Расчёт и проектирование алюминиевого электролизёра

Введение

В процессе электролиза криолитоглинозёмного расплава расходуются глинозём и фтористые соли, а также сгорает угольный анод. При этом образуются расплавленный алюминий и газообразные окислы углерода. На основании опыта эксплуатации алюминиевых электролизёров С-8БМ с самообжигающимся анодом и верхним токоподводом задаёмся параметрами для расчета:

- цех состоит из n серий ____

- сила тока серии, I = ______кА

- выход по току, h = ______ %

- анодная плотность тока d_а = _____ А/см²

Норму расхода сырья N, кг на получение 1 кг алюминия принимаем по практическим данным:

- глинозем, N_Г =_________ кг

- фтористый алюминий, N_Фа =_________ кг

- фтористый кальций, N_Cа =_________ кг

- анодная масса, N_М =_________ кг

Расчёты ведём на один час работы электролизера.

Материальный баланс электролизера

Расчёт материального баланса электролизёра включает следующие этапы:

1 Расчёт производительности электролизера.

2 Расчёт прихода сырья в электролизёр.

3 Расчёт продуктов электролиза.

4 Расчёт потерь сырья.

Расчёт производительности электролизера

Производительность электролизера Р_А1, кг согласно закону Фарадея составит:

Р_А1 = j * I * τ * h (1)

где j - электрохимический эквивалент алюминия, 0,335 кг/(кА*час);

I - сила тока, кА;

τ - время, час;

h - выход по току, доли единицы.

Р_А1 =

Расчёт прихода сырья в электролизёр

Приход материалов в электролизёр рассчитывают по норме расхода сырья N, кг на 1 кг алюминия и производительности электролизёра в час P_Al. Тогда приход сырья составит:

- глинозема R_Г, кг

R_Г = P_Al * N_Г (2)

R_Г =

- фтористых солей R_Ф, кг

R_Ф = P_Al * (N_Фа+ N_Ca), (3)

R_Ф =

- анодной массы R_М, кг

R_М = P_Al * N_М (4)

R_М =

Расчёт продуктов электролиза

3.1 Количество анодных газов рассчитывают, исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре (написать реакции):

Для упрощения расчета принимают состав анодных газов, % (масс.): двуокиси углерода СO₂ - 60; окиси углерода СО - 40.

3.2 При получении P_Al алюминия выделится кислорода m_о, кг:

m_о = (5)

где 48 и 54 – молярная масса соответственно кислорода и алюминия в глиноземе.

m_о = --------------

3.3 Из этого количества кислорода в двуокись углерода свяжется m_оco_2, кг:

m_оco₂ = , (6)

m_оco₂ = ---------------

в окись углерода свяжется кислорода m_оco, кг:

m_оco = (7)

где 60 и 40 – процентное содержание двуокиси углерода и окиси углерода соответственно.

m_оco = -------------------

3.4 Находим массу углерода связанного в двуокись m_cco₂, кг:

m_cco₂ = (8)

m_cco₂ = ----------------

и массу углерода связанного в окись m_cco, кг:

m_cco = (9)

m_cco = --------------

3.5 Таким образом, в час выделяется оксидов Pco₂ и Pco, кг:

Pco₂ = m_оco₂ +m_cco₂ (10)

Pco₂ =

Pco = m_оco + m_cco (11)

Pco =

3.6 Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco₂ + Pco (12)

Ргаз =

Расчёт потерь сырья

4.1 Теоретический расход глинозема составляет 1,89 кг на 1 кг алюминия. Перерасход глинозема объясняется наличием в его составе примесей и механическими потерями. Тогда потери глинозема G, кг составят:

G = P_Al * (Nг – 1,89) (13)

G =

4.2 Потери углерода Rуг, кг находят по разности прихода в электролизёр анодной массы Rм и расхода углерода, связанного в оксиды:

Rуг = Rм – (m_cco₂ + m_cco) (14)

Rуг =

4.3 Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным расходу.

Данные расчета материального баланса приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Материальный баланс электролизера на силу тока _______ кА

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем			Алюминий
СО2
СO
Потери сырья, в т.ч.:
глинозем
Фтористые соли			фтористые соли
Анодная масса			анодная масса
Итого		100,00	Итого		100,00