В России принято оценивать состав электролита молярным соотношением основных компонентов криолита NaF/AlF₃, которое называют криолитовым отношением. Криолитовое отношение определяет такие важные параметры электролита, как температуру его кристаллизации, растворимость в нем глинозема, электропроводность.

Следовательно, поддержание криолитового отношения на заданном уровне - одна из основных задач технологического персонала. В течение многих лет считалось, что наиболее экономическим выгодным значением КО является 2,6-2,8. Однако в последние годы работают на "кислых" электролитах с к. о = 2,3-2,5, что позволило им резко поднять технико-экономические показатели электролиза и снизить расход электроэнергии.

Рассмотрим причины криолитового отношения. Как известно, основу электролита составляет криолит Na₃AlF₆, представляющий двойную соль NaF и AlF₃. Молярное отношение фторида натрия к трифториду алюминия равно 3, а у промышленного электролита поддерживается в пределах 2,4 - 2,8. Состав электролита (КО) непостоянен во времени, так как при пуске ванны футеровка интенсивно пропитывается фторидом натрия, при этом значение КО падает, а электролит закисляется. В такой период для подведения КО до заданных значений в электролит добавляют фторид натрия. В процессе эксплуатации идет интенсивная возгонка трифторида алюминия с образованием HF, что приводит к повышению КО.

Для компенсации потерь в заводской практике используют криолит с модулем не более 1,8. Трифторид алюминия насыпают в корку электролита, прикрывают глиноземом, который адсорбирует фтор, выделяющийся при возгонке AlF₃, и погружают в электролит при очередной обработке ванны. Для быстрого наплавления электролита применяют флотационный и регенерационный криолит, который по своему составу близок к электролиту, поэтому его широко используют и на пуске ванн, и в процессе нормальной эксплуатации. Фторид натрия, как и трифторид алюминия, насыпают на корку и прикрывают глиноземом, но при слабых настылях фторид натрия лучше загружать у борта ванны. Обычно фторид натрия используют при пуске ванны, а при нормальной эксплуатации его специально не вводят, так как натрий содержится в виде примесей в сырье. Как уже отмечалось выше, на ряде заводов используют фторглиноземную шихту, применение которой упрощает корректировку электролита. При работе на низком криолитовом отношении для корректировки электролита применяют не криолит, а трифторид алюминия, который взаимодействуя с оксидом натрия Na₂O, неизбежно в присутствующим в глиноземе, образует фторид натрия.

2. Расчётная часть

2.1.2 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

R_Г = P_{Al *} N_Г (2.2)

R_Г = 49*1,92=94 кг

фтористых солей (А1F₃, СаF₂⁾ R_Ф, кг

R_Ф =P_{Al *} (N_Фа+ N_Ca) (2.3)

R_Ф = 49* (0,019 + 0,0013) = 0,9 кг

анодной массы R_м, кг

R_м = P_{Al *} N_М (2.4)

R_м = 49*0,529=26 кг

2.1.3 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 49 кг алюминия выделится кислорода m₀, кг:

m_o (2.5)

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

кг

Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m_оco_2, кг:

m_оco₂ = (2.6)

в окись углерода свяжется кислорода m_оco, кг:

m_оco = (2.7)

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

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

m_cco₂ = (2.8)

Количество углерода связанного в оксид углерода, m_cco, кг:

m_cco = (2.9)

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

Pco₂ = m_оco₂ + m_cco₂ (2.10)

Pco₂ =32,6+12,2=44,8 кг

Pco = m_оco + m_cco (2.11)

Pco = 10,8+8,1=19 кг

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco₂ + Pco (2.12)

Ргаз = 44,8+18,9=63,7 кг

2.1.4 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) (2.13)

G =49* (1,928-1,89) =1,88 кг

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) (2.14)

Rуг =26- (12,2+8,1) =5,8 кг

Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным их расходу.

Таблица 2.1 - Материальный баланс электролизера на силу тока 164 кА

2.2 Конструктивный расчет

мм²

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

К = S_О / S_ш (2.20)

Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому их количество должно быть кратно 4. Принимаю 76 штырей в аноде.

2.2.2 Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из

Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 2.16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 2.1). Для электролизёра типа С-8БМ 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; (2.21)

Lш =805+110=915см

Вш = Ва + 2*а (2.22)

Вш =285+130=415 см

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную швом в перевязку из коротких и длинных прошивных блоков. Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 40 см, шириной b_б = 55 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, Nс определяют исходя из длины шахты:

Nс = (2.23)

где b_б - ширина подового блока;

с - ширина шва между блоками, 4 см.

Число катодных блоков N_б, равно:

N_б = N_{с *} 2 (2.24)

N_б = 15*2=30

Подина данного электролизера монтируется из 30 катодных блоков, уложенных по 15 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, bт,

bт = (2.25)

bт =

по продольным сторонам, bп:

bп = (2.26)

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см.

