Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме

 

Потери хлора с газами санитарно-технического отсоса, X_сто, кг, найдем из выражения:

 

Х_СТО = Х – Mg ×А_М×c,    (3.17)

 

где X – количество образовавшегося хлора, кг;

Mg – количество образовавшегося магния, кг;

c – выход хлора на 1 кг магния по данным ОАО УКТМК, кг.

 

X_СТО = 72,53 – 24 × 0,987 × 2,85 = 5,02 кг

 

Масса хлора содержащегося  в анодном газе, Х_АГ, кг:

 

Х_АГ = Х – Х_СТО,     (3.18)

 

X_АГ = 72,53 – 5,02 = 67,51 кг

 

Объем хлора, содержащегося  в анодном газе Х_АГ",м³:

 

Х_АГ" = Х_АГ / d_Х,     (3.19)

 

где d_Х – плотность хлора, кг/м³,

d_Х  = 3,24 кг/м³.

 

Х_АГ" = 67,51 / 3,24 = 20,8 м³.

 

Объем воздуха, содержащегося в  анодном газе, В_АГ", м³:

 

В_АГ" = Х_АГ" × 10 / 90,    (3.20)

 

где 10 – объемное содержание воздуха в анодном газе, %;

90 – объемное содержание  хлора в анодном газе, %.

 

В_АГ" = 20,8 × 10 / 90 = 2,3 м³.

 

Масса воздуха, содержащегося  в анодном газе, В_АГ, кг:

 

В_АГ = В_АГ" × d_В,     (3.21)

 

где d_В – плотность воздуха, кг/м³;  d_В = 1,293 кг/м³.

 

В_АГ = 2,3 × 1,293 = 2,97 кг.

Масса анодного газа: 2,97 + 67,51 = 70,48 кг.

Произведем пересчет полученных данных на 1000 кг магния-сырца:

 

а) Приход:

 

• хлорид магния – 273 × 1000 / 65,5 = 4168 кг;
• плавиковый шпат – 4168 × 0,025 / 100 = 1,04 кг;
• хлорид натрия – 17 кг;
• воздух (подсос в анодное пространство) – 2,97 × 4168 / 100 = 123,8 кг.

 

б) Расход:

 

• магний-сырец – 1000 кг;
• шлам – 1000 × 5,24 / 65,5 = 80 кг
• осветлённый электролит – 1000 × 0,96 / 65,5 = 14,66 кг;
• возгон – 1000 × 3,28 / 65,5 = 50,1 кг;
• анодный газ – 70,48 × 4168 / 100 = 2937,6 кг;
• потери хлора – 5,02 × 4168 / 100 = 209,2 кг.

 

Данные по материальному  балансу приведены в таблице 3.5

 

Таблица 3.5 – Материальный баланс на 1000 кг магния сырца

 

Приход	Количество		Расход	Количество
	кг	%		кг	%
Хлорид магния	4168	96,7	Mg-сырец	1000,0	23,2
Плавиковый шпат	1,04	0,024	Осветлённый электролит	14,66	0,34
NaCl	17	0,394	Шлам	80	1,86
Воздух	123,8	2,872	Возгон	50,1	1,16
			Анодный газ	2937,6	68,16
			Потери хлора	209,2	4,85
			Невязка	18,28	0,43
Итого	4309,84	100,00	Итого	4309,84	100,00

 

Технологические показатели, отнесенные к 1 кг магния (100 % Mg) приведены в таблице 3.6

 

Таблица 3.6 – Технологические  показатели, отнесенные к 1 кг магния

 

Показатели, отнесенные к 1 кг магния (100 % Mg)	Масса, кг
Расход хлорида магния	4,2
Расход плавикового  шпата	0,001
Расход NaCl	0,017
Выход осветлённого электролита	0,015
Выход шлама	0,08
Выход возгона	0,05
Выход анодного газа	2,98

 

 

3.7.4 Расчет теплового  баланса электролизёра

 

 

Основной частью полного  расчета электролизёров для производства магния-сырца, состоящего из тепловых, электрических, материальных и конструктивных расчетов, являются тепловые расчеты  и балансы.

