страница 1 страница 2 страница 3
Пример 2. Серия из n = 150 непрерывно работающих алюминиевых электролизеров нагрузкой I = 145 кА выдала за месяц
(τ = 30 суток) работы gфакт = 4700 т металла, содержащего рAl = 99,5% Аl. Среднее напряжение на серии (с учетом периодических «анодных вспышек») составило V = 695 В.
Каковы выход по току и удельный расход электроэнергии для полученного алюминия (в расчете на 100%-ный металл)?
Решение:
-
Суммарный электрохимический процесс в ванне
2Аl2О3 +3С → 4Аl + 3СО2
(частично образуется и СО).
-
Электрохимический эквивалент алюминия
 г/(А∙ч)
-
Количество алюминия, которое теоретически можно получить с серии за месяц
 т
-
Выход по току на серии
-
Удельный расход электроэнергии
 кВт· ч/т
Таблица 2 – Варианты заданий к примеру 2
№
|
N
|
I, кA
|
gфакт,, т
|
рAl., %
|
V, B
|
1
|
140
|
150
|
4500
|
99,0
|
698
|
2
|
145
|
145
|
4600
|
99,3
|
695
|
3
|
148
|
143
|
4800
|
99,5
|
700
|
4
|
143
|
160
|
4850
|
99,8
|
705
|
5
|
152
|
133
|
4500
|
99,1
|
703
|
6
|
155
|
130
|
4550
|
99,4
|
690
|
7
|
160
|
125
|
4400
|
99,0
|
685
|
8
|
150
|
148
|
4900
|
98,0
|
697
|
9
|
135
|
152
|
4650
|
98,9
|
710
|
10
|
130
|
155
|
4700
|
98,0
|
712
|
Пример 3. В цехе электролитического получения алюминия годовой производительностью gц = 80 тыс.т металла установлены электролизеры нагрузкой 130кА. Ванны работают с выходом по току для алюминия ВТ = 90% при среднесерийном напряжении на электролизер VЭ = 4,7В. Машинное время работы электролизеров составляет f=0,94, потери алюминия при переплаве равны 3% (К=0,97).
Сколько электролизеров и электролизных серий должно быть в цехе для обеспечения его годовой производительности?
Решение:
-
Годовая производительность одного электролизера (с учетом потерь при переплаве металла)
 т/год
2) Необходимое количество электролизеров в цехе
3) Суммарное напряжение на всех электролизерах
4) Количество последовательных серий в цехе рассчитываем исходя из того, что напряжение на каждой серии при кремниевых выпрямителях должно составлять 450-850 В. Отсюда количество серий
Принимаем 2 серии. Количество ванн в каждой серии
Напряжение на серии
Таблица 3 – Варианты заданий к примеру 3
№
|
gц,
тыс. т
|
I, кA
|
ВТ , %
|
VЭ, В
|
f
|
1
|
90
|
138
|
90
|
4,5
|
0,92
|
2
|
85
|
140
|
88
|
5,0
|
0,95
|
3
|
95
|
132
|
93
|
5,2
|
0,85
|
4
|
83
|
145
|
88
|
4,2
|
0,87
|
5
|
87
|
150
|
92
|
4,7
|
0,96
|
6
|
97
|
142
|
95
|
4,9
|
0,89
|
7
|
93
|
135
|
82
|
5,8
|
0,93
|
8
|
91
|
142
|
89
|
5,6
|
0,91
|
9
|
82
|
152
|
87
|
5,9
|
0,85
|
10
|
94
|
137
|
97
|
4,3
|
0,89
|
Пример 4. При электрохимическом сгорании углеродистых анодов алюминиевого электролизера нагрузкой I=140кА образуется по 50 об. % СО2 и СО.
Анодная плотность тока в электролизере Da = 0,8 А/см2; выход по току 89% (ВТ) (примем его равным для катодного и анодного процессов); кажущаяся плотность анода dа = 1,6 г/см3; механические потери анодного вещества составляют около 15% (К=1,15) от его расхода на электрохимическое сгорание.
Какое количество анодного вещества (в расчете на чистый углерод) израсходуется за трое суток в алюминиевом электролизере на собственно электрохимический процесс? На какую высоту при этом «сгорят» аноды?
Решение:
-
Реакции суммарных электрохимических процессов в ванне:
а) Al2O3 + 3С → 2Al + 3CO
б) 2Al2O3 + 3С → 4Al + 3CO2
2)Электрохимические эквиваленты для углерода:
для реакции (а)
 г/(А∙час)
для реакции (б)
 г/(А∙час)
3)В анодном газе на 1 моль СО2 приходится 1 моль СО. На электрохимическое образование каждого моля СО2 затрачивается вдвое больше электричества, чем на 1 моль СО. Отсюда вытекает, что 66,7% электричества, расходуемого на сгорание анодов, идет на образование СО2 ( ), а 33,3% – на образование СО ( ).
4) Трехсуточный расход анодного вещества в ванне на собственно электрохимический процесс
5) Расход анодов с учетом механического разрушения:
6) Объем «сгоревших» анодов
7) Рабочая поверхность анодов
8) Высота сгорания анодов за трое суток
Таблица 4 – Варианты заданий к примеру 4
№
|
Соотношение газов
|
Dа, А/см2
|
ВТ, %
|
da, г/см3
|
K
|
СО,
%
|
СО2,
%
|
1
|
40
|
60
|
0,9
|
90
|
1,4
|
1,10
|
2
|
25
|
75
|
0,7
|
91
|
1,5
|
1,11
|
3
|
20
|
80
|
0,8
|
95
|
1,7
|
1,20
|
4
|
60
|
40
|
1,0
|
92
|
1,3
|
1,15
|
5
|
75
|
25
|
0,6
|
85
|
1,8
|
1,07
|
6
|
40
|
60
|
0,9
|
87
|
1,6
|
1,05
|
7
|
80
|
20
|
0,7
|
80
|
1,2
|
1,25
|
8
|
10
|
90
|
0,8
|
83
|
1,9
|
1,22
|
9
|
90
|
10
|
0,5
|
86
|
1,7
|
1,24
|
10
|
75
|
25
|
0,6
|
79
|
1,4
|
1,16
|
Пример 5. Магниевый электролизер нагрузкой I=140кА работает со средним выходом по току 75% (ВТ) (принять равным для катодного и анодного процессов) и напряжением на ванне V=5,5В; содержание Мg в получаемом металле-сырце составляет pMg = 99,7%.
Какое количество магния-сырца и хлора может быть получено за месяц (30суток) с такого электролизера при его непрерывной работе? Каков удельный расход электроэнергии:
а) на 1 т Мg; б) на 1 т Сl2?
Решение:
1) Основной электрохимический процесс в ванне
MgCl → Mg + Cl2
2) Электрохимические эквиваленты для компонентов процесса
 г/(А∙чаc);  г/(А∙час)
3) Месячная производительность ванны по магнию-сырцу
4) Месячное количество хлора, воспроизводимое одной ванной
5) Удельный расход электроэнергии
а) на 1 т Мg
 кВт∙час/т
б) на 1т Cl2
 кВт∙час/т
Таблица 5 – Варианты заданий к примеру №5
№
|
ВТ, %
|
I, кA
|
V, В
|
р Mg , %
|
1
|
80
|
130
|
5,2
|
99,5
|
2
|
79
|
125
|
5,0
|
99,6
|
3
|
78
|
132
|
5,8
|
99,8
|
4
|
76
|
142
|
6,0
|
98,9
|
5
|
72
|
144
|
6,3
|
98,8
|
6
|
82
|
135
|
6,5
|
98,2
|
7
|
85
|
120
|
5,1
|
98,5
|
8
|
70
|
127
|
5,6
|
99,3
|
9
|
73
|
129
|
5,5
|
99,2
|
10
|
87
|
136
|
4,9
|
99,9
|
Пример 6. Рассчитать падение напряжения в электролите алюминиевого электролизера нагрузкой 130кА, имеющего рабочую площадь (сечение) анода 250×670см, межполюсное расстояние l=4,0см. Удельное сопротивление расплавленного электролита при температуре электролиза ρ=0,488Ом∙см.
Решение:
Расчет проводим по формуле Форсблома и Машовца:
где S – анодная поверхность (сечения анода);
Р – периметр анода.
Отсюда
Таблица 6 – Варианты к примеру 6
№
|
I, кA
|
l, см
|
Рабочая площадь анода,
см
|
№
|
I, kA
|
l, см
|
Рабочая площадь анода,
см
|
1
|
140
|
5,0
|
230×660
|
6
|
143
|
5,8
|
280×600
|
2
|
145
|
4,5
|
235×680
|
7
|
147
|
6,0
|
220×690
|
3
|
125
|
4,3
|
240×690
|
8
|
150
|
6,5
|
210×700
|
4
|
120
|
4,8
|
260×650
|
9
|
155
|
6,3
|
200×750
|
5
|
123
|
5,5
|
270×620
|
10
|
152
|
5,2
|
275×610
|
Пример 7. Рабочее напряжение на внешних шинах магниевого электролизера равно 5,55В, том числе потери напряжения во внешних шинопроводах и контактах ванны 0,26В. Изменение энтальпии при реакции
MgCl2 (ж) → Mg(ж) + Cl2
равно -142,56 ккал/моль. Какое количество джоулева тепла выделяется в электролизере нагрузкой I=130кА, если выход по току ВТ =80%? При расчете пренебречь выделением на электродах всех продуктов, кроме Мg и Сl.
Решение:
1) Перепад напряжения между катодом и анодом электролизера
∆V = 5,55-0,26 = 5,29В
2) Тепловое напряжение разложения расплава
3) Количество джоулева тепла, выделяющееся за 1час в ванне
 ккал/час
Таблица 7 – Варианты заданий к примеру №7
№
|
V1, B
|
V2, B
|
I, кA
|
ВТ , %
|
№
|
V1, B
|
V2, B
|
I, кA
|
ВТ ,
%
|
1
|
5,65
|
0,30
|
140
|
82
|
6
|
5,40
|
0,40
|
138
|
77
|
2
|
5,78
|
0,25
|
150
|
90
|
7
|
5,65
|
0,33
|
133
|
75
|
3
|
5,80
|
0,28
|
145
|
89
|
8
|
5,15
|
0,37
|
130
|
78
|
4
|
5,30
|
0,20
|
147
|
95
|
9
|
5,35
|
0,39
|
131
|
81
|
5
|
5,25
|
0,35
|
135
|
97
|
10
|
5,75
|
0,22
|
142
|
93
|
Пример 8. Средний выход по току ВТ в алюминиевом электролизере нагрузкой I=150 кА равен 88%, рабочее напряжение на ванне V1 =4,6В, в том числе во внешних, „негреющих” шинопроводах и контактах V2 =0,40В. Состав газа, полученного при сгорании анодов: 55об. % СО2 и 45% СО.
Теплоты реакций при 950°С:
а) Al2O3 + 3С → 2Al + 3CO – 312 ккал
б) 2Al2O3 + 3С → 4Al + 3CO2 – 492,5 ккал
Какое количество джоулева тепла выделяется за 1час в электролизере?
Решение:
1)Тепловое напряжение разложения для электрохимических процессов:
для реакции (а)
для реакции (б)
2) Доля полезного тока, идущая на реакцию (а),
Доля полезного тока, затрачиваемая на реакцию (б),
В расчете принято во внимание, что на образование 1 моля СО2 затрачