Отделение электролиза алюминия

 

     Рабочее напряжение электролизера меньше среднего на величину падения напряжения в  общесерийной ошиновке и на долю падения напряжения от анодных эффектов: 

     U раб = Uср — ∆Uо.о. — ∆Uа.э. 

     7.6 Энергетический расчет электролизера 

     Нормальную  работу алюминиевого электролизера  можно обеспечить только при условии  теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу. Энергетический расчет заключается в определении составляющих прихода н расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих.

     Тепловой  баланс составляют применительно к  заранее принятой температуре. Обычно это—температура окружающей среды или температура, при которой протекает процесс. В последнем случае н расчеты необходимо вводить данные о тепловых эффектах при температуре процесса, однако от этого расчеты становятся менее точными из-за отсутствия надежных сведении. Так как энергообмен, не связанный с массопередачей, не зависит от температуры, при которой составляется тепловой баланс, то поэтому более простым и точным представляется расчет теплового баланса при температуре окружающей среды.

     В этом случае электролизную ванну  можно представить как систему, которая снабжается теплом за счет прохождения электрического тока и  сгорания угольного анода. Тепло  расходуется па разложение глинозема  и теряется этой системой через теплоотдающие поверхности электролизера, а также с удаляемыми продуктами (жидким алюминием и газами). Суммарная величина расхода тепла от протекания побочных реакции, испарения электролита и других факторов незначительна и при составлении теплового баланса не учитывается.

     При составлении теплового баланса  используются данные как электрического, так и конструктивного, и материального  расчетов.

     На  основании вышеизложенного уравнение  теплового баланса можно представить  в следующем виде: 

     Qэл + Qан = Qразл +Qмет + Qгаз + Qп, 

     где Qэл —приход тепла от электрической  энергии, кДж; Qaн—то же, от сгорания угольного  анода, кДж; Qразл—тепло, необходимое  на разложение глинозема, кДж; Qмет—тепло, уносимое вылитым металлом, кДж; Qгаз—то же, уносимое отходящими газами, кДж; Qп—потери тепла в окружающее пространство конструктивными элементами электролизера, кДж. 

     7.6.1 Приход тепла 

     От  прохождения электрического тока приход тепла определяется по уравнению: 

     Qэл=3600 • I • U_гp, 

     где 3600 тепловой эквивалент кВт.ч, кДж/(кВт.ч). 

     Подставляя в уравнение значение силы тока I=65 кА и греющего напряжения из электрического баланса U_гр =3,758 В, находим 

     Q_эл = 3600 • 65 • 3,758 = 933 600 кДж. 

     O_т сгорания угольного анода приход тепла определяется следующей зависимостью: 

     Q_aн=Pсо₂· +Pсо· , 

     где Рсо₂ и Рсо — соответственно число киломолей в час СО₂ и CO; и — соответственно тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода, кДж/кмоль; T₁ — температура окружающей среды, К. 

     Число киломолей Pco₂ и Pco в час определяется соответственно из выражении: 

     Pсо₂ = 18,657·10^-3I·η ·m/1+m ;  

     Pсо = 18,657·10^-зI·1-m/1+m . 

     При силе тока I=65 кA, выходе по току η=0,88 (88 %) и объемной доле СО₂ и анодных газах m=0,6 (60%) 

     Pсо₂ = (18,657 • 10^-3 • 65 • 0,865·06)/1+0,6 = 0,4 кмоль; 

     Pсо=(18,657 •10^-3 • 65 • 0,865•(1-0,6))/1+0,6=0,2667 кмоль. 

     Тепловые  эффекты реакции образования  диоксида и оксида углерода при 25 ºС (298 К) находим в справочнике: 

      = 394 070 кДж/кмоль;  =110 616 кДж/кмоль . 

     Подставляя  найденные значения в уравнение, определяем приход тепла от сгорания угольного анода: 

     Qан = 0,6052 • 394 070+0, 2667 • 110616=187 129 кДж. 

     Всего приход тепла составит: 

     Qnp = Qэл + Qан = 933 600 + 187 129=1 120 721 кДж. 

     7.6.2 Расход тепла 

     На  разложение глинозема расходуется:  

     Q_разл=  

     где — расход глинозема на электролитическое разложение =1/2P_Al=Iηт/6F кмоль, —тепловой эффект реакции образования оксида алюминия при 25ºС (298 К) равняется 1 676 000 кДж/кмоль; F—число Фарадея, равное 26,8 А·ч. 

     Подставляя  эти значения составляющих в уравнение, находим расход тепла на разложение глинозема: 

      кДж 

     Потери  тепла с выливаемым из ванны алюминием  рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла.

