Цех электролитического получения алюминия, производительностью 250 000 тонн в год

 

,                                  (9.4.5)

 

        где – площадь сечения одной ленты ( ), мм²;

 – число лент на один  катодных стержень, шт;

 – число катодных стержней, шт.

 

.

 

Удельное сопротивление алюминия при температуре лент 200ºС .

Находим общее сопротивление  в соединительных алюминиевых лентах:

 

.

 

Падение напряжения в соединительных алюминиевых лентах составит:

 

.

 

Падение напряжения в  катодной ошиновке определяем по формуле:

 

,                                    (9.4.6)

 

         где – падение напряжения  в катодной ошиновке, В;

 – сила тока на электролизёре, А;

 – удельное электросопротивление  ошиновки при средней температуре  120ºС ( ) Ом·мм²/м ;

 – длина катодной ошиновки ( ), м;

 – площадь поперечного  сечения катодной ошиновки ( ), мм², (см. (7.7.1.2));

 

.

 

Падение напряжения в контактах  катодного устройства ( ) принимаем по данным практики:

 

– подовый блок – катодный стержень………………………...0,006 В

– катодный стержень – пакет алюминиевых шин……………0,006 В

– пакет алюминиевых шин – катодная ошиновка……………0,004 В

– Итого по контактам ( )........................................................0,016 В

 

Тогда суммарное падение напряжения в катодном устройстве составит:

 

.

 

9.5 Падение напряжения от анодных эффектов

 

Падение напряжения от анодных  эффектов определяем по формуле:

 

,                            (9.5.1)

 

        где – частота анодных эффектов в ванне за сутки ( ), шт;

 – среднее напряжение анодного эффекта ( ), В;

 – продолжительность анодного эффекта ( ), мин;

24·60=1440 – число минут в сутках.

 

.

 

9.6 Напряжение разложения глинозёма

 

Напряжение разложения глинозёма рассчитываем по формуле:

 

,                                 (9.6.1)

 

        где – напряжение разложения глинозёма, В;

        – теоретическое напряжение разложения глинозёма , В;

 

.

 

9.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке

 

Падение напряжения в общесерийной ошиновке составляет: .

Принимаем среднее значение 0,035 В.

Суммируя все полученные составляющие, получаем среднее напряжение на электролизёре:

 

.

 

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

 

.

 

Расчёт полученных данных сводим в таблицу 9.7.1.

 

  Таблица 9.7.1 - Электрический баланс электролизёра

Участки цепи	Падение напряжения
	Uгреющее	Uрабочее	Uсреднее
1. Анодное устройство:
анодная ошиновка.	–	0,1062	0,1062
контакты анодного узла	–	0,0150	0,0150
анод	0,419	0,4190	0,4190
штыри	–	–	0,0126
Итого в анодном устройстве:	0,419	0,5572	0,5572
2.Электролит	1,683	1,683	1,683
3. Катодное устройство
подина	0,326	0,326	0,326
выступающая часть катодных стержней	–	0,009	0,009
алюминиевые спуски	–	0,012	0,012
катодная ошиновка	–	0,241	0,241
контакты катодного  узла	–	0,016	0,016
Итого в катодном устройстве:	0,326	0,604	0,604
4. Анодный эффект	0,015	–	0,015
5. Напряжение разложения	1,441	1,441	1,441
6. Общесерийная ошиновка	–	–	0,035
Итого на электролизере:	3,884	4,2852	4,3352

 

9.8 Расход электроэнергии

 

Удельный расход электрической  энергии определяем по формуле:

,                                        (9.8.1)

        где – среднее напряжение, В;

 – электрохимический эквивалент алюминия, г/(А·ч);

 – выход по току, доли единиц

      

.

Выход по энергии определяем по формуле:

 

,                                      (9.8.2)

 

.

 

10 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА

Составление теплового баланса электролизера  заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии  в процессе электролиза.

Нормальную работу электролизера  можно обеспечить только при условии  теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу. Электролизер снабжается теплом за счет прохождения электрического тока и сгорания анода. Расходуется тепло на разложение глинозема, теряется через теплоотдающие поверхности электролизера, а так же с выливаемым металлом и газами.

Тепловой баланс обычно составляют применительно к температуре окружающей среды. При этом составляющими теплового баланса являются следующие статьи прихода и расхода энергии:

Приход тепла

    –  приход тепла от электрической энергии, кДж/час;

     – приход тепла от сгорания анода, кДж/час;

    –  приход тепла от догорания газов СО и CO₂, кДж/час,;

  –  приход тепла от изменения теплосодержания анодных газов, кДж/час;

Расход тепла

 – расход тепла на разложение глинозёма, кДж/час;

     –  унос тепла с вылитым металлом, кДж/час;

    – унос тепла с отходящими газами, кДж/час;

  – расход тепла на нагрев воздуха, засасываемого под шторы, кДж/час;

  – расход тепла на нагревание исходных материалов, кДж/час;

    –  потери тепла в окружающее пространство с конструктивных элементов электролизёра, кДж/час.

Уравнение теплового  баланса можно представить в  следующем виде:

 

                   (10.1)

 

Изменением теплосодержания материалов, загружаемых в электролизёр, можно  пренебречь вследствие их незначительной величины, которая обусловлена небольшим отличием температуры окружающей среды от стандартной (25 ºС).

 

10.1 Приход тепла

 

а) От электрической энергии

 

  кДж/час,                                      (10.1.1)

 

         где  3,6 – тепловой эквивалент ватт-часа, кДж/Вт×час;

– сила тока на электролизёре, А;

 – греющее напряжение на электролизёре равное 2,705, В.

 

.

 

Величина греющего напряжения берётся из электрического баланса.

 

б) От сгорания анода:

 

  кДж/час,                              (10.1.2)

 

         где  – соответственно число киломолей в час CO₂ и CO, кмоль/час;

 – соответственно тепловые эффекты реакций образования CO₂ и CO из углерода и кислорода, кДж/моль;

T₁ – температура, при которой составляется тепловой баланс, т.е. температура окружающей среды, Кº (T₁ = 25 ºС).

Выражения для  находят, исходя из состава анодных газов – продуктов электролиза, следующим образом.

Часовая производительность электролизёра равна:

 

                                       (10.1.3)

 

        где – сила тока, А;

       – выход по току, доли единицы;

       – число Фарадея, равное 26,8 А∙ч.

Количество выделяющегося при этом кислорода при равенстве катодного и анодного выходов по току составляет:

                       

                                        (10.1.4)

 

На основании химических реакций

 

С + O₂  = CO₂

и

2С + O₂ = 2CO

 

составляем одно уравнение:

 

                                      (10.1.5)

 

другое уравнение находим, исходя из состава анодных газов:

                 

                                                     (10.1.6

 

        где  m –  доля объёма CO₂ в анодных газах.

Совместное решение  этих двух уравнений даёт выражения  для  :

 

                                 (10.1.7)

 

                                  (10.1.8)

 

        где  I   – сила тока на электролизёре, А;

 – выход по току, доли единицы;

m –  доля объёма CO₂ в анодных газах m = 0,6 (60%).

 

.

 

.

 

Тепловые эффекты образования  оксида и диоксида углерода при 25 ºС (298 К) находим по справочнику:

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

 

 

 

в) От догорания анодных газов.

 

Догорание СО и СО₂ на выходе из под корки электролита происходит по реакции

 

СО + 0,5О₂ = СО₂

 

  На догорание идет 25 % от количества  выделившегося СО.

 

                            (10.1.9)

 

 

г) От изменения теплосодержания СО и СО₂   в анодных газах.

 

                              (10.1.10)

 

        где  – изменение теплосодержания анодных газов в интервале температур, кДж/кмоль.

 

                (10.1.11)

 

По справочным данным принимаем:

 

 

 

       (10.1.12)

 

По справочным данным принимаем:

 

 

 

 

 

10.2 Расход тепла

 

а) На разложение Al₂O₃

 

Al₂O₃ = 2Al + 1,5O₂

 

                                   (10.2.1)

 

        где  – расход глинозёма на электролитическо разложение, кмоль/час;

        – тепловой эффект реакции образования глинозёма, кДж/моль.

 

                             (10.2.2)

 

        где  – расход глинозёма на электролитическо разложение, кмоль/час;

 – тепловой эффект реакции образования глинозёма при температуре 25°С ( ), кДж/моль;

I     – сила тока на электролизёре, А;

  –  выход по току, доли единиц;

F   –   число Фарадея, равное 26,8 А×ч.

 

.

 

.

 

б) С вылитым алюминием

 

Расчёт ведём, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла:

 

                                                (10.2.3)

 

        где  – производительность электролизёра по алюминию, кмоль/час;

 – энтальпия алюминия при 960 и 25 ºС, кДж/моль.

 

Производительность электролизёра  по алюминию:

 

                                     (10.2.4)