Конструктивный расчет ванн

2

























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, 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.









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.




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



,



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







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







3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемся аноде

Определяется по формуле







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







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



,



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







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







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







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




3.8 Определяем основные показатели



Выход по энергии







где:

ηi - 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.



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%







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






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







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