] /1000=34369,

где Р′_со и Р′_со2 - количества молей моноксида и диоксида углерода соответственно, образовавшиеся за один час.

Потери тепла в окружающее пространство.

Точный расчет этой статьи затруднен из-за сложной конфигурации теплоотдающих поверхностей электролизера, различными условиями движения воздуха вдоль его элементов. Поэтому часто для упрощения тепловые потери с поверхности электролизера в окружающее пространство определяют по разности, кДж:

Q_п = (Q_эл + Q_aн) - (Q_paзл + Q_мeт + Q_гaз + Q_n) =2537482,3 - 1449679-64430,966-34369=989003,334.

Результаты расчета заносятся в таблицу 4.

Таблица 4. Тепловой баланс электролизера.

Список литературы

[1] Крутский, Ю.Л. Расчёт процесса получения алюминия. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу "Общая химическая технология" для студентов механико-технологического факультета, по специальностям 240801, 240802 и других специальностей химико-технологического профиля. - Новосибирск, 2010.

[2] Краткий справочник физико-химических величин. /Под ред. К.П. Мищенко, И.А. Равделя. Л.: Химия, 1974.

[3] Технология кальцирования соды, щелочей и глинозема. Текс лекций. / Крашенников С.А., Греф Т.С. - Москва, МХТИ им.Д.И. Менделеева, 1988г.

[4] Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. М.: Металлургия, 1984.

Список электронных источников:

#"793160.files/image008.gif">

Рис. 1

Анодное устройство состоит из анодной рамы 4, опирающейся через домкраты на катодных кожух 1 или отдельно стоящие стойки.

На анодной раме с двух сторон расположена анодная ошиновка 5, к котор зажимами прижимается токоподводящая штанга 3 с анодом 2.

Принципиальная схема самообжигающегося анода с боковым токоподводом приведена на рис.2. Нижняя его часть под действием высокой температуры cпекается в сплошной электропроводный блок 1. Выше конуса спекания находится зона 2 полуобожженная тестообразная масса. Верхняя зона 3 - жидкая анодная масса.

- анодная рама;

- ребра из швеллеров;

- токоподводящие штыри;

- серьги (или клинья).

Схема электролизера с верхним токоподводом приведена на рис.3. Здесь анод также самообжигающийся. Анодное устройство электролизера с верхним токоподводом (ВТ) представляет собой угольный анод 1, расположенный внутри анодного кожуха 2, который подвешивается к анодной раме 3 с помощью вспомогательных домкратов 4. Анодная рама висит на основных домкратах, которые опираются на катодный кожух или специальные стойки.

Подвод тока осуществляется штырями 6 5 - газосборный колокол.