Конструктивный расчет электролизера

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

2. Avdeev A. A. Pulsations of a gas bubble in the acoustic field (resonance and limits of the polytropic approximation) // High Temperature. - 2014. - 52(6). - P. 851-860.

3. Pezo, M.L., Stevanovic, V.D., Numerical Prediction of Nucleate Pool Boiling Heat Transfer Coefficient under High Heat Fluxes // Thermal Science. - 2016. - 20(Suppl.1). - P. 113-123.

4. Selvaraj P., Sarangan J., Suresh S. Computational fluid dynamics analysis on heat transfer and friction factor characteristics of a turbulent flow for internally grooved tubes // Thermal Science. - 2013. - 17(4), P. 1125-1137.

5. Gupta M., Sharma D., Lakhera V. Vapor Bubble Formation, Forces, and Induced Vibration: A Review // Applied Mechanics Reviews - 2016. - 68(3):030801-030801-12. AMR-15-1131.

6. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по энергетике, гидродинамики, термодинамики. - М.: Изд-во МЭИ, - 2000. - 388 с.

7. Baidakov V.G., Pankov A.S. Nucleation in ethane-nitrogen solutions. II. Heterogeneous and initiated nucleation // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2015. - 86(7). - P. 936-942.

8. Rozentsvaig A.K., Strashinskii C.S. Hydrodynamic aspects of boiling up of a disperse phase in a homogeneous turbulent flow of an emulsion // High Temperature. 2011. - 49(1). - Р. 143-146.

9. Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Дробление низкокипящей дисперсной фазы в турбулентном потоке охлаждающей эмульсии // Журнал прикладной химии. - 2009. - 82(8). - С. 1314-1319.

10.Rozentsvaig, A.K., Strashinskii, C.S. Modeling of Heat Transfer Conditions in Cooling Lubricant Emulsions with Low-Boiling Continuous Media in Narrow Gaps // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2016. - 102

- Р.555-560.

11.Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С. Резонансный и градиентный механизмы инициированного вскипания в однородном турбулентном потоке низкокипящей дисперсной фазы в жидкостной эмульсии // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сб. Набережные Челны: изд-во ИНЭКА.

- 2008. - 12 - С. 74-85.

12.Розенцвайг А.К. Движение концентрированных эмульсий с неравновесной дисперсной фазой по трубопроводам в турбулентном режиме // Инженерно-физический журнал. - 1982. - 42(3). - С. 366-372.

13.Mamoru Ishii, Takashi Hibiki. Thermo-fluid Dynamics of Two-phase Flow. Springer Science + Business Media, Inc., New York, USA. -2006. - 462 p.

14.Huang D., Gao P., Chen C., Lan S. Effect of void fraction correlations on two-phase pressure drop during flow boiling in narrow rectangular channel // Nuclear Engineering and Design. - 2013. - (265). - P. 383 - 392.

© Розенцвайг А.К., Страшинский Ч.С., 2016

УДК 669

Ромасева Ю. А.

студентка «Красноярский государственный педагогический

университет им. В.П. Астафьева», г. Красноярск

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Аннотация

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера. В данной статье приведены расчеты размеров анодного устройства, катодного устройства, конструкция подины, ошиновки электролизера.

Ключевые слова

конструктивный расчет, анод, катод, электролизер.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070

Анодное устройство

Определение габаритов электролизера начнем с расчета размеров анода или анодного массива. Зная силу тока и анодную плотность тока, определяем суммарную площадь анодов, Z Sa^M2

I

Z Sa = —,

D

Da

где Da - анодная плотность тока, А/см2

272000

Z 5a =-= 377777,778 см2

a 0,72

Для электролизеров с обожженными анодами мощностью 175 кА и выше анод состоит из блоков 700x1455 и высотой 600 мм. Для таких электролизеров рассчитывается необходимое количество анодов щ, шт, по формуле

_ Z ^a _ Z ^a

=^7 = 70 • 145,5 , где 70445,5 - Sa это площадь сечения анодного блока, см2 .

377777,778

пп =--- = 37,09 шт, принимаем 36 шт.

а 70 • 145,5 F

Количество анодных блоков должно составить четное и целое число, т.к

аноды расположены в два ряда симметрично в анодном массиве.

Уточняем анодную плотность тока, Da, А/см2

_ I

= па • 70 • 145^

Это значение анодной плотности используем в дальнейших расчетах.

272000

= ^ ™ = 0,742 А/мм2

а 36 • 70 • 145,5 '

Расстояние между блоками по продольной стороне а=50 мм, а между рядами блоков b=160 мм.(для

размещения системы АПГ).

Тогда длина анодного массива Д4, см составит

36 36

— •70 + ( — 22

а ширина, Д4 ,см

= 2 • 145,5 + b

Д4 = 2 • 145,5 + 16 = 307 см

Ток к каждому анодному блоку подводится с помощью трех ниппелей. Число ниппелей установленных на электролизере пн ,шт, будет равно

= 3 • па,

где 3-количество ниппелей подводимых ток к одному анодному блоку; па - количество анодных блоков, шт. пн = 3•36 = 108 шт

Суммарное сечение ниппелей в блоке Z 5н , мм2 , равно

Aa = — • 70 + (— - 1) • 5 = 1345 см

% • d^ Z ^н = 4 • nH,

где - диаметр стального ниппеля, мм.

3,14 • 1502

Z 5н --- 108 = 1907550 мм2

н4

Плотность тока в ниппелях dHn , А/мм2 , составит

j I

°НП Е 5н'

272000

dHn =-= 0,143 А/мм2

нп 1907550 '

Сечение алюминиевых штанг принимаем равным 150x150 мм. Суммарное сечение штанг Е5шт равно,

2

мм :

ZS^ = 150 • 150 • па = 150 • 150 • 36 = 810000 мм2

Плотность тока в алюминиевых штангах d^ , А/мм2 , составит

I

^шт ус

272000

^шт =______= 0,336 А/мм

шт 810000 '

2

Катодное устройство.

Внутренние размеры шахты электролизера, т.е. ширина Вш и длинна 1ш , мм, составят:

Вш = Да + 2 • С

¿ш = Аа + 2 • Я ,

где С- расстояние «борт- анод» по продольной стороне КУ, принимаем С=300-400 мм D- расстояние «борт- анод» по торцевой стенке КУ, принимаем D=400 мм.

Вш = 307 + 2 • 40 = 387 см.

1ш = 1345 + 2 -45 = 1435 см.

Глубина Нш шахты определяется суммой уровней технологического алюминия мм, электролита мм, и толщина корки электролита с глиноземом в шахте ванны , мм,

^ш = ^м + Йэ + Йг ,

Нш=550 мм.

Конструкция подины.

Основные размеры падины определяются найденными геометрическими размерами шахты и стандартными размерами выпускаемых угольных блоков и блюмсов. В отечественной промышленности применяются только сборно-блочные подины.

Выпускаются катодные блоки высотой ^=400 мм, шириной Ьб=550 мм и длинной ¿б=3100 — 3500 мм.

Схема укладки подовых блоков в соответствии с рисунком 1.

Торцевой периферийный (4) должен составлять 150-200 мм. Это расстояние можно проверить расчетом:

Проверяем размер периферийного шва по продольной стенке ¿п мм

!п =

где 1Б -длинна катодного блока, мм

387 — 350

LП =-= 185 мм .

П2

Число блоков в подине Пбл, шт, определяем исходя из длинны шахты

пбл

Ьб + 40 590

Количество подовых блоков должно составить целое число.

14350

Пбл = = 24,152 принимаем 24 шт

Рисунок 1-Схема укладки подовых блоков 1-боковая футеровка; 2- межблочный шов; 3- катодные блоки; 4- продольные и торцевой

периферийные швы

Расстояние между катодными и боковыми блоками в торцах шахты электролизера Ьте0р, мм, составит

-^теор

1ш-[550-Пбл + (пбл- 1)-40] 2

14250 - [550 • 24 + (24 - 1) • 40]

^теор = -2-= 115 ММ-

Размеры катодного кожуха, т.е. длину, !кож ,ширину, Вкож, высоту, Нкож , мм находим по формулам

¿кож = ¿ш + 2 •

Дкож = Д„ + 2 •

Где 70- это толщина бокового карбид- кремниевого блока, мм

1кож = 14350 + 2 • (7,0 + 3,5) = 14560 мм.

йкож = 3870 + 2 • (7,0 + 3,5) = 4080 мм.

#кож = Яш + 400 + 90 + 5 • 65 + 22 + 8 + 10

Где 400 мм-это высота катодного блока

^кож = 550 + 400 + 90 + 5 • 65 + 22 + 8 + 10 = 1405 мм

Количество боковых блоков Пбл, шт, рассчитываем по формулу

_ Пш пбл = —

1 бл

где Пш - периметры шахты электролизера, см; 1бл - длина бокового блока, см.

36440

пбл = 55о = 67 , принимаем 67 шт.

Прием шахты Пш, мм2 ,рассчитываем по формуле

П = / • 2 + я • 2

Пш ^ ' яш

Пш = 14350 • 2 + 3870 • 2 = 36440 мм2 Суммарное сечение катодных стержней электролизера 2 5ст ,мм2 , будет равно

2 5ст = 115 • 230 • 2 • Пбл, Где 115 • 230- сечение стального катодного стержня без учета чугунной заливки, мм2  Пбл - количество катодных стержней, равное количеству катодных блоков в подине, шт.

2 5ст = 115 • 230 • 2 • 24 = 1269600 мм2 Плотность в стальных стержнях , А/мм2 равна

I

^ст у с

y s =-

CT л

„Ст

272000 _

^CT = -о™™» = 0,214 А/мм2 ст 1269600 '

Ошиновка электролизера.

Подвод тока к анодам осуществляется с помощью четырех стояков. Каждый стояк состоит из жесткой части (шин) и гибкой (лент).

Суммарное сечение шин в стояках У SCT , мм2 определяется по формуле

I

de

Где dCT- плотность тока в стояках , А/мм2 ,

272000

У SCT =-= 680000 А/мм2

ст 0,4 '

Сечение шин принимаем 515 • 70 мм, сечение алюминиевых лент 515 • 2 мм. Количество алюминиевых шин в стояках пш , шт, будет равно

У ^CT

Пш = 515-70

680000

пш = ^^—— = 18,863 , принимаем 19 шт,

При этом плотность тока в стояках dCT , А/мм2 , будет составлять

_ I dCT = 515 • 70 272000

^CT = ^тгг = 0,398 А/мм2. CT 515 • 70 • 19 '

Суммарное сечение лент в гибкой части стояков равняется суммарному сечению шин, тогда количество лент в пакетах пл , шт, рассчитывается по формуле

У S

CT

п =

Пл 515-2,

680000

пл = ^^—— = 660,195 , принимаем 660 шт

Суммарное сечение катодных шин ошиновки У , мм2 , рассчитывается по формуле

_ I

272000

У 5КШ =-= 683417,085 мм2

КШ 0,398

Определяем количество катодных шин пкш, шт,

У S

КШ

п =-

"кш 515 • 70

683417,085

пкш = —^——— = 18,957 , принимаем 19 шт,

Стальные катодные стержни (блюмсы) соединяются с алюминиевыми катодными шинами при помощи гибких пакетов из алюминиевых лент, приваренных к катодным стержням и швам. Сечение пакета из алюминиевых лент, которое соответствует сечению одного блюмса У 5л , мм2

I

У S =-

У ^ 2 • Пбл • ¿ст

272000

У = п п. » п - , = 26635,331 мм2 л 2 • 24 • 0,214

Количество лент на один стержень пл , шт, будет равно

У 5л

п„ =

л 170 • 2

26635,331 170 • 2

Где 170 • 2 - сечение ленты, мм2

пл = ——^— = 78,34 принимаем 78 ш^

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070 Список использованной литературы

1. Николаев И. В., Москвитин В. И., Фомин Б. А. Металлургия легких металлов - М.; Металлургия, 1997. - 432 с.

2. Минцис М. Я., Поляков П. В., Сиразутдинов Г. А. Электрометаллургия алюминия - Новосибирск; Наука, 2001. - 368 с.

3. Борисоглебский Ю. В, Галевкий Г. В., Кулагин Н. М., Минцис М. Я., Сиразутдинов Г.А. Металлургия алюминия - Новосибирск: Наука, 1999.- 437 с.

© Ромасева Ю.А. 2016 г.

УДК 669

Ромасева Ю.А.

студентка «Красноярский государственный педагогический

университет им. В.П. Астафьева», г. Красноярск

ХАРАКТЕРИСТИКА НАРУШЕНИЙ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

Аннотация

Основными причинами нарушения нормальной работы электролизеров являются несоблюдения инструкции по их обслуживанию и требований к качеству сырья, перерывы в снабжении электроэнергией и др. Эти нарушения развиваются постепенно и не выявленные вначале, они могут привести к нежелательным явлениям и даже к серьезным авариям. В данной статье описаны нарушения и способы их устранения.

Ключевые слова Нарушение, электролизер, ток, электроэнергия

Электролиз - это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока.

Эффективность электролиза оценивают рядом факторов, к которым относятся: сила тока, напряжение, плотность тока, КПД источника тока, выход по току, выход по веществу, коэффициент полезного действия электроэнергии (выход по энергии), расход электроэнергии на единицу полученного продукта. Сила тока или нагрузка на электролизёр характеризуют его производительность. Чем выше сила тока, пропускаемого через электролизёр, тем больше продукта можно получить при эксплуатации данного электролизёра. Величина плотности тока характеризует количество продукта, получаемого с единицы электродной поверхности, т.е. продуктивность электролизёра. Поэтому, если повышение плотности тока не вызывает падения выхода продукта электролиз, стремятся к проведению процесса с максимально возможными плотностями тока. Выход по току - отношение количества теоретически необходимого для получения того или иного количества электричества (по закону Фарадея) к практически затраченному количеству электричества. Выход по веществу - это отношение количества полученного в результате электрохимических реакций продукта к тому количеству, которое должно образоваться теоретически, исходя из данной загрузки исходного продукта. КПД использования электроэнергии (выход по энергии) - это отношение теоретически необходимого для получения единицы количества вещества электроэнергии к практически израсходованному. Период нормальной работы электролизера начинается с момента установления на нем равновесия между приходом и расходом тепла, т.е. момента наступления теплового равновесия всей системы .Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технологического режима, рассчитанными при проектировании в зависимости от конструктивных особенностей электролизеров. К этим параметрам относятся сила тока,