Отделение электролиза алюминия

 

∆Uст=65 000· 0,12·10^-6=0,0078 В.

 

Из конструктивного  расчета длинна алюминиевых соединительных лент l=0,8 м при площади их поперечного сечения:

 

Sл=1,5 ·200· 24 ·20=144000 мм²;

 

Удельное электросопротивление алюминия при средней температуре лент 80 ºС, р=0,036 Ом· мм²/мм

Находим общее сопротивление в соединительных лентах:

 

r=0,036·0,8:144000=0,2·10^-6 Ом.

 

Падение напряжения в них составит:

 

∆Uл= 65 000·0,2· 10^-6 =0,013 В.

 

Падение напряжения в катодной ошиновке электролизера  при ее длине lк.о.=8,1 м площади поперечного сечения Sк.o. = 430·65·12=335400 мм2 и удельном сопротивлении p=0,032 Ом·мм²/м (средняя температура ошиновки 50 °С) составит:

 

Uк.о.=lplк.о./Sк.о.=65 000 ·0,032· 8,1:535400=0,075 В.

 

Падение напряжения в сварных контактах (∆Uк) пакет алюминиевых лент—катодный стержень и пакет алюминиевых лент—катодная ошиновка принимаем по данным практики эксплуатации соответственно равными 0,006 и 0,004 В.

Тогда суммарное  падение напряжения в катодном устройстве составит:

 

∆Uк.у.= ∆Uп+ ∆Uсг+ ∆Uк.о.+ ∆Uл+ ∆Uк =0,338+0,0078+0,077+0,013 + 0,01 =0,37 В

 

До падения  напряжения от анодных эффектов в  среднем напряжении била определена ранее при расчете числа электролизеров в серии и составляла ∆U а.э.=0036 В

Обратная  э.д.с.

 

Е= 1,13+0,37Da,

 

где Da — анодная плотность тока А/см2

 

Е=1,13+0,37· 0,699=1,389 В

 

Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем по данным практики эксплуатации электролизных серий ∆U о.о. =0,05 В

 

Суммируя  все составляющие, находим среднее  напряжение

 

∆U cp=0,655+ 1,49+0,37+0,036+ 1,389+0,05=4,222 В

 

Полученные  в результате проведенного расчета  составляющие падения напряжения в  различных конструктивных узлах  электролизера подразделяются на греющие и негреющие. Такое подразделение составляющих среднего напряжения электролизера необходимо для определения прихода тепла от электрической энергии при составлении теплового баланса (см. энергетический расчет). Для удобства использования полученных данных при дальнейших расчетах объединим их в табл. 2.

 

Таблица 2 - Баланс напряжения электролизера на 65 кА

 

Составляющие среднего напряжения	Греющее, В	Нагревающее, В	Bсeго В                      %
Анодная ошиновка	-	0,11	0,11	2,56
Контакты анодного узла	-	0,04	0,04	0,93
Анод	0,757	-	0,757	17,6
Итого в анодном устройстве	0,757	0,15	0,907	21,1
Подина ванны	0,338	-	0,338	7,86
Катодные стержни (выступающая изподины часть)	-	0,0078	0,0078	0,18
Алюминиевые соединительные ленты	-	0,013	0,013	0,3
Катодная ошиновка	-	0,075	0,075	1,7
Контакты катодного узла	-	0,01	0,01	0,2
Итого в катодном устройстве	0,338	0,106	0,444	10,3
Электролит	1,47	-	1,47	34,2
Напряжение разложения	1,389	-	1,389	32,3
Итого рабочее напряжение	3,954	0,256	4,21	98,0
От анодных эффектов Общесерийная ошиновка	0,036	0,05	0,036 0,05	0,84 1,16
Итого среднее напряжение	3,99	0,306	4,296	100

 

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

 

U раб  = Uср — ∆Uо.о. — ∆Uа.э.

 

7.6 Энергетический расчет электролизера

 

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

Тепловой  баланс составляют применительно к  заранее принятой температуре. Обычно это—температура окружающей среды  или температура, при которой  протекает процесс. В последнем  случае н расчеты необходимо вводить данные о тепловых эффектах при температуре процесса, однако от этого расчеты становятся менее точными из-за отсутствия надежных сведении. Так как энергообмен, не связанный с массопередачей, не зависит от температуры, при которой составляется тепловой баланс, то поэтому более простым и точным представляется расчет теплового баланса при температуре окружающей среды.

