Контрольная работа: Конструктивный расчет ванн

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, dA - плотность тока, А/см2

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

НА - высота анодного массива:

НА= hконуса спекания + hжидкой 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 - ВШ

ВШ = ВА + 2 · 55 = 210 + 110= 320 см

Длина шахты - LШ

LШ = LАМ + 2 · 50 = 427,4 + 100 = 527,4 см

Глубина шахты - НШ

НШ = hМЕ + hЭЛ = 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 LКОЖ.

LКОЖ. = LШ + 2 (20 + hТЕПЛ) = 527,4 + 2 (20 + 8) = 583,4 см

Ширина катодного кожуха ВКОЖ.

ВКОЖ. = ВШ + 2 (20+8) = 320 + 56 = 376 см

Высота кожуха НКОЖ.

НКОЖ. = НШ + НБ + 6,5 + 5 = 50 + 40 + 11,5 = 101,5 см

1.5 Наружные размеры катодного кожуха

Наружная длина LКОЖ.Н.

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

Наружная ширина кожуха ВКОЖ.Н.

ВКОЖ.Н. = ВКОЖ. + (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.

ηi - выход по току, принимаем 0,9

I - сила тока 70000 А

2.1 Расходные нормы

AI2O3 - 1,92 - 1,93 т/т AI - Рг

Анодная масса - 0,5 т/т AI - Ра

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

Производительность электролизера определяется по формуле

Р AI = С · I · ηi · 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 · Рг = 21,17 · 1,92 = 40,65 кг

РАНОД = Р AI · Ра = 21,17 · 0,5 = 10,6 кг

РФТОР = Р AI · РФ = 21,17 · 0,057 = 1,21 кг

2.2 Расходная часть

Анодные газы

Количество СО и СО2.

NСО и NСО2 - мольные доли СО и СО2 в анодных газах, NСО - 0,4, а NСО2 - 0,6.

Конструктивный расчет ванн

Весовое количество СО и СО2

РСО2 = МСО2 · 44 = 0,44 · 44 = 19,36 кг

РСО = МСО · 28 = 0,29 · 28 = 8,12 кг

Потери глинозема ΔР AI2O3.

ПAIп, т - практический и теоретический расход глинозема, т/т AI

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

Потери фторсолей ΔРФТОР.

ΔРФТОР = РФТОР = 1,21 кг

Потери углерода РС = (МСО + МСО2) · 12 = (0,29 + 0,44) · 12 = 8,76 кг

ΔРС = РАНОД - РС = 10,6 - 8,76 = 1,84 кг

Таблица материального баланса.

Конструктивный расчет ванн

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.

dAI = 0,415 A/мм2 = 41,5 A/см2

dCu = 0,7 A/мм2 = 70 A/см2

dFe = 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

ρt - удельное сопротивление проводника, Ом · см

а - длина участка шинопровода, см

SОб - общее сечение проводника, см2

SЭК -экономически выгодное сечение стояка, см2

nШ - число алюминиевых шин, шт

Конструктивный расчет ванн ,

где:

SПР - практическое сечение одной шины, см2

SОб - общее сечение стояка, см2

SОб = nШ · SПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2

ρt AI - удельное сопротивление алюминиевых шин

ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10-6 Ом · см,

где t из практических данных 60 ° С

ρt 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

SОб= SОб ст = nШ · SПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2

Удельное сопротивление АI шин при t = 80 ° С

ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 80) · 10-6 = 3,65 · 10-6 Ом · см

Длина анодных шин принимается равная длине кожуха + 100 см

LА.Ш. = LКОЖ + 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 · (LА + ВА) = 2 · (210 + 427,4) = 1274,8 см

Определяем среднее сечение штыря

Определяем средний диаметр штыря

Конструктивный расчет ванн

Длина штыря 105см

3.1.3 Определяем падение напряжения в анодных спусках

Удельное сопротивление анодных спусков при t = 150 ° С

ρt 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

Конструктивный расчет ванн

3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемся аноде

Определяется по формуле

Конструктивный расчет ванн

Где:

ВА - ширина анода, см

SА - площадь анода, см2

К - количество штырей, шт

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

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

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

D - длина забитой части штыря - 85 см

Конструктивный расчет ванн

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

ΔUКОНТ = 0,005 · 3 = 0,015 в

В контакте шинка - штырь 0,007 в, тогда общее падение напряжения в контактах составляет ΔUКОНТ АН. = 0,022 в

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

ΔUАН УСТР = ΔUСТ + ΔUА.Ш. + ΔUА. СП. + ΔUА + ΔUКОНТ АН =

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

3.2 Падение напряжения в электролите

Рассчитывается по формуле

Конструктивный расчет ванн ,

где:

I - сила тока 70000 А

ρt - удельное сопротивление электролита 0,5 Ом · см

l - межполюсное расстояние 4-5 см

SА - площадь анода, см2

LА - длина анода 427,4 см

ВА - ширина анода 210 см

3.3 Падение напряжения в катодном устройстве

3.3.1 Падение напряжения в подине

Конструктивный расчет ванн

где lПР - 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

ρt - 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

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

dА - 0,78 А/мм2

Конструктивный расчет ванн

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

ρFe - удельное сопротивление стержней при t = 150 ° С

ρt = 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

ρСu - удельное сопротивление катодных спусков при t = 150 ° С

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

SЭ.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:

ρAI - удельное сопротивление АI шин при t = 150 ° С

ρt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 150) · 10-6 = 4,396 · 10-6 Ом · см

L - длина катодных шин

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

SК.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

Конструктивный расчет ванн

3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектов

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

3.5 Греющее напряжение

ΔUГР = ΔUА + ΔUПОД + ΔUЭЛ + ΔUА.Э. + UРАЗЛ=

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

3.6 Рабочее напряжение

ΔUРАБ = ΔUЭЛ + UРАЗЛ + ΔUКАТ. УСТР. + ΔUАН. УСТР. + ΔUОБЩЕСЕР. =

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

3.7 Среднее напряжение

ΔUСР = ΔUРАБ + ΔUА.Э.

где ΔUОБЩЕСЕР - падение напряжения в общесерийной ошиновке, принимаем 0,05в

ΔUРАБ = 4,2385 + 0,0496 = 4,2881 в

Данные из расчета сводим в таблицу

Конструктивный расчет ванн

3.8 Определяем основные показатели

Выход по энергии

Конструктивный расчет ванн

где:

ηi - выход по току, принимаем 0,9

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

Удельный расход электроэнергии

Конструктивный расчет ванн

4) Тепловой расчет

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

QЭЛ + QСГОР. АНОДА = QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ + QПОТ

4.1 Приход

4.1.1 Тепло от электроэнергии

I - сила тока 70 кА

UГР - напряжение греющее 3,87 в

QЭЛ = 3,6 · 103 · I · UГР = 3,6 · 103 · 70 · 3,87 =975240 кДж/ч

4.1.2 Тепло от сгорания анода

QСГОР. АНОДА = PCO · ΔНCO + PCO2 · ΔНCO2

где: ΔНСО2 и ΔНСО - тепловой эффект образования реакции СО2 и СО.

По справочнику:

ΔНсо2 = 394070 кДж. /кМоль

ΔНсо = 110616 кДж. кМоль

PCO и PCO2 количества СО иСО2 в кило молях

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

Конструктивный расчет ванн

QСГОР. АНОДА = 0,294 · 110616 + 0,440 · 394070 =

= 32521,1 + 173390,8 = 205911,9 кДж/ч

4.1.3 Суммарный приход тепла

QПРИХ = QСГОР. АНОДА + QЭЛ = 205911,9 + 975240 = 1181151,9 кДж/ч

4.2 Расход тепла

4.2.1 На разложение глинозема

QРАЗЛ = РАI2О3 · НТАL2О3

где: НТАI2О3 - тепловой эффект образования реакции глинозема при температуре 25 ˚С.

По справочнику:

НТАI2О3 = 1676000 кДж. /кМоль

РАI2О3 - расход глинозема на электрическое разложение

где: F - число Фарадея 26,8 А·ч

QРАЗЛ = 0,39 · 1676000 = 653640 кДж/ч

4.2.2 С выливкой металла

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

QМЕТ = РAI · (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

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

4.2.3 Унос тепла с газами

QГАЗ = 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

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

4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера

QПОТ = QПРИХ - (QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ) =

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

Конструктивный расчет ванн

5) Расчет числа электролизеров в серии

Число работающих электролизеров определяется UСР и UПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. 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:

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

Число работающих электролизеров

Конструктивный расчет ванн

Число резервных электролизеров

Производительность серии в год

Р = I · 8760 · 0,336 · nРАБ · ηi · 10-6 =

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

Контрольная работа: Конструктивный расчет ванн

Похожие работы: