Расчет электролизера по заданным параметрам

        

       Производительность  электролизера рассчитываем по формуле:

       Р_Аl  ═ I×g×h_т×10^-3, где I- сила тока в амперах,

       g-0,3354 г/А.час – электрохимический эквивалент Al,

       h_т – выход по току (доля единицы)

       Задаемся  выходом по току (из сложившихся данных- 86%) и вычисляем производительность электролизёра: 

       Р_Аl = 300000 × 0,3354× 0,86 ×10^-3 = 41,824 кг/час

       Зная  производительность и расход материалов( данные из таблицы), рассчитываем приход материалов:

       РAl₂O₃ ═ рAl₂O₃ × Р_Аl  = 1,93 × 41,824 = 80,72 кг/час – глинозёма;                                                                 

       Р_а ═ р_а × Р_Аl  = = 0,560 × 41,824 = 23,421 кг/ час – анодной массы;

       

       Р_кр.св ═ р_кр.св × Р_Аl  =  0,011 × 41,824 = 0,460 кг/час – криолита свежего;

       Р_кр.рег ═ р_кр._рег × Р_Аl  = 0,015 × 41,824 =0,627 кг/час – криолита регенерационного;

       Р_ф.ал. ═ р_ф.ал × Р_Аl    = 0,025 × 41,824 =1,046 кг/час – фторида алюминия;

       Р_ф.кал.. ═ р_ф.кал × Р_Аl    = 0,001 × 41,824 =0,042 кг/час – фторида кальция.

       Вычислим  расход  материалов:

       Алюминий. Количество полученного алюминия определяется производительностью ванн:

       Р_Аl = 46,151  кг/час

       Анодные газы.

       Количество  анодных газов рассчитывают, исходя из их состава и суммарной реакции  по формуле: Al₂O₃+ XC= 2Al+ (3- X)CO₂+ (2X- 3)CO, где Х – объёмное содержание СО₂ в процентах.

       Мольные доли газов определяем из формулы:

       NСО₂ =2 (h_т - 50), где h_T – выход по току. 

       NСО₂ = 2 × ( 86 -  50) = 72 % = 0,72               

       NСО = 100 – 72= 28%=0,28

       Количество  СО₂ и СО (кмоль/час) определяем по формулам:

       Мсо═Nсо Р_Аl /[18(2- Nсо)]

       Мсо₂ ═ Nсо₂Р_Аl / [18(1+ Nсо₂)]

       Мсо= 0,28 ×41,824/ 18(2-0,28)=11,711/30,96= 0,378 кмоль/час

       Мсо₂ = 0,72×41,824/ 18(1+0,72)=30,113/30,96=0,973 кмоль/час

                Рассчитаем  весовые количества  СО₂ и СО (кг/час)

       Р_со = 28× 0,378=10,584 кг/час

       Рсо₂ = 44× 0,973=42,812 кг/час, где  28 – молекулярная масса СО,

       44 – молекулярная масса СО₂ 

       Потери  углерода.

       ▲Рс═ Р_а - Р_с ,где Р_а- приход анодной массы или обожжённых анодов,  

       Р_с – количество углерода, израсходованного с газами.

       

       Р_с ═12×(Мсо + Мсо₂)=12×(0,378+0,973)=12 ×1,315= 15,78 кг/час

       ▲Рс=23,421 – 15,78 = 7,641кг/час 

       Потери  глинозема.

       ▲ PAl₂O₃═ PAl₂O₃ – PAl₂O_3(теор),где PAl₂O₃—приход глинозёма в  электролизёр, а PAl₂O_3(теор) – теоретический расход глинозёма.  

       РAl₂O_3(теор)═102Р_Аl/54═102×41,824/54=4266,048/54=79,001 (кг/час), где:

       54- молекулярная масса алюминия

       102- молекулярная масса глинозема

       ▲ РAl₂O₃ = 80,72- 79,001  = 1,719 кг/час

       Потери  фторидов : принимаются  равными приходу.

       Таб. Материальный баланс

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
       

       

       Конструктивный  расчёт.

       Конструктивный  расчёт электролизёра   необходим  для  определения его основных размеров.

       Определение площади анода.

         По заданной силе тока   300000 А и выбранной в соответствии  графиком  зависимости   анодной плотности тока от силы тока,  величины плотности тока - 0,70 А/см², определим площадь анода по формуле:

       J=l/S ,  откуда :    S_а= I/j_a   ;     

       S= 300000А  : 0,70А/см²= 207142,85 см²                

       Определение  длины анодных блоков

       На  практике для электролизёров с ВТ, средней мощности тока 145 кА, ширина анода принимается приблизительно равной  285 см ( В_а).