2.2.3 Расчёт катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 2.21, 2.22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5), (2.27)

где: Lш - длина шахты, см;

Пу - толщина угольной плиты,;

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

Lк =915+2 (20+3,5) =21549,5 см

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (2.28)

где: Вщ - ширина шахты, см;

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

Вк =415+2 (20+5) =10425 см

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

теплоизоляционная засыпка 3-5 см;

два ряда легковесного шамота или красного кирпича толщиной 6,5 см;

три ряда шамотного кирпича по 6,5 см;

угольная подушка 3-5 см;

подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 5 + 5* 6,5 + 3 + Нш + h_б (2.29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б - высота подового блока, см.

Нк = 3 + 5 * 6,5 + 3+56,5+40=151,5см

Принимаю катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно, каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, днище - 12мм. Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров, а также имеет рёбра жёсткости.

2.3 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):

Uср = Ер + Uа + Uп + ?Uаэ + Uэл + Uо + Uоо, (2.30)

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

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.

2.3.1 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 U_А, мВ с верхним токоподводом пользуются уравнением, предложенным М.А. Коробовым.

U_А = , (2.31)

где Sa - площадь анода, см²;

К - количество токоподводящих штырей;

L_ср - среднее расстояние от подошвы анода до концов токоподводящих штырей;.

d_a - анодная плотность тока, А/см²;

с_а - удельное электросопротивление анода в интервале температур 750-950°С равно 8*10^-3 Ом*см.

2.3.2 Падение напряжения в подине

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

U_П = (2.32)

где l_пр - приведенная длина пути тока, см (33);

с_бл - удельное сопротивление прошивных блоков принимаем 3,72*10^-3 Ом*см;

В_ш - половина ширины шахты ванны, см;

В_бл - ширина катодного блока с учётом набивного шва, см (34);

a - ширина настыли, равна расстоянию от продольной стороны анода до боковой футеровки, см;

S_cт - площадь сечения блюмса, см^{2 (}35);

d_a - анодная плотность тока, А/см².

Приведенную длину пути тока по блоку l_пр, см определяем по уравнению:

(2.33)

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, (2.34)

где b_б - ширина подового блока;

с - ширина набивного шва между блоками.

В_бл = 55+4=59

Площадь сечения катодного стержня с учетом заделки равна:

S_ст = h_{ст *} В_ст (2.35)

S_ст = 14,5*26=377см²

Тогда падение напряжения в подине U_П, В составит:

2.3.3 Доля падения напряжения от анодных эффектов

Величина падения напряжения от анодных эффектов ?U_АЭ, В определяется:

?U_АЭ = (2.36)

где U_АЭ - напряжение в момент анодного эффекта, принимаем 40 В;

n - длительность анодного эффекта, принимаем 2 мин;

k - частота анодного эффекта в сутки, принимаем 1;

1440 - число минут в сутках.

В

2.3.4 Падение напряжения в электролите

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

(2.37)

где I - сила тока, А;

р - удельное электросопротивление электролита, равно 0,53 Ом _* см;

l - междуполюсное расстояние, см;

Sа - площадь анода, см²;

2 (La + Вa) - периметр анода, см.

2.3.5 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 принимаем на основании практических данных: U_ОО = 0,016 В

Таблица 2.2 - Электрический баланс электролизера на силу тока 164 кА размеры в вольтах

2.4 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 (2.38)

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.

2.4.1 Расчет прихода тепла

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

Q эл = 3600 * I * U_гр * ф (2.39)

где 3600 - тепловой эквивалент одного кВт_*ч, кДж;

I - сила тока, кА;

U_{гр -} греющее напряжение, В (из таблицы 2);

ф - время, часы.

Q эл = 3600*164*4,484*1= 2647353 кДж

Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется:

Qан = Р¹_{СО2 *} ?H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (2.40)

Qан = 1,01*394070+0,67*110616=472123 кДж

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 = 394070 кДж/кмоль

?H²⁹⁸_СО = 110616 кДж/кмоль

(2.41), кмоль, (2.42)

кмоль, Qан = 1,01*394070+0,67*110616=472123 кДж

2.4.2 Расчёт расхода тепла

На разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

Q_Г = R¹_Г * ?H^T_Г (2.43)

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

(2.44)

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) (2.45)

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

(2.46)

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), (2.47)

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) (2.48)

кДж

Таблица 2.3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 164 кА

2.5 Расчёт цеха

N_У = N+ N_{Р (}2.52) N_У = 179 +1 =180

где N - число установленных электролизеров;

N_Р - число резервных электролизеров

В 4 сериях будет 720 корпуса, в них установленных электролизёров, N_УСТ:

N_УСТ = N_{У *} n (2.53)

N_УСТ = 180 * 4 =720

Годовая производительность серии Pс, т рассчитывается по формуле:

Pс = 0,335 * I * з * 8760 * N * 10^-3 (2.54)

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

I - сила тока, кА;

з - выход по току, д. е.;

8760 - часов в год;

N - число работающих ванн в серии.

Р_С = 0,335 * 164000* 0,886 *8760 * 179 * 10^-6 = 76327,232 т

Годовая производительность цеха Рц, т будет:

Рц = Рс _* n (2.55)

Рц =76327,232*4=305308,92

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

(2.56)

кВт*ч/т

Выход по энергии г/кВт*ч

(2.57)

г/кВт*ч

3. Организационно-экономическая часть