Расчет электролизера (стр. 5 из 7)
.При расчете падения напряжения в электролите необходимо учесть дополнительное сопротивление, создаваемое пузырьками газа под анодом.
Дополнительное падение напряжения, вызванное пузырьковым слоем, можно оценить по уравнению [14,15]:
,где db – средняя толщина пузырькового слоя, см;
χпуз – удельная электропроводность пузырькового слоя, 0,7- 2,0 Ом-1·см-1;
Ф – фактор экранирования анода газом, д.е.
Cреднюю толщину пузырькового слоя можно рассчитать по уравнению предложенному Хайдом и Велчем (Hyde и Welch), а также [15]:
.Данные Аберга (Aberg) по экранированию анода газом были дополнены данными Хаупина (Haupin) и использованы для расчета фактора экранирования по уравнению:
,где ВО – весовое криолитовое отношение электролита равное КО/2;
%Al2O3ае – концентрация глинозема в ванне во время анодного эффекта, %.
Фактор экранирования:
Дополнительное падение напряжения, вызванное пузырьковым слоем, составит:
.С учетом этого значения падение напряжения в электролите составит:
.2.5.4 Падение напряжения в катодном устройстве
При расчете падения напряжения в катоде используется уравнение М.А. Коробова [16]:
, 
,где Lпр – приведенная длина пути тока по блоку, см;
ρб – удельное электросопротивление блока, 20·10-4 Ом·см (ТУ 1913-109-021-99);
А – половина ширины шахты ванны, 207,5 см;
B – ширина блока с учетом шва, 59 см;
S – площадь поперечного сечения паза, (14,5×26) см2;
а – ширина настыли, см. Ширина настыли мощных электролизеров равна расстоянию борт-анод плюс 10-15 см [2], принимаем ширину настыли a=75 см.
h и b – ширина и высота паза под блюмс, см (b=26 см, h=14,5 см).
Падения напряжения в катоде составит:
, 
2.5.5 Падение напряжения в ошиновке
DUа.ош. = r*L*I / S = 0,033*(11+3)*185000 / 528571 = 0,162 В
где: r - удельное электросопротивление алюминия, Ом*мм2 / м;
L – длина анодной ошиновки = 11м, и анодного стояка = 3м.
DUк.ош. = 0,033*12*185000 / 528571 = 0,139 В
где: L – длина катодной ошиновки = 12м.
Принимаются следующие падения напряжений в контактах, В:
Катодная шина – гибкий пакет 0,003
Гибкий пакет – анодный стояк 0,002
Анодный стояк – анодная шина 0,003
Анодная шина – анодный штырь 0,002
Катодный стержень – спуск 0,006
Катодный спуск – катодная шина 0,005
DUош. = DUа.ош. + DUк.ош. + падения в контактах = 0,162 + 0,139 + 0,021 = =0,322 В.
2.5.6 Повышение напряжения от анодных эффектов
Потери напряжения от возникновения анодных эффектов можно рассчитать, используя уравнение:
,где k – количество анодных эффектов на один электролизер в сутки, шт.;
UАЭ. – напряжение анодного эффекта, В;
t – продолжительность анодного эффекта, мин:
1440 – количество минут в сутках.
Анодный эффект (АЭ) образуется в результате истощения растворенного глинозема в электролите, что приводит к выделению ионов фторидов. В начале анодного эффекта наблюдается медленное увеличение напряжения, за которым следует резкий скачок напряжения электролизера на 15-25 вольт и выше.
Ранее АЭ рассматривался как необходимая особенность работы алюминиевого электролизера, поскольку использовался для управления электролизером и подачи глинозема; считалось, что АЭ «очищает» поверхность анода, выжигая неровности на поверхности и удаляя угольную пену.
В настоящее время отрицательные свойства перекрывают положительные стороны, усилия направлены на устранение АЭ. Основным отрицательным моментом является выделение перфторуглеродных (ПФУ) газов плюс тот факт, что АЭ является причиной перегрева, приводит к потере энергии и расплавлению гарниссажа. Современные методы управления электролизером не зависят от частоты АЭ. Вместе с тем ведение электролиза в режиме, близком к АЭ (низкое содержание глинозема) может привести к случайным АЭ.
В каждом корпусе существует свой нормальный диапазон напряжения при АЭ, составляющий, как правило, от 25 до 45 В. Напряжение при АЭ 45 В и более считается чрезмерно высоким, а 15 В и ниже – чрезмерно низким.
Для электролизеров Содерберга с точечным питанием типичные значения частоты и продолжительности АЭ составляют 0,1-0,5 АЭ/сут и ~2 мин, соответственно [17].
Рабочее напряжение составляет:
.В данном проекте принимаем UАЭ=40 В, k=0,5 шт/сут, t=2 мин. Тогда повышение напряжения от анодных эффектов составит:
.2.5.7 Падение напряжения в общесерийной ошиновке
Данная величина рассчитывается исходя из длины шинопроводов, проходящих по торцам корпуса, средним проездам внутри корпуса и между корпусами. По практическим данным, эта величина составляет 0,03-0,05 В на каждую ванну. В данном проекте принимаем ∆Uос=0,04 В.
Электрический баланс электролизера представлен в таблице 6.
Таблица 6 – Электрический баланс электролизера
| Составляющие напряжения на ванне | Обозначение | Величина, В |
| Напряжение поляризации | Е | 1,556 |
| Потери напряжения:в анодев электролитев катодеот анодных эффектовв ошиновке ванныв ошиновке серии | ∆Uа ∆Uэл ∆Uк ∆UАЭ ∆Uош ∆Uс | 0,616 2,216 0,298 0,024 0,322 0,04 |
| Греющее напряжение | Uгр | 4,71 |
| Рабочее напряжение | Uр | 5,008 |
| Среднее напряжение | Uср | 5,072 |
2.6 Энергетический баланс электролизера
Нормальную работу алюминиевого электролизера можно обеспечить только при условии теплового равновесия, когда расход тепла в единицу времени равняется его приходу. Расчет энергетического баланса заключается в определении составляющих прихода и расхода энергии в процессе электролиза и в составлении теплового баланса электролизера на основании этих составляющих.
Основными источниками энергии в электролизере являются прохождение электрического тока, загружаемые материалы и экзотермические процессы. Потери энергии связаны с эндотермическим процессами, выгрузкой продуктов электролиза и потерями энергии в окружающую среду.
Уравнение энергетического баланса при 25 °С (298К) имеет вид:
,где Qэл – приход энергии от прохождения электрического тока, кДж/ч;
Qан – приход энергии от сгорания угольного анода, кДж/ч;
Qмат – энергия, необходимая для нагрева вносимых материалов, кДж/ч;
QБуд – энергия, поглощаемая в результате реакции Будуара, кДж/ч;
Qразл – энергия, необходимая для разложения глинозёма, кДж/ч;
Qмет – энергия, уносимая с вылитым металлом, кДж/ч;
Qгаз – энергия, уносимая отходящими газами, кДж/ч;
Qп – потери энергии в окружающее пространство, кДж/ч.
2.6.1 Приход энергии
Приход энергии от прохождения электрического тока составляет:
,где τ – время пропускания тока.
Приход энергии от сгорания анода определяется как:
где
и 
– тепловые эффекты реакций образования СО2 и СО.Таким образом, суммарный приход энергии составит:
.2.6.2 Расход энергии
Расход энергии на нагрев и растворение глинозема составляет:
где
– молярная масса глинозема, г/моль; 
и 
– повышение энтальпии глинозема при нагреве и растворении, кДж/моль.Расход энергии на разложение глинозема составит:
,