Расчет электролизера по заданным параметрам (стр. 3 из 6)

глинозема - 1925-1930 кг/т;

углерода анода - 500-600кг/т;

фтористых солей - 50-70кг/т.

Все материалы , поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей, более электроположительных чем алюминий ( железо, кремний, медь и др.), т.к они переходят в метал.

Расчёт электролизёра заданной мощности

Выбор плотности тока. Материальный баланс.

Плотность тока выбирается по графику зависимости плотности тока от силы тока для электролизёра заданной мощности. Для данного электролизёра с ВТ в соответствии с графиком плотность тока составляет 0,70А/см².

1 - верхний токоподвод; 2 — обожженные аноды.

Расчёт материального баланса

Приход материалов. Рассчитывается по расходу сырья на 1кг алюминия и производительности электролизера в час. Для расчета используем данные, сложившиеся на основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизеров.

Расход сырья (кг/кг AI) и выход по току (%) для различных типов электролизеров

Материал	Обожженные аноды	Боковой токоподвод	Верхний токоподводд
Глинозем	1,92-1,93	1,92-1,93	1,92-1,93
Аноды, анодная масса	0,560	0,540	0,590
Фториды	0,052	0,045	0,090
В том числе;
криолит свежий	0,011	0,030	0,019
криолит регенерационный	0,015		0,026
фторид алюминия	0,025	0,020	0,043
фторид кальция	0,001	0,001	0,002
Выход по току	87-92	85-87	84-86

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

Приход	Един. изм. кг/час	Расход	Един. изм. кг/час
Глинозем, РАl2O3	80,72	Получено алюминия, РАl	41,824
Криолит свежий, Ркр	0,460	Получено со, Рсо	10,584
Фторид алюминия, Рф.ал.	1,046	Получено со2, Рсо2	42,812
Фторид кальция, Рф.кал	0,042	Криолит свежий, Ркр	0,460
Криолит регенерационный, Ркр.рег.	0,627	Фторид алюминия, Рф.ал.	1,046
Анодная масса(аноды), Ра	23,421	Фторид кальция, Рф.кал	0,042
	Криолит регенерационный, Ркр.рег	0,627
	Потери углерода, ▲Рс	7,641
	Потери глинозема, ▲ РАl2O3	1,719
ИТОГО	106,316	ИТОГО	97,755

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.

Наименование	Ед. измер.	Велич.
Анод: длина ширина высота	мм мм мм	7270 2850 1700
Габариты анодного кожуха высота длина ширина	мм мм мм	1250 7270 2850
Габариты шахты: высота длина ширина количество катодных блоков	мм мм мм шт	550 8270 3950 28
Габариты катодного узла высота длина ширина	мм мм мм	775 8270 4450
Габариты катодного кожуха: высота длина ширина	мм мм мм	1375 8270 4450

Расчёт ошиновки