Введение.4
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Содержание
Введение……………………………………………………………………………………….. 2
Введение
Производительность электролизера в основном зависит от силы тока, которая определяет геометрические размеры узлов электролизера.
Вопрос об оптимальной мощности и эффективности, различных типов электролизеров неоднократно изучался на различных этапах развития алюминиевой промышленности. При проведении технико – экономической оценки электролизеров в качестве критерия эффективности принимают минимум приведенных затрат, т. е. сумму себестоимости 1 т алюминия, доли капитальных вложений и расходов на создание незавершенного производства.
При проектировании электролизного цеха производят конструктивный, материальный, электрический и тепловой расчет электролизной ванны, а также расчёт количества установленных электролизёров и производительности серии. Эти расчёты необходимы для определения технико-экономических показателей работы цеха.
После всех этих расчетов, новая конструкция электролизёра обязательно проходит стадию испытаний. Во время этих испытаний уточняют конструкционные параметры электролизёра и отрабатывают технологический режим. На основании полученных в результате опытной проверки данных, уточняют расчёты алюминиевого электролизёра по всем частям и составляют рекомендации по дальнейшему его использованию.
Данный курсовой проект основан на практических данных Красноярского алюминиевого завода (КрАЗ). Проект выполнен на основе действующего оборудования корпуса электролиза. В пояснительной записке произведен расчёт необходимого количества сырья, оборудования, производительности цеха; представлено описание: процессов на электродах электролизера, монтаж катодного устройства, состав отходящих газов от электролизера. Графическая часть представлена чертежом электролизёра.
1 Расчётная часть
Для получения алюминия - сырца в электролизёр загружают глинозём, анодную массу и фтор соли. В процессе электролиза образуются в основном окислы углерода. В результате испарения и пылеуноса отходящими газами из процесса постоянно выбывают некоторые количества фтористых соединений и глинозёма.
При применение самобжигающихся анодов в процессе электролиза часть анодной массы выбывает в виде летучих соединений при коксовании анода. Кроме того анодная масса расходуется в виде пены снимаемой с поверхности электролита. Увеличенный расход анодной массы и фтористых солей на электролизёрах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодной массы и недостатками обслуживания электролизёра.
1.1 Материальный баланс
В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуется глинозём, фтористые соли и угольный анод. При этом образуется расплав ленный алюминий и газообразные окислы углерода.
На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров ОА задаёмся параметрами для расчета электролизера:
- сила тока I = 163600 А
- анодная плотность тока dа = 0,65 А/см2
- выход по току = 88,8 %
Расход сырья N кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:
- глинозем, NГ = 1,923 кг
- фтористый алюминий, NФа = 0,030 кг
- фтористый кальций, NCа = 0,0012 кг
- анодная масса, NМ = 0,530 кг
Обычно материальный баланс рассчитывают на 1 час работы электролизера.
Производительность электролизера РА1, кг рассчитывается по формуле:
РА1 = j * I * τ * , (1)
где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);
I - сила тока, А;
τ - время, час;
- выход по току, доли единицы.
P = 0,335 * 163600 * 0,888 * 10 - 3 = 48,67 кг
1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр
1.1.2.1 Приход материалов в электролизёр рассчитывают по расходу сырья N на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час PAl. Тогда приход сырья составит:
- глинозема RГ, кг
RГ = PAl * NГ (2)
RГ = 48,67 * 1,923 = 90,6 кг
- фтористых солей (А1F3,СаF2 ) RФ, кг
RФ = PAl * (NФа+ NCa) (3)
RФ = 48,67 * ( 0,030 + 0,0012) = 1,52 кг
- анодной массы Rм, кг
Rм = PAl * Nоа (4)
Rоа = 48,67 * 0,530 = 25,8 кг
1.1.3 Расчёт продуктов электролиза
1.1.3.1 Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): СO2 - 60; СО - 40.
При получении PAl алюминия выделится кислорода m0, кг:
m0 = , (5)
где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.
m0 = кг
Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m0co2, кг:
m0co2 = (6)
m0co2 = = 32,45 кг
в окись углерода свяжется кислорода m0co, кг:
m0co = , (7)
где 60 и 40 – процентное содержание двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (СО) соответственно.
m0co = = 10,82 кг
Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись mcco2, кг:
mcco2 = (8)
mcco2 = = 12,17 кг
Количество углерода связанного в оксид углерода, mcco, кг:
mcco = (9)
mcco = = 8,12 кг
Таким образом, в час выделяется оксидов Pco2 и Pco, кг:
Pco2 = m0co2 + mcco2 (10)
Pco2 = 32,45 + 12,17 = 44,62 кг
Pco = m0co + mcco (11)
Pco = 10,82 + 8,12 = 18,94 кг
Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:
Ргаз = Pco2 + Pco (12)
Ргаз = 44,62 + 18,94 = 63,56 кг
1.1.4 Расчёт потерь сырья
1.1.4.1 Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:
G = PAl * (Nг - 1,89) (13)
G = 48,67 * (1,923 – 1,89 ) = 1,61 кг
1.1.4.2 Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в окислы:
Rуг = Rм - (mcco2 + mcco) (14)
Rуг = 25,8 – ( 12,17 + 8,12) = 5,51 кг
1.1.4.3 Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.
2.1.4.4 Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.
Общие потери углерода с угольной пеной и газами коксования составят 5,56 кг.
Таблица 1 – Материальный баланс на силу тока 163,6 кА
|
Приход |
кг |
% |
Расход |
кг |
% |
|
Глинозем |
93,60 |
77,32 |
Алюминий |
48,67 |
40,20 |
|
Анодная масса |
25,80 |
21,33 |
Анодные газы:
|
||
|
Фтористые соли |
1,52 |
1,35 |
СО2 |
44,62 |
36,86 |
|
|
СО |
18,94 |
15,65 |
||
|
|
Потери: |
||||
|
|
Глинозем |
1,61 |
1,33 |
||
|
|
Фтористые соли |
1,52 |
1,35 |
||
|
|
Анодная масса |
5,56 * |
4,60 |
||
|
ИТОГО: |
120,92 |
100 |
ИТОГО: |
120,92 |
100 |
С учетом *
1.2 Конструктивный расчет
В задачу конструктивного расчета входит определение основных раз меров электролизера.
Основные параметры проектируемого электролизера:
- Сила тока I 163600 А;
- Анодная плотность тока dа 0,65 А /см2;
- Выход по току ηт 88,8 %.
Алюминиевый электролизер состоит из трех токопроводящих частей:
- Анодное устройство;
- Катодное устройство;
- Ошиновка.
1.2.1 Анодное устройство электролизера
Размеры анода:
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:
, (15)
где I – сила тока, А;
da- анодная плотность тока, А/см2
Sа = 163600/ 0,65 = 251692 см2
1.2.1.1 Ширина анода Ва, см, исходя из характеристик принятой конструкции электролизёра С8БМ, принимается 285 см.
Тогда длина анода La, см будет:
Lа = Sa / Ba (16)
La= 251692 / 285 =883 см
1.2.1.2 Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря равной dст = 0,19 А /мм2.
Применяемые штыри имеют следующие размеры, см:
- общая длина – 270
- длина стальной части -195
- длина алюминиевой штанги – 104
- максимальный диаметр – 13,8
- минимальный диаметр – 10
Площадь сечения всех штырей Sвсех.шт., мм2 определяются:
Sвсех шт. = I / dст (17)
Sвсех.шт. = 163600 / 0,19 = 861953 мм2
Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.
dmax = 138 мм; dmin = 100 мм
(18)
Площадь сечения одного штыря Sшт,мм2:
Sшт = (19)
Sшт = мм2
где dср – средний диаметр штыря, мм
Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество,n:
n = Sвсех шт.: Sшт (20)
n = 861053 /11116 = 80
Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда и подключаются к анодной ошиновке эксцентриковыми замками.
1.2.1.3Высоту столба анода На , см определяем из суммы высот:
- конуса спекания hк = 115 см
- жидкой анодной массы hк = 35 см
- выступающей частью кожуха над жидкой анодной массой
hn = 10 см
Hа = hк + hж + hn ( 21)
На = 115 + 35 +10 = 160 см
1.2.2 Расчёт катодного устройства
Катодное устройство электролизёра предназначено для создания условий необходимых для протекания процесса электролиза в криолита- глиноземном расплаве.
1.2.2.1 Внутренние размеры шахты превышают размеры анода на величину расстояний, необходимых для осуществления всех операций связанных с обслуживанием.
Расстояние от анода до продольной стороны футеровки (в=63,5 см) и до торцевой футеровки (а=50,0 см) принимаются на основании практических данных.
Рисунок 1 Шахта электролизёра.
Тогда длина шахты Lш,см будет:
Lш = Lа+2а (22)
Lш= 883 + 2 * 50 = 983 cм
Ширина шахты Вш,см будет:
Вш =Ва+2в (23)
Вш= 285 + 2* 63,5 = 412 см
1.2.2.2 Катодный кожух - это металлическая ванна, выполненная из стали. Снаружи кожух опоясывается рёбрами жёсткости (контрфорсами). Рёбра жёсткости исключают деформацию, придают жёсткость конструкции и способствуют передаче тепла в окружающую среду.
Кожухи бывают с днищем и без днища. Кожух без днища установлен на фундаменте. Кожух с днищем устанавливают на специальные опоры, и оказывается приподнятыми от земли на некоторую высоту.
1.2.2.3 На днище катодного кожуха выкладывают 5 рядов теплоизоляционного кирпича. На теплоизоляционный материал укладывается подина из угольных блоков разной длинны, чтобы центральный шов был ступенчатым или вперевязку. Каждый блок имеет сквозной паз, в который вставляется стальной стержень (блюмс), для лучшего контакта блюмса и подового блока пространство между ними заливают чугуном или заделывают специальной электродной пастой.
Футеровка днища катодного кожуха в проекте выполняется следующим образом ( снизу – вверх) :
- слой шамотной крупки: толщиной 20 – 50 мм
- три ряда диатомитового кирпича 3х 65 мм
- два ряда красного кирпича 2х65 мм
- угольная подушка толщиной 30 мм
Подина электролизёра монтируется из подовых угольных блоков, длина которых составляет 220 и 160 см, ширина 55см, набивной шов между блоками 4 см.
(24)
1.2.2.4 Расстояние между катодными и бортовыми блоками В, см по продольной стороне будет равно:
B = (25)
B =
Расстояние между катодными и бортовыми блоками ℓ, см в торцах шахты составит:
l = (26)
где Lш - длина шахты, см;
n - количество блоков в ряду;
(n-1) - количество швов;
l =
1.3 Электрический баланс электролизёра
Электрический расчёт заключается в определении величины среднего напряжения на электролизёре. Оно складывается из падения напряжения на участках:
Uср = E + Uау + Uку + Uэл + Uан.эф. + Uот (27)
где Е – напряжение разложения глинозёма для принятой конструкции электролизёра принимаю 1,5 В;
Uау – падение напряжения в анодном устройстве;
Uп – падение напряжения в подине;
Uэл – падение напряжения в электролите;
Uан.эф. – доля падения напряжения от анодного эффекта;
Uот – падение напряжения в ошиновке электролизёра и общесерийной ошиновке.
1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве
Падение напряжения в анодном устройстве Uaу,В определяется по формуле А.М. Коробова:
Uaу = [26000-(16000-10,9*Sа:k -805*lср-lср*Sa/6,85*k)*da]*ρa (28)
где Sa – площадь сечения анода (из конструктивного расчёта), см2;
k– количество токоподводящих штырей;
lср - расстояние от подошвы анода до токоподводящих штырей, принимается по практическим данным 40 см;
da – анодная плотность тока, 0,65 А/см2;
ρa – удельное сопротивление анода, принимается 8*10-3 Ом * см;
Uау = [26000- (16000-10,9*251692/80-805*40-(40*251692/6,85*80)*0,65]*8* *10-3 = 566 мВ = 0,566 В
1.3.2 Падение напряжение в подине
Падение напряжение в подине Uп ,Вопределяется по формуле М.А. Коробова, А. М. Цыплакова;
Uп = [ℓпр*ρбл* 103 + (3,83 * 10-2Bш2 + 2,87 * а3√α) В бл: Sст]da (29)
где ℓпр – приведённая длина пути тока по блоку
ρбл – удельное сопротивление прошивных блоков принимается 3,72*10-3 Ом*см.;
Вш – половина ширины шахты, 206см (из формулы 23);
а – ширина бортовой настыли, принимается равной расстоянию от анода до продольной футеровки. 63,5 см;
Вбл - ширина катодного блока с учётом набивного шва равна 59 см.
Sст - площадь сечения катодного стержня с учётом чугунной заливки равна 377 см2
da- анодная плотность тока, А/см2
Приведённую длину пути тока по блоку определяем по формуле
ℓпр=2,5+0,92Нбл-1,1hст+132/Вст (30)
где Нбл – высота катодного блока 40 см;
Вст, hст– соответственно ширина и высота катодного стержня с учётом чугунной заливки (Вст =26 см, hст = 14,5см);
ℓпр= 2,5 + 0,92 * 40-1,1 * 14,5+132 / 26 = 28,43 см
Тогда падение напряжения в подине Uп,В будет равно:
Uп = [28,43*3,72*10-3*103 + (3,83*2062*10-2+2,87*63,53√63,5)59:377]*0,65 = 0,307 В
1.3.3 Падение напряжения в электролите
Падение напряжения в электролите Uэл,В определяется по формуле Г.В. Форсблома, В. П. Машовца:
Uэл =B
1.3.4 Доля увеличения напряжения от анодного эффекта
Доля увеличения напряжения от анодного эффекта Uан.эф., В определяется по формуле:
UАЭ = (32)
где Uаэ - напряжение в момент анодного эффекта ,принимаем 35 В;
n - длительность анодного эффекта,1,5 мин
к - частота ан.эффекта (1);
1440 – число минут в сутках;
UАЭ = B
1.3.5 Падение напряжения в ошиновке электролизёра
Падение напряжения в ошиновке электролизёра складывается из падений напряжения в элементах ошиновки: анодных стояках, анодной раме, штырях, контактах, блюмсах, катодных спусках, катодной ошиновке, контактах и т.д. Для удобства расчёта эти значения падения напряжения принимаются по практическим данным и в сумме составляют 0,016 В.
На основании рассчитанных данных составляется таблица электрического баланса.
Таблица 2 – Электрический баланс электролизёра на силу тока 163,6 кА
Размеры в вольтах
|
Участки электролизёра |
Uср |
Uраб |
Uгр |
|
1 Напряжение разложения |
1,5 |
1,5 |
1,5 |
|
2 В теле анода |
0,566 |
0,566 |
0,566 |
|
3 В подине |
0,307 |
0,307 |
0,307 |
|
4 В электролите |
1,760 |
1,76 |
1,76 |
|
5 Доля увеличения напряжения от анодных эффектов |
0,040 |
- |
0,040 |
|
6 Ошиновка электролизёра |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
|
7 Общесерийная ошиновка |
0,016 |
- |
- |
|
Итого: |
4,483 |
4,433 |
4,473 |
1.4 Тепловой баланс электролизёра
Нормальная работа электролизёра обеспечивается установившимся тепловым равновесием, когда приход тепла за единицу времени уравновешивается его расходом.
Qэл + Qан = Qразл + Qм + Qгаз + Qпот (33)
где Qэл – приход тепла от электрической энергии;
Qан – приход тепла от сгорания анода;
Qразл – тепло, необходимое на разложение глинозёма;
Qм – тепло уносимое с вылитым металлом;
Qгаз – тепло, уносимое отходящими газами;
Qпот – потери тепла в окружающее пространство конструктивными элементами электролизёра.
Электролизёр представляет собой систему, которая снабжается теплом за счёт прохождения электрического тока и сгорания угольного анода. Расходуется тепло на разложение глинозёма; теряется за счёт теплоотдачи в окружающую среду конструктивными элементами электролизёра и удаляется с продуктами электролиза.
1.4.1 Расчёт прихода тепла
1.4.1.1 Приход тепла от превращения электрической энергии в тепловую Qэл, кДж определяется законом Джоуля - Ленца:
Qэл = K * I * Uгр * τ (34)
где К – тепловой эквивалент одного кВт*ч (3600 кДж);
I – сила тока, А;
Uгр – греющее напряжение, В (из электрического расчёта);
τ- время, ч
Qэл = 3600 * 163,6 * 4,473 = 2634418 кДж
1.4.1.2 Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется зависимостью:
Qан = Рсо * ΔНтСО + Рсо2 * ΔНтСО2 (35)
где Рсо = 18,94 /28 = 0,676, число киломолей в час оксида углерода.
РСО2 = 44,62/44 =1,014 число киломолей в час диоксида углерода.
ΔНт298СО = 110616, ΔНт298СО2 = 394070 - соответственно, тепловые эффекты реакций образования оксида и диоксида углерода из углерода и кислорода, ккал / кмоль, при температуре окружающей среды (298 К);
Qан. = 0,676 *110616 +1,014 * 394070 = 474363 кДж
1.4.2 Расчёт расхода тепла.
1.4.2.1 Расход тепла Qраз, кДж на разложение глинозёма:
Qраз = PAL2O3 * ΔHтAL2O3 (36)
где PAL2O3 – расход глинозёма на электролитическое разложение, кмоль определяется по формуле:
РAl203= (37)
РAl203= кмоль
ΔНтAl2O3 = 1 676000 – тепловой эффект реакции образования оксида алюминия при 250С (2980К), кДж/кмоль.
Qраз = 0,903 * 1676000 = 1513428 кДж
1.4.2.2 Потери тепла с вылитым металлом Qм, кДж рассчитывается из условия, что количество вылитого алюминия равно количеству наработанного металла за тоже время:
Qм = РA l* (ΔНт2AL - ΔНт1AL) (38)
где РAL – кол-во наработанного алюминия, кмоль находится по формуле:
РAl = PAl2O3 * 2 (39)
PAl = 0,903 * 2 = 1,806 кмоль
ΔНт2AL = 43982 кДж – энтальпия алюминия при температуре 960 0С;
ΔНт1AL = 6716 кДж – энтальпия алюминия при температуре 250С (298К);
Qм = 1,806 * (43982 - 6716) = 67302 кДж
1.4.2.3 Потери тепла с газами Qгаз, кДж:
Qгаз = РСО * (ΔНт1СО - ΔНт2СО) + РСО2 * (ΔНт1СО2 + ΔНт2СО2) (40)
где РСО = 0,676, РСО2 = 1,014 – число киломолей в час оксида и диоксида углерода;
ΔНт1СО= 24860, ΔНт2СО= 8816 - энтальпия оксида углерода при температурах 550 и 250С, кДж/кмоль;
ΔНт1СО2 = 40488, ΔНт2СО2 = 16446 – тоже для диоксида углерода (по справочнику), кДж/кмоль ;
Qгаз = 0,676 * (24860 - 8816) + 1,014 * (40488 - 16446) = 35224 кДж
1.4.2.4 Потери тепла в окружающую среду Qпот, кДж определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизёр представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчётов потери тепла определяются:
Qпот = (Qэл + Qан) - (Qраз + Qм + Qгаз) (41)
Qпот = (2634418+ 474363) - (1513428 + 67302 + 35224) = 1492827 кДж
Таблица 3 – Тепловой баланс электролизёра на силу тока 163,6 кА
|
Приход тепла |
кДж |
% |
Расход тепла |
кДж |
% |
|
1 От прохождения электрического тока. 2 От сгорания угольного анода |
2634418 474363 |
84,74 15,26 |
1 На разложение глинозёма 2 С вылитым металлом 3 С отходящими газами 4 Потери тепла конструктивными элементами электролизёра |
1513428 67302 35224 1492827 |
48,68 2,17 1,13 48,02 |
|
Итого: |
3108781 |
100 |
Итого: |
3108781 |
100 |
1.5 Расчёт цеха
В расчёт цеха входит определение числа рабочих электролизёров в серии, число резервных электролизёров, общее число устанавливаемых электролизёров, годовой выпуск алюминия-сырца одной серией и тремя сериями и удельный расход электроэнергии.
Расчёт числа рабочих электролизёров определяется величиной среднего напряжения на электролизёре и напряжением выпрямительных агрегатов, питающих серию электролизёра.
КПП обеспечивает серию электролизёров, напряжением 850 В. Учитывается резерв напряжения 2% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.
Для подстанции на 850 В, напряжение потребляемое серией электролизёров, составит:
Uсер = 850 - (17 + 30) = 803 В
где 850 В – напряжение выпрямительных агрегатов;
17 В – резерв напряжения;
30 В – напряжение при анодном эффекте.
Число рабочих электролизёров nраб в серии составит:
nраб = , (42)
где Uср-среднее напряжение на электролизёре;
Uаэ - доля увеличения напряжения от анодных эффектов, определяется данными электрического расчёта.
nраб = электролизеров
Для максимального использования мощностей подстанции и обеспечения запланированного выпуска металла, необходимости ремонта основного оборудования, необходимо предусмотреть резервные электролизёры Nрез. Их количество определяется:
Nрез = (nраб * t): (T * 365) (43)
где nраб – число рабочих электролизёров;
t – длительность простоя ванн в ремонте (по практическим данным7);
T – плановый срок службы электролизёра (год);
Nрез = (179 * 7) : (4 * 365) = 0,86 электролизёра (принимаем 1)
Общее число электролизёров в серии, Nуст:
Nуст = nраб+Nрез (44)
Nуст = 179+1 = 180 электролизеров
Годовой выпуск металла одной серией Ргод, т составит:
Ргод = 0,335*I*ŋт*24*365 * Nраб * 10-6 (45)
где I – сила тока, А;
ŋт – выход по току, доли единиц;
Nраб – число рабочих электролизёров в серии;
Ргод = 0,335 * 163600 * 0,888 * 8760 * 179 * 10-6 = 76313 т
Тогда годовая производительность в 4 сериях Ргод4-серий будет равна:
Ргод 4-серий = 76313 * 4 = 305252 т
Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по следующей формуле:
W = (46)
W = кB*ч/т
2 Описательная часть
2.1 Процессы на электродах электролизера
2.1.1 Катодные реакции
Единственным "свободным" катионом в электролите является катион натрия (остальные связаны в относительно прочные комплексы). Напряжение разложения фторида и оксида натрия меньше, чем соответствующих соединений алюминия, поэтому ионы натрия, хотя и переносят ток в объеме электролита, на катоде разряжаются мало. Следовательно, их концентрация в прикатодном слое больше, чем в объеме расплава, т.е. расплав в этом слое имеет более высокое криолитовое отношение.
2.1.2 Анодные реакции
При промышленных плотностях тока в расплавах с высокой концентрацией глинозема разряжается комплексный ион, в котором содержится больше ионов кислорода.
Таким образом, прианодный слой имеет более кислый состав, чем основной объем расплава, несмотря на то, что этот слой перемешивается анодными газами.
Анодные реакции включают несколько стадий:
— доставку оксифторидных комплексных ионов диффузией;
— разрушение комплексов;
— окисление ионов кислорода до состояния атомов;
— химическую реакцию с образованием поверхностных оксидов;
— выделение из этих соединений молекул углекислого газа, переходящих в пузыри. Каждая из указанных стадий, особенно первая и последняя, требуют известных энергетических затрат, т.е. совершения работы по преодолению трудностей, связанных с протеканием каждой стадии. Эта электрическая работа равна дополнительному сдвигу напряжения (отдельному для каждой стадии), называемому перенапряжением, умноженному на количество пропущенного электричества.
Для катодного процесса мы имеем сходную картину. Здесь выделяются стадии:
— диффузии (доставки) комплексных ионов алюминия;
— распада комплексов;
Сумму этих величин называют напряжением разложения или обратной ЭДС. Она составляет приблизительно 1,5 В для электролизера с анодом Содерберга и 1,65 B у электролизеров с обожженным анодом.
2.2 Монтаж катодного устройства
Конструкция катодного устройства должна учитывать требование снижения падения напряжения в катоде. Кроме того, должен быть обеспечен, возможно, большой срок службы катодов.
Основной характеристикой чертой конструкции катодного устройства является заливка катодных стержней в блоках чугуном.
Состав чугуна близок к составу, используемому для заливки анода, % : углерода-3,5;кремния-2,5-3;фосфора 1,2-1,5; серы<0,05;марганца<0,05.Усадка приблизительно равна 1,3%.
Для чугуна, применяемого при заливке анодов, берётся верхний предел содержания фосфора, ибо заливка должна обладать определённой хрупкостью. Усадка, возможно более слабая, должна часто проверяться; очень важно хорошо прогревать блоки и стержни перед заливкой.
Стальной кожух должен быть жёсткой конструкцией. Желаемое тепловое равновесие достигается увеличением количества рядов теплоизоляционных кирпичей и подбором их теплопроводности. Блоки и кирпич связаны подовой массой, которую очень тщательно утрамбовывают.
Катодное устройство алюминиевого электролизёра предназначено для создания условий, необходимых для протекания процесса электролиза в криолито-глинозёмном расплаве. Поскольку электролиз идёт в весьма агрессивной среде при 950-1000˚С, катодное устройство должно быть устойчиво к действию расплавленных фтористых солей; обладать достаточно высокими теплоизоляционными свойствами, чтобы до минимума сократить потери тепла; быть электропроводным в зоне протекания процесса и иметь надёжную изоляцию во избежания утечек тока иметь достаточно жёсткую конструкцию, способную выдержать напряжение, возникающее от протекания физико-химической реакции; обеспечивать продолжительную работоспособность между ремонтами и мобильность при замене в целях сокращения простоя электролизёра в ремонте.
Катодное устройство представляет собой заключённую в металлический кожух шахту либо выложенную угольными блоками, либо набитую углеродистой массой. Между кожухом и угольной футеровкой размещены теплоизоляционные материалы, как правило, шамотный кирпич и шамотная засыпка. Угольная футеровка монтируется на цоколе из теплоизоляционных материалов. Такая футеровка стойка против воздействия криолитового расплава и сравнительно хорошо проводит ток, что особенно важно, так как подина является катодом электролизёром. Во время работы электролизёра расплавленный алюминий и электролит проникают в толщу теплоизоляционных материалов, вызывая в них физические превращения, приводящие к возникновению значительных деформирующих напряжений. Для защиты шахты от разрушающего действия этих напряжений служит металлический кожух. Существует два вида катодных кожухов: с металлическим днищем и без него.
Глубина шахты катодного устройства зависит от единичной мощности электролизёра, геометрических размеров анодного массива, типа применяемого катодного кожуха и составляет 400-600 мм. Внутренние размеры шахты в плане зависят от геометрических размеров анодного массива. В Промышленных электролизёрах расстояние от продольных сторон анода до стенки шахты принимается равным 550-600 мм, а от торцевых сторон 500-600 мм. В некоторых конструкциях электролизёров с предварительно обожжёнными анодами расстояние между продольной стороной анодного массива и стенкой шахты составляет до 300 мм.
От прочности катодного кожуха в большей степени зависит продолжительность межремонтного срока работы электролизёра. В связи с ростом единичной мощности электролизёров все большее распространение получают катодные кожухи ремонтного типа прямоугольной формы без металлического днища и контрфорсного типа с днищем.
Катодные кожухи с днищем состоят из двух частей: корыта кожуха, сваренного из листовой стали, и балок – контрфорсов. Прочность таких кожухов определяется жёсткостью конструкции контрфорсов, число которых зависит от длины электролизёра.
Кожух без днища устанавливают на кирпичную кладку – цоколь. Такую кладку обычно сооружают на бетонном фундаменте; она состоит в нижней части из 4-5 рядов красного, а в верхней части 2-3 рядов шамотного кирпича. Кирпичная кладка может быть заменена блоками из жаростойкого бетона.
Теплоизоляционную футеровку подины электролизёра с днищем выполняют из шамотной засыпки высотой 30-50 мм, листового асбеста высотой 10 мм и нескольких рядов шамотного кирпича. Для большей теплоизоляции нижние ряды шамотной кладки выкладывают легковесным кирпичом. В отечественной промышленности применяется только сборно-блочная конструкция подины. Состоящая из предварительно обожжённых угольных подовых и боковых блоков. Зазоры между блоками набиты специальной углеродистой массой (подовой). В мировой практике существуют конструкции подин, в которых вместо блоков по всей площади подины набита специальная углеродистая масса.
Подину любого типа перед началом электролиза обжигают, чтобы удалить из подовой массы летучие составляющие связующего материала (пека) и превратить подину в монолитный плотный массив, хорошо проводящий электрический ток. Ток к подине подводиться по стальным полосам квадратного или прямоугольного сечения, называемым катодными стержнями-блюмсами. Отечественной промышленностью выпускаются прошивные катодные блоки высотой 400 мм, шириной 550 мм , длиной 600-2200 мм . Катодные стержни заделывают в угольные блоки специальной углеродистой массой или заливают чугуном. Назначение чугунной заливки или углеродистой набивки - создание механически прочного и хорошо проводящего электричество соединения катодного стержня с угольным блоком. Такая пара образует подовую секцию.
При монтаже подовых секций предусматривается предохранение торцевого конца блюмса от проникновения расплавленного алюминия, для чего в эту часть блока набивают углеродистую массу (80-100 мм).
В отечественной практике обычно применяют, катодные стержни из горячекатаной стали, сечением 115 Х 115 мм или 230 Х 115 мм. Подовые блоки изготавливают на мощных прессах продавливанием угольной массы через мундштук, по форме отвечающий нужной конфигурации блока с необходимым для заделки блюмсов пазом. Число катодных стержней в подине выбирают таким способом, чтобы плотность тока в них не превышала 0,18-0,20 А /мм2.
По физико-механическим данным характеристикам угольные блоки должны удовлетворять следующим показателям: коэффициент разрушаемости (Кр) не более 1,7; пористость не более 24%; механическая прочность на сжатие не менее 22 МПа.
Футеровка устройства с днищем практически не отличается от футеровки электролизёра без днища.
В идеальном случае ванна должна работать в течение всего времени, пока не износится подина вследствие химических воздействий и абразивных сил. Подина при этом «стирается» до высоты блюмса. При нормальных условиях это может занять 10 лет или более. Но в реальной практике такого не бывает.
2.3 Состав отходящих газов от электролизера
Величины общего потребления фторидов можно рассчитать исходя из материального баланса. Иногда это делается без учета количества фтора, извлеченного из выбросов, или из отработанной футеровки электролизеров. К сожалению, люди не имеют опыта в оценке различного механизма потерь, и случайно ссылаются на общий расход, как на цифру, представляющую выбросы. Поэтому необходимо быть осторожным в оценке общего расхода при использовании системы газоочистки, поскольку она включает в себя регенерацию катода.
Твердые материалы, выходящие из электролизера включают угольную пыль, глинозем, криолит, хиолит, фтористый алюминий, фтористый кальций и конденсированные углеводороды. Газовыми составляющими являются двуокись углерода, окись углерода, двуокись серы и фтористый водород.
Исходя из точки зрения на контроль выбросов, мелкие твердые фториды и газообразный фтористый водород являются наиболее весомыми составляющими, и поэтому последующее обсуждение будет сосредоточено именно на них. Они присутствуют в анодных газах как следствие:
• испарения составляющих из-за уноса анодным газом
• первичного образования, к примеру, фтористого водорода на электродах или в электролизере
• уноса твердых материалов при выделении газов.
- Переработка угольной пены. С целью извлечения компонентов электролита пена подвергается переработке методом флотации.
Доставленная из электролизного цеха пена подвергается магнитной сепарации для удаления железных предметов , дробится в щековой дробилке и поступает на мокрое измельчение в шаровою мельницу. Полученный продукт подвергается флотации, принцип действия которой основан на свойстве несмачивающихся водой (гидрофобных) частиц прилипать к находящимся в растворе пузырькам воздуха.
При флотации угольная пена разделяется на два вида частиц – хорошо смачиваемые водой (гидрофильные) частицы электролита и плохо смачиваемые ( гидрофобные ) частицы угля. Разделение этих частиц происходит во флотационных машинах. Для повышения эффективности процесса полученная пена с частицами угля подвергаются неоднократной перечистке.
Осевшая на дне флотомашины криолитовая пульпа поступает на сгущение, фильтрацию и сушку и в виде флотационного криолита (или в смеси с регенерационным криолитом ) возвращается в электролизный цех. Сухой флотационный криолит должен содержать более 44 % фтора и не более 1,5 % углерода. Хвосты флотации, которые содержат около 9 % фтора, 70 % углерода и ряд других компонентов, гидротранспортом отправляют на шламовое поле.
- Утилизация отработанной футеровки электролизера – большая экологическая проблема вследствие, что того футеровка пропитана компонентами электролита. По данным отработанная футеровка электролизеров ( ОФЭ ) содержит около 30 % углерода, 30 % огнеупоров и до 40 % фторидов. Эти данные лишь приблизительно отражают состав ОФЭ, так как фактическое содержание компонентов зависит от технологии работы ванны, качества углеродистой теплоизоляционной продукции, конструкции катода и пр.
ОФЭ – ценнейшее сырье для производства чугуна и стали, так как содержащийся в ней углерод используется как топливо, а фториды разжигают шлаки, полностью заменяя применяемый для этих целей дифторид кальция.
3 Организационно – экономическая часть
3.1 Организационная структура проектируемого цеха
В результате расчета электролизера были получены следующие данные.
Данный курсовой проект предусматривает расчёт электролизного цеха, состоящий из двух серий. В результате расчета электролизера были получены следующие данные.
Для реализации проектируемого цеха понадобится триста шестьдесят электролизеров с верхним токоподводом марки С8БМ. Тогда в каждой серии разместится по сто восемьдесят электролизёров. Всего в таком цехе рабочих электролизёров будет триста пятьдесят восемь ,а среднее число электролизёров находящихся в ремонте будет два.
При силе тока 163,6 кА и выходу по току 88,8 % выход алюминия- сырца на одну ванну в сутки будет составлять 1,168025 тонн в сутки. А в двух сериях за год выпуск алюминия- сырца будет составлять 152625 тонн. Среднее напряжение на один электролизёр с верхним токоподводом марки С8БМ, будет составлять 4823 В. Удельный расход электроэнергии, составит 15069 кВт*ч /(т).
В рассчитываемом электролизёре наблюдаются некоторые отличия от электролизёра типа С8БМ. Увеличилось количество штырей прикреплённых к анодной раме с 72 до 80. Увеличилось количество подовых блоков с 15 до 16.
Увеличилась длина анода на 295 см. Также на 295 см увеличился катодный кожух.
3.2 Расчет производственной программы
На основании расчётных данных производственная часть приведена в таблице.
Таблица 4 – План производства алюминия-сырца на силу тока 163,6 кА.
|
Показатели |
Формула |
Цифровые Значения |
|
Число установленных ванн, шт |
А |
720 |
|
Число ванн, подлежащих капетальному ремонту, шт |
а = |
180 |
|
Длительность простоя одной ванны на капитальном ремонте, дни |
δ |
7 |
|
Длительность планового периода, дни |
Т |
365 |
|
Среднего число ванн в ремонте, шт |
Nр = |
4 |
|
Среднее число действующих ванн, шт, |
N = A – Nр |
716 |
|
Сила тока, кА |
I |
163,6 |
|
Выход по току, % |
ŋ |
88,8 |
|
Выход на ванну в сутки, т / сут |
m=24*I*ŋ*0,335 106 |
1,16154 |
|
Среднее напряжение, В |
Uср |
4,823 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт *ч / т |
W = |
15069 |
|
Количество алюминия сырца, тонн |
М = N*m*T |
305252 |
Список использованных источников
1 И.А. Троицкий, В.А. Железнов 2-е издание, дополненное и переработанное Металлургия алюминия. М.: Металлургия – 1984 .
2 Инструкция по охране труда для электролизника расплавленных солей цехов электролиза, №2 Э – 2000 г, ОАО “ КрАЗ “ , 2000 .
3 Технико-экономический вестник “Русского алюминия”, № 11, август 1998 .
4 Сборник нормативных документов по ОТ и ТБ ОАО КрАЗ
5 Алюминий Сибири-2004: Технологические аспекты экологической безопасности алюминиевого производства на современном этапе. Под редакцией
Б. П. Куликова.
6 Производство алюминия на электролизёрах с самообжигающими анодами ТИ 02.01.01 - 2006, технологическая инструкция ОАО "КрАЗ".
7 Минцис М.Я., Поляков П.В. Электрометаллургия алюминия. - Новоси бирск: Наука, 2001. – 368с.
2. джайнизмж~небуддизм
3. Гладиаторы
4. Развитие и размещение транспортного комплекса РФCтудента Iго курса дневного отделения 2ой группы специал
5. ТЕМАТИКИ И ИНФОРМАТИКИ КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ УТВЕРЖДАЮ Декан факультета прикладной матема
6. ТЕМА 3. Лекція 5
7. Задание I Выберите правильный вариант ответа
8. относительно устойчивая структура умственных способностей индивида Психологический словарь
9. місцем проживання розрізняють
10. Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г
11. Контрольная работа- Особенности либерального стиля руководства
12. 2013г Директор ГАОУ СПО ЛО ЛАПТ Ибраева В
13. Управление динамической системой
14. то речь идет о товарах первой необходимости
15. Разработка сайта с использованием CSS
16. Шпаргалка- Экзаменационные билета по Научным Основам Школьного Курса (НОШК)
17. 1 Кадровый регламент К работе по техническому обслуживанию и ремонту грузовых вагонов допускаются
18. реферату- Планування собівартості продукціїРозділ- Організація виробництва Планування собівартості проду
19. возможность перекрывать большие площади и линейность форм возможность перекрывать большие площади и п
20. Как преодалеть страх введения полового члена во влагалище