Конструктивный расчет ванн

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 расчет

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

1.1 На основании этих данных определяем размеры анода

,

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

1.2 Размеры шахты ванны

Внутренние размеры шахты ванны определяются исходя из размеров анодного массива и расстояния до боковой футеровки, которое составляет: по продольной стороне 55 см, а по торцевой 50 см.

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

1.3 Конструкция подины

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

1.4 Внутренние размеры катодного кожуха.

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

1.5 Наружные размеры катодного кожуха

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

2) Материальный расчет

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.

зi — выход по току, принимаем 0,9

I — сила тока 70 000 А

2.1 Расходные нормы

AI2O3 — 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 · зi · 10-3,где С — электрохимический эквивалент, 0,336 г/А·ч

Р AI = 0,336 · 70 000 · 0,9 · 0,001 = 21,17 кг/ч

Определяем приход материалов в ванну

Р AI2O3 = 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

2.2 Расходная часть

Анодные газы

Количество 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 СО2

РСО2 = МСО2 · 44 = 0,44 · 44 = 19,36 кг

РСО = МСО · 28 = 0,29 · 28 = 8,12 кг

Потери глинозема ДР AI2O3.

ПAIп, т — практический и теоретический расход глинозема, т/т AI

ДР AI2O3 = Р AI (ПAIп — ПAIт) = 21,17 · (1,92 — 1,89) = 0,635 кг

Потери фторсолей ДРФТОР.

ДРФТОР = РФТОР = 1,21 кг

Потери углерода РС = (МСО + МСО2) · 12 = (0,29 + 0,44) · 12 = 8,76 кг

ДРС = РАНОД — РС = 10,6 — 8,76 = 1,84 кг

Таблица материального баланса.

3) Электрический расчет

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

3.1 Определяем падение напряжения в анодном устройстве

3.1.1 Падение напряжения в стояках

,

где:

I — сила тока, А

сt — 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

сt AI — удельное сопротивление алюминиевых шин

сt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · t) · 10-6 Ом · см,

где t из практических данных 60 ° С

сt AI = 2,8 (1 + 0,0038 · 60) · 10-6 = 3,44 · 10-6 Ом · см

высота стояка, а — из практических данных 265 см

3.1.2 Определяем падение напряжения в анодных шинах

Общее сечение анодных шин

SОб= SОб ст = nШ · SПР = 6 · (43 · 6,5) = 1677 см2

Удельное сопротивление АI шин при t = 80 ° С

сt 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 + 100 см = 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 105 см

3.1.3 Определяем падение напряжения в анодных спусках

Удельное сопротивление анодных спусков при t = 150 ° С

сt 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 1 см2

3.1.4 Определяем падение напряжения в самообжигающемся аноде

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 — 45 см

сt — удельное электро сопротивление анода 0,007 Ом · см

dА — анодная плотность тока — 0,78 А/см2

D — длина забитой части штыря — 85 см

3.1.5 Определяем падение напряжения в контактах анодного узла

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

ДUКОНТ = 0,005 · 3 = 0,015 в

В 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 аноде

ДUАН 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 электролите

Рассчитывается по формуле

,

где:

I — сила тока 70 000 А

сt — 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

3.3 Падение напряжения в катодном устройстве

3.3.1 Падение напряжения в подине

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 26 см

сt — 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

3.3.2 Падение напряжения в стержнях не заделанных в подину

где:

L — длина стержня 50 см

S — суммарная площадь поперечных сечений катодных стержней

S = 23 · 11,5 · 16 = 4232 см2

сFe — удельное сопротивление стержней при t = 150 ° С

сt = 13 · (1 + 0,004 · 150) · 10-6 = 2,08 · 10-5 Ом · см

3.3.3 Падение напряжения в катодных спусках

где:

L — длина спусков 60 см

сСu — удельное сопротивление катодных спусков при t = 150 ° С

сt = 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

3.3.4 Падение напряжения в катодных шинах

где:

сAI — удельное сопротивление АI шин при t = 150 ° С

сt 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.

3.3.5 Падение напряжения в контактах

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

3.4 Падение напряжения за счет анодных эффектов

где: /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 напряжение

ДUГР = ДUА + ДUПОД + ДUЭЛ + ДUА.Э. + UРАЗЛ=

= 0,254 + 0,32 + 1,6 + 0,0496 + 1,65 = 3,8736 в

3.6 Рабочее напряжение

ДUРАБ = ДUЭЛ + UРАЗЛ + ДUКАТ. УСТР. + ДUАН. УСТР. + ДUОБЩЕСЕР. =

= 1,6 + 1,65 + 0,4839 + 0,4546 + 0,05 = 4,2385 в

3.7 Среднее напряжение

ДUСР = ДUРАБ + ДUА.Э.

где ДUОБЩЕСЕР — падение напряжения в общесерийной ошиновке, принимаем 0,05в

ДUРАБ = 4,2385 + 0,0496 = 4,2881 в

Данные из расчета сводим в таблицу

3.8 Определяем основные показатели

Выход по энергии

где:

зi — выход по току, принимаем 0,9

с — электрохимический эквивалент 0,336 г/А·ч

Удельный расход электроэнергии

4) Тепловой расчет

Данный расчет составляется для t = 25 ° С. При выполнении данного расчета учитывается уравнение теплового баланса.

QЭЛ + QСГОР. АНОДА = QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ + QПОТ

4.1 Приход

4.1.1 Тепло от электроэнергии

I — сила тока 70 кА

UГР — напряжение греющее 3,87 в

QЭЛ = 3,6 · 103 · I · UГР = 3,6 · 103 · 70 · 3,87 =975 240 кДж/ч

4.1.2 Тепло от сгорания анода

QСГОР. АНОДА = PCO · ДНCO + PCO2 · ДНCO2

где: ДНСО2 и ДНСО — тепловой эффект образования реакции СО2 и СО.

По справочнику:

ДНсо2 = 394 070 кДж. /кМоль

ДНсо = 110 616 кДж. кМоль

PCO 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 · 110 616 + 0,440 · 394 070 =

= 32 521,1 + 173 390,8 = 205 911,9 кДж/ч

4.1.3 Суммарный приход тепла

QПРИХ = QСГОР. АНОДА + QЭЛ = 205 911,9 + 975 240 = 1 181 151,9 кДж/ч

4.2 Расход тепла

4.2.1 На разложение глинозема

QРАЗЛ = РАI2О3 · НТАL2О3

где: НТАI2О3 — тепловой эффект образования реакции глинозема при температуре 25? С.

По справочнику:

НТАI2О3 = 1 676 000 кДж. /кМоль

РАI2О3 — расход глинозема на электрическое разложение

где: F — число Фарадея 26,8 А·ч

QРАЗЛ = 0,39 · 1 676 000 = 653 640 кДж/ч

4.2.2 С выливкой металла

Определяется из условия равенства вылитого AI и наработанного за то же время

QМЕТ = РAI · (ДН960 — ДН25)

где:

27 — атомная масса алюминия

ДН960 — теплосодержание алюминия при температуре 960? С — 43 982 кДж/моль

ДН25 — теплосодержание алюминия при температуре 20? С — 6716 кДж/моль

QМЕТ = 0,78 · (43 982 — 6716) = 29 067,5 кДж/ч

4.2.3 Унос тепла с газами

QГАЗ = V · C · (t2 — t1)

где:

V — объем газов, принимаем 7600 м3

С — теплоемкость анодных газов 1,4 кДж/м3·°С

t1, t2 — температура газов 25 °C, 50 °С

QГАЗ = 7600 · 1,4 · (50 — 25) = 266 000 кДж/ч

4.2.4 Потери тепла с поверхности электролизера

QПОТ = QПРИХ — (QРАЗЛ + QМЕТ + QГАЗ) =

= 1 181 151,9 — (653 640 + 29 067,5 + 266 000) = 232 444,4 кДж/ч

5) Расчет числа электролизеров в серии

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 · зi · 10-6 =

= 70 000 · 8760 · 0,336 · 185 · 0,9 · 10-6 = 34 305 т/год

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой