Курсовая работа на тему:

Конструктивный расчет ванн

Содержание

1) Конструктивный расчет

1.1 На основании этих данных определяем размеры анода.

1.2 Размеры шахты ванны

1.3 Конструкция подины

1.4 Внутренние размеры катодного кожуха.

1.5 Наружные размеры катодного кожуха

2) Материальный расчет

2.1 Расходные нормы

2.2 Расходная часть

3) Электрический расчет

3.1 Определяем падение напряжения в анодном устройстве

3.1.1 Падение напряжения в стояках

3.1.2 Определяем падение напряжения в анодных шинах

3.1.3 Определяем падение напряжения в анодных спусках

3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемся аноде

3.1.5 Определяем падение напряжения в контактах анодного узла

3.1.6 Падение напряжений в анодном устройстве определяется суммой всех падений напряжения в аноде

3.2 Падение напряжения в электролите

3.3 Падение напряжения в катодном устройстве

3.3.1 Падение напряжения в подине

3.3.2 Падение напряжения в стержнях не заделанных в подину

3.3.3 Падение напряжения в катодных спусках

3.3.4 Падение напряжения в катодных шинах

3.3.5 Падение напряжения в контактах

3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектов

3.5 Греющее напряжение

3.6 Рабочее напряжение

3.7 Среднее напряжение

3.8 Определяем основные показатели

4) Тепловой расчет

4.1 Приход

4.1.1 Тепло от электроэнергии

4.1.2 Тепло от сгорания анода

4.1.3 Суммарный приход тепла

4.2 Расход тепла

4.2.1 На разложение глинозема

4.2.2 С выливкой металла

4.2.3 Унос тепла с газами

4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера

5) Расчет числа электролизеров в серии

1) Конструктивный расчет

Конструктивный расчет выполняется для определения размеров конструктивных элементов ванн, для этого необходимы следующие показатели: сила тока на ванне, анодная плотность тока. Анодную плотность тока принимаем 0,78 А/см²

1.1 На основании этих данных определяем размеры анода

,

где: I - сила тока, А, d_A - плотность тока, А/см²

В_А - ширина анодного массива принимаем 210 см, тогда длина анодного массива будет:

Н_А - высота анодного массива:

Н_А= h_{конуса спекания} + h_{жидкой части} = 135 + 45 =180 см

1.2 Размеры шахты ванны

Внутренние размеры шахты ванны определяются исходя из размеров анодного массива и расстояния до боковой футеровки, которое составляет: по продольной стороне 55см, а по торцевой 50см.

Ширина шахты - В_Ш

В_Ш = В_А + 2 · 55 = 210 + 110= 320 см

Длина шахты - L_Ш

L_Ш = L_АМ + 2 · 50 = 427,4 + 100 = 527,4 см

Глубина шахты - Н_Ш

Н_Ш = h_МЕ + h_ЭЛ = 30 + 20 =50 см

1.3 Конструкция подины

Число блоков. В настоящее время длина катодных блоков 60 - 220 см, шириной 55 см, высотой 40 см, ширина угольной засыпки 4 см. Отсюда число катодных блоков в ряду будет равно:

а - размер набоечного шва в торцах

b - Размер набоечного шва по продольным сторонам

,

где L₁ и L₂ длина катодных блоков, см

1.4 Внутренние размеры катодного кожуха.

Определяются размерами шахты ванны с учетом теплоизоляции

Длина катодного кожуха L_КОЖ.

L_КОЖ. = L_Ш + 2 (20 + h_ТЕПЛ) = 527,4 + 2 (20 + 8) = 583,4 см

Ширина катодного кожуха В_КОЖ.

В_КОЖ. = В_Ш + 2 (20+8) = 320 + 56 = 376 см

Высота кожуха Н_КОЖ.

Н_КОЖ. = Н_Ш + Н_Б + 6,5 + 5 = 50 + 40 + 11,5 = 101,5 см

1.5 Наружные размеры катодного кожуха

Наружная длина L_КОЖ.Н.

L_КОЖ.Н. = L_КОЖ. + (2 · 40) = 583,4 + 80 = 663,4 см

Наружная ширина кожуха В_КОЖ.Н.

В_КОЖ.Н. = В_КОЖ. + (2 · 40) = 376 + 80 = 456 см

2) Материальный расчет

Проводится для определения производительности электролизера и расхода сырья на производство алюминия. Исходными данными является сила тока, выход по току и расходные нормы по сырьевым материалам и анодной массе.

η_i - выход по току, принимаем 0,9

I - сила тока 70000 А

2.1 Расходные нормы

AI₂O₃ - 1,92 - 1,93 т/т AI - Р_г

Анодная масса - 0,5 т/т AI - Р_а

Фторсоли 0,057 т/т AI - Р_ф 2.1 Приходная часть

Производительность электролизера определяется по формуле

Р AI = С · I · η_i · 10^-3,где С - электрохимический эквивалент, 0,336 г/А·ч

Р AI = 0,336 · 70000 · 0,9 · 0,001 = 21,17 кг/ч

Определяем приход материалов в ванну

Р AI₂O₃ = Р AI · Р_г = 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 Расходная часть

Анодные газы

Количество СО и СО₂.

N_СО и N_СО2 - мольные доли СО и СО₂ в анодных газах, N_СО - 0,4, а N_СО2 - 0,6.

Весовое количество СО и СО₂

Р_СО2 = М_СО2 · 44 = 0,44 · 44 = 19,36 кг

Р_СО = М_СО · 28 = 0,29 · 28 = 8,12 кг

Потери глинозема ΔР AI₂O₃.

ПAI_{п, т} - практический и теоретический расход глинозема, т/т AI

ΔР AI₂O₃ = Р AI (ПAI_п - ПAI_т) = 21,17 · (1,92 - 1,89) = 0,635 кг

Потери фторсолей ΔР_ФТОР.

ΔР_ФТОР = Р_ФТОР = 1,21 кг

Потери углерода Р_С = (М_СО + М_СО2) · 12 = (0,29 + 0,44) · 12 = 8,76 кг

ΔР_С = Р_АНОД - Р_С = 10,6 - 8,76 = 1,84 кг

Таблица материального баланса.

3) Электрический расчет

Цель: определение конструктивных размеров ошиновки, определение падения напряжения на всех участках цепи, составление баланса напряжений. Определение рабочего греющего и среднего напряжения. Определение выхода по энергии и удельного расхода по электроэнергии.

d_AI = 0,415 A/мм² = 41,5 A/см²

d_Cu = 0,7 A/мм² = 70 A/см²

d_Fe = 0,18 A/мм² = 18 A/см²

3.1 Определяем падение напряжения в анодном устройстве

3.1.1 Падение напряжения в стояках

,

где:

I - сила тока, А

ρ_t - удельное сопротивление проводника, Ом · см

а - длина участка шинопровода, см

S_Об - общее сечение проводника, см²

S_ЭК -экономически выгодное сечение стояка, см²

n_Ш - число алюминиевых шин, шт

,

где:

S_ПР - практическое сечение одной шины, см²

S_Об - общее сечение стояка, см²

S_Об = n_Ш · S_ПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см²

ρ_{t AI} - удельное сопротивление алюминиевых шин

ρ_{t AI} = 2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10^-6 Ом · см,

где t из практических данных 60 ^° С

ρ_{t AI} = 2,8 (1 + 0,0038 · 60) · 10^-6 = 3,44 · 10^-6 Ом · см

высота стояка а - из практических данных 265 см

3.1.2 Определяем падение напряжения в анодных шинах

Общее сечение анодных шин

S_Об= S_{Об ст} = n_Ш · S_ПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см²

Удельное сопротивление АI шин при t = 80 ^° С

ρ_{t AI} = 2,8 (1 + 0,0038 · 80) · 10^-6 = 3,65 · 10^-6 Ом · см

Длина анодных шин принимается равная длине кожуха + 100 см

L_А.Ш. = L_КОЖ + 100см = 583,4 + 100 = 683,4 см

Падение напряжения в анодных шинах

Определяем количество рабочих штырей

_,

где:

2 - количество рабочих рядов, шт

Р - периметр анода, см

Р = 2 · (L_А + В_А) = 2 · (210 + 427,4) = 1274,8 см

Определяем среднее сечение штыря

Определяем средний диаметр штыря

Длина штыря 105см

3.1.3 Определяем падение напряжения в анодных спусках

Удельное сопротивление анодных спусков при t = 150 ^° С

ρ_{t Cu} = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10^-6 = 2,9 · 10^-6 Ом · см

Сечение анодных спусков

При длине анодных спусков 210 см определяем падение напряжения

Определяем количество медных шинок приходящихся на 1 штырь, если сечение одной шинки 1см²

3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемся аноде

Определяется по формуле

Где:

В_А - ширина анода, см

S_А - площадь анода, см²

К - количество штырей, шт

l_СР - среднее расстояние от токоведущих штырей до подошвы анода - 45см

ρ_t - удельное электро сопротивление анода 0,007 Ом · см

d_А - анодная плотность тока - 0,78 А/см²

D - длина забитой части штыря - 85 см

3.1.5 Определяем падение напряжения в контактах анодного узла

Принимается по практическим данным:

Анодная шина - анодный стояк

Анодный стояк - катодная шина

Анодная шина - анодный спуск

Принимаем по 0,005 в на каждом участке, тогда

ΔU_КОНТ = 0,005 · 3 = 0,015 в

В контакте шинка - штырь 0,007 в, тогда общее падение напряжения в контактах составляет ΔU_{КОНТ АН.} = 0,022 в

3.1.6 Падение напряжений в анодном устройстве определяется суммой всех падений напряжения в аноде

ΔU_{АН УСТР} = ΔU_СТ + ΔU_А.Ш. + ΔU_{А. СП.} + ΔU_А + ΔU_{КОНТ АН} =

= 0,036 + 0,1 + 0,0426 + 0,254 + 0,022 = 0,4546 в

3.2 Падение напряжения в электролите

Рассчитывается по формуле

,

где:

I - сила тока 70000 А

ρ_t - удельное сопротивление электролита 0,5 Ом · см

l - межполюсное расстояние 4-5 см

S_А - площадь анода, см²

L_А - длина анода 427,4 см

В_А - ширина анода 210 см

3.3 Падение напряжения в катодном устройстве

3.3.1 Падение напряжения в подине

где l_ПР - приведенная длина пути тока по блоку

,

где:

Н - высота катодного блока 40 см

h - высота катодного стержня с учетом чугунной заливки 13 см

в - ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки 26см

ρ_t - удельное электро сопротивление угольного блока 0,005 Ом · см

А - половина ширины шахты 320: 2 = 160 см

а - ширина бортовой настыли в шахте ванны 40-60 см

В - ширина блока с учетом шва 59 см

S_СТ - площадь поперечного сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки 338 см²

d_А - 0,78 А/мм²

3.3.2 Падение напряжения в стержнях не заделанных в подину

где:

L - длина стержня 50 см

S - суммарная площадь поперечных сечений катодных стержней

S = 23 · 11,5 · 16 = 4232 см²

ρ_Fe - удельное сопротивление стержней при t = 150 ^° С

ρ_t = 13 · (1 + 0,004 · 150) · 10^-6 = 2,08 · 10^-5 Ом · см

3.3.3 Падение напряжения в катодных спусках

где:

L - длина спусков 60 см

ρ_Сu - удельное сопротивление катодных спусков при t = 150 ^° С

ρ_t = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10^-6 = 2,912 · 10^-6 Ом · см

S_{Э.В. -} экономически выгодная площадь поперечного сечения спусков

Число лент в пакете катодных спусков приходящихся на 1 штырь

Площадь поперечного сечения лент

Падение напряжения

3.3.4 Падение напряжения в катодных шинах

где:

ρ_AI - удельное сопротивление АI шин при t = 150 ^° С

ρ_{t AI} = 2,8 (1 + 0,0038 · 150) · 10^-6 = 4,396 · 10^-6 Ом · см

L - длина катодных шин

L = L_K + 100 см = 583,4 + 100 = 683,4 см

S_К.Ш. - площадь сечения катодных шин

Площадь сечения 1-ой шины 43 · 6,5 = 279,5 см²

Количество шин

S - экономически выгодная площадь сечения катодных шин

S = 279,5 · 6 = 1677 см², падение напряжения.

3.3.5 Падение напряжения в контактах

1) Катодный стержень - спуск.

2) Спуск - катодная шина.

Составляют по 0,005 в на каждом участке, поэтому в сумме 0,01 в.

3.3.6 Падение напряжения в катодном устройстве.

Определяется как сумма всех потерь

3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектов

где: /U_А.Э. - напряжение анодного эффекта до 40 в, К - количество анодных эффектов в сутки 1 шт, U_РАБ - принимаем 4,25 в, τ - продолжительность анодного эффекта, принимаем 2 мин.

3.5 Греющее напряжение

ΔU_ГР = ΔU_А + ΔU_ПОД + ΔU_ЭЛ + ΔU_А.Э. + U_РАЗЛ=

= 0,254 + 0,32 + 1,6 + 0,0496 + 1,65 = 3,8736 в

3.6 Рабочее напряжение

ΔU_РАБ = ΔU_ЭЛ + U_РАЗЛ + ΔU_{КАТ. УСТР.} + ΔU_{АН. УСТР.} + ΔU_{ОБЩЕСЕР.} =

= 1,6 + 1,65 + 0,4839 + 0,4546 + 0,05 = 4,2385 в

3.7 Среднее напряжение

ΔU_СР = ΔU_РАБ + ΔU_А.Э.

где ΔU_{ОБЩЕСЕР} - падение напряжения в общесерийной ошиновке, принимаем 0,05в

ΔU_РАБ = 4,2385 + 0,0496 = 4,2881 в

Данные из расчета сводим в таблицу

3.8 Определяем основные показатели

Выход по энергии

где:

η_i - выход по току, принимаем 0,9

с - электрохимический эквивалент 0,336 г/А·ч

Удельный расход электроэнергии

4) Тепловой расчет

Данный расчет составляется для t = 25 ^° С. При выполнении данного расчета учитывается уравнение теплового баланса.

Q_ЭЛ + Q_{СГОР. АНОДА} = Q_РАЗЛ + Q_МЕТ + Q_ГАЗ + Q_ПОТ

4.1 Приход

4.1.1 Тепло от электроэнергии

I - сила тока 70 кА

U_ГР - напряжение греющее 3,87 в

Q_ЭЛ = 3,6 · 10³ · I · U_ГР = 3,6 · 10³ · 70 · 3,87 =975240 кДж/ч

4.1.2 Тепло от сгорания анода

Q_{СГОР. АНОДА} = P_CO · ΔН_CO + P_CO2 · ΔН_CO2

где: ΔН_СО2 и ΔН_СО - тепловой эффект образования реакции СО₂ и СО.

По справочнику:

ΔНсо₂ = 394070 кДж. /кМоль

ΔНсо = 110616 кДж. кМоль

P_CO и P_CO2 количества СО иСО₂ в кило молях

,

где: m - объемная доля СО₂ в анодных газах, принимаем 0,6 или 60%

Q_{СГОР. АНОДА} = 0,294 · 110616 + 0,440 · 394070 =

= 32521,1 + 173390,8 = 205911,9 кДж/ч

4.1.3 Суммарный приход тепла

Q_ПРИХ = Q_{СГОР. АНОДА} + Q_ЭЛ = 205911,9 + 975240 = 1181151,9 кДж/ч

4.2 Расход тепла

4.2.1 На разложение глинозема

Q_РАЗЛ = Р_АI2О3 · Н_Т^АL2О3

где: Н_Т^АI2О3 - тепловой эффект образования реакции глинозема при температуре 25 ˚С.

По справочнику:

Н_Т^АI2О3 = 1676000 кДж. /кМоль

Р_АI2О3 - расход глинозема на электрическое разложение

где: F - число Фарадея 26,8 А·ч

Q_РАЗЛ = 0,39 · 1676000 = 653640 кДж/ч

4.2.2 С выливкой металла

Определяется из условия равенства вылитого AI и наработанного за то же время

Q_МЕТ = Р_AI · (ΔН⁹⁶⁰ - ΔН²⁵)

где:

27 - атомная масса алюминия

ΔН⁹⁶⁰ - теплосодержание алюминия при температуре 960 ˚С - 43982 кДж/моль

ΔН²⁵ - теплосодержание алюминия при температуре 20 ˚С - 6716 кДж/моль

Q_МЕТ = 0,78 · (43982 - 6716) = 29067,5 кДж/ч

4.2.3 Унос тепла с газами

Q_ГАЗ = V · C · (t₂ - t₁)

где:

V - объем газов, принимаем 7600 м³/ч

С - теплоемкость анодных газов 1,4 кДж/м³·°С

t₁, t₂ - температура газов 25 °С, 50 °С

Q_ГАЗ = 7600 · 1,4 · (50 - 25) = 266000 кДж/ч

4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера

Q_ПОТ = Q_ПРИХ - (Q_РАЗЛ + Q_МЕТ + Q_ГАЗ) =

= 1181151,9 - (653640 + 29067,5 + 266000) = 232444,4 кДж/ч

5) Расчет числа электролизеров в серии

Число работающих электролизеров определяется U_СР и U_{ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ}. Для серии электролизеров выпрямительный агрегат имеет U = 850 в. Учитываются потери напряжения в шинопроводах подстанции, принимаем 1%. Резерв напряжения при снижении I при анодном эффекте принимаем 40 в. Резерв напряжения для компенсации колебаний напряжения во внешней электросети 1%. При этом напряжение серии составит:

U_СЕРИИ = 850 - (8,5 + 40 + 8,5) = 793 в

Число работающих электролизеров

Число резервных электролизеров

Производительность серии в год

Р = I · 8760 · 0,336 · n_РАБ · η_i · 10^-6 =

= 70000 · 8760 · 0,336 · 185 · 0,9 · 10^-6 = 34305 т/год