Производительность электролизера Р

1.1.1 Производительность электролизера
Производительность электролизера Р_А1, кг рассчитывается по закону Фарадея:

Р_А1 = j _* I _* τ _* ,(1)

где :j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА_*час);

I - сила тока, кА;
τ - время, час;
 - выход по току, доли единицы.

P _А1 = 0,335 * 157000 * 0,883*0,001 = 46.4 кг

1.1.2 Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают исходя из норм расхода на 1кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Затраты по сырью составят
- глинозема R_Г, кг
электролизер анодный эмиссионный спектральный
R_Г = P_{Al *} N_Г (2)
R_Г = 46.4 * 1,926 = 89.4 кг

- фтористых солей (А1F₃,СаF₂ ) R_Ф, кг

R_Ф =P_{Al *} (N_Фа+ N_Ca) (3)

R_Ф = 46.4 * ( 0,023 + 0,0011) = 1,1 кг

- анодной массы R_м, кг

R_м = P_{Al *} N_оа (4)

R_м = 46.4 * 0,536 = 27.9 кг

1.1.3 Расчёт продуктов электролиза

Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для расчета принимаю состав анодных газов, % (масс.): СO₂ - 60; СО - 40.
При получении 46,4 алюминия выделится кислорода m₀, кг:


(5)

где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.

кг

Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m₀co_2, кг:

(6)
кг

в окись углерода свяжется кислорода m₀co, кг:

(7)

где 60 и 40 – процентное содержание оксида углерода (CO₂) и окиси углерода (СО) соответственно.

кг

Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись m_cco₂, кг:

(8)
кг

Количество углерода связанного в оксид углерода, m_cco, кг:

(9)
кг

Таким образом, в час выделяется оксидов Pco₂ и Pco, кг:

Pco₂ = m₀co₂ + m_cco₂ (10)

Pco₂ = 30.9 + 11,6 = 42,5 кг
Pco = m₀co + m_cco (11)
Pco = 10,3 + 7.7 = 18

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco₂ + Pco (12)

Ргаз = 42.5 + 18 = 60,5 кг

1.1.4 Расчёт потерь сырья

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 = P_{Al *} (Nг - 1,89)(13)

G = 46.4* (1,926– 1,89 ) = 1.8

Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода анодной массы R_м и расхода углерода, связанного в окислы:

Rуг = R_м - (m_cco₂ + m_cco)(14)

Rуг =27,9– (11,6+7,7) =8,6 кг

Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным их расходу.

Таблица 1-Материальный баланс электролизера на силу тока 157кА.

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем	89,4	75,5	Алюминий	46,4	39,9
			СО2	42,5	35,9
			СО	18	15,2
Анодная масса	1,1	0,9	Потери:
			Глинозем	1,8	1,5
			Фтористые соли	1,1	0,9
Фтористые соли	27,9	23,6	Анодная масса	8,6	7,3
ИТОГО:	118,4	100	ИТОГО:	118,4	100

1.2 Конструктивный расчет

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.

1.2.1 Анодное устройство электролизера
Площадь сечения анода Sа определяется по формуле:


_,(15)

где I – сила тока, А;

d_a- анодная плотность тока, А/см²


см²

Ширина анода В_а, см, для электролизёра С8БМ, принимаем 285 см. Тогда длина анода La, см имеющего прямоугольное сечение составит:

(16)

Расчёт штырей, с помощью которых ток подводится к телу анода, осуществляется по силе тока и плотности тока в стальной части штыря принимаю равной dш = 0,19 А/мм².

Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:
- общая длина – 2700
- длина стальной части -1950
- длина алюминиевой штанги – 1040
- максимальный диаметр – 138
- минимальный диаметр – 100
Площадь сечения всех штырей S_О., мм² определяются:
(17)
мм²

Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру.

(18)
мм

Площадь сечения одного штыря S_ш, мм² имеющего круглое сечение составит:

(19)
мм²

где D_Ш – средний диаметр штыря, мм

Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:


(20)

Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому принимаю их количество 74 штуки.

1.2.2 Расчёт катодного устройства
Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционного слоя и углеродистой футеровки, образующей шахту электролизёра.
Размеры шахты электролизёра
Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние
- от продольной стороны анода до футеровки, а = 65 см
- от торца анода до футеровки, в = 55 см.



Рисунок 1 Схема анода и шахты электролизёра

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты определяются:

Lш =Lа + 2*в;(21)

Lш = 848 + 2 * 55 = 958 см
Вш = Ва + 2*а(22)
Вш = 285 + 2 * 65 = 415 см

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см. Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных блоков вперевязку. Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 40 см , шириной b_б = 50 см, и длиной l _б от 110 до 400 см. При ширине шахты 415 см применяют катодные блоки:

- короткие l _кб = 160 см
- длинные l _дб = 220 см
Число секций в подине, N_с определяют исходя из длины шахты:


(23)

где b_б – ширина подового блока;

с – ширина шва между блоками, 4 см.