При расчете проектируемых  новых электролизёров тепловые балансы дают возможность рассчитывать необходимую тепловую изоляцию электролизёра, обеспечивающую сохранение теплового равновесия при принятых условиях процесса (выход по току, межполюсное расстояние, температура и т.д.).

Тепловой баланс состоит  из двух частей – приходной и расходной. В приходной части учитываются статьи приобретения тепла (энергии) системой, в расходной – потери и тепло, уносимое продуктами электролиза.

3.7.4.1 Приход тепла:

 

а) Тепло вносимое расплавленным  хлоридом магния, Q_Х.М., кДж/ч, рассчитаем по формуле:

 

Q_Х.М. = C_Х.М. × m _Х.М. × Т _Х.М.,      (3.22)

 

где С _Х.М. – теплоёмкость хлорида магния при данной температуре, С_Х.М. =      = 0,98 кДж/кг×°С [20];

m _Х.М. – часовой расход хлорида магния, равен 273 кг (таблица 3.4)

t _Х.М. – температура поступающего хлорида магния, °С.

 

Q _Х.М. = 0,98 × 273 × 760 = 203330 кДж/ч.

 

б) Тепло вносимое электрической  энергией постоянного тока, Qэ, кДж/ч, рассчитаем по формуле:

 

Q_Э = I × U × t × 3600,    (3.23)

 

где I – сила тока, кА;

U – падение напряжения на шунтах электролизёра, В;

t – время пропускания электрического тока, ч;

3600 – коэффициент перевода  из ккал в кДж.

Qэ = 175 × 5,06 × 1 × 3600 = 3187800 кДж/ч  

 

3.7.4.2 Расход тепла:

 

а) Расход тепла на разложение хлорида  магния, Q_Р, кДж/ч определим по формуле:

Q_Р = DH_Т × Р_Mg,    (3.24)

 

где DH_Т – тепловой эффект разложения хлорида магния при температуре электролиза, равное 25400 кДж/кг [7];

Р_Mg – количество образовавшегося магния за 1 час, кг/ч;

 

Q_Р = 25400 × 65,5 = 1663700 кДж/ч.

 

б) Количество тепла уносимое магнием-сырцом, Q_М, кДж/ч определяем аналогично по формуле (3.24).

Тепловой эффект определим  по формуле:

 

DH_M = 232,9 + 0,34 (t_Э – t_ПЛ),   (3.25)

 

где 232,9 – теплосодержание магния-сырца при температуре плавления;

DH_M =  [232,9 + 0,304 (670 - 650)] × 4,184 = 999,89 кДж/кг;

t_Э – температура электролита;

t_ПЛ – температура плавления магния.

 

Q_М = 999,89 × 65,5 = 65493 кДж/ч

 

в) Расход тепла на нагрев и плавление загружаемых материалов:        

 

-     Q_NaCl = m_NaCl × C_NaCl (t_Э - t_Ф) + m_NaCl × a_NaCl,   (3.26)

 

где C_NaCl – средняя теплоёмкость хлорида натрия от 25 °С до температуры плавления, кДж/кг×°С;

a_NaCl – теплота плавления NaCl, кДж/кг

m_NaCl – часовой расход поваренной соли кг/ч

t_Ф – температура загружаемой соли, °С

 

Q_NaCl = 1,1 × 0,98 (670 - 20) + 1,1 × 494,5 = 1245 кДж/ч

 

-     Q_CaF = m_CaF × i_CaF,       (3.27)

 

где m_CaF – часовой расход плавикового шпата, кг/ч;

i_CaF – теплосодержание CaF₂, кДж/кг×°С, определим по формуле:

 

i_CaF = 4,184 × 0,265 (t_Э - t_Ф) + a_CaF,   (3.28)

 

где a_CaF = 380,7 кДж/кг, теплота плавления CaF₂

 

Q_CaF = 0,07 × [4,184 × 0,265 (670 - 20) + 380,7] = 77,0 кДж/ч

 

Q_ОБЩ = 1245 + 77 = 1322 кДж/ч.

