Доля падения напряжения от анодных эффектов

Величину падения напряжения от анодных эффектов ΔU_аэ, В, определяем

ΔU_аэ =                                                (2.42)

где U_аэ – напряжение на электролизере в момент анодного эффекта, 30 В;

n – длительность анодного эффекта, принимаем 2 мин;

k – частота анодного эффекта в сутки, принимаем 0,07;

1440 – число минут в сутках.

ΔU_аэ =  = 0,0029 В

Падение напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите U_эл, В, определяется по формуле Г. В. Форсблома и В.П.Машовца

U_эл= ,                                   (2.43)

где ρ – удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом * см;

l – межполюсное расстояние, принимаем 5 см;

S_a – площадь анода, см².

 

U_эл =

Падение напряжения в ошиновке

По практическим данным принимаю падение напряжения в ошиновке электролизера 0,15 В, в общесерийной ошиновке 0,005 В.

Общее падение напряжения в электролизёре

Общее падение напряжения на всех токоведущих частях электролизёра представлено в таблице 16.

Таблица 16 – Электрический баланс электролизера на силу тока         кА

Размеры в вольтах

Наименование участков	Ucp	Up	Uгр
Ер – напряжение разложения глинозема,
Ua – падение напряжения в анодном устройстве
Uп – падение напряжения в подине
Uэл – падение напряжения в электролите
ΔUаэ – доля падения напряжения при анодных эффектах
Uo – падение напряжения в ошиновке электролизера
Uoo – падение напряжения в общесерийной ошиновке
Итого:

 

Тепловой баланс

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

Q_пр = Q_расх                                                          (2.44)

Приход тепла

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

Qэл = 3600 * I * U_гр* ,                                          (2.45)

где 3600 – тепловой эквивалент одного кВт * ч, кДж;

I – сила тока, кА;

U_гр – греющее напряжение, В;

 – время, часы.

Qэл =  

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж, определяется следующей зависимостью:

Qан = Р¹_СО2 * ΔН^Т_СО2 + Р¹_СО * Н^Т_СО,                                  (2.46)

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

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

ΔН²⁹⁸_СО2 = 393769 кДж/кмоль

ΔН²⁹⁸_СО = 110532 кДж/кмоль

Р¹_CO2 =                                                         (2.47)

P¹_CO2 =  

Р¹_CO =                                                          (2.48)

Р¹_CO =  

Qан =  

Расход тепла

На разложение глинозёма расходуется тепла Qг, кДж:

Qг = R¹_Г * ΔН^Т_Г,                                         (2.49)

где R¹_Г – расход глинозёма, кмоль;

ΔН^Т_Г – тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 °С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

R¹_Г =                                               (2.50)

R¹_Г =     

Qг =    

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 ΔН^Т1_Al составляет 43 982 кДж/кмоль,

- 25 °С энтальпия алюминия ΔH^T2_Al равна 6 716 кДж/кмоль.

Тогда потери тепла Q_Al, кДж, с выливаемым алюминием составят:

Q_Al = P¹_Al * (ΔН^Т1_Al - ΔН^Т2_Al),                                 (2.51)

где P¹_Al – количество наработанного алюминия, кмоль, определяемого по формуле:

P¹_Al =                                                          (2.52)

P¹_Al =              =          кмоль

Q_Al =                    =              кДж

Унос тепла с газами рассчитываем на основные компоненты анодных газов - оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Qгаз, кДж, будет равен:

Q_газ = P¹_CO * (ΔН^Т1_CO - ΔН^Т2_CO) + P¹_CO2 * (ΔН^Т1_CO2 - ΔН^Т2_CO2)        (2.53)

где P¹_CO и P¹_CO2 – количество СО и CO₂, кмоль;

ΔН^Т1_CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24 860 кДж/кмоль;

ΔН^Т2_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8 816 кДж/кмоль;

Н^Т1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550 °С, равна 40 488 кДж/кмоль;

Н^Т2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25 °С соответственно, 16446 кДж/кмоль.

Qгаз =                =         кДж

Потери тепла за счет теплопроводности для плоской однослойной стенки определяется на основании закона Фурье и рассчитывается по уравнению:

Q_теп = λ * (t₁ - t₂) / δ                                           (2.54)

где λ – коэффициент теплопроводности, кДж/(м*ч*град);

δ – толщина стенки, м;

(t₁ - t₂) – разница температур внутренней и наружной стенок, ºС.

Потери тепла конвекцией с наружных стенок электролизера определяют по формуле Ньютона – Рихмана:

Q_к = α_к * (t_с – t_в)·F,                                           (2.55)

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенок к воздуху, кДж/(м²*ч*град);

t_с, t_в – температура стенки и воздуха соответственно, ºС;

F – площадь поперечного сечения стенки, м².

Коэффициент теплоотдачи находят по следующей формуле:

α_к = А * Δt1/3                                                    (2.56)

где Δt – разность температур стенки и среды, °С;

А – коэффициент, зависящий от свойств среды и определяющей температуры, под которой понимают:

t_m = 0,5 * (t_с + t_в)                                               (2.57)

Потери тепла лучеиспусканием в общем виде представлены уравнением:

Qл = ε * С₀ * F * [(Тс/100)* 4 – (Тв/100) * 4] * φ,                 (2.58)

где ε – степень черноты тела, доли единицы;

С₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела (С₀ = 20,75 кДж/(м²*ч*К));

φ – угловой коэффициент взаимного облучения данной поверхности соседними поверхностями, доли единицы;

F – площадь поверхности, м²;

Тс и Тв – температура стенки и среды соответственно, К.

Для расчета тепловых потерь с конструктивных элементов электролизера пользуются данными замеров температуры стенок и воздуха, произведенных на действующих электролизерах.

При установившемся тепловом потоке

Q_теп = Qк + Qл= αк * (tс – tв) * F                                (2.59)

Площадь поверхности анода:

S = 369 342-36*3*153 = 385 866 см² = 38,59 м²

где 348 823 см² – площадь анода;

36 – количество анодных блоков;

3 – количество ниппелей в аноде;

153 см² – площадь ниппеля.

Площадь глиноземной засыпки на поверхности электролита:

F_{глин.засып.}=  Lшах* Вшах – Sан                           (2.60)

F_{глин.засып} = 14,96 * 3,75 – 36,93 = 19,17 м²

Открытая поверхность электролита:

4 *·(3,14·* 2,5²) + 300 = 378 см² = 0,0378 м²

5 см – диаметр отверстия под пробойником АПГ

4 – количество пробойников

300 см² – средняя открытая площадь электролита, связанная с технологической обработкой электролизера.

Фланцевый лист:

Fфл. лист = Нлиста·* Вкож + Нлиста·* Lкож               (2.61)

Fфл. лист= 0,25 * 4,49+0,25·* 13,09 = 4,395 м²

Число катодных блюмсов равно удвоенному числу подовых катодных секций.

Площадь блюмсов: Катодных блоков 24, а не 30

Fбл = (2·* Нбл·* Lбл + 2·* Нбл·* Вбл)·* Nшт          (2.62)

Fбл = (2 * 30 * 23 + 2 * 30 * 11,5) * 22 = 45540 см² = 4,554 м²

Площадь катодного кожуха:

Fкож = Lкож·* Bкож = 3,89 * 14,31 = 55,67 м²               (2.63)

Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Теоретические расчеты показывают, что в первом приближении потери тепла конструктивными элементами электролизера, с поверхности электролита и корки можно принять как разность между приходом и расходом тепла по рассчитанным статьям:

Qп = (Qэл + Qан) – (Qг + Q_Al + Qгаз)                                   (2.64)

Q_п = (5 207 553+ 947 688) – (3 294 010 + 144 331 + 71 330) = 2 645 570 кДж

Таблица 17 – Тепловой баланс электролизера на силу тока  кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии			На разложение глинозема
			С вылитым металлом
От сгорания угольного анода			С отходящими газами
			Конструктивными элементами и с поверхности электролизера
ИТОГО		100	ИТОГО		100

 

Расчет цеха

Переменный ток напряжением 220 кВ от энергосистемы поступает на понизительные подстанции завода, где напряжение понижается до 10 кВ. Далее через распределительные системы шин переменный ток подаётся на кремниево – преобразовательные подстанции (КПП), где преобразуется в постоянный, а напряжение понижается до 1 500 В.

КПП сооружаются вблизи электролизных корпусов, чтобы избежать больших потерь постоянного тока в ошиновке на участке от подстанции до электролизёра, а также больших затрат на устройство шинопроводов. Серия электролиза алюминия состоит из 2 корпусов и питается постоянным током от одной КПП.