Рисунок 2 Схема подины электролизёра

Число катодных блоков N_б, равно:

N_б = N_{с *} 2 (24)

N_б = 17* 2 =34
Подина данного электролизера монтируется из 34 катодных блоков, уложенных по 17 штук в два ряда с перевязкой центрального шва.
Межблочные швы при монтаже подины набиваются подовой массой.
Для отвода тока от подины, в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):
- для блока 160 см длина блюмса 219 см;
- для блока 220 см длина блюмса 279 см.
Ширина периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:
- в торцах подины, b_т,

b_т = (25)

b_т = см

- по продольным сторонам, b_п:

см

1.2.3 Размеры катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.
Длина катодного кожуха Lк, см:

L_к = L_ш + 2 (Пу + 3,5),(27)

где: Lш - длина шахты, см;

П_у – толщина угольной плиты,;

3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

Lк = 958 + 2 (20 + 3,5) = 1005

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5),(28)

где: Вщ - ширина шахты, см;

5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк = 415 + 2 (20+5) = 465

Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):

- теплоизоляционная засыпка 3 см;
- два ряда легковесного шамота или красного кирпича 2 6,5 см;
- три ряда шамотного кирпича 3 6,5 см;
- угольная подушка 3 см;
- подовый блок 40 см.
Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 3 + 5_* 6,5 + 3 + Нш + h_б (29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б – высота подового блока, см.
Нк =3 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 +40 = 114см

Принимаем катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно 20, по 10 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготавливаются из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12мм.

Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.

1.3 Электрический баланс электролизёра

Электрический расчёт электролизера заключается в определении всех составляющих падения напряжения на электролизёре, включая напряжение разложения глинозёма и долю падения напряжения при анодных эффектах.

Среднее напряжение U_СР.,В на электролизёре определяет общий расход электроэнергии на производство алюминия и равно(В):

U_ср = Е_р + ∆U_а + ∆U_п + ∆U_аэ + ∆U_эл + ∆ U_о + ∆U_оо,(30)

где Е_Р - напряжение разложении глинозема (или ЭДС поляризации) 1,5;

∆U_А - падение напряжения в анодном устройстве,
∆U_П - падение напряжения в подине,
∆U_АЭ – доля увеличения напряжения при анодных эффектах,
∆U_ЭЛ - падение напряжения в электролите,
∆U_О - падение напряжения в ошиновке электролизёра,
∆U_ОО - падение напряжения в общесерийной ошиновке.

1.3.1 Падение напряжения в анодном устройстве

Падение напряжения в анодном устройстве состоит из суммы падений напряжения в ошиновке, контактах и теле анода. Для определения падения напряжения в теле анода с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым.


,(31)

где Sa - площадь анода,241539 см²;

К - количество токоподводящих штырей- 74
L_ср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей, принимаем в пределах 30 см.
d_a - анодная плотность тока, 0,65 А/см²;
ρ_а - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750 -950 °С равно 8_*10^-3 Ом _*см.

1.3.2 Падение напряжения в подине

Падение напряжения в подине, смонтированной из прошивных блоков, определяется по уравнению М.А. Коробова и А.М. Цыплакова:


(32)

где l_пр - приведенная длина пути тока- 28,4 см;

ρ_бл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72 _* 10^-3 Ом _*см.;
В_ш - половина ширины шахты ванны 207,5, см;
В_бл - ширина катодного блока-54, см;
a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, 65 см;
S_cт – площадь сечения блюмса -377см²;
d_a - анодная плотность тока-0,65 А/см².
Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению:


(33)

где h_бл - высота катодного блока;

h_ст - высота катодного стержня, 14,5 см;
В_ст - ширина катодного стержня, 26 см


см

Ширина катодного блока с учетом набивного шва В_бл,см равна:

В_бл = b_б + с,(34)

где b_б – ширина подового блока;

с – ширина набивного шва между блоками.

В_бл = 50 + 4 = 54

Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:

S_ст = h_{ст *} В_ст (35)

S_ст = 14,5 * 26 = 377см²
Тогда падение напряжения в подине ∆U_П, В составит (формула 32):

1.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов

Величину падения напряжения от анодных эффектов ∆U_АЭ, В определяем по формуле:


(36)

где U_АЭ – напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 30 В;

n - длительность анодного эффекта, принимаем 2 мин;
k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;
1440 - число минут в сутках.


В

Падение напряжения в электролите, Uэл, В определяется по формуле Форсблома и Машовца:

(37)

где I - сила тока, А; р - удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом _* см; l - междуполюсное расстояние, по практическим данным принимаем 5,5 см; Sа - площадь анода, см²; 2 (La + Вa) - периметр анода, см.

В

1.3.4 Падение напряжения в ошиновке электролизёра

Падение напряжения в ошиновке электролизёра принимаем на основании замеров на промышленных электролизерах: ∆U_О = 0,3 В
Падение напряжения в общесерийной ошиновке
Падение напряжения в общесерийной ошиновке принимаем на основании практических данных: ∆U_ОО = 0,016 В

Таблица 2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 157 кА

Наименование участков	Ucp	Up	Uгр
Ер	1,5	1,5	1,5
UА	0,436	0,436	0,436
UП	0,292	0,292	0,292
UЭЛ	1,76	1,76	1,76
UАЭ	0,021	--	0,021
UО	0,3	0,3	0,3
UОО	0,016	--	--
Итого:	4,325	4,288	4,309

1.4 Тепловой баланс электролизёра

Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными, т.е. Qпр = Qрасх

Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы
Тепловой баланс составляют применительно к определённой температуре: окружающей среды или температуре протекания процесса. Обычно составляют баланс при температуре 25С.
В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:
Qэл + Qан = Q_Г + Q _Al + Q_газ + Qп,(38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

Qан - приход тепла от сгорания анода;
Q_Г - расход тепла на разложение глинозёма;
Q _Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;
Q_газ - тепло, уносимое отходящими газами;
Qп - потери тепла в окружающее пространство.

1.4.1 Расчет приход тепла

Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (39)

где 3600 – тепловой эквивалент 1 кВт_*ч, кДж; I – сила тока, кА;

U_гр – греющее напряжение, В (из таблицы 2); τ – время, часы.

Q эл = 3600 * 157 * 4,309 * 1 = 2435446.8 кДж

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_{СО2 *} ∆H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (40)

где Р¹_СО2 и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11);

∆Н^Т_СО2 и ∆Н^Т_СО – тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):

∆H²⁹⁸_СО2 = 394 070 кДж/кмоль

∆H²⁹⁸_СО = 110 616 кДж/кмоль
(41)
кмоль
(42)
Qан = 0.97* 394070 + 0,64∙* 110616=453042.1 кДж

1.4.2 Расход тепла

На разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

Q_Г = R¹_{Г *} ∆H^T_Г (43)

∆H^T_Г - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

(44)
кмоль
кДж

Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время.

При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆H^T1_Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆H^T2_Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла Q_Al, кДж с выливаемым алюминием составят:
Q_Al = Р¹_{Al *} (∆H^T1_Al - ∆H^T2_Al) (45)

где Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

(46)
кмоль
кДж

Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Q_газ, кДж будет равен:

Q_газ = Р¹_{СО *} ( H^T1_CO - H^T2_CO) + Р¹_{СО2 *} (H^T1_CO2 - H_T2^CO2), (47)

где Р¹_СО и Р¹_СО2 – количество CO и CO₂, кмоль

H^T1_CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль
H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль
H^T1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль
H^T2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль
H^T2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Q_газ = кДж

Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра QП, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

Q_п = (Q эл + Qан) - (Q_Г + Q_Al + Q_газ) (48)

кДж

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 157кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии	2435446,8	84,32	На разложение глинозёма	1474880	51,06
			С вылитым металлом	64097,5	2,22
От сгорания угольного анода	453042,1	15,68	С отходящими газами	33588,9	1,16
			Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра	1315922,5	45,56
ИТОГО	2888488,9	100	ИТОГО	2888488,9	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 1% на колебание во внешности сети, потери напряжения в шинопроводах и т.д.
Для подстанции на 850 В рабочее напряжение серии U, В составит:
U = 850 - (U₁ + U₂ + U₃) (49)
U = В

Число рабочих электролизеров N в серии составит:

, (50)

где U - напряжение серии U, В

U_СР - среднее напряжение на электролизере, В (из таблицы 2);
U_АЭ- доля увеличения напряжения от анодных эффектов, В (по формуле 36)

Для максимального использования возможностей преобразовательной подстанции и обеспечения постоянства производительности серии, число установленных в ней электролизеров N_У должно быть больше, чем работающих, на число резервных электролизеров.

Количество резервных ванн N_Р рассчитывается исходя из необходимости капитального ремонта электролизеров по формуле:


, (51)

где N – число рабочих электролизёров в серии; t – длительность простоя ванн в ремонте, по практическим данным 6 дней; Т – срок службы электролизёра, 4 года; 365 – дней в году.

Принимаем 1 резервный электролизёр на серию, тогда в серии будет установлено электролизеров N_у шт.:

N_у = N + N_Р,(52)

где N - число установленных электролизеров;

N_Р - число резервных электролизеров


N_у = 187 +1 = 188


В 3 сериях будет 6 корпусов, в них установленных электролизёров, N_УСТ:

N_УСТ = N_{У *} n(53)

N_УСТ = 188 * 3 = 564

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * η * 8760 * N * 10^-3 (54)

где 0,335 - электрохимический эквивалент, кг/(кА_*ч);

I - сила тока, кА;
η - выход по току, д. е.;
8760 - часов в год;
N - число работающих ванн в серии.

Р_С = 0,335 * 157000* 0,883 * 8760 * 187 = 76076,56 т

Годовая производительность цеха Рц, т будет:

Рц = Рс _* n (55)

Рц = 76076,56 * 3 = 228229,68 т

Удельный расход электроэнергии W, кВт*ч/т рассчитывается по формуле:

(56)
кВт*ч/т

Выход по энергии г/кВт*ч

(57)
г/(кВт*ч)