В этом случае электролизную ванну можно представить  как систему, которая снабжается теплом за счет прохождения электрического тока и сгорания угольного анода. Тепло расходуется па разложение глинозема и теряется этой системой через теплоотдающие поверхности  электролизера, а также с удаляемыми продуктами (жидким алюминием и газами). Суммарная величина расхода тепла от протекания побочных реакции, испарения электролита и других факторов незначительна и при составлении теплового баланса не учитывается.

При составлении  теплового баланса используются данные как электрического, так и  конструктивного, и материального  расчетов.

На основании  вышеизложенного уравнение теплового  баланса можно представить в  следующем виде:

 

Qэл + Qан = Qразл +Qмет + Qгаз + Qп,

 

где Qэл —приход тепла от электрической энергии, кДж; Qaн—то же, от сгорания угольного анода, кДж; Qразл—тепло, необходимое на разложение глинозема, кДж; Qмет—тепло, уносимое вылитым металлом, кДж; Qгаз—то же, уносимое отходящими газами, кДж; Qп—потери тепла в окружающее пространство конструктивными элементами электролизера, кДж.

 

7.6.1 Приход тепла

 

От прохождения  электрического тока приход тепла определяется по уравнению:

 

Qэл=3600 • I • U_гp,

 

где 3600 тепловой эквивалент кВт.ч, кДж/(кВт.ч).

 

Подставляя  в уравнение значение силы тока I=65 кА и греющего напряжения из электрического баланса U_гр =3,758 В, находим

 

Q_эл = 3600 • 65 • 3,758 = 933 600 кДж.

 

O_т сгорания угольного анода приход тепла определяется следующей зависимостью:

 

Q_aн=Pсо₂· +Pсо·,

 

где Рсо₂ и Рсо — соответственно число киломолей в час СО₂ и CO; и— соответственно тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода, кДж/кмоль; T₁ — температура окружающей среды, К.

 

Число киломолей Pco₂ и Pco в час определяется соответственно из выражении:

 

Pсо₂ = 18,657·10^-3I·η ·m/1+m ;

 

Pсо = 18,657·10^-зI·1-m/1+m .

 

При силе тока I=65 кA, выходе по току η=0,88 (88 %) и объемной доле СО₂ и анодных газах m=0,6 (60%)

 

Pсо₂ = (18,657 • 10^-3 • 65 • 0,865·06)/1+0,6 = 0,4 кмоль;

 

Pсо=(18,657 •10^-3 • 65 • 0,865•(1-0,6))/1+0,6=0,2667 кмоль.

 

Тепловые  эффекты реакции образования  диоксида и оксида углерода при 25 ºС (298 К) находим в справочнике:

 

= 394 070 кДж/кмоль;  =110 616 кДж/кмоль .

 

Подставляя  найденные значения в уравнение, определяем приход тепла от сгорания угольного анода:

 

Qан = 0,6052 • 394 070+0, 2667 • 110616=187 129 кДж.

 

Всего приход тепла составит:

 

Qnp = Qэл + Qан = 933 600 + 187 129=1 120 721 кДж.

 

7.6.2 Расход тепла

 

На разложение глинозема расходуется:

 

Q_разл=

 

где — расход глинозема на электролитическое разложение =1/2P_Al=Iηт/6F кмоль, —тепловой эффект реакции образования оксида алюминия при 25ºС (298 К) равняется 1 676 000 кДж/кмоль; F—число Фарадея, равное 26,8 А·ч.

 

Подставляя  эти значения составляющих в уравнение, находим расход тепла на разложение глинозема:

 

кДж

 

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

При температуре  выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 ºС—6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла с выливаемым алюминием:

 

Q_мет = 1,0759 (43 982 - 6716) = 40 094 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. Температуру отходящих газов принимаем по данным практики равной 550'С. Энтальпию составляющих отходящего газа находим в справочнике и определяем потери тепла с газами:

 

Q_газ =0,4 (40488- 16416) +0,2667 (21 860 - 8816) = 13 107 кДж,

 

 

где 0,4 и 0,2667 — соответственно числа киломолей диоксида и оксида углерода, выделяющихся и течение часа; 40488 и 16446—энтальпия диоксида углерода соответственно при 550 и 25 °С, кДж/кмоль; 24860 и 8816—то же, для оксида углерода, кДж/кмоль

 

Тепловые  потери с поверхности электролизера  определяют на основании законов  теплопередачи конвекцией и излучением.

Для определения  теплоотдачи конвекцией применяем  зависимость:

 

Q_к=α_кS (t_п-t_в),

 

где Q_к—отдача тепла конвекцией, кДж; α_к—коэффициент конвективной теплоотдачи, кДж(м2·ч·ºС); S—площадь теплоотдающей поверхности, м2; t_п—температура поверхности, °С; t_в—температура окружающей среды (воздуха), °С.

 

Теплоотдача излучением выражается зависимостью:

 

Q_изл = С₀ε_пφ (T_п/100)4 - (T_в/ЮО)4,

 

где Q_изл—отдача тепла излучением, кДж; С_о—коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 20,53 кДж(м2·ч·К); εп—приведенная степеньчерноты, безразмерная величина; φ—угловой коэффициент или коэффициент облученности окружающего пространства; T_п и T_в—соответственно температуры теплоотдающей поверхности и окружающей среды, К.

 

При расчетах обычно находят потери тепла штырями, анодной массой, боковыми поверхностями  анодного и катодного кожуха, газосборным  колоколом, коркой электролита и  днищем кожуха.

Расхождение между приходной и расходной  частями теплового баланса при  правильном подборе величин, участвующих  в расчете, не должно превышать 1,5—2,0 %. Исходя из этого, для упрощения  расчета тепловые потери с поверхностей электролизера определяем по разности:

 

Qп = (Qэл + Qaн) - (Qразл + Qмет + Qгаз) = (933 600 + 187 129) - (596 189 + 40 094 + 13 107) = 471 331 кДж.

 

Данные расчета приведены в табл. 3.

 

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 65 кА

 

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электрического тока	933 600	83.3	Разложение глинозема	596 189	53,2
			С вылитым алюминием	40 094	3,58
Oт сгорания угольного анода	187 129	16,7	С отходящими газами	13 107	1,17
			С поверхности электролизера	471 331	42,05
И т о г о	1 120 729	100	И т о г о	1 129 721	100

 

Невязка

 

Новая конструкция  электролизера обязательно проходит стадию испытаний на группе опытных  электролизеров. Во время этих испытаний  уточняют конструктивные параметры электролизера н отрабатывают технологический режим.

 

На основании  полученных в результате опытной  проверки данных уточняют расчеты алюминиевого электролизера по всем частям и составляют рекомендации по дальнейшему его  использованию.[6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В настоящее время по объему производства алюминий занимает первое место среди  цветных металлов, и производство его постоянно расширяется. По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов; его содержание в земной коре составляет 7,45%. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов. В чистом виде алюминий не встречается вследствие своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием – алюмосиликатов.

Наиболее  приемлемым способом получения алюминия из его окиси является электролиз. Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970°С в электролизере.

Основным  сырьем для электролитического получения  алюминия служит глинозем, или окись  алюминия Al₂O₃.

В данной курсовой работе предложен  расчет отделения электролиза алюминия с применением теоретических  данных и характеристик оборудования. В расчетной части приведен конструктивный, материальный, электрический и энергетический расчет отделения электролиза алюминия производительностью 115 000 тонн в год и силой тока 65 кА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1  Николаев И.В., Москвитин В.И., Фомин Б.А., Металлургия легких  металлов//-М.Металлургия, 1997

2 Деркач А.С., Левитан Г.У., Лебедев В.И., Сенин В.Н., Солнцев С.С., Форсблом Г.В. Электролиз алюминия//-М. Металлургия, 1967 

3 Абрамов Г.А. Теоретические основы электрометаллургии алюминия//- М. Металлургия, 1953

4 Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я. Металлургия алюминия//-М.Металлургия, 1999

5 Лайнер А.И., Производство глинозема//-М. Металлургия, 1961

6 Интернет//http://www.alfametal.ru/?id=gl18

7 http://metmk.com.ua/11spr_alum.php