     При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 ºС—6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла с выливаемым алюминием: 

     Q_мет = 1,0759 (43 982 - 6716) = 40 094 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. Температуру отходящих газов принимаем по данным практики равной 550'С. Энтальпию составляющих отходящего газа находим в справочнике и определяем потери тепла с газами: 

     Q_газ =0,4 (40488- 16416) +0,2667 (21 860 - 8816) = 13 107 кДж, 
 

     где 0,4 и 0,2667 — соответственно числа киломолей диоксида и оксида углерода, выделяющихся и течение часа; 40488 и 16446—энтальпия диоксида углерода соответственно при 550 и 25 °С, кДж/кмоль; 24860 и 8816—то же, для оксида углерода, кДж/кмоль 

     Тепловые потери с поверхности электролизера определяют на основании законов теплопередачи конвекцией и излучением.

     Для определения теплоотдачи конвекцией применяем зависимость: 

     Q_к=α_кS (t_п-t_в), 

     где Q_к—отдача тепла конвекцией, кДж; α_к—коэффициент конвективной теплоотдачи, кДж(м2·ч·ºС); S—площадь теплоотдающей поверхности, м2; t_п—температура поверхности, °С; t_в—температура окружающей среды (воздуха), °С.  

     Теплоотдача излучением выражается зависимостью: 

     Q_изл = С₀ε_пφ (T_п/100)4 - (T_в/ЮО)4, 

     где Q_изл—отдача тепла излучением, кДж; С_о—коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 20,53 кДж(м2·ч·К); εп—приведенная степеньчерноты, безразмерная величина; φ—угловой коэффициент или коэффициент облученности окружающего пространства; T_п и T_в—соответственно температуры теплоотдающей поверхности и окружающей среды, К. 

     При расчетах обычно находят потери тепла  штырями, анодной массой, боковыми поверхностями  анодного и катодного кожуха, газосборным  колоколом, коркой электролита и  днищем кожуха.

     Расхождение между приходной и расходной частями теплового баланса при правильном подборе величин, участвующих в расчете, не должно превышать 1,5—2,0 %. Исходя из этого, для упрощения расчета тепловые потери с поверхностей электролизера определяем по разности: 

     Qп  = (Qэл + Qaн) - (Qразл + Qмет + Qгаз) = (933 600 + 187 129) - (596 189 + 40 094 + 13 107) = 471 331 кДж. 

     Данные расчета приведены в табл. 3. 

     Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока 65 кА 

Приход  тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От  прохождения электрического тока	933 600	83.3	Разложение  глинозема	596 189	53,2
			С вылитым  алюминием	40 094	3,58
Oт  сгорания угольного анода	187 129	16,7	С отходящими газами	13 107	1,17
			С поверхности  электролизера	471 331	42,05
И т  о г о	1 120 729	100	И т о г  о	1 129 721	100

 

     Невязка  

     Новая конструкция электролизера обязательно  проходит стадию испытаний на группе опытных электролизеров. Во время  этих испытаний уточняют конструктивные параметры электролизера н отрабатывают технологический режим.  

     На  основании полученных в результате опытной проверки данных уточняют расчеты алюминиевого электролизера по всем частям и составляют рекомендации по дальнейшему его использованию.[6]

Заключение 

   В настоящее время по объему производства алюминий занимает первое место среди цветных металлов, и производство его постоянно расширяется. По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов; его содержание в земной коре составляет 7,45%. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов. В чистом виде алюминий не встречается вследствие своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием – алюмосиликатов.

     Наиболее  приемлемым способом получения алюминия из его окиси является электролиз. Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970°С в электролизере.

     Основным  сырьем для электролитического получения  алюминия служит глинозем, или окись алюминия Al₂O₃.

     В данной курсовой работе предложен расчет отделения электролиза алюминия с применением теоретических  данных и характеристик оборудования. В расчетной части приведен конструктивный, материальный, электрический и энергетический расчет отделения электролиза алюминия производительностью 115 000 тонн в год и силой тока 65 кА.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 

      1  Николаев И.В., Москвитин В.И., Фомин  Б.А., Металлургия легких металлов//-М.Металлургия, 1997

      2 Деркач А.С., Левитан Г.У., Лебедев В.И., Сенин В.Н., Солнцев С.С., Форсблом Г.В. Электролиз алюминия//-М. Металлургия, 1967 

     3 Абрамов Г.А. Теоретические основы электрометаллургии алюминия//- М. Металлургия, 1953

      4 Борисоглебский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я. Металлургия алюминия//-М.Металлургия, 1999

     5 Лайнер А.И., Производство глинозема//-М. Металлургия, 1961

     6 Интернет//http://www.alfametal.ru/?id=gl18

     7 http://metmk.com.ua/11spr_alum.php