       Определение внутренних размеров шахты

       Зная  размеры анода, можно определить внутренние размеры шахты катодного  узла. Установлено, что расстояние от продольной стороны анода до боковой футеровки С  следует  выбирать  в пределах  550-600 мм,а от торца анода до боковой футеровки d  - в пределах  500 – 600 мм.

       Длина шахты:     А_ш=А_а +2d = 7270мм+ 2^. 500 мм = 8270 мм

       Ширина  шахты : В_ш= В_а + 2С = 2850 мм+2^.550 мм = 3950 мм

       Глубина шахты : Н_ш-  определяется суммой столба жидкого металла, электролита и толщиной корки электролита, чаще всего глубину шахты принимают в пределах  500 – 550 мм.

       Конструкция подины

         На отечественных предприятиях  применяются сборно-блочные (двухсекционные) подины. Катодные блоки  выпускаются высотой

       h_б – 400 мм и шириной d_б – 550 мм.

       Число блоков определяется  исходя из длины  шахты :

         n_б  = 2А_ш/( d_б + 40) = 2^.8270/( 550+40) = 28,03 шт.

       Количество  секций должно быть чётным, принимаем  28 шт.

       Ширина  шва между блоками 40 мм.  Ширина периферийного шва (l)составит:

       по  торцам -

       l_тор ═{ А_ш-[( n_б d_б/2)+( n_б/2 -1)40] }/2={8690-[(28^.550/2)+(28/2 – 1)^.40]}/2=(8270-8220)/2=25мм

       по  продольным  сторонам -

       l_прод ═[ В_ш-(L_б.к+ L_б.д +40)]/2=[ 3950-(1600+ 2200 +40)]/2= (3950-3840)\2=55мм, здесь:

       L_б.к – длина короткого блока, 2200 мм.

       L_{б.д –} длина длинного блока, 1600 мм

       Выпускаются блоки длинной 600, 800, 1200, 1400, 1600, 2000, 2200мм.

          

       

       Внутренние  размеры кожуха

       Внутренние  размеры кожуха определяются геометрическими размерами шахты ванны и толщиной теплоизоляционного слоя. Боковая  футеровка имеет толщину угольных блоков 200мм и теплоизоляционного слоя из засыпки 50мм. Тогда длина и ширина составят.

       Акож═Аш+2·(200+50)=8270+500=8770мм

       Вкож═Вш+2·(200+ 50)= 3950+500=4450мм

       По  высоте подина шахты (Нп ) набирается из:

       Катодных  блоков  высотой -400мм

       Защитной  подушки- 30-50мм

       Теплоизоляционного  слоя из пяти рядов кирпича по- 65мм

       Шамотной  засыпки -20-50мм

       Высота  кожуха вычисляется по формуле : Нк= Нш + Нп ;                    

       где Нш- глубина шахты;

       Нп  – высота подины : Нп= 400+ 50+ 65^х 5 + 50 = 825мм, тогда

       Нк = 550мм+825мм = 1375 мм 

       

       

       Полученные  данные сведём в таблицу.

 

       Расчёт  ошиновки

       Ошиновка  служит для подвода электрического тока к электролизёру.

       Сечение шинопровода и спусков определяется исходя  из величин силы тока и экономической плотности  тока, которые  для элементов токоподвода  составляют ( А/мм² ).

       Алюминиевые шины                                      0,20- 0,35

       Алюминиевые спуски                                     0,50-0,70

       Медные  спуски                                                 0.8-1,2

       Стальные  части штырей и блюмсов              0,15-0,20

       Определяем  количество шин.

       При  расчете  количества шин и спусков  берутся их  типовые промышленные размеры.

       Принимаем экономически выгодную плотность тока для алюминиевых шин i_эк = 0,30 А/мм² и заданную силу тока 300000А. Сечение шинопровода будет равняться:

       Sш═I/i_эк =300000/0,30=483333,33(мм²)

       Определяем  число шин в шинопроводе (шт). В  промышленности используются шины сечением 430×60  -  800×100 мм²

       Выбираем  шину сечением  S_1ш = 580×70  и определяем количество  шин :

       n═S_ш/S_1ш = 483333,33/(580×70)=483333,33/40600=11,9

       округляем до 12 шт.

         Реальная плотность тока при выбранном сечении шины и количества шин тогда получается :

       i_эк = I/ S_1ш× n=300000/(580×70)×12=300000/40600×12=0,298А/мм²

       округляем до 0,30 А/мм²

       Определим количество штырей.

       Число штырей для электролизеров определяется из выражения

       k═So /  Sср , где

       Sср- среднее сечение штыря, мм²(т.к . штыри имеют коническую форму);

       So- общая площадь штырей, мм²