Расчет электролизера по заданным параметрам

       Алюминий  растворяется в серной и соляной  кислотах и щелочах.

       Азотная и органические кислоты на алюминий не действуют.

       Механические  свойства зависят от количества примесей, механической обработки, температуры. С ростом содержания примесей прочность алюминия растет, а пластичность уменьшается.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       

       

       1.2. Применение алюминия 

       Обладая такими свойствами  как малая  плотность, высокая теплопроводность, высокая электропроводность, высокая  пластичность и коррозионная стойкость, высокие прочностные свойства, алюминий получил широкое  использование  в различных отраслях современной техники.

          Чистый технический алюминий  используется в электротехнике  и для производства фольги. Основная  часть алюминия применяется в  виде литейных и деформируемых  сплавов и небольшое количество -  в виде порошков.

          За последнее время Al широко используется в машиностроении, производстве строительных конструкций, химической, атомной и пищевой промышленности (в качестве упаковочного материала), электротехнической промышленности, авиастроении, ракетостроении, оборонной промышленности, в черной металлургии, для получения металлов методом алюмотермии.

        

           Деформируемые сплавы. Для повышения механических свойств изделий из алюминия изготавливаются сплавы, легированные различными элементами ( Cu, Mn, Si, Mg, Zn  и др.)

           Изготовляются эти сплавы по ГОСТу, который  регламентирует химический состав. Сплавы изготовляются в виде чушек или слитков в зависимости от того, для каких целей изготовляется сплав.

       Сплавы, используемые для изготовления фольги, - это сплавы Al- Mn, Al- Mg.

       Сплавы для автомобильной  промышленности - это сплавы Al- Mg, Al- Mn , Al- Mg- Si.

       Сплавы  для авиационной промышленности - это сплавы Al- Cu,  Al- Zn, Al- Mg-Li.

       

       Сплавы  для изготовления жестких контейнеров  применяются для изготовления деталей  донышек и обечаек консервных банок. Донышки изготавливают из сплава Al- Cu- Mn, Обечайки из сплава Al- Mn.

         Литейные сплавы.

       Широкое применение получили сплавы, основной легирующей добавкой  в которых  является  Si,  сплавы с содержанием Si в 10-13% называются силумины. Помимо Si используются в качестве легирующих добавок Cu, Mn, Si, Mg, Zn. Такие сплавы применяются для изготовления деталей практически во всех отраслях

       Основные  направления потребления  первичного алюминия

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
       

       

       1.3. Производство алюминия 

       Основным  способом получения алюминия является электролиз криолитоглиноземных расплавов 

       Первые  промышленные электролизеры были рассчитаны на силу тока до 0,6кА, и  за последующие 100 лет используемая сила тока возросла до 300кА и более. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.

       Общую схему производства  алюминия можно  представить в виде:

 
 
 
 
 
 
 

Основным  агрегатом в этой схеме является электролизер

 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Принципиальная  схема электролизера  с самообжигающимся анодом (Содерберга)

       Электролит  представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фтористого алюминия, в котором растворен  глинозем. Процесс протекает при переменных концентрациях глинозема от1% до 8%. Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Существует два основных типа расходуемых анодов самообжигающиеся и предварительно обожженные.

       Самообжигающиеся  аноды используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Сам угольный анод находится в стальной рубашке.

       Обожженные  аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего

       К аноду подводится положительный полюс электрической цепи постоянного тока. Для самообжигающихся анодов -  посредством запеченных в угольную часть анода стальных или сталь-алюминиевых  токоподводов (штырей). Штыри посредством зажимов крепятся к анодной раме, подвешенной на домкратах. Домкраты перемещают анодную раму  и весь анод.

       Расплавленный алюминий при температуре электролиза 950-960⁰С тяжелее электролита и находится на подине электролизера. К подине подводится отрицательный полюс цепи постоянного тока.

       Криолитоглиноземные расплавы  очень агрессивны, противостоять им  могут углеродистые материалы или некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера. В нижнюю часть угольной футеровки заделаны стальные стержни, через которые производится  токоподвод.  Для поддержания тепла в электролизере за углеродистой футеровкой ванны располагается огнеупорная и теплоизоляционная футеровка. Вся футеровка размещается в стальном кожухе.

         

       Для преобразования переменного тока в  постоянный применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные на кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один агрегат дает ток силой до 63кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, т.к они включены параллельно.

       Процесс, протекающий в электролизере, состоит  в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите.

       Al₂O₃ →  2Al⁺³  +3О^-2

           Положительно заряженные катионы Al⁺³  присоединяют свободные электроны катода 

       Al⁺³  +3е^- = Al ,

         превращаются в нейтральные атомы и выделяются на жидком алюминиевом катоде. По мере накопления жидкого алюминия он  выливается  с помощью вакуум  ковша. Вылитый металл направляется в литейное отделение для разливки в товарную продукцию.

       Отрицательно заряженные анионы на положительно заряженном аноде превращаются в кислород:

       О^-2-2е^-→О₂

       Выделяющийся  на угольном аноде кислород окисляет уголь до СО и СО₂, эти газы и выделяются из -под анода.

       Электролизеры оборудуются укрытиями, отводящими выделяющиеся газы в систему газоочистки. В отходящих от электролизёров газах преобладает СО₂ ( большая часть СО дожигается над электролитом либо в горелках), азот, кислород, газообразные и твердые фториды, частички глиноземной пыли. В системе газоочистки по определенной технологической схеме происходит очистка  от вредных примесей и возврат фторидов в производство.

       

         Суммарная реакция, происходящая  в электролизере, может быть  представлена уравнением

       Al₂O₃ + хС = 2 Al + (2х – 3) СО +  (3-х) СО₂

       Таким образом,  теоретически на производство алюминия расходуется глинозем, углерод анода, электроэнергия для разложения глинозема и  поддержания рабочий температуры.

       Практически -  расходуются фтористые соли, которые испаряются и впитываются  в футеровку.

       Производство  алюминия - одно из самых энергоемких производств, расход электроэнергии достигает 14500-1800кВт-час на получение 1т алюминия.

       Для получения 1т алюминия расходуется :

         глинозема - 1925-1930 кг/т;

       углерода  анода - 500-600кг/т;

       фтористых солей -  50-70кг/т.

       Все материалы , поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей, более электроположительных чем алюминий ( железо, кремний, медь и др.), т.к они переходят в метал. 
 
 
 
 
 
 
 

       

       

       Расчёт  электролизёра  заданной  мощности

       Выбор плотности тока. Материальный баланс.

       Плотность тока выбирается по графику зависимости  плотности тока  от силы тока для  электролизёра заданной мощности. Для  данного электролизёра с  ВТ в соответствии с графиком плотность тока  составляет 0,70А/см².

       

                      

       1 - верхний  токоподвод; 2 — обожженные аноды. 

       Расчёт  материального баланса

       Приход  материалов. Рассчитывается по расходу сырья на 1кг алюминия  и производительности электролизера в час. Для расчета используем данные, сложившиеся на основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизеров. 
 
 
 
 

       

       

       Расход  сырья (кг/кг AI) и выход по току (%) для различных типов электролизеров