Конструктивний розрахунок ванн
Зміст
1) Конструктивний розрахунок
1.1 На підставі цих даних визначаємо розміри анода.
1.2 Розміри шахти ванни
1.3 Конструкція подини
1.4 Внутрішні розміри катодного кожуха.
1.5 Зовнішні розміри катодного кожуха
2) Матеріальний розрахунок
2.1 Витратні норми
2.2 Видаткова частина
3) Електричний розрахунок
3.1 Визначаємо падіння напруги в анодному пристрої
3.1.1 Падіння напруги в стояках
3.1.2 Визначаємо падіння напруги в анодних шинах
3.1.3 Визначаємо падіння напруги в анодних спусках
3.1.4 Визначаємо падіння напруги в самообжігающемся аноді
3.1.5 Визначаємо падіння напруги у контактах анодного вузла
3.1.6 Падіння напруги в анодному пристрої визначається сумою всіх падінь напруги в аноді
3.2 Падіння напруги в електроліті
3.3 Падіння напруги в катодному пристрої
3.3.1 Падіння напруги в подині
3.3.2 Падіння напруги в стержнях не замурованих у подину
3.3.3 Падіння напруги в катодних спусках
3.3.4 Падіння напруги в катодних шинах
3.3.5 Падіння напруги у контактах
3.4 Падіння напруги за рахунок анодних ефектів
3.5 Гріючі напруга
3.6 Робоча напруга
3.7 Середнє напруга
3.8 Визначаємо основні показники
4) Тепловий розрахунок
4.1 Прихід
4.1.1 Тепло від електроенергії
4.1.2 Тепло від згоряння анода
4.1.3 Сумарний прихід тепла
4.2 Витрата тепла
4.2.1 На розкладання глинозему
4.2.2 З виливання металу
4.2.3 Віднесення тепла з газами
4.2.4 Втрати тепла з поверхні електролізера
5) Розрахунок числа електролізерів в серії
1) Конструктивний розрахунок
Конструктивний розрахунок виконується для визначення розмірів конструктивних елементів ванн, для цього необхідні наступні показники: сила струму на ванні, анодна щільність струму. Анодний щільність струму приймаємо 0,78 А / см 2
1.1 На підставі цих даних визначаємо розміри анода
,
де: I - сила струму, А, d A - щільність струму, А / см 2
У А - ширина анодного масиву приймаємо 210 см, тоді довжина анодного масиву буде:
Н А - висота анодного масиву:
Н А = h конуса спікання + h рідкої частини = 135 + 45 = 180 см
1.2 Розміри шахти ванни
Внутрішні розміри шахти ванни визначаються виходячи з розмірів анодного масиву і відстані до бічної футеровки, яке становить: по поздовжній стороні 55см, а по торцевій 50см.
Ширина шахти - В Ш
У Ш = У А + 2 · 55 = 210 + 110 = 320 см
Довжина шахти - L Ш
L Ш = L АМ + 2 · 50 = 427,4 + 100 = 527,4 см
Глибина шахти - Н Ш
Н Ш = h МО + h ЕЛ = 30 + 20 = 50 см
1.3 Конструкція подини
Число блоків. В даний час довжина катодних блоків 60 - 220 см, шириною 55 см, завширшки 40 см, ширина вугільної засипки 4 см. Звідси число катодних блоків у ряду буде одно:
а - розмір набоечного шва в торцях
b - Розмір набоечного шва по поздовжніх сторонах
,
де L 1 і L 2 довжина катодних блоків, см
1.4 Внутрішні розміри катодного кожуха.
Визначаються розмірами шахти ванни з урахуванням теплоізоляції
Довжина катодного кожуха L ШКІР.
L ШКІР. = L Ш + 2 (20 + h Тепле) = 527,4 + 2 (20 + 8) = 583,4 см
Ширина катодного кожуха У ШКІР.
У ШКІР. = В Ш + 2 (20 +8) = 320 + 56 = 376 см
Висота кожуха Н ШКІР.
Н ШКІР. = Н Ш + Н Б + 6,5 + 5 = 50 + 40 + 11,5 = 101,5 см
1.5 Зовнішні розміри катодного кожуха
Зовнішня довжина L КОЖ.Н.
L КОЖ.Н. = L ШКІР. + (2 · 40) = 583,4 + 80 = 663,4 см
Зовнішня ширина кожуха У КОЖ.Н.
У КОЖ.Н. = В ШКІР. + (2 · 40) = 376 + 80 = 456 см
2) Матеріальний розрахунок
Проводиться для визначення продуктивності електролізера і витрат сировини на виробництво алюмінію. Вихідними даними є сила струму, вихід за струмом та витратні норми по сировинних матеріалів та анодної маси.
η i - Вихід по струму, приймаємо 0,9
I - сила струму 70000 А
2.1 Витратні норми
AI 2 O 3 - 1,92 - 1,93 т / т AI - Р р
Анодна маса - 0,5 т / т AI - Р а
Фторсолі 0,057 т / т AI - Р ф 2.1 Прибуткова частина
Продуктивність електролізера визначається за формулою
Р AI = С · I · η i · 10 -3, де С - електрохімічний еквівалент, 0,336 г / А · год
Р AI = 0,336 · 70000 · 0,9 · 0,001 = 21,17 кг / год
Визначаємо прихід матеріалів у ванну
Р AI 2 O 3 = Р AI · Р р = 21,17 · 1,92 = 40,65 кг
Р Анод = Р AI · Р а = 21,17 · 0,5 = 10,6 кг
Р ФТОР = Р AI · Р Ф = 21,17 · 0,057 = 1,21 кг
2.2 Видаткова частина
Анодні гази
Кількість СО та СО 2.
N СО та N СО2 - молярний частки СО і СО 2 в анодних газах, N СО - 0,4, а N СО2 - 0,6.
Вагова кількість СО та СО 2
Р СО2 = М СО2 · 44 = 0,44 · 44 = 19,36 кг
Р СО = М СО · 28 = 0,29 · 28 = 8,12 кг
Втрати глинозему Δ Р AI 2 O 3.
П AI п, т - практичний і теоретичний витрата глинозему, т / т AI
Δ Р AI 2 O 3 = Р AI (П AI п - П AI т) = 21,17 · (1,92 - 1,89) = 0,635 кг
Втрати фторсолей Δ Р ФТОР.
Δ Р ФТОР = Р ФТОР = 1,21 кг
Втрати вуглецю Р С = (М З + М СО2) · 12 = (0,29 + 0,44) · 12 = 8,76 кг
Δ Р С = Р анод - Р С = 10,6 - 8,76 = 1,84 кг
Таблиця матеріального балансу.
3) Електричний розрахунок
Мета: визначення конструктивних розмірів ошиновки, визначення падіння напруги на всіх ділянках кола, складання балансу напруг. Визначення робочого гріє і середньої напруги. Визначення виходу по енергії і питомої витрати по електроенергії.
d AI = 0,415 A / мм 2 = 41,5 A / см 2
d Cu = 0,7 A / мм 2 = 70 A / см 2
d Fe = 0,18 A / мм 2 = 18 A / см 2
3.1 Визначаємо падіння напруги в анодному пристрої
3.1.1 Падіння напруги в стояках
,
де:
I - сила струму, А
ρ t - Питомий опір провідника, Ом · см
а - довжина ділянки шинопровода, см
S Про - загальне перетин провідника, см 2
S ЕК-економічно вигідне перетин стояка, см 2
n Ш - число алюмінієвих шин, шт
,
де:
S ПР - практичне перетин однієї шини, см 2
S Про - загальне перетин стояка, см 2
S Об = n Ш · S ПР = 6 · (43 · 6,5) = 1 677 см 2
ρ t AI - питомий опір алюмінієвих шин
ρ t AI = 2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10 -6 Ом · см,
де t з практичних даних 60 ° С
ρ t AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 60) · 10 -6 = 3,44 · 10 -6 Ом · см
висота стояка а - з практичних даних 265 см
3.1.2 Визначаємо падіння напруги в анодних шинах
Загальне перетин анодних шин
S Об = S Про ст = n Ш · S ПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см 2
Питомий опір А I шин при t = 80 ° С
ρ t AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 80) · 10 -6 = 3,65 · 10 -6 Ом · см
Довжина анодних шин приймається рівна довжині кожуха + 100 см
L А.Ш. = L ШКІР + 100см = 583,4 + 100 = 683,4 см
Падіння напруги в анодних шинах
Визначаємо кількість робочих штирів
,
де:
2 - кількість робочих сил, шт
Р - периметр анода, см
Р = 2 · (L А + В А) = 2 · (210 + 427,4) = 1274,8 см
Визначаємо середнє перетин штиря
Визначаємо середній діаметр штиря
Довжина штиря 105см
3.1.3 Визначаємо падіння напруги в анодних спусках
Питомий опір анодних спусків при t = 150 ° С
ρ t Cu = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10 -6 = 2,9 · 10 -6 Ом · см
Перетин анодних спусків
При довжині анодних спусків 210 см визначаємо падіння напруги
Визначаємо кількість мідних шинок припадають на 1 штир, якщо перетин однієї шинки 1см 2
3.1.4 Визначаємо падіння напруги в самообжігающемся аноді
Визначається за формулою
Де:
У А - ширина анода, см
S А - площа анода, см 2
К - кількість штирів, шт
l СР - середня відстань від струмоведучих штирів до підошви анода - 45см
ρ t - питомий електро опір анода 0,007 Ом · см
d А - анодна щільність струму - 0,78 А / см 2
D - довжина забитої частини штиря - 85 см
3.1.5 Визначаємо падіння напруги у контактах анодного вузла
Приймається за практичним даними:
Анодна шина - анодний стояк
Анодний стояк - катодна шина
Анодна шина - анодний узвіз
Приймаємо по 0,005 у на кожній дільниці, тоді
Δ U КОНТ = 0,005 · 3 = 0,015 у
В контакті шинку - штир 0,007 в, тоді загальне падіння напруги у контактах становить Δ U КОНТ АН. = 0,022 у
3.1.6 Падіння напруги в анодному пристрої визначається сумою всіх падінь напруги в аноді
Δ U АН Устр = Δ U СТ + Δ U А.Ш. + Δ U А. СП. + Δ U А + Δ U КОНТ АН =
= 0,036 + 0,1 + 0,0426 + 0,254 + 0,022 = 0,4546 у
3.2 Падіння напруги в електроліті
Розраховується за формулою
,
де:
I - сила струму 70000 А
ρ t - питомий опір електроліту 0,5 Ом · см
l - межполюсного відстань 4-5 см
S А - площа анода, см 2
L А - довжина анода 427,4 см
У А - ширина анода 210 см
3.3 Падіння напруги в катодному пристрої
3.3.1 Падіння напруги в подині
де l ПР - приведена довжина шляху струму по блоку
,
де:
Н - висота катодного блоку 40 см
h - висота катодного стрижня з урахуванням чавунної заливки 13 см
в - ширина катодного стрижня з урахуванням чавунної заливки 26см
ρ t - Питомий електро опір вугільного блоку 0,005 Ом · см
А - половина ширини шахти 320: 2 = 160 см
а - ширина бортовий настилу в шахті ванни 40-60 см
В - ширина блоку з урахуванням шва 59 см
S СТ - площа поперечного перерізу катодного стрижня з урахуванням чавунної заливки 338 см 2
d А - 0,78 А / мм 2
3.3.2 Падіння напруги в стержнях не замурованих у подину
де:
L - довжина стрижня 50 см
S - сумарна площа поперечних перерізів катодних стрижнів
S = 23 · 11,5 · 16 = 4232 см 2
ρ Fe - питомий опір стрижнів при t = 150 ° С
ρ t = 13 · (1 + 0,004 · 150) · 10 -6 = 2,08 · 10 -5 Ом · см
3.3.3 Падіння напруги в катодних спусках
де:
L - довжина спусків 60 см
ρ З u - питомий опір катодних спусків при t = 150 ° С
ρ t = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10 -6 = 2,912 · 10 -6 Ом · см
S Е.В. - Економічно вигідна площа поперечного перерізу спусків
Число стрічок у пакеті катодних спусків припадають на 1 штир
Площа поперечного перерізу стрічок
Падіння напруги
3.3.4 Падіння напруги в катодних шинах
де:
ρ AI - питомий опір А I шин при t = 150 ° С
ρ t AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 150) · 10 -6 = 4,396 · 10 -6 Ом · см
L - довжина катодних шин
L = L K + 100 см = 583,4 + 100 = 683,4 см
S К.Ш. - площа перерізу катодних шин
Площа перерізу перший шини 43 · 6,5 = 279,5 см 2
Кількість шин
S - економічно вигідна площа перерізу катодних шин
S = 279,5 · 6 = +1677 см 2, падіння напруги.
3.3.5 Падіння напруги у контактах
1) Катодний стрижень - спуск.
2) Спуск - катодна шина.
Складають по 0,005 у на кожній дільниці, тому в сумі 0,01 в.
3.3.6 Падіння напруги в катодному пристрої.
Визначається як сума всіх втрат
3.4 Падіння напруги за рахунок анодних ефектів
де: / U А.Е. - напруга анодного ефекту до 40 в, К - кількість анодних ефектів на добу 1 шт, U РАБ - приймаємо 4,25 в, τ - тривалість анодного ефекту, приймаємо 2 хв.
3.5 Гріючі напруга
Δ U ГР = Δ U А + Δ U ПІД + Δ U ЕЛ + Δ U А.Е. + U РОЗЛИВ =
= 0,254 + 0,32 + 1,6 + 0,0496 + 1,65 = 3,8736 у
3.6 Робоча напруга
Δ U РАБ = Δ U ЕЛ + U РОЗЛИВ + Δ U КАТ. Влаштую. + Δ U АН. Влаштую. + Δ U ОБЩЕСЕР. =
= 1,6 + 1,65 + 0,4839 + 0,4546 + 0,05 = 4,2385 у
3.7 Середнє напруга
Δ U СР = Δ U РАБ + Δ U А.Е.
де Δ U ОБЩЕСЕР - падіння напруги в общесерійной ошиновці, приймаємо 0,05 у
Δ U РАБ = 4,2385 + 0,0496 = 4,2881 у
Дані з розрахунку зводимо в таблицю
3.8 Визначаємо основні показники
Вихід за енергією
де:
η i - Вихід по струму, приймаємо 0,9
с - електрохімічний еквівалент 0,336 г / А · год
Питома витрата електроенергії
4) Тепловий розрахунок
Цей розрахунок складається для t = 25 ° С. При виконанні даного розрахунку враховується рівняння теплового балансу.
Q ЕЛ + Q згорить. Аноди = Q РОЗЛИВ + Q МЕТ + Q ГАЗ + Q ПОТ
4.1 Прихід
4.1.1 Тепло від електроенергії
I - сила струму 70 кА
U ГР - напруга гріє 3,87 в
Q ЕЛ = 3,6 · 10 3 · I · U ГР = 3,6 · 10 3 · 70 · 3,87 = 975 240 кДж / год
4.1.2 Тепло від згоряння анода
Q згорить. Аноди = P CO · Δ Н CO + P CO 2 · Δ Н CO 2
де: Δ Н СО2 і Δ Н СО - парниковий ефект освіти реакції СО 2 і СО.
За довідником:
Δ Нсо 2 = 394 070 кДж. / Кмоль
Δ Нсо = 110616 кДж. кмоль
P CO і P CO 2 кількості СО ІСО 2 в кіло молях
,
де: m - об'ємна частка СО 2 в анодних газах, приймаємо 0,6 або 60%
Q згорить. Аноди = 0,294 · 110 616 + 0,440 · 394070 =
= 32521,1 + 173390,8 = 205911,9 кДж / год
4.1.3 Сумарний прихід тепла
Q прих = Q згорить. Аноди + Q ЕЛ = 205911,9 + 975 240 = 1181151,9 кДж / год
4.2 Витрата тепла
4.2.1 На розкладання глинозему
Q РОЗЛИВ = Р А I 2О3 · Н Т А L 2О3
де: Н Т А I 2О3 - тепловий ефект утворення реакції глинозему при температурі 25 ˚ С.
За довідником:
Н Т А I 2О3 = 1676000 кДж. / Кмоль
Р А I 2О3 - витрата глинозему на електричне розкладання
де: F - число Фарадея 26,8 А · год
Q РОЗЛИВ = 0,39 · 1676000 = 653640 кДж / год
4.2.2 З виливання металу
Визначається з умови рівності вилитого AI і напрацьованого за той же час
Q МЕТ = Р AI · (Δ Н 960 - Δ Н 25)
де:
27 - атомна маса алюмінію
Δ Н 960 - тепломісткість алюмінію при температурі 960 ˚ С - 43982 кДж / моль
Δ Н 25 - тепломісткість алюмінію при температурі 20 ˚ С - 6716 кДж / моль
Q МЕТ = 0,78 · (43982 - 6716) = 29067,5 кДж / год
4.2.3 Віднесення тепла з газами
Q ГАЗ = V · C · (t 2 - t 1)
де:
V - об'єм газів, приймаємо 7600 м 3 / год
С - теплоємність анодних газів 1,4 кДж / м 3 · ° С
t 1, t 2 - температура газів 25 ° С, 50 ° С
Q ГАЗ = 7600 · 1,4 · (50 - 25) = 266 000 кДж / год
4.2.4 Втрати тепла з поверхні електролізера
Q ПОТ = Q прихо - (Q РОЗЛИВ + Q МЕТ + Q ГАЗ) =
= 1181151,9 - (653640 + 29067,5 + 266000) = 232444,4 кДж / год
5) Розрахунок числа електролізерів в серії
Число працюючих електролізерів визначається U СР і U ПЕРЕТВОРЮВАЧА. Для серії електролізерів випрямний агрегат має U = 850 в. Враховуються втрати напруги в шинопроводах підстанції, приймаємо 1%. Резерв напруги при зниженні I при анодному ефекті приймаємо 40 в. Резерв напруги для компенсації коливань напруги в зовнішній електромережі 1%. При цьому напруга серії складе:
U СЕРІЇ = 850 - (8,5 + 40 + 8,5) = 793 в
Число працюючих електролізерів
Число резервних електролізерів
Продуктивність серії на рік
Р = I · 8760 · 0,336 · n РАБ · η i · 10 -6 =
= 70000 · 8760 · 0,336 · 185 · 0,9 · 10 -6 = 34305 т / рік