Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Тепловой расчет электролизера

Содержание

1 Организационно-технический раздел.................................

1.1 Общие сведенья об алюминии..........................................

1.2 Краткое описание электролизера.....................................

1.3 Очистка газов металлургических процессов от пыли....

2 Расчётно-конструкторский раздел......................................

2.1 Расчёт часовой производительности и расхода материалов

2.2 Составление теплового баланса........................................

2.2 Составление теплового баланса

2.2.1 Приход тепла....................................................................

2.2.2 Расход тепла

2.3 Определение греющего напряжения.................................

ИСХОДНЫЕ И СПРАВОЧНЕ ДАННЫЕ

Исходными данными для теплового расчёта являются:

- Сила тока I=175(кА)

- Выход по току η=0,85

- Расход глинозёма на 1т. AL 1,935 T/T

- Расход анодной массы на 1г. AL 0,560 T/T

- Температура корки электролита 250 °C

- Справочными данными для теплового расчёта являются значения термодинамических функции при t процесса (кДж/моль) или (кДж/кг)

- Значении приведённой степени поверхности черноты электролизёра

- Коэффициент облучения окружающего пространства

1 Организационно-технический раздел

1.1 Общие сведенья об алюминия

Алюминий - химический элемент 3гр. периодической системы, атомной номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо-белый металл, легкий, пластичный, с высокой электропроводностью, tпл= 660 C. Химически активен. По распространенности в природе занимает 3-е место среди элементов и 1-е среди металлов. По электропроводности алюминий на 4-м месте, уступая лишь серебру, меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. Алюминия в двое больше, чем железа, и 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома , олова и свинца вместе взятых. Его плотность равна всего . Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от 269 С до точки плавления. Теплопроводность составляет при 24С 2.37 . Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99.99%) при 20С состовляет Ом, или 65% электросопротивление международного эталона из отожженной меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.

Химические свойства

Алюминий имеет электронную конфигурацию . На третьем энергетическом уровне атома алюминия находятся три электрона, и в химических соединениях алюминии обычно трехвалентен. Из трех

валентных электронов два распложены на s-подуровне и один на р- подуровне ().

Так как один р-элетрон с ядром атома связан слабее , чем 2 спаренных s-электрона, то в определенных условиях, теряя p-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом, образуя соединения низшей валентности. Кристаллизуется алюминий в гранецентрированной кубической решетке.

Алюминий химический активен. Уже в обычных условиях он взаимодействует с кислородом воздуха, покрываясь очень тонкой и прочной пленкой оксида . Эта пленка защищает алюминий от дальнейшего окисления и обуславливает его довольно высокую коррозионную стойкость, а также ослабляет металлический блеск. Чем чище алюминий, тем выше его стойкость против коррозии, что объясняется более прочны сцеплением оксидной пленки с поверхностью чистого металла. Из присутствующих в алюминии примесей наиболее сильно снижают его коррозионную стойкость примесей железа.

В мелкораздробленном состоянии алюминий при нагревании на воздухе воспламеняется и сгорает с выделением большего количества тепла. С серой алюминий реагирует также при нагревании образованием сульфида алюминия ; с хлором и жидким бромом реагирует при обычной температуре, а с йодом - при нагревании или в присутствии воды, служащей катализатором. В атмосфере фтора при комнатной температуре алюминий покрывается пленкой фтористого алюминия , которая препятствует дальнейшей реакции; при темно-красном калении взаимодействие алюминия с фтором протекает очень энергично. Азотом алюминий взаимодействует при нагревании 800С с образованием нитрида алюминия . Взаимодействие алюминия с углеродом начинается при 650С, но протекает энергично при темп около 1400С с образованием карбида алюминия .

Нормальный электродный потенциал алюминия в кислой среде 1.66 В, в щелочной 3.25В.
Будучи амфотерным, алюминий растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей. В серной кислоте и в разбавленной азотной алюминий растворяется медленно; в концентрированной азотной кислоте, в органических кислотах и в воде алюминий устойчив.

Физические свойства

Температура плавления алюминия технической чистоты 658С

С повышением степени чистоты температура плавления алюминия возрастает и для металла высокой чистоты составляет 660.24С. Удельная теплота плавления алюминия- около 390Дж/г, удельная теплоемкость при 0С-0.88 Дж/г. При переходе алюминия из жидкого состояния в твердое объем его уменьшается на 6.6%. Кипит алюминий при 2500С.

Следует отметить, что удельная теплота плавления алюминия по сравнению с другими металлами очень высока; например, удельная теплота плавления меди 20 Дж/г, железа 273 Дж/г.

Плотность алюминия меньше плотности железа в 2.9 раза, меди в 3.3 раза. В твердом состоянии для алюминия технической чистоты она составляет , а для алюминия высокой чистоты . В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы при литье. Вязкость и поверхностное натяжение алюминия при 1000С составляют соответственно 0.0013 Па и 0.454 Н/м. В твердом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резани. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу.

Пластичность алюминия возрастает по мере повышения, его чистоты. Временное сопротивление литого алюминия технической чистоты составляет 88-118 Па, прокатного 176-275 Па. Относительное удлинение соответственно равно 18-25 и 3-5%, а твердость по Бринеллю HB 235-314 и 440-590.

Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропроводность. В зависимости от чистоты теплопроводность алюминия составляет 238 Вт/м и 247 Вт/м. Электропроводность алюминия также зависит от чистоты. Для алюминия технической чистоты она составляет 62.5% от электропроводности меди, а для алюминия высокой чистоты 65.45%. Различные примеси влияют на электропроводность алюминия в неодинаковой степени. Наиболее сильно электропроводность снижают примеси хрома, ванадия и марганца. Меньшей степени, чем примеси, на электропроводность алюминия влияет степень его деформации и режим термической обработки.
Отрицательное владение деформации на электропроводность устраняется отжигом. Удельное электросопротивление отожженной проволоки из алюминия технической чистоты составляет (0.02979-0.0282).

Следует также отметить, что алюминий обладает высокой способность. отражать световые и тепловые лучи, которая близка к отражающей способности серебра и увеличивается с повышение чистоты металла.

Область применения

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это- небольшая плотность алюминия, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионностоек к ряду химических веществ. Благодаря всем этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными метлами он нашел исключительное широкое применение в самых различных отраслях современной техники.

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с кремнием, медью, магнием, цинком, марганцем и другими металлами. Промышленные алюминиевые сплавы обычно содержат не менее 2-3 легирующих элементов, которые вводятся в алюминий главным образом для повышения механической прочности.

Наиболее ценные свойства всех алюминиевых сплавов -малая плотность, высокая удельная прочность и удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они должны обладать высокой пластичностью. Из деформируемых сплавов широкое применение нашли дуралюмины - сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к мягким сортам стали. Из деформируемых алюминиевых сплавов, а также из чистого алюминия в результате обработки давлением получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70% его мирового производства. Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также других целей.

Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации.

Широко известны литейные сплавы на основе алюминия - силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний.

В настоящее время алюминий и его сплавы использую практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов- авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь - воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготавливают авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передачи, насосы и другие детали. Алюминием его сплавами отделают железнодорожные вагоны, изготавливают корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.

Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно- измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, перокисида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники- ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а так же для защиты металлических веществ и атмосферной коррозии. высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из него отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов зеркал.

В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановления при получении ряда металлов алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей. Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например расход алюминия для этих целей составляет около 30% от общего потребления США- более 20%

По масштабам производства значению в народном хозяйстве алюминий прочно занял место среди других цветных металлов.

1.2 Краткое описание электролизёра

Электролиз алюминия является материалоемким процессом. В качестве основного сырья для производства алюминия используется глинозём. Глинозем должен быть чистым, содержать минимальное количество влаги, хорошо растворяться в электролите, не давать осадков в электролизе на подине иметь низкую степень плавления.

Основной средой, в которой протекает процесс электролиза, является электролит. Основными компонентами является криолит (, фтористый алюминий ( и глинозём. Электролит промышленных электролизёров отличается от криолита некоторым избытком фтористого алюминия, что характеризуется криолитовым отношение электролита (к.о.), молекулярным отношением .

Помимо основных компонентов, электролит содержит в небольших количествах некоторые другие вещества, образующихся за счёт примесей, вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химических свойств расплава

Для чистого криолита к.о.=3, электролит с таким к.о. считается нейтральным. Электролиты, содержащие избыток NaF и к.о˃3- называются щелочными, а электролиты, имеющие избыток ˂ 3 называются кислотными.

На практике к.о электролитов поддерживается 2.6-2.8. Это обеспечивается избытком NaF в электролите в количестве 2.5-5%. На передовых заводах эксплуатирующих электролизеры с обожженными анодами, электролиты еще более кислые- к.о поддерживают 2.2-2.4.

Состав электролита

(криолит) 70-90%

(оксид алюминия) 1-10%;

от 6-9%

Процесс электролиза алюминия проводят t 955-965C.

Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технического режимов, конструктивных особенностей электролизера. К этим параметрам относятся:
Сила тока- устанавливается в зависимости от размеров, конструкции и технологического состояния электролизёров.

Среднее напряжение- вычисляется по показаниям серийных счетчиков вольт/часов.

Рабочее напряжение- контролируется по показаниям вольтметров и поддерживается в пределах, оговариваемых рабочими технологическими инструкциями.

Среднее напряжение- состоит из рабочего напряжения, напряжения анодных эффектов и перепада напряжения в ошиновке между электролизерами.

Количество технологического алюминия- в электролизере характеризуется высотой столба (уровня) металла в шахте ванны. Уровень металла в силу высотой теплопроводности алюминия позволяет регулировать теплоотдачу электролизера.

Количество электролита- тоже характеризуется его уровнем в шахте ванны. Практика показывает, что оптимальный уровень электролита находится в пределах 150-180 мм., для самообжигающихся анодов.

Анодные эффекты- подразделяют на тусклые (меньше 10В), средние (менее 25В), ясные (более 25В). Анодные эффекты оказывают существенное влияния на тепловой режим электролизёра.

Форма рабочего пространства- нормально работающего электролизера характеризуется обязательным наличием защитного гарнисажа в зоне электролита, круто падающей настыли в зоне металла и отсутствием осадка и настыли на подине под анодом.

Перепад напряжения- в подине электролизера во многом зависит от формы рабочего пространства ванны и определяется путем измерения прибора, составляет 0.3-0.4В.

Основными технологическими параметрами, определяющими правильность формирования самообжигающегося анода, является высота конуса стекания, уровень и температура жидкой анодной массы.

Для конструкции с верхним токопроводом- минимальное расстояние от штырей до подошвы анода, число горизонтов, на которых установлены штыри, высота выступающих частей конструкций, применяемых для охлаждения жидкой части анода.

1.3 Очистка газов металлургических процессов от пыли

Пыли в металлургических процессах образуются в результате выноса потоками вентиляционных, технологических и топочных газов мелких частиц перерабатываемых материалов и возгонов, образующихся при возгонке летучих компонентов. Запыленность газов, гранулометрический и химический составы пыли определяются видом перерабатываемого сырья, способом подготовки шихты к металлургической переработке, видом применяемого металлургического процесса, условиями относительного движения газов и шихты, объемом и скоростью движения образующихся в процессе газов.

Пыли классифицируются на грубые и тонкие. Промышленные запыленные газы за редким исключением полидисперсные, т.е. состоят из частиц различной крупности.

Пылеулавливание – комплекс инженерных и технологических мероприятий, процессов и сооружений, предназначенных для отвода запыленных газов от источников образования пыли и последующего выделения твердых частиц из газового потока. Пылеулавливание не только позволяет утилизировать уловленную пыль , но и создает реальные предпосылки для использования ценных компонентов самих газов.

