Конструктивный расчет ванн
2
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
1) Конструктивный расчетКонструктивный 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
1.1 На основании этих данных определяем размеры анода,где: I - сила тока, А, dA - плотность тока, А/см2ВА - ширина анодного массива принимаем 210 см, тогда длина анодного массива будет:НА - высота анодного массива:НА= hконуса спекания + hжидкой части = 135 + 45 =180 см
1.2 Размеры шахты ванныВнутренние 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 - ВШВШ = ВА + 2 · 55 = 210 + 110= 320 смДлина шахты - LШLШ = LАМ + 2 · 50 = 427,4 + 100 = 527,4 смГлубина шахты - НШНШ = hМЕ + hЭЛ = 30 + 20 =50 см
1.3 Конструкция подиныЧисло 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 торцахb - Размер набоечного шва по продольным сторонам,где L1 и L2 длина катодных блоков, см
1.4 Внутренние размеры катодного кожуха.Определяются размерами шахты ванны с учетом теплоизоляцииДлина катодного кожуха LКОЖ.LКОЖ. = LШ + 2 (20 + hТЕПЛ) = 527,4 + 2 (20 + 8) = 583,4 смШирина катодного кожуха ВКОЖ.ВКОЖ. = ВШ + 2 (20+8) = 320 + 56 = 376 смВысота кожуха НКОЖ.НКОЖ. = НШ + НБ + 6,5 + 5 = 50 + 40 + 11,5 = 101,5 см
1.5 Наружные размеры катодного кожухаНаружная длина LКОЖ.Н.LКОЖ.Н. = LКОЖ. + (2 · 40) = 583,4 + 80 = 663,4 смНаружная ширина кожуха ВКОЖ.Н.ВКОЖ.Н. = ВКОЖ. + (2 · 40) = 376 + 80 = 456 см
2) Материальный расчетПроводится 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.зi - выход по току, принимаем 0,9I - сила тока 70000 А
2.1 Расходные нормыAI2O3 - 1,92 - 1,93 т/т AI - РгАнодная масса - 0,5 т/т AI - РаФторсоли 0,057 т/т AI - Рф 2.1 Приходная частьПроизводительность электролизера определяется по формулеР AI = С · I · зi · 10-3,где С - электрохимический эквивалент, 0,336 г/А·чР AI = 0,336 · 70000 · 0,9 · 0,001 = 21,17 кг/чОпределяем приход материалов в ваннуР AI2O3 = Р AI · Рг = 21,17 · 1,92 = 40,65 кгРАНОД = Р AI · Ра = 21,17 · 0,5 = 10,6 кгРФТОР = Р AI · РФ = 21,17 · 0,057 = 1,21 кг
2.2 Расходная частьАнодные газыКоличество СО и СО2.NСО и NСО2 - мольные доли СО и СО2 в анодных газах, NСО - 0,4, а NСО2 - 0,6.Весовое количество СО и СО2РСО2 = МСО2 · 44 = 0,44 · 44 = 19,36 кгРСО = МСО · 28 = 0,29 · 28 = 8,12 кгПотери глинозема ДР AI2O3.ПAIп, т - практический и теоретический расход глинозема, т/т AIДР AI2O3 = Р AI (ПAIп - ПAIт) = 21,17 · (1,92 - 1,89) = 0,635 кгПотери фторсолей ДРФТОР.ДРФТОР = РФТОР = 1,21 кгПотери углерода РС = (МСО + МСО2) · 12 = (0,29 + 0,44) · 12 = 8,76 кгДРС = РАНОД - РС = 10,6 - 8,76 = 1,84 кгТаблица материального баланса.
3) Электрический расчетЦель: 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/см2dCu = 0,7 A/мм2 = 70 A/см2dFe = 0,18 A/мм2 = 18 A/см2
3.1 Определяем падение напряжения в анодном устройстве3.1.1 Падение напряжения в стояках,где:I - сила тока, Асt - удельное сопротивление проводника, Ом · сма - длина участка шинопровода, смSОб - общее сечение проводника, см2SЭК -экономически выгодное сечение стояка, см2nШ - число алюминиевых шин, шт,где:SПР - практическое сечение одной шины, см2SОб - общее сечение стояка, см2SОб = nШ · SПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2сt AI - удельное сопротивление алюминиевых шинсt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10-6 Ом · см,где t из практических данных 60 ° Ссt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 60) · 10-6 = 3,44 · 10-6 Ом · смвысота стояка а - из практических данных 265 см
3.1.2 Определяем падение напряжения в анодных шинахОбщее сечение анодных шинSОб= SОб ст = nШ · SПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2Удельное сопротивление АI шин при t = 80 ° Ссt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 80) · 10-6 = 3,65 · 10-6 Ом · смДлина анодных шин принимается равная длине кожуха + 100 смLА.Ш. = LКОЖ + 100см = 583,4 + 100 = 683,4 смПадение напряжения в анодных шинахОпределяем количество рабочих штырей,где:2 - количество рабочих рядов, штР - периметр анода, смР = 2 · (LА + ВА) = 2 · (210 + 427,4) = 1274,8 смОпределяем среднее сечение штыряОпределяем средний диаметр штыряДлина штыря 105см
3.1.3 Определяем падение напряжения в анодных спускахУдельное сопротивление анодных спусков при t = 150 ° Ссt Cu = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,9 · 10-6 Ом · смСечение анодных спусковПри длине анодных спусков 210 см определяем падение напряженияОпределяем количество медных шинок приходящихся на 1 штырь, если сечение одной шинки 1см2
3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемся анодеОпределяется по формулеГде:ВА - ширина анода, смSА - площадь анода, см2К - количество штырей, штlСР - среднее расстояние от токоведущих штырей до подошвы анода - 45смсt - удельное электро сопротивление анода 0,007 Ом · смdА - анодная плотность тока - 0,78 А/см2D - длина забитой части штыря - 85 см
3.1.5 Определяем падение напряжения в контактах анодного узлаПринимается по практическим данным:Анодная шина - анодный стоякАнодный стояк - катодная шинаАнодная шина - анодный спускПринимаем по 0,005 в на каждом участке, тогдаДUКОНТ = 0,005 · 3 = 0,015 вВ контакте шинка - штырь 0,007 в, тогда общее падение напряжения в контактах составляет ДUКОНТ АН. = 0,022 в
3.1.6 Падение напряжений в анодном устройстве определяется суммой всех падений напряжения в анодеДUАН УСТР = ДUСТ + ДUА.Ш. + ДUА. СП. + ДUА + ДUКОНТ АН == 0,036 + 0,1 + 0,0426 + 0,254 + 0,022 = 0,4546 в
3.2 Падение напряжения в электролитеРассчитывается по формуле,где:I - сила тока 70000 Асt - удельное сопротивление электролита 0,5 Ом · смl - межполюсное расстояние 4-5 смSА - площадь анода, см2LА - длина анода 427,4 смВА - ширина анода 210 см
3.3 Падение напряжения в катодном устройстве3.3.1 Падение напряжения в подинегде lПР - приведенная длина пути тока по блоку,где:Н - высота катодного блока 40 смh - высота катодного стержня с учетом чугунной заливки 13 смв - ширина катодного стержня с учетом чугунной заливки 26смсt - удельное электро сопротивление угольного блока 0,005 Ом · смА - половина ширины шахты 320: 2 = 160 сма - ширина бортовой настыли в шахте ванны 40-60 смВ - ширина блока с учетом шва 59 смSСТ - площадь поперечного сечения катодного стержня с учетом чугунной заливки 338 см2dА - 0,78 А/мм2
3.3.2 Падение напряжения в стержнях не заделанных в подинугде:L - длина стержня 50 смS - суммарная площадь поперечных сечений катодных стержнейS = 23 · 11,5 · 16 = 4232 см2сFe - удельное сопротивление стержней при t = 150 ° Ссt = 13 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,08 · 10-5 Ом · см
3.3.3 Падение напряжения в катодных спускахгде:L - длина спусков 60 смсСu - удельное сопротивление катодных спусков при t = 150 ° Ссt = 1,82 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,912 · 10-6 Ом · смSЭ.В. - экономически выгодная площадь поперечного сечения спусковЧисло лент в пакете катодных спусков приходящихся на 1 штырьПлощадь поперечного сечения лентПадение напряжения
3.3.4 Падение напряжения в катодных шинахгде:сAI - удельное сопротивление АI шин при t = 150 ° Ссt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 150) · 10-6 = 4,396 · 10-6 Ом · смL - длина катодных шинL = LK + 100 см = 583,4 + 100 = 683,4 смSК.Ш. - площадь сечения катодных шинПлощадь сечения 1-ой шины 43 · 6,5 = 279,5 см2Количество шинS - экономически выгодная площадь сечения катодных шинS = 279,5 · 6 = 1677 см2, падение напряжения.
3.3.5 Падение напряжения в контактах1) 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
3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектовгде: /UА.Э. - напряжение анодного эффекта до 40 в, К - количество анодных эффектов в сутки 1 шт, UРАБ - принимаем 4,25 в, ф - продолжительность анодного эффекта, принимаем 2 мин.
3.5 Греющее напряжениеДUГР = ДUА + ДUПОД + ДUЭЛ + ДUА.Э. + UРАЗЛ== 0,254 + 0,32 + 1,6 + 0,0496 + 1,65 = 3,8736 в
3.6 Рабочее напряжениеДUРАБ = ДUЭЛ + UРАЗЛ + ДUКАТ. УСТР. + ДUАН. УСТР. + ДUОБЩЕСЕР. == 1,6 + 1,65 + 0,4839 + 0,4546 + 0,05 = 4,2385 в
3.7 Среднее напряжениеДUСР = ДUРАБ + ДUА.Э.где ДUОБЩЕСЕР - падение напряжения в общесерийной ошиновке, принимаем 0,05вДUРАБ = 4,2385 + 0,0496 = 4,2881 вДанные из расчета сводим в таблицу
3.8 Определяем основные показателиВыход по энергиигде:зi - выход по току, принимаем 0,9с - электрохимический эквивалент 0,336 г/А·чУдельный расход электроэнергии
4) Тепловой расчетДанный расчет составляется для t = 25 ° С. При выполнении данного расчета учитывается уравнение теплового баланса.QЭЛ + QСГОР. АНОДА = QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ + QПОТ
4.1 Приход4.1.1 Тепло от электроэнергииI - сила тока 70 кАUГР - напряжение греющее 3,87 вQЭЛ = 3,6 · 103 · I · UГР = 3,6 · 103 · 70 · 3,87 =975240 кДж/ч
4.1.2 Тепло от сгорания анодаQСГОР. АНОДА = PCO · ДНCO + PCO2 · ДНCO2где: ДНСО2 и ДНСО - тепловой эффект образования реакции СО2 и СО.По справочнику:ДНсо2 = 394070 кДж. /кМольДНсо = 110616 кДж. кМольPCO и PCO2 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
4.1.3 Суммарный приход теплаQПРИХ = QСГОР. АНОДА + QЭЛ = 205911,9 + 975240 = 1181151,9 кДж/ч
4.2 Расход тепла4.2.1 На разложение глиноземаQРАЗЛ = РАI2О3 · НТАL2О3где: НТАI2О3 - тепловой эффект образования реакции глинозема при температуре 25 ?С.По справочнику:НТАI2О3 = 1676000 кДж. /кМольРАI2О3 - расход глинозема на электрическое разложениегде: F - число Фарадея 26,8 А·чQРАЗЛ = 0,39 · 1676000 = 653640 кДж/ч
4.2.2 С выливкой металлаОпределяется из условия равенства вылитого AI и наработанного за то же времяQМЕТ = РAI · (ДН960 - ДН25)где:27 - атомная масса алюминияДН960 - теплосодержание алюминия при температуре 960 ?С - 43982 кДж/мольДН25 - теплосодержание алюминия при температуре 20 ?С - 6716 кДж/мольQМЕТ = 0,78 · (43982 - 6716) = 29067,5 кДж/ч
4.2.3 Унос тепла с газамиQГАЗ = V · C · (t2 - t1)где:V - объем газов, принимаем 7600 м3/чС - теплоемкость анодных газов 1,4 кДж/м3·°Сt1, t2 - температура газов 25 °С, 50 °СQГАЗ = 7600 · 1,4 · (50 - 25) = 266000 кДж/ч
4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизераQПОТ = QПРИХ - (QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ) == 1181151,9 - (653640 + 29067,5 + 266000) = 232444,4 кДж/ч
5) Расчет числа электролизеров в серииЧисло 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 вЧисло работающих электролизеровЧисло резервных электролизеровПроизводительность серии в годР = I · 8760 · 0,336 · nРАБ · зi · 10-6 == 70000 · 8760 · 0,336 · 185 · 0,9 · 10-6 = 34305 т/год