Ім'я файлу: 5 Расчет элек-ра.docx
Розширення: docx
Розмір: 46кб.
Дата: 28.09.2021
скачати
Пов'язані файли:
1 Реферат.docx
МКР_2_Хімічна мікробіологія.doc
Лекція 11. Пневматичні регулятори.docx
Розширення: docx
Розмір: 46кб.
Дата: 28.09.2021
скачати
Пов'язані файли:
1 Реферат.docx
МКР_2_Хімічна мікробіологія.doc
Лекція 11. Пневматичні регулятори.docx
2 РОЗРАХУНОК МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ
Таблиця 2.1- Вихідні дані
| Найменування | Показники |
| Щільність струму, А/см2 : анодна Da катодна Dk прохідна у аноді D`a прохідна у катоді D`k Відстань між електродами L, см Ширина аноду Ba , см Вихід по струму ŋк = ŋа, % Вихід на 1 кг магнію - сирцю, кг: шламу возгону відпрацьованого електроліту Температура 0С : завантаженого безводного карналіту робочого електроліту Відсмоктування газу з катодних осередків, м3/год (при нормальних умовах) | 0,44 0,53 5,3 26,1 6,5 Не більше 220 82 0,13 0,11 4,1 690 720 1200 |
Розрахунок діафрагменного електролізера на 100 кА з верхнім введенням анодів для електролізу безводного карналіту (електроліт калієвий).
Склад сировини, що завантажується в електролізер та вилучення з нього речовини наведений у табл. 2.2
Таблиця 2.2- Хімічний склад безводного карналіту, відпрацьованого
електроліту, шламу, возгону та магнію - сирцю
| Речовина | Склад, % (по масі) | ||||
| MgCl2 | KCl | NaCl | MgО | Mg | |
| Безводний карналіт Відпрацьований карналіт Шлам Возгон Магній- сирець | 52,0 5,0 8,2 30,0 0,02 | 41,0 75,70 53,6 40,0 0,28 | 6,0 19,1 15,20 30,0 0,10 | 1,0 0,20 20,0 - - | - - 3,00 - 99,6 |
При електролізі виділяється магнію:
продукційного (у складі магнію - сирцю)
Р=0,454· І · ήк (2.1)
Де І – сила струму, кА;
0,454 – електрохімічний еквівалент металу кг/кА·год;
ήк - вихід магнію по струму, %
Р = 100 · 0,454 · 0,82 = 37,23кг/год,
у складі шламу
37,23· 0,13 · 0,030 = 0,15 кг/год,
Усього
37,23 + 0,15 = 37,38 кг/год
Вилучаеться з електролізеру:
магнію-сирцю 37,38: 0,996 = 37,53 кг/год
шламу 37,53 · 0,13 = 4,88 кг/год
возгону 37,53 · 0,11 = 4,13 кг/год
відпрацьованого електроліту 37,53 · 4,10 =153,87 кг/год
хлору 100 · 1,323 · 0,82 =108,49 кг/год
Годинна витрата безводного карналіту становить
37,53 + 4,88 + 4,13 + 153,87 + 108,49 = 308,90 кг
Витрата безводного карналіту (52,0 % MgCl2) на 1 кг магнію – сирцю
308,90 : 37,53= 8,23 кг
Виконуємо розрахунки продукту на 1000 кг сировини, що вилучається
з електролізера:
магній-сирець(99,6%Mg) 37,53 · 1000 ꞉ 308,90 = 121,50кг
відпрацьований електроліт 153,87 · 1000 ꞉ 308,90 = 498,12 кг
шлам 4,88 · 1000 ꞉ 308,90 = 15,80 кг
возгон 4,13 · 1000 ꞉ 308,90 = 13,37 кг
хлор (100%Cl2) 108,49 · 1000 ꞉ 308,90 = 351,21 кг
Результати розрахунків зведені у табл. 2.3
За 1 год в електролізер надходить окису магнію в складі безводного карналіту
308,90 · 0,01 = 3,09 кг
За цей же час з електролізера вилучається окиси магнію (у складі відпрацьованого електроліту та шламу)
153,87 · 0,002 + 4,88 · 0,20 = 1,28 кг
Таблиця 2.3- Матеріальний баланс магнієвого електролізеру на 1000 кА
| Надходить в електролізер | Вилучається з електролізера | |||||
| Сировина | на 1000 кг сировини, кг | кг/год | Продукт | на 1000 кг сировини, кг | кг/год | |
| Безводний карналіт (52,0%MgCl2) | 1000 | 308,90 | Магній-сирець(99,6%Mg) Відпрацьований електроліт Шлам Возгон Хлор (100%Cl2) | 121,50 498,12 15,80 13,37 351,21 | 37,53 153,87 4,88 4,13 108,49 | |
| Усього | 1000 | 308,90 | Усього | 1000 | 308,90 | |
Зменшення кількості окису магнію є результатом її часткового хлорування в
електроліті, наприклад, по реакції
Mg + Cl2= MgCl2 + ½ O2 (2.1)
При хлоруванні витрачається деяка кількість хлору, що зменшує його вихід, і
утворюються додаткова кількість хлориду магнію, який використаний для
електролізу.
