Тепловой расчет электролизера

Содержание

1 Организационно-технический раздел.................................

1.1 Общие сведенья об  алюминии..........................................

1.2 Краткое описание электролизера.....................................

1.3 Очистка газов металлургических  процессов от пыли....

2  Расчётно-конструкторский  раздел......................................

2.1 Расчёт часовой производительности  и расхода материалов

2.2 Составление теплового  баланса........................................

2.2 Составление теплового  баланса

2.2.1 Приход тепла....................................................................

2.2.2 Расход тепла

2.3 Определение греющего  напряжения.................................

 

 

 

ИСХОДНЫЕ И  СПРАВОЧНЕ ДАННЫЕ

Исходными данными для  теплового расчёта являются:

- Сила тока I=175(кА)

- Выход по току η=0,85

- Расход глинозёма на 1т. AL 1,935 T/T

- Расход анодной массы  на 1г. AL 0,560 T/T

- Температура корки электролита 250 °C

 

- Справочными данными  для теплового расчёта являются  значения термодинамических функции  при t процесса (кДж/моль) или (кДж/кг)

- Значении приведённой  степени поверхности черноты  электролизёра

- Коэффициент облучения  окружающего пространства

 

 

1 Организационно-технический  раздел

1.1 Общие сведенья  об алюминия

 Алюминий - химический  элемент 3гр. периодической системы,  атомной номер 13, атомная масса  26,98154. Серебристо-белый металл, легкий, пластичный, с высокой электропроводностью,  tпл= 660 C. Химически активен. По распространенности в природе занимает 3-е место среди элементов и 1-е среди металлов. По электропроводности алюминий на 4-м месте, уступая лишь серебру, меди и золоту, что при дешевизне алюминия имеет огромное практическое значение. Алюминия в двое больше, чем железа, и 350 раз больше, чем меди, цинка, хрома , олова и свинца вместе взятых. Его плотность равна всего . Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от 269 С до точки плавления. Теплопроводность составляет при 24С 2.37 . Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99.99%) при 20С состовляет Ом, или 65% электросопротивление международного эталона из отожженной меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.

Химические свойства

 Алюминий имеет электронную  конфигурацию . На третьем энергетическом уровне атома алюминия находятся три электрона, и в химических соединениях алюминии обычно трехвалентен. Из трех

валентных электронов два  распложены на s-подуровне и один на р- подуровне ().

 Так как один р-элетрон с ядром атома связан слабее , чем 2 спаренных s-электрона, то в определенных условиях, теряя p-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом, образуя соединения низшей валентности. Кристаллизуется алюминий в гранецентрированной кубической решетке.

 

Алюминий химический активен. Уже в обычных условиях он взаимодействует  с кислородом воздуха, покрываясь очень  тонкой и прочной пленкой оксида . Эта пленка защищает алюминий от дальнейшего окисления и обуславливает его довольно высокую коррозионную стойкость, а также ослабляет металлический блеск. Чем чище алюминий, тем выше его стойкость против коррозии, что объясняется более прочны сцеплением оксидной пленки с поверхностью чистого металла. Из присутствующих в алюминии примесей наиболее сильно снижают его коррозионную стойкость примесей железа.

 

В мелкораздробленном состоянии  алюминий при нагревании на воздухе  воспламеняется и сгорает с выделением большего количества тепла. С серой  алюминий реагирует также при  нагревании образованием сульфида алюминия ; с хлором и жидким бромом реагирует при обычной температуре, а с йодом - при нагревании или в присутствии воды, служащей катализатором.  В атмосфере фтора при комнатной температуре алюминий покрывается пленкой фтористого алюминия , которая препятствует дальнейшей реакции; при темно-красном калении взаимодействие алюминия с фтором протекает очень энергично. Азотом алюминий взаимодействует при нагревании 800С с образованием нитрида алюминия . Взаимодействие алюминия с углеродом начинается при 650С, но протекает энергично при темп около 1400С с образованием карбида алюминия .

 

Нормальный электродный  потенциал алюминия в кислой среде 1.66 В, в щелочной 3.25В. 
Будучи амфотерным, алюминий растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей. В серной кислоте и в разбавленной азотной алюминий растворяется медленно; в концентрированной азотной кислоте, в органических кислотах и в воде алюминий устойчив.  

 

Физические свойства

 Температура плавления  алюминия технической чистоты  658С

 С повышением степени  чистоты температура плавления  алюминия возрастает и для  металла высокой чистоты составляет 660.24С. Удельная теплота плавления  алюминия- около 390Дж/г, удельная теплоемкость при 0С-0.88 Дж/г. При переходе алюминия из жидкого состояния в твердое объем его уменьшается на 6.6%. Кипит алюминий при 2500С.

 Следует отметить, что  удельная теплота плавления алюминия  по сравнению с другими металлами  очень высока; например, удельная теплота плавления меди 20 Дж/г, железа 273 Дж/г.

 Плотность алюминия  меньше плотности железа в  2.9 раза, меди в 3.3 раза. В твердом  состоянии для алюминия технической  чистоты она составляет , а для алюминия высокой чистоты . В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы при литье. Вязкость и поверхностное натяжение алюминия при 1000С составляют соответственно 0.0013 Па и 0.454 Н/м. В твердом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резани. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу.

 Пластичность алюминия  возрастает по мере повышения,  его чистоты. Временное сопротивление  литого алюминия технической  чистоты составляет 88-118 Па, прокатного 176-275 Па. Относительное удлинение  соответственно равно 18-25 и 3-5%, а твердость по Бринеллю HB 235-314 и 440-590.

Алюминий имеет высокую  теплопроводность и электропроводность. В зависимости от чистоты теплопроводность алюминия составляет 238 Вт/м и 247 Вт/м. Электропроводность алюминия также зависит от чистоты. Для алюминия технической чистоты она составляет 62.5% от электропроводности меди, а для алюминия высокой чистоты 65.45%. Различные примеси влияют на электропроводность алюминия в неодинаковой степени. Наиболее сильно электропроводность снижают примеси хрома, ванадия и марганца. Меньшей степени, чем примеси, на электропроводность алюминия влияет степень его деформации и режим термической обработки.  
Отрицательное владение деформации на электропроводность устраняется отжигом. Удельное электросопротивление отожженной проволоки из алюминия технической чистоты составляет (0.02979-0.0282).

  Следует также отметить, что алюминий обладает высокой  способность. отражать световые  и тепловые лучи, которая близка  к отражающей способности серебра  и увеличивается с повышение  чистоты металла.

 

 

Область применения

 Алюминий обладает  целым рядом свойств, которые  выгодно отличают его от других  металлов. Это- небольшая плотность  алюминия, хорошая пластичность  и достаточная механическая прочность,  высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен  и коррозионностоек к ряду  химических веществ. Благодаря  всем этим свойствам, а также  относительно невысокой стоимости  по сравнению с другими цветными  метлами он нашел исключительное  широкое применение в самых  различных отраслях современной  техники.

 Значительная часть  алюминия используется в виде  сплавов с кремнием, медью, магнием,  цинком, марганцем и другими металлами.  Промышленные алюминиевые сплавы  обычно содержат не менее 2-3 легирующих элементов, которые  вводятся в алюминий главным  образом для повышения механической  прочности. 

 Наиболее ценные свойства  всех алюминиевых сплавов -малая  плотность, высокая удельная прочность  и удовлетворительная стойкость  против атмосферной коррозии.

 Алюминиевые сплавы  подразделяют на деформируемые  и литейные. Деформируемые сплавы  подвергают горячей и холодной  обработке давлением, поэтому  они должны обладать высокой  пластичностью. Из деформируемых  сплавов широкое применение нашли  дуралюмины - сплавы алюминия с  медью, магнием и марганцем.  Имея небольшую плотность, дуралюмины  по механическим свойствам близки  к мягким сортам стали. Из  деформируемых алюминиевых сплавов,  а также из чистого алюминия  в результате обработки давлением  получают листы, полосы, фольгу, проволоку,  стержни различного профиля, трубы.  Расход алюминия на изготовление  этих полуфабрикатов составляет  около 70% его мирового производства. Остальной алюминий применяется  для изготовления литейных сплавов,  порошков, раскислителей, а также  других целей.

Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации.

Широко известны литейные сплавы на основе алюминия - силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний.

 

 

 

В настоящее время алюминий и его сплавы использую практически  во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов- авиационная и  автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и  гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов  народного потребления.

 Использование алюминия  и его сплавов во всех видах  транспорта и в первую очередь  - воздушного позволило решить  задачу уменьшения собственной  массы транспортных средств и  резко увеличить эффективность  их применения. Из алюминия и  его сплавов изготавливают авиаконструкции,  моторы, блоки, головки цилиндров,  картеры, коробки передачи, насосы  и другие детали. Алюминием его  сплавами отделают железнодорожные  вагоны, изготавливают корпуса и  дымовые трубы судов, спасательные  лодки, радарные мачты, трапы.

 Широко применяют алюминий  и его сплавы в электротехнической  промышленности для изготовления  кабелей, шинопроводов, конденсаторов,  выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и  его сплавы используют в производстве  кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной  аппаратуры, различных контрольно- измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, перокисида водорода, органических веществ и  пищевых продуктов. Алюминиевая  фольга, будучи прочнее и дешевле  оловянной, полностью вытеснила  ее как упаковочный  материал для  пищевых продуктов. Все более  широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ  и других быстровозводимых сооружений.  Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его  сплавы, широко используется в строительстве  самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а  также для других целей в военной  технике.

 

 

Алюминий высокой чистоты  находит широкое применение в  новых областях техники- ядерной  энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а так же для защиты металлических веществ и атмосферной  коррозии. высокая отражающая способность  такого алюминия используется для изготовления из него отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов  зеркал.

  В металлургической  промышленности алюминий используют  в качестве восстановления при  получении ряда металлов алюмотермическими  способами, для раскисления стали,  сварки стальных деталей. Широко  применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например расход алюминия для этих целей составляет около 30% от общего потребления США- более 20%

 По масштабам производства  значению в народном хозяйстве  алюминий прочно занял место  среди других цветных металлов.

 

 

1.2 Краткое описание  электролизёра

 Электролиз алюминия  является материалоемким процессом.  В качестве основного сырья  для производства алюминия используется  глинозём. Глинозем должен быть  чистым, содержать минимальное количество  влаги, хорошо растворяться в  электролите, не давать осадков  в электролизе на подине иметь  низкую степень плавления.

 Основной средой, в  которой протекает процесс электролиза,  является электролит. Основными  компонентами является криолит  (, фтористый алюминий ( и глинозём. Электролит промышленных электролизёров отличается от криолита некоторым избытком фтористого алюминия, что характеризуется криолитовым отношение электролита (к.о.), молекулярным отношением .

 Помимо основных компонентов, электролит содержит в небольших количествах некоторые другие вещества, образующихся за счёт примесей, вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химических свойств расплава

 Для чистого криолита к.о.=3, электролит с таким к.о. считается нейтральным. Электролиты, содержащие избыток NaF и к.о˃3- называются щелочными, а электролиты, имеющие избыток ˂ 3 называются кислотными.

 На практике к.о  электролитов поддерживается 2.6-2.8. Это обеспечивается избытком  NaF в электролите в количестве 2.5-5%. На передовых заводах эксплуатирующих электролизеры с обожженными анодами, электролиты еще более кислые- к.о поддерживают 2.2-2.4.

  Состав электролита

 (криолит) 70-90%

 (оксид алюминия) 1-10%;

 от 6-9%

 Процесс электролиза  алюминия проводят t 955-965C.

 

 

 Нормальная работа алюминиевых электролизных ванн характеризуется параметрами энергетического и технического режимов, конструктивных особенностей электролизера. К этим параметрам относятся: 
Сила тока- устанавливается в зависимости от размеров, конструкции и технологического состояния электролизёров.

 Среднее напряжение- вычисляется по показаниям серийных счетчиков вольт/часов.