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
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
 ,
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
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
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
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
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
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
AI2
O3
- 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 AI2
O3
= 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
Анодные газы
Количество СО и СО2
.
NСО
и NСО2
- мольные доли СОи 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 AI2
O3
.
ПAIп, т
- практический и теоретический расход глинозема, т/т AI
ΔР AI2
O3
= 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.
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
 ,
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
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
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
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
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
ΔUАН УСТР
= ΔUСТ
+ ΔUА.Ш.
+ ΔUА. СП.
+ ΔUА
+ ΔUКОНТ АН
=
= 0,036 + 0,1 + 0,0426 + 0,254 + 0,022 = 0,4546 в
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
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
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
где:
L- длина спусков 60 см
ρС
u
- 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
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.
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
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.
ΔUГР
= ΔUА
+ ΔUПОД
+ ΔUЭЛ
+ ΔUА.Э.
+ UРАЗЛ
=
= 0,254 + 0,32 + 1,6 + 0,0496 + 1,65 = 3,8736 в
ΔUРАБ
= ΔUЭЛ
+ UРАЗЛ
+ ΔUКАТ. УСТР.
+ ΔUАН. УСТР.
+ ΔUОБЩЕСЕР.
=
= 1,6 + 1,65 + 0,4839 + 0,4546 + 0,05 = 4,2385 в
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
Выход по энергии
где:
ηi
- выход по току, принимаем 0,9
с - электрохимический эквивалент 0,336 г/А·ч
Удельный расход электроэнергии
Данный расчет составляется для t = 25 °
С. При выполнении данного расчета учитывается уравнение теплового баланса.
QЭЛ
+ QСГОР. АНОДА
= QРАЗЛ
+ QМЕТ
+ QГАЗ
+ QПОТ
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
QСГОР. АНОДА
= PCO
· ΔНCO
+ PCO
2
· ΔНCO2
где: ΔНСО2
и ΔНСО
- тепловой эффект образования реакции СО2
и СО.
По справочнику:
ΔНсо2
= 394070 кДж. /кМоль
ΔНсо = 110616 кДж. кМоль
PCO
и PCO
2
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
QПРИХ
= QСГОР. АНОДА
+ QЭЛ
= 205911,9 + 975240 = 1181151,9 кДж/ч
QРАЗЛ
= РА
I2О3
· НТ
А
L2О3
где: НТ
А
I2О3
- тепловой эффект образования реакции глинозема при температуре 25 ˚С.
По справочнику:
НТ
А
I2О3
= 1676000 кДж. /кМоль
РА
I2О3
- расход глинозема на электрическое разложение
где: F- число Фарадея 26,8 А·ч
QРАЗЛ
= 0,39 · 1676000 = 653640 кДж/ч
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
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
QПОТ
= QПРИХ
- (QРАЗЛ
+ QМЕТ
+ QГАЗ
) =
= 1181151,9 - (653640 + 29067,5 + 266000) = 232444,4 кДж/ч
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
|