Ступінь хлорування окису магнію становить
((3,09 - 1,28) ꞉ 3,09) ·100 = 58,58 %.
При хлоруванні окису магнію виходить хлориду магнію
(3,09 - 1,28) · 2,36 = 4,27 кг/год
де 2,36- відношення молекулярних мас MgCl2 і Mg.
Витрачається хлору
(4,27 · 70,92) ꞉ 95,21= 3,18 кг/год,
де 70,92 і 95,21 - відповідно молекулярні маси хлору та хлориду магнію.
3 РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ РОЗМІРІВ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРА
Число анодів. Площа поперечного перерізу всіх анодів дорівнює
F=I ꞉ D`a (3.1)
де I - сила струму,А;
D`a - щільність струму на відповідній ділянці ланцюга (провідна в аноді)
А/см2
F=100000 ꞉ 5,3 = 18868 см2.
Для виготовлення анодів застосовуємо графітові бруси з поперечним перерізом 25 х 35 см, розраховуємо число брусів у всіх анодах:
18868 ꞉ (25 · 35) = 21,56 ≈ 22
Щоб ширина анода була в межах заданих величин ( 200 - 280 см) приймаємо п'ять анодів по семи брусів у кожному.
Тоді ширина анода
7 · 35 = 245 см
і фактична прохідна щільність струму в аноді
100000 ꞉ (245 · 25 · 4) = 4,08 а/см2.
Приймаючи робочу висоту анода 92 см, визначимо величину робочої поверхні аноду:
92 · 245 = 22540 см2.
Величина робочої поверхні катода менше робочої поверхні анода й визначається співвідношенням анодної й катодної щільності струму:
Sk ꞉ Sa= Da ꞉ Dk => Sk = (Sa · Da) ꞉ Dk (3.2)
де Sa – поперечний переріз ділянки ланцюга (анода) см2 ;
Da – прохідна щільність струму в аноді, А/см2 ;
Dk – прохідна щільність струму в катоді, А/см2 ;
Sk = (22540 · 0,44) ꞉ 0,53 = 18712 см2
Приймаючи ширину катодного листа рівній ширині аноду, знаходимо висоту катодного листа:
18712 ꞉ 245 = 76,4 ≈ 80 см
Число катодів дорівнює подвоєному числу анодів, тобто
4 · 2=8
4 РОЗРАХУНОК НАПРУГИ
Баланс напруги електролізера визначається по формулі
U = Va + Vk + Vе +Vош+Е (4.1)
де U - напруга на електролізері, В;
Vош - перепад напруги в ошиновці, В;
Va - перепад напруги в аноді, В;
Vk - перепад напруги в катоді, В;
Vе - перепад напруги в електроліті, В;
E - напруга розкладання, В
Розраховуємо перепад напруги в аноді
Va = D`a la ρгр (4.2)
де D`a – прохідна щільність струму в аноді, 4,08 А/см2;
la - «шлях струму» в аноді, тобто відстань від центра контактної шини
до середини робочої частини анода, прийняте з конструктивних
міркувань рівним 140 см;
ρгр – питомий опір штучного графіту, 11,5 ·10 -4, Ом · см.
Va = 4,08 · 140 · 11,5 · 10 -4 = 0,66 В
Розраховуємо перепад напруги в катоді
Vk = D`k lk ρгр
де D`k – прохідна щільність струму в катоді, 26,1 А/см2;
lk - «шлях струму» в катоді, 165 см;
ρ - питомий опір литої стали при 500 о С, 0,6 ·10 -4 Ом · см
Vk = 26,1 · 165 · 0,6 · 10 -4 = 0,26 В
Розраховуємо перепад напруги в електроліті по формулі
Vе = Dcеpед L/ Кκ, (4.3)
де Vе– перепад напруги в електроліті, В;
Dcеpед=√ DaDk – щільність струму в середньому перетині електроліту,
А/см2;
L - відстань між електродами, см;
K – питома електропровідність електроліту, 1,88 Ом -1 · см -1;
к - коефіцієнт зменшення електропровідності електроліту внаслідок
газонаповнення, 0,93
Vе = ((√0,44 · 0,53 ) · 6,5) ꞉ (1,88 · 0,93) = 1,80 В.Падіння напруги в ошиновці і контактах Vош приймаємо, згідно практичним даним, 0,3 В. Напруга розкладання Е= 2,8 В.
Розраховуємо напругу на затисках електролізера
U = 0,66 + 0,26 + 1,80 + 0,3 + 2,8 = 5,82 B
5 РОЗРАХУНОК ЕНЕРГИТИЧНОГО БАЛАНСУ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРА
Приймаємо температуру електролізера (700 о С) .
Прохідна частина балансу
Розраховуємо прихід енергії (електричної) дорівнює, ккал/год:
N = I Va.k · 860 (5.1)
Де І – сила струму, кА;
860 – коефіцієнт перерахунку кВт/год в ккал/год;
Va.k – перепад напруги між електродами, В.
Розраховуємо перепад напруги між електродами
Va.k = U – Vош (5.2)
Де U – напруга на електролізері, В;
Vош – перепад напруги в ошиновці, В.
Va.k = 5,82 – 0,3 = 5,52 В,
Знаходимо
N = 100 · 5,52 · 860 = 474720 ккал/год
Витратна частина балансу
Витрата енергії на розкладання хлориду магнію (компенсація зміни внутрішньої енергії системи внаслідок розкладання хлориду магнію на магній і хлор)
Витрата на розкладання MgCl2
q1 = aMg H700, (5.3)
де aMg - кількість одержуваного в складі магнію – сирцю й шламу металевого
магнію, кг/год;
Н700 – питома теплота утворення MgCl2 при 700 o С, віднесена до 1 кг
магнію, ккал/кг.
Витрата на розкладання KCl · MgCl2:
q2 = aMg · H`700 (5.4)
де Н`700 - питома теплота утворення KCl · MgCl2 з KCl і MgCl2 при 700 о С,
ккал/кг
Хлор виділяється при 700 о С, а виходить безупинно з електролізера з меншою температурою, наприклад 300 о С. Тому з величин обчисленої витрати
енергії на розкладання MgCl2 і KCl · MgCl2 треба відняти величину q3 - різниця
тепловміщюючого хлору при 700 - 300 о С:
q3 = axcx(tе– tх), (5.5)
де ах – кількість хлору, кг/год;
сх - теплоємність хлору, ккал/(кг · град);
tе, tх – відповідно температури електроліту та хлору в момент виділення
та на виході, о С.
Тоді витрату енергії по першій статті витратної частини балансу виразиться формулою
Qp= aMg (q1 + q2) – ax cx (tе - tх) (5.6)
де q1 - витрата на розкладання MgCl2 ;
q2 – витрата на розкладання KCl · MgCl2 ;
Н700= 5866 ккал/кг; Н`700= 131 ккал/кг.
Середня питома теплоємність хлору (в інтервалі 0-800 о С) становить 0,1276
ккал/(кг · град), tх = 300 о С, tе = 720 о С.
Qp= 37,38 · (5866 + 131) – 108,49 · 0,1276 · ( 720 - 300) = 218354 ккал/год
Витрата енергії на нагрівання завантаженого безводного карналіту
Qн = aкcк(tе– tк), (5.7)
де ак – кількість карналіту, що завантажується, кг/год;
cк – середня питома теплоємність рідкого безводного карналіту,
ккал/(кг · град);
tе , tк - відповідно температура електроліту та безводного карналіту,С.
Середня питома теплоємність рідкого безводного карналіту (в інтервалі 500-750 о С) становить 0,266 ккал/(кг · град). tе = 720 о С ; tк = 690 о С.
Qн = 308,90 · 0,266 · ( 720 - 690) = 2465 ккал/год.
Розраховуємо витрату енергії на випаровування електроліту
Qв = ∑bqв (5.8)
де b - кількість солі у возгоні, кг/год;
qв – теплота випаровування солі, ккал/кг.
Відповідно до матеріального балансу, за 1 годину виходить 4,13 кг возгону, у тому числі 1,13 кг MgCl2 , 1,87 кг KCl і 1,13 кг NaCl.
Теплота випаровування MgCl2 ,KCl і NaCl відповідно рівні 344, 530 і 702 ккал/кг. Тоді
Qв = 1,13 · 344 + 1,87 · 530 + 1,13 · 702 = 2173 ккал/год.