 

г) Тепло теряемое с  ушедшим осветлённым электролитом, Q_ОСВ, кДж/ч определим аналогично по формуле:

 

Q_ОСВ = Н_ОСВ × Р_ОСВ,    (3.29)

 

где Н_ОСВ – теплосодержание электролита, кДж/кг

Р_ОСВ – часовой расход осветлённого электролита, Р_ОСВ = 0,96 кг/ч

Теплосодержание электролита  определим по формуле:

 

          Н_ОСВ = С_ТВ (t_ПЛ - t_B) + q + C_Ж (t_Э - t_ПЛ),   (3.30)

 

где С_ТВ – теплоёмкость соли при температуре от 0 °С до температуры   плавления,  C_ТВ = 0,87 кДж/кг×°С  [20];

q – теплота плавления,   q = 418,4 кДж/кг×°С   [20]

С_Ж – теплоёмкость расплава соли,  С_Ж = 1,02 кДж/кг×°С    [20]

t_ПЛ – температура плавления соли, t_ПЛ = 640 °С    [20]

t_B – температура воздуха в цехе, t_B = 25 °С

 

Н_ОСВ = 0,87 (640 - 25) + 418,4 + 1,02 (670 - 640) = 984,05 кДж/кг;

 

Q_ОСВ = 984,05 × 0,96 = 945 кДж/ч.

 

д) Потери тепла с возгоном, Q_В, кДж/ч определим аналогично по формуле (3.29). Теплосодержание возгона определяем аналогично по формуле (3.30):

 

Н_В = 0,9 (460 - 25) + 380,7 + 1,071 (670 - 460) = 985,8 кДж/кг,

 

Q_В = 3,28 × 985,8 = 3233 кДж/ч.

 

е) Потери тепла со шламом, Q_Ш, кДж/ч определим аналогично по формуле (3.29). Теплосодержание шлама определяем аналогично по формуле (3.30):

 

Н_Ш = 0,904 (620 - 25) + 297,1 + 1,071 (670 - 620) = 918,3 кДж/кг

 

Q_Ш = 5,24 × 918,3 = 4812 кДж/ч.

 

ж) Потери тепла с анодным  хлоргазом, Q_A, кДж/ч:

 

Q_A = Р_А × С_А (t_A - t_B),    (3.31)

 

где Р_А – масса смеси хлора и воздуха, кг/ч

С_А – теплоёмкость анодного хлоргаза, кДж/ч

t_А – температура отходящего хлоргаза, °С

 

Р_А = Р_Х + Р_В,     (3.32)

 

где Р_Х – масса хлора в смеси анодного хлоргаза, кг/ч

Р_В – масса воздуха в смеси анодного хлоргаза, кг/ч

 

Тогда потери хлора с отходящим анодным хлоргазом найдём по формуле:

 

Q_A = P_X × C_X (t_Э - t_А) + P_В × C_В (t_А – t_В),   (3.33)

где С_Х – средняя теплоёмкость хлора в интервале температур t_Э и t_А, кДж/кг×°С;

С_В – средняя теплоёмкость воздуха в интервале температур t_А и t_В, кДж/кг×°С.

 

С_Х =

 

С_В =

Р_Х = 198 кг/ч;  Р_В = 8,78 кг/ч

 

Q_A = 198 × 0,5 (670 - 420) + 8,78 × (420 -25) = 28322 кДж/ч.

 

з) Потери тепла с воздухом, отсасываемым из сборной ячейки, Q_СТО, кДж/ч определим аналогично по формуле (3.31).

Средняя теплоёмкость воздуха  в интервале температур t_СТО и t_В, кДж/кг×°С определим по формуле:

 

С_В =

 

Так как содержание хлора  в газах санитарно-технического отсоса (СТО) незначительно (0,01 кг на 1400 м³ газов СТО), то для вычисления их массы используем плотность воздуха:

 

m_СТО = 1400 × 1,293 = 1810,2 кг;

 

Q_СТО = 1810,2 × 1 × (150 - 25) = 226275 кДж/ч.

 

 

3.7.4.3 Потери тепла конструкцией  электролизёра

 

3.7.4.3.1 Потери тепла  торцевыми стенками электролизёра

 

 

Торцевые стенки состоят  из слоев, следующей толщины, d, мм:

 

• шамотный кирпич – 345 мм;
• диатомитовый кирпич – 170 мм;
• стальной лист – 10 мм;
• ребро жесткости – 100 мм.

 

В дальнейшем при расчете  коэффициента теплопроводности стальной лист не учитываем.

Используя данные литературных источников, определим средние температуры слоев, °С:

 

• шамот (670 + 500)×0,5 = 585 °С;
• диатомит (500 + 70)×0,5 = 285 °С;

 

Коэффициент теплопередачи, К, кДж/м²×ч×°С определим по формуле:

 

    (3.34)

 

где l_Ш, l_Д – теплопроводности шамота и диатомита соответственно, кДж/м×ч×°С.

Значения теплопроводностей  определяем: l_Ш = 4,73 кДж/м×ч×°С, l_Д =         = 0,71 кДж/м×ч×°С [20].

Принимаем, что электролит пропитывает весь слой шамота и на 25 % слой диатомита. Пористость шамотного кирпича, G = 24 %.

 

l_ПР = l_Ш + G× (l_Э - l_В),    (3.35)

 

где l_Э и l_В -  коэффициент теплопроводности электролита и воздуха соответственно:  l_Э=13,8 кДж/м×ч×°С, l_В = 0,19 кДж/м×ч×°С, [20].

 

l_ПР = 4,73 + 0,24 (13,8 - 0,19) = 8 кДж/м×ч×°С,

 

Толщины пропитанного и  непропитанного слоёв диатомита  составят:

 

d_{Д. ПР.} = 0,17 × 0,25 = 0,04 мм;

d_{Д. НЕПР.} = 0,17 × 0,75 = 0,13 мм.

 

Теплопроводность пропитанного слоя диатомита составит (рис. 53 [20]):

 

l_{Д. ПР.} = 2,26 кДж/м×ч×°С.

 

Коэффициент теплопередачи составит:

 

 кДж/м×ч×°С.

Размеры торцевых стенок:

 

• внутри ванны  S₁ = 2,74 × 1,845 = 5,055 м²
• снаружи ванны S₂ = 3,98 × 2,84 = 11,3 м²

 

Общее сечение теплового  потока, S_Т, м²:

 

S_Т

 

Тепловой поток через  стенку, Q_Т, кДж/ч определится уравнением:

 

Q_Т = К × S_Т (t_Э - t₂),    (3.36)

 

Тепловой поток через  ребра жесткости Q_К.Л., кДж/ч определится уравнением:

 

Q_К.Л. = a₁×(t₂-t_B)×S₂ + f×l₁×m×th(m×H)×(t₂-t_B),   (3.37)

 

где a₁ – суммарный коэффициент теплоотдачи (лучеиспусканием и конвекцией) стенки в зависимости от ее температуры и температуры среды, кДж/м×ч×°С;

f – общее сечение ребер жесткости, м²;

l₁ – теплопроводность углеродистой стали в зависимости от температуры, кДж/м×ч×°С;

m – коэффициент;

H – высота ребра жесткости, м;

th(m×H) – гиперболический тангенс, функция аргумента (m×H).

Стенка имеет 5 горизонтальных и 5 вертикальных ребер жесткости. Общая  длина полос для горизонтальной и вертикальной рёбер жёсткости  составят соответственно: