Расчёт продуктов электролиза

Количество анодных газов рассчитывают исходя из их состава и реакций, протекающих в электролизёре. Для расчета принимаю состав анодных газов, % (масс.): СO₂ – 60; СО – 40.

При получении 51 кг алюминия выделится кислорода m₀, кг:

m_o (2.5)

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

m_o = 46,71

Из этого количества в двуокись углерода свяжется кислорода m_, кг:

m_оco₂ = (2.6)

m₀co₂ = кг

в окись углерода свяжется кислорода кг:

m_оco = (2.7)

m_оco = кг

где 60 и 40 – процентное содержание оксида углерода (CO₂) и окиси углерода (СО) соответственно.

Отсюда можно рассчитать количество углерода связанного в двуокись кг:

m_cco₂ = (2.8)

m_cco₂ = кг

Количество углерода связанного в оксид углерода, , кг:

m_cco = (2.9)

m_cco = кг

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

Pco₂ = m_оco₂ + m_cco₂ (2.10)

Pco₂ = 35,03 + 13,14= 48,17 кг

Pco = m_оco + m_cco (2.11)

Pco = 11,68 + 8,76 =20,44 кг

Всего образуется анодных газов Ргаз, кг:

Ргаз = Pco₂ + Pco (2.12)

Ргаз = 48,17 + 20,44= 68,61 кг

Расчёт потерь сырья

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 составят:

G = P_{Al *} (Nг - 1,89) (2.13)

G =52,55 * (1,928 – 1,89)=2,06 кг

Потери углерод находят по разности прихода анодной массы и расхода углерода, связанного в окислы:

Rуг = R_м - (m_cco₂ + m_cco) (2.14)

Rуг =27,85 – (13,14 + 8,76)= 5,95 кг

Приход фторсолей в электролизёр принимаем равным их расходу.

Таблица 2.1 - Материальный баланс электролизера на силу тока 170кА

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Глинозем	101,32	77,77	Алюминий	52,55	40,33
СО2	48,17	36,97
СО	20,44	15,69
Анодная масса	27,85	21,38	Потери:
Глинозем	2,06	1,58
Фтористые соли	1,12	0,86
Фтористые соли	1,12	0.86	Анодная масса	5,95	4,57
Всего	130,29		Всего	130,29

Конструктивный расчет электролизера

В задачу конструктивного расчета входит определение основных размеров электролизера.

Расчёт анодного устройства электролизера

Площадь анода Sа, см² определяется по формуле:

Sа = I/ d_a (2.15)

где I – сила тока, А;

d_a- анодная плотность тока, А/см²

Sа = 177 700 / 0,73=243 425 см²

В электролизёре типа С-8БМ анода имеет прямоугольное сечение, его ширина В_а=285 см. Тогда длина анода La, см составит:

(2.16)

La = кг

Расчёт токоподводящих штырей осуществляется по силе тока и допустимой плотности тока в стальной части штыря, равной d_ш=0,2 А/мм². Применяемые штыри имеют следующие размеры, мм:

- общая длина – 2700

- длина стальной части -1950

- длина алюминиевой штанги – 1040

- максимальный диаметр – 138

- минимальный диаметр – 100

Штыри имеют форму усеченного конуса, поэтому расчёт ведём по среднему диаметру D_ш, мм:

(2.17)

D_ш = мм

Площадь круглого сечения одного штыря S_ш, мм² составит:

S_ш (2.18)

S_ш = мм²

Общая площадь сечения всех штырей S_О, мм² определяется по формуле:

S_О = I / d_ш (2.19)

где I - сила тока, А;

d_ш - 0,2 А/мм², допустимая плотность тока в стальной части штыря.

S_О = мм²

Зная площадь сечения всех штырей и площадь сечения одного штыря можно определить их количество, К:

К = S_О / S_ш (2.20)

К = 888 500/11 116,4=80 шт

Штыри на анодной раме располагаются в 4 ряда, поэтому их количество должно быть кратно 4. Принимаю 80 штырей в аноде.

Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для создания необходимых условий для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из

Внутренние размеры шахты электролизера рассчитывают исходя из длины анода (формула 16) и принятых расстояний от анода до стенок боковой футеровки (Рисунок 1). Для электролизёра типа С-8БМ установлено, что расстояние

- от продольной стороны анода до футеровки, а = 65 см

- от торца анода до футеровки, в = 55 см.

285 415

55 850 см

960 см

Рисунок 5 - Схема анода и шахты электролизёра

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты определяются:

Lш = Lа + 2*в; (2.21)

Lш =850 + 2 * 55 =960см

Вш = Ва + 2*а (2.22)

Вш =285 + 2*65 = 415 см

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную швом вперевязку из коротких и длинных прошивных блоков. Отечественная промышленность выпускает катодные блоки высотой h_б = 40 см, шириной b_б = 55 см, и длиной l _б от 110 до 400 см. Применяют катодные блоки:

- короткие l _кб = 160 см

- длинные l _дб = 220 см

Число секций в подине, Nс определяют исходя из длины шахты:

Nс = (2.23)

где b_б – ширина подового блока;

с – ширина шва между блоками, 4 см.

16 шт

Число катодных блоков N_б, равно:

N_б = N_{с *} 2 (2.24)

N_б = 16*2=32шт

Подина данного электролизера монтируется из 32 катодных блоков, уложенных по 16 штук в два ряда с перевязкой центрального шва. Межблочные швы при монтаже подины набиваются подовой массой. Для отвода тока от подины, в подовые блоки вставлены стальные катодные стержни (блюмсы):

- для блока 160 см длина блюмса 219 см;

- для блока 220 см длина блюмса 279 см.

Ширина периферийных швов от подовых блоков до футеровки будет равна:

- в торцах подины, bт,

Bт = (2.25)

Bт = = 10см

- по продольным сторонам, bп:

bп = (2.26)

bп = см

Глубина шахты электролизёра С-8БМ равна 56,5 см.

Расчёт катодного кожуха

Внутренние размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 2.21, 2.22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5), (2.27)

где: Lш - длина шахты, см;

Пу – толщина угольной плиты;

3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

Lк =960 + 2(20+3,5)=987см

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5), (2.28)

где: Вщ - ширина шахты, см;

5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк = 415 + 2 (20 + 5) = 465см

Футеровка днища катодного кожуха выполняется следующим образом (снизу - вверх):

- теплоизоляционная засыпка 3-5 см;

- два ряда легковесного шамота или красного кирпича толщиной 6,5 см;

- три ряда шамотного кирпича по 6,5 см;

- угольная подушка 3-5 см;

- подовый блок 40 см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк = 5 + 5* 6,5 + 3 + Нш + h_б (2.29)

где: Нш - глубина шахты, см;

h_б– высота подового блока, см.

Нк = 5 + 5 * 6,5 + 3 + 56,5 + 40 =137см

Принимаю катодный кожух контрфорсного типа с днищем. Число контрфорсов равно, по 24 с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, днище – 12мм. Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров, а также имеет рёбра жёсткости.