Расчет годовой потребности в сырье. Расчёт годовой потребности в сырье. Медведев_v finalraschet_bz (. Курсовая работы Расчёт годовой потребности в сырье серии электролиза алюминия оснащенной электролизерами типа оа

• Название: Курсовая работы Расчёт годовой потребности в сырье серии электролиза алюминия оснащенной электролизерами типа оа
• Анкор: Расчет годовой потребности в сырье
• Дата: 12.06.2022
• Размер: 187.81 Kb.
• Имя файла: Расчёт годовой потребности в сырье. Медведев_v finalraschet_bz (.docx
• Тип: Курсовая; #586314

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Институт машиностроения, материалов и транспорта

Высшая школа физики и технологии материалов

КУРСОВАЯ РАБОТЫ

«Расчёт годовой потребности в сырье серии электролиза алюминия

оснащенной электролизерами типа ОА»

по дисциплине “Металлургия лёгких металлов”

Работу выполнил : студент группы з3332202/81201

Медведев Дмитрий Олегович

Работу принял : Выступов Сергей Иванович


2022

Санкт-Петербург

Введение

Известно, что в процессе электролиза криолита-глиноземного расплава образуется алюминий; при этом расходуется глинозем и угольный анод с образованием газообразных оксида и диоксида углерода. Кроме того, в результате испарения электролита и разложения его составляющих химическими соединениями, поступающими в виде примесей, а также в результате уноса пыли вентиляционными газами из процесса постоянно выбывает некоторое количество фтористых солей и глинозема. В случае применения само обжигающегося анода часть анодной массы выбывает из процесса в виде летучих составляющих коксования.

При материальном расчете определяют производительность электролизера и расход сырья на производство алюминия. Расход сырья зависит от типа электролизера, условий вентиляции, применяемых средств механизации и автоматизации процесса и ряда других факторов. Обычно расход сырья определяют на основании накопленного в промышленности опыта эксплуатации электролизеров и уточняют при обязательных испытаниях группы электролизеров новой конструкции перед внедрением их в промышленном масштабе.

Технологическая схема электролитического производства алюминия.



Характеристика сырья, используемого при электролизе алюминия.

При электролизе алюминия используется следующее сырье:

• 
  Глинозем. А1₂О₃ является основным исходным материалом в производстве алюминия. Рудной базой для производства глинозёма служат преимущественно бокситы, а также нефелины, алуниты и некоторые другие глинозёмсодержащие руды. Свойства глинозема влияют на его расход, на расход анода и фторидов, на затраты электроэнергии, запыленность атмосферы в рабочей зоне, качество улавливания фтора и др. Около 95 % всего глинозема для производства алюминия в мире получают из бокситовых руд. Боксит (фр. bauxite) получил название по местности Baux на юге Франции. На сегодняшний день главными поставщиками бокситов в мире являются: Австралия, Гвинея, Центральная Америка (Гайана, Ямайка, Суринам, Бразилия. В Европе все месторождения истощены, в Греции есть бокситы низкого качества. В России немногочисленные месторождения бокситов на северном Урале, Ямале и в Забайкалье.
  

• 
  Фтористые соли. Алюминий очень электроотрицательный металл, поэтому получить его возможно только электролизом из расплава. Промышленным способом получения алюминия служит электролиз его оксида, растворённого в криолите .Криолит – двойная соль фторида натрия и фторида алюминия 3NaF*AlF₃ или Na₃AlF₆. Криолит служит расплавленной средой – электролитом, в котором осуществляется электролиз глинозёма. Для улучшения свойств криолита и корректировки состава электролита в него вводят AlF_3, MgF₂, CaF₂, LiF и другие фтористые соли. В переводе с греческого криолит значит “ледяной камень”, так как по внешнему виду сходен со льдом. Естественный криолит в природе распространён ограниченно. Единственное в мире промышленное месторождение криолита находится в Гренландии. Весь криолит для электролиза алюминия получают искусственным путём. Искусственный криолит готовят обычно с избытком AlF₃ против его теоретической формулы, вплоть до состава 5NaF*3AlF₃ (или Na₅Al₃F₁₄), что соответствует составу природного минерала хиолит с молекулярным отношением NaF/AlF₃ = 1,66. Искусственный криолит – серовато-белый порошок, плохо растворим в воде. Плотность при 20 °С равна 2,95 г/см³. Плавится при t =1008 °С, плотность расплавленного криолита 2,09 г/см³, электропроводность 2,67 Ом^-1*см^-1 (См/см).
  

• 
  Углеродистые изделия. Металлургия цветных металлов и, в частности, алюминиевая промышленность являются крупными потребителями углеродистых изделий, в том числе электродов. Электродами называют проводники, служащие для подвода электрического тока к среде, на которую он воздействует: водный раствор, расплав или твердое раскаленное вещество. Электроды изготавливают из токопроводящих материалов: серебра, меди, алюминия, железа и углеродистых материалов. Также из углеродистых материалов изготавливают блоки, плиты и другие изделия для футеровки аппаратов, в которых протекают электрохимические и химические процессы.
  

Расход сырья в электролизерах с обожженными анодами составляет:

• 
  Глинозем - 1,92-1,93 т
  
• 
  Аноды - 0,560 т
  
• 
  Фториды - 0,052 т
  

Используемое сырье.

Таблица 1. Средний состав сырьевых ресурсов.

Сырье	Состав, % масс.
	Al2O3	AlF3	NaF	Na2O	H2O
Глинозем	98,45	-	-	0,25	0,27
Фторид алюминия	7	88	-	-	3,5
Криолит	3,82	52,84	40,17	-	0,5
Обожженный анод	-	0,02	0,02	-	0,06

Таблица 2. Транспортные потери.

Сырье	Транспортные потери
	кг/т	%
Глинозем	5,5	-
Фторид алюминия	-	4.5
Криолит	-	4.5
Пыль	-	2
Оборотный электролит	-	2

Электролизёры оснащены укрытиями (эффективность газоотсоса – 0,96). Серия подключена к системе сухой газоочистки отходящих газов. Параметры системы газоочистки, следующие:

- эффективность газоочистки по фтористому водороду – 0,983,

- эффективность газоочистки по твёрдому – 0,984.

Средний состав и удельный расход оборотных материалов электролизной серии представлен в таблице 3.

Таблица 3. Средний состав и удельный расход оборотных материалов.

Оборотный материал	Удельный расход, кг/т	Состав, % масс.
		Al2O3	AlF3	NaF
Огарок	108	0,22	0,73	0,53
Пыль	93	46,5	17,26	8,54
Угольная пена	1	8,4	23,50	31,0
Оборотный электролит	80	5,0	42,22	52,78
Удаляемый электролит		5,0	42,22	52,78

Расчёт при условии, что на выходе получаем 1 тонну технически чистого Al, чистотой 99,7%.

Расчет материального баланса

1. 
   Расчет материального баланса
   

Расчет материального баланса основан на равенстве статей прихода и ухода:

Обозначения:

- количество n сырья необходимое на производство 1 тонны алюминия (1-глинозем, 2-фтористый алюминий, 3-криолит);

NC - удельный расход углерода (437,5 кг/т Al);

- концентрация компонента x в компоненте y;

- масса компонента y, приходящая с компонентом x.

Реакция 1(R1): 3Na₂O + 2AlF₃ = 6NaF + Al₂O₃

Реакция 2(R2): 3H₂O + 2AlF₃ = Al₂O₃ + 6HF

Реакция 3(R3): Al + 3NaF = 3Na + AlF₃

Расчет баланс по Al₂O₃

Статьи прихода:

1. 
   Приход с глиноземом
   

2. 
   Приход с фтористым алюминием
   

3. 
   Приход с криолитом
   

4. 
   Приход с обожженным анодом
   

5. 
   Приход по реакции 1
   

6. 
   Приход по реакции 2
   

Статьи расхода:

1. 
   Расход на Al
   

2. 
   Расход с огарком
   

3. 
   Расход с угольной пеной
   

4. 
   Расход с пылью
   

5. 
   Расход с оборотным электролитом
   

6. 
   Расход по реакции, обратной реакции 2
   

Приравняем статьи прихода и расхода и упростим уравнение:



Расчет баланса по NaF

Статьи прихода:

1. 
   Приход с криолитом
   

2. 
   Приход с обожженным анодом
   

3. 
   Приход по Реакции 1
   

Статьи расхода:

1. 
   Расход с огарком
   

2. 
   Расход с угольной пеной
   

3. 
   Расход с пылью
   

.

4. 
   Расход с оборотным электролитом
   

5. 
   Расход по реакции 3
   

Получаем уравнение:



Расчет баланса по AlF₃

Статьи прихода:

1. 
   Приход с фтористым алюминием
   

2. 
   Приход с криолитом
   

3. 
   Приход с обожженным анодом
   

4. 
   Приход по реакции 3
   

5. 
   Приход по реакции, обратной реакции 2
   

Статьи расхода:

1. 
   Расход с огарком
   

2. 
   Расход с угольной пеной
   

3. 
   Расход с пылью
   

4. 
   Расход с оборотным электролитом
   

5. 
   Расход по реакции 1
   

=0,002258

6. На 1т Al образуется 0,125 кг CF₄

7. 
   Расход по реакции 2
   

Получаем уравнение:




Запишем систему уравнений:







Решая систему уравнений, получим значения неизвестных:

кг/т_Al;

кг/т_Al;

кг/т_Al.

Удельный расход криолита получился отрицательным. Это значит, что для поддержания КО электролит необходимо удалять из ванны. Так как, потребности в ведении криолита нет, то

В расчет каждого из балансов добавим массу удаленного электролита:







Тогда уравнения баланса будут выглядеть так:

;

;

.

При решении системы получаем следующие значения:

кг/т_Al

кг/т_Al

кг/т_Al

Подставим полученные значения в уравнения баланса. Полученные значения расчета материального баланса сведены в таблицы 5,6,7.

Таблица 5. Баланс по Al₂O₃.

Статьи прихода	m, кг/тAl	Статьи расхода	m, кг/тAl
Глинозем	1882,34	Расход на Al	1883,22
Фтористый алюминий	1,012	Огарок	0,238
Криолит	0	Угольная пена	0,084
Обожженный анод	0	Пыль	3,211
Реакция 1	2,621	Оборотный электролит	0,08
Реакция 2	22,349	Реакция 2 (обратная)	21,095
	0	Удаление электролита	0,4
Σ	1908,322		1908,328

Таблица 6. Баланс по NaF.

Статьи прихода	m, кг/тAl	Статьи расхода	m, кг/тAl
Криолит	0	Огарок	0,572
Обожженный анод	0,0875	Угольная пена	0,310
Реакция 1	6,476	Пыль	0,590
	0	Оборотный электролит	0,844
	0	Реакция 3	0,0219
	0	Удаление электролита	4,225
Σ	6,5635		6,5629

Таблица 7. Баланс по AlF₃.

Статьи прихода	m, кг/тAl	Статьи расхода	m, кг/тAl
Фтористый алюминий	12,723	Огарок	0,788
Криолит	0	Угольная пена	0,235
Обожженный анод	0,088	Пыль	1.192
Реакция 3	0,015	Оборотный электролит	0,676
Реакция 2 (обратная)	34,914	Реакция 1	4,317
	0	Образование CF4	0,159
	0	Реакция 2	36,903
	0	Удаление электролита	3,380
Σ	47,74		47,65

Расчёт годовой потребности в сырье серии электролиза алюминия.

Производство серии электролизеров:



где, 0,335-электрохимический эквивалент, I-сила тока, ВТ- выход по току, Nэл- количество рабочих электролизеров в серии.

P= 0,335*166000*(365*24)*0,926*192=86610,23 т/год

Потребность серии в глиноземе:

+Q_т.п.

* 86610,23/1000+(86610,23/1000)*5,5=166073,03 т

Потребность серии во фториде алюминия:

+ Q_т.п.

*86610,23:1000+0.045*86610,23* =1308,57 т

Заключение: Расход сырья и технических характеристик соответствует российским стандартам и нормам.

Список литературы:

1) С.Н. Ахмедов, Ю.В. Борисоглебский, М.М. Ветюков и др. Состояние и тенденции развития техники производства алюминия в мире. //Цветные металлы. – 2002.

2) Металлургия алюминия : [Учеб. пособие для техникумов цв. металлургии] / И. А. Троицкий, В. А. Железнов. - 2-е изд., доп., перераб. - М. : Металлургия, 1984.

3) Курсовой проект. Расчет электролизера с обожженными анодами на силу тока 160 кА. Хомколов А.В. Иркутск. 2003.

4) Производство алюминия. Информационно­ технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Москва 2016.

5) https://studbooks.net/2490769/tovarovedenie/razrabotka_proekta_elektroliznogo_tseha
6) Истомина Н.В., Сосновская Н.Г., Ковалюк Е.Н. Оборудование электрохимических производств. Учебное пособие. Ангарск. 2010. 


7) https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=793160 Библиофонд