Реферат. Расчетнопояснительная записка к курсовой работе по дисциплине Общая химическая технология Расчет процесса получения алюминия
 Скачать 0.67 Mb.
|
|
Материальный расчет электролизера В этом разделе определяют приход материалов в электролизер и выход материалов из него (расход материалов). 2.3.1. Расчет прихода материалов Приход рассчитывается по расходу сырья на 1 кг алюминия и по производительности электролизеров за 1 час. В табл.1 представлены данные по расходу сырья, полученные на основании опыта эксплуатации электролизеров. В расход обожженных анодов включены огарки, удаляемые из электролизера. Увеличенный расход анодной массы и фторидов на электролизерах с верхним токоподводом объясняется низким качеством анодов. Таблица 1. Расход сырья (кг/кг алюминия) для различных типов электролизеров.
Производительность электролизера, т.е. количество алюминия, образующегося за 1 час, рассчитывается, кг/час:  где q - электрохимический эквивалент, 0,335 г/(А∙ч). Зная производительность электролизера и задавшись расходом материалов (см. табл.1), можно рассчитать приход материалов в ванну, кг/час:    где pAl2O3, ра, pфт – расходы глинозема, анода (или анодной массы) и фторидов соответственно, кг/кг алюминия - на основе данных табл. 1. Расчет расхода материалов Выход материалов из электролизера состоит из следующих статей: – Алюминий. Количество полученного алюминия (Р) рассчитано ранее. – Анодные газы. Они образуются при окислении углерода анода и состоят из двуокиси и моноокиси углерода. Содержание их в анодных газах в мольных долях составляют 0,3–0,5 и 0,7–0,5 для СО и СO2 соответственно. Содержания их заданы. Количества их, образующиеся за один час, определяются, кг/час:   где NCO - мольная доля СО, NCO2 - мольная доля СО2. Суммарная масса анодных газов, кг/час:  – Потери анодной массы (или обожженных анодов). Они определяются как разность между приходом анодной массы (или обожженных анодов) Ра и количеством израсходованного Рc анодными газами углерода. Потери анодной массы, кг/час:   подставим в выражение:  – Потери глинозема. Эти потери в виде пылеуноса и механические потери. Они определяются как разница между приходом глинозема РAl2O3 и теоретическим расходом глинозема. Потери глинозема, кг/час:   – Потери фторидов. Это потери в виде возгонов, а также на пропитывание подины. Их принимают равными приходу фторидов Рф. Полученные данные сводятся в таблицу табл. 2. Таблица 2. Материальный баланс электролизера.
2.4. Энергетический расчет электролизера Энергетический расчет фактически является расчетом теплового баланса. Электролизер можно представить, как систему, которая снабжается теплом за счет прохождения тока (Qэл) и сгорания анода (Qaн). Система расходует тепло на разложение глинозема (Qpaзл), теряет его с вылитым металлом (Qмeт) и с отходящими газами (Qгaз), а также расходует тепло на потери в окружающее пространство (Qn). Таким образом, уравнение теплового баланса может быть записано как:  Все входящие в это уравнение величины рассчитываются применительно к одному часу работы электролизера. 2.4.1. приход тепла 2.4.1.1. Приход тепла от прохождения электрического тока Приход тепла от прохождения электрического тока определяется, кДж:  где I - сила тока, А; Uгр - греющее напряжение, В. Это напряжение слагается из падений напряжения на аноде, на подине, в электролите, от анодных эффектов, а также напряжения разложения. Точное определение его затруднительно. По практическим данным можно принять для всех типов электролизеров:   2.4.1.2. Приход тепла от окисления углерода анода Он определяется, кДж:  где Р′CO и Р′CO2 соответственно числа молей СО и СО2, образовавшиеся за один час работы, находятся по формулам:    и  тепловые эффекты реакций образования оксида и моноксида углерода, кДж/моль. Эти данные берем из справочника [2]. 2.4.2. Расход тепла 2.4.2.1. расход тепла на разложение глинозема Он определяется, кДж:  где  – количество молей Al2O3, затрачиваемое на получение Р кг алюминия; ∆Нo298 (Al2O3) - тепловой эффект реакции образования оксида алюминия, кДж/моль (его также определяют по справочникам, например, по [2]). 2.4.2.2. расход тепла с вылитым металлом Эта статья рассчитывается исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного в то же время металла. Температура выливаемого алюминия составляет 950-960°С. Известно, что для алюминия разность энтальпий (∆НоТ - ∆Но298), кал/моль, равна при 1200°К 8730, а при 1300°К 9430. При расчете необходимо, задавшись температурой выливаемого алюминия, определить разность энтальпий в привычной размерности (кДж/моль). Задаемся температурой выливаемого алюминия Т = 950°С = 1223°К. то разность энтальпий равна (∆НоТ - ∆Но298) = 8897 кал/моль 1 кал = 0,00417868 кДж (∆НоТ - ∆Но298) =8897·0,00417868=37,2 кДж Расход тепла определяется, кДж:  где  – количество молей алюминия, нарабатываемых за один час, тогда: 2.4.2.3. Расход тепла с отходящими анодными газами По практическим данным температура отходящих газов равна 550-600°С. Значение температуры задается. Также принимается, что подсос воздуха отсутствует и, следовательно, отходящие газы состоят только из диоксида и моноксида углерода. Разность энтальпий этих газов при заданной температуре и температуре окружающей среды определяется из уравнения теплоемкости Сᵒр=а + bТ + с′/Т2, коэффициенты которого приведены ниже (табл.3) [2]. Таблица 3. Коэффициенты уравнения теплоемкости, Дж/(моль-град)
Зададимся температурой 575°С (848К). Разность энтальпий определяется:  Для СО:  = Для СО2:  =  Следует помнить, что разность энтальпий при подставлении коэффициентов из табл.3 будет иметь размерность Дж/моль. Расход тепла определяется, кДж:   где Р′CO и Р′CO2 – количества молей моноксида и диоксида углерода соответственно, образовавшиеся за один час. 2.4.2.4. Потери тепла в окружающее пространство Точный расчет этой статьи затруднен из-за сложной конфигурации теплоотдающих поверхностей электролизера, различными условиями движения воздуха вдоль его элементов. Поэтому часто для упрощения тепловые потери с поверхности электролизера в окружающее пространство определяют по разности, кДж:    Результаты расчета заносятся в таблицу 4. Таблица 4. Тепловой баланс электролизера.
Вывод В работе был выполнен расчет процесса получения алюминия, а именно конструктивный расчет ванны электролизера, составлены материальный и энергетический баланс процесса электролиза. По результатам конструктивного расчета определены основные размеры электролизера: Площадь сечения анода – 173333 см2; Длина анода - 642 см; Высота анода – 125 см Ширина анода - 390 см; Длина катодного кожуха - 822 см; Ширина катодного кожуха - 440 см. В результате составления материального баланса определена производительность электролизера по алюминию: Р = 37,45 кг/ч В результате энергетического баланса определены составляющие прихода и расхода энергии в процессе электролиза и составлен тепловой баланс электролизера на основании этих составляющих: Приход: От электрической энергии – 1920157 кДж; От сгорания анода – 375572 кДж. Расход: Разложение глинозема – 1162148,2 кДж; С вылитым алюминием – 51597,78 кДж; С отходящими газами – 27391 кДж; С поверхности электролизера – 1053723,6 кДж Список литературы 1. Крутский, Ю.Л. Расчёт процесса получения алюминия. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу "Общая химическая технология". – Новосибирск: Сибпринт, 2010. – 26 с. 2. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. М.: Металлургия, 1984. 3. Технология кальцирования соды, щелочей и глинозема. Текс лекций. / Крашенников С.А., Греф Т.С. - Москва, МХТИ им.Д.И. Менделеева, 1988г. 4. Производство глинозема по способу Байера [Электронный ресурс]: httр://emchezgia.ru/cvet_met/26_Sposob_Baiera.php | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||