Вследствие многообразия исходных характеристик очищаемых газов и улавливаемой пыли при меняют различные типы пылеулавливающих устройств – пылеуловителей. Эффективность работы пылеуловителей можно оценивать остаточным содержанием пыли в очищенном газе.

Существует три метода очистки воздуха или промышленных газов от пыли: сухой, мокрый и электрический. Мокрый метод основан на смачивании частиц пыли водой или другими жидкостями и осаждением их в виде пульпы. При электрическом методе выделение частиц из запыленного газа происходит под действием электрического поля на одноименно заряженные частицы пыли, приобретающие заряд в результате ионизации молекул газа коронным разрядом. К сухим пылеуловителям относятся пылевые камеры, газоходы, одиночные, групповые и батарейные циклоны, инерционные пылеуловители и тканевые фильтры.

2 Расчётно-конструкторский раздел

2.1 РАСЧЁТЫ ЧАСОВОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Часовую производительность определить по формуле 1:

A=0.336 I ƞ (ф-а 1)

Где:

-А - производительность ();

-I - сила тока(кА);

- ƞ - выход по току;

- 0.336- химический элемент AL;

А=0.336*175*0.85=49.98

Расход материалов на часовую производительность, получают Умножением расхода на 1 тонну AL на производительность А. Расходные коэффициенты представляемые в виде таблицы 1.

Расходные коэффициенты

Наименование материала	Расход
Наименование материала	На 1т. AL (м/м)	На часовую Производительность (кг/час)
1	2	3
Vгл	1.935	89.09
Vам	0.560	25.5864

45.69*1.950=89.09(кгAL/час)

45.69*0.560=25.5864(кгAL/час)
2.2 СОСТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Для теплового равновесия процесса электролиза необходимо, чтобы приход тепла равнялся расходу:

В приходной части учесть следующие статьи:

Где:

-тепло обратной реакции;

- тепло анодных газов;

- тепло от электроэнергии;

В расходной части учесть следующие статьи:

Где:

- тепло на разложение глинозема;

- тепло нагрева материалов;

-тепло теряемое с отходящими газами;

-тепло теряемое поверхностями электролизера;

-тепло теряемое с извлекаемым металлом.

2.2.1 ПРИХОД ТЕПЛА.

1. От взаимодействия продуктов электролизера по уравнению

=0.336(I-л) (ф-а 2)

=0.336(175-0.85)=57.95 кДж

- тепловой эффект реакции по таблице 2

2. Использования тепла анодных газов CO2 и CO при охлаждении от 960С до 250С

(формула 3)

и - число молей в час данных газов

(ф-а 4 и 4а)

К=0.6(60%)-доля в анодных газах

2.2.2 РАСХОД ТЕПЛА.

1. На электрохимическую реакцию:

Где:

- тепловой эффект по таблице 2 в

2.На нагрев материалов:

Глинозёма:

Где:

-расход глинозема принять по таблице

№1;

- принять по таблице №2

Анодные массы:

Всего на нагрев материала:

3) Тепло, теряемое с отходящими газами, СО2 и СО при t=250C

и определенно ранее по формуле 4 и 4а
- тепловой эффект по таблице №2 в( )

2.3 ТЕПЛО ТЕРЯЕМОЕ НАРУЖНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

При расчете принимаем температуру окружающего воздуха 298К (25С)

Температуру поверхностей электролизера определить замерами, и записать в
таблицу№3, 5-ый столбец.
Тепло, теряемое с рассчитываемых поверхностей определяется как суммарные потери конвенций и излучением .

Расчеты вести по формуле №6

*S (ф-а 6)

n-коэффициент расположения поверхности

n=2.6- для вертикальной поверхности
n=3.3-для горизонтальной, обращенной вверх поверхности

n=1.6-для горизонтальной, обращенной вниз поверхности

- температура в С поверхности и воздуха соответственно

- температура в К поверхности и воздуха соответственно

20.53- коэффициент излучения абсолютно черного тела:

-приведенная степень черноты, приложение 1

-коэффициент облученности окружающего пространства, приложение 2

1)Катодный кожух

а)

б)

в)

2)Катодные стержни

а)

в)

3)Корка электролита

4) Поверхность анода

а)

б)

в)

г)

5)Поверхность анодных штырей

6)Газосборный колокол

а)

б)

S-площадь поверхности

Данные по рассчитываемы поверхностям представить в виде таблмцы№3

3.1 Определение площадей теплоотдающих поверхностей электролизера

3.1.1 Катодный кожух:

а)

б)

в)

3.1.2 Катодные стержни

Количество катодных стержней-30, катодные стержни выступают на 0.3м

а)

б)

При определение принимать:

n=2.4 т\к

3.1.3 Поверхность анода:

а) периметр анода

б)

в)

г)

3.1.4 Поверхность анодного штыря:

Диаметр штыря d=0.138м, в
Среднем штыре выступают на
Н=0.7м, количество-72

3.1.5 Поверхность газосборного колокола

Корка электролита:

Тепловые потери с поверхности электролизера Таблица3

Наименование участка поверхности

поверхности

воздуха

Потер и тепла Q кДж/ч

ас

1.Катодный кожух

а)вертикальная поверхность

б)горизонтальна поверхность

в)днище кожуха

38.79

7.72

51.74

0.89

0.71

0.8

105

205

102

2.6

3.3

1.6

93562.4

64496.2

92254

2.Катодные стержни

а)вертикальная поверхность

б)горизонтальная поверхность

3.74

4.68

0.71

0.8

160

2.6

3.3

15614.8

19381.7

3. Корка электролизера

4.3

0.8

250

3.3

41215.7

4. Поверхность анода

а)горизонтально

б)1-вертикально

в)2-вертикально

г)вертикально

23.1

8.92

10.03

24.53

0.89

0.8

145

100

185

3.33

2.6

102223.9

10805.2

22415.6

166530.4

5.Поверхность Анодных штырей

21.84

0.55

0.8

2.6

17467.6

6.Газосборный колокол

а)горизонтальная поверхность

б)наклонная поверхность

2.6

7.14

0.8

320

3.3

2.95

50128.9

136740.4

Всего потери тепла с поверхностей Qпов

823836.8

5.Потери тепла, извлекаемым металлом.

(ф-а 7)

A-часовая производительность

Статьи приходной (А) и расходной (Б) частей теплового баланса занести в таблицу4

Статья

Приход тепла

Статья

Расход тепла

кДж/час

1.Теплореакции

Qреак

2Alm+

3CO2

51.8

0.003

1.Энергия реакции

2Al203+3C=4Alж+

3CO2

1060244

50.7

2.Тепло анодных газов, Qан

СО2

СО

32293.2

1.497

2. Нагрев материалов, Qнагр глинозёма анодной массы

15444.6

3.Тепло от подведенной энергии,Qэн

2060700.6

98.5

3.Тепло с отходящими газами Qгаз СО2 СО

32020.95

1.5

4.Тепло с поверхности,Qпов

832836.8

39.8

5.Тепло с извлекаемым алюминием, Qмет

42499.2

Всего приход тепла: Qприх

2093045.6

100

Всего расход тепла:Qприх

2093045.6

100

Степень черноты поверхности En

Таблица5

Материал и характер поверхности

Температура

Алюминий:

Шероховатый

Окислительный

Листовая сталь:

Окислительная
Шероховатая

(катодный кожух и катодные стержни)

Покрытая алюминием поверхность стали(поверхность анодных штырей)

Ламповая сажа (газосборный колокол)

Анодная масса (поверхность анода)

Открытая поверхность электролита

(корка электролита)

Жидкие шлаки

200-600

30-370

200-600

40-370

145

960

0.055

0.11-0.19

0.82

0.94-0.97

0.52-0.57

0.95

0.63

0.65