Витрата енергії на розкладання домішок
Згідно практичним даним, витрата енергії по цій статті становить у середньому 14,5 ккал на 1 кг безводного карналіту:
Qдом= 308,90· 14,5= 4479 ккал/год
Втрати тепла з повітрям, що відсмоктується з катодного простору (катодний відсмоктувач) розраховуємо по формулі
Qк.в= aпcп(tг – tп) (5.9)
де ап – кількість повітря, що відсмоктується з катодного простору, м3/год;
сп - теплоємність повітря, ккал/(м3 · град);
tп , tг – відповідно температура повітря на вході в електролізер і на виході
з нього, о С.
Приймаємо, що температура повітря на виході з катодного простору 2700С. Теплоємкість повітря ( у інтервалі 0 -4000С) дорівнює 0,24 ккал/(кг · град) або
1 · 293 · 0,24 = 0,31 ккал/(м3град)
Qк.прост= 1200 · 0,31· ( 270 - 20) = 93000 ккал/год
Втрати тепла з поверхонь електролізера
Визначимо величину теплових втрат по різниці
Qт.п = N - ∑Q (5.10)
Де N – прихід енергії, ккал/год;
∑Q – сума витраченої енергії, ккал/год.
Qт.п = 474720 - (218354 + 2465 + 2173 + 4479 + 93000) = 154249 ккал/год.
Розраховуємо витрати енергії для табл. 5.1
на розкладання хлориду магнію й комплексів 218354 ꞉ 860 = 253,90 кВт·год/год
на нагрівання безводного карналіту 2465 ꞉ 860 = 2,87 кВт·год/год
на випаровування електроліту 2173 ꞉ 860 = 2,53 кВт·год/год
на розкладання домішок 4479 ꞉ 860 = 5,20 кВт·год/год
Теплові втрати:
- з газами катодного підсосу 93000 ꞉ 860 = 108,14 кВт·год/год - з поверхонь електролізеру 154249 ꞉ 860 = 179,36 кВт·год/год
Аналогічно виконуємо розрахунки для приходу енергії та заносимо у табл. 5.1
Розраховуємо відсотки для статті витрати енергії табл. 5.1
на розкладання хлориду магнію й комплексів 253,9 · 100 ꞉ 552 = 46,0 %
на нагрівання безводного карналіту 2,87 · 100 ꞉ 552 = 0,52 %
на випаровування електроліту 2,53 · 100 ꞉ 552 = 0,46%
на розкладання домішок 5,20 · 100 ꞉ 552 = 0,94 %
Теплові втрати:
- з газами катодного підсосу 108,14 · 100 ꞉ 552 = 19,59 %
- з поверхонь електролізеру 179,360 · 100 ꞉ 552 = 32,49 %
Аналогічно виконуємо розрахунки відсотків приходу енергії та заносимо у табл. 5.1
Таблиця 5.1- Енергетичний баланс магнієвого електролізера на 100 кА
| Прихід енергії | Кількість | Витрата енергії | Кількість | ||||||
| кВт·год/год | ккал/год | % | кВт·год/год | ккал/год | % | ||||
| Електрична енергія | 552 | 474720 | 100 | На розкладання хлориду магнію й комплексів На нагрівання безводного карналіту На випаровування електроліту На розкладання домішок Теплові втрати: - з газами катодного відсосу - з поверхонь електролізеру | 253,90 2,87 2,53 5,20 108,14 179,36 | 218354 2465 2173 4479 93000 154249 | 46,0 0,52 0,46 0,94 19,59 32,49 | ||
| Всього | 552 | 474720 | 100 | Всього | 552 | 474720 | 100 | ||
Вихід по енергії становить: без обліку втрати енергії в ошиновці
Ήен = WT /WФ =>
Ήен = (6,8 · 0,454 · ήк) ꞉ U= (3,1 ꞉ U) · ήк (5.11)
де ήен – вихід по енергії, частки одиниць;
U – напруга на електролізерах, В;
0,454 – електрохімічний еквівалент металу кг/кА ·год;
ήк - вихід магнію по струму, частки одиниць.
ήен = ((3,1 ꞉ 5,52) · 0,82) · 100= 46,05 %
з урахуванням втрати енергії в ошиновці
ή`ен= ((3,1 ꞉ 5,82) · 0,82) · 100= 43,68 %
Питома витрата електричної енергії на затисках електролізера дорівнює
Wп = WT/WФ =>
Wп = WT/(0,454 · ήк U · T) = U/0,454 · ήк (5.12)
де Wп – питома витрата енергії, кВт·год/кг;
U - напруга на електролізері;
ήк– вихід магнію по струму , частки одиниць
Wп= 5,82 ꞉ (0,454 · 0,82)= 15,63 кВт · год/кг.
Вихід магнію (100% Mg) на витрачений 1 кВт · год електроенергії
(1000/15,63) · 0,996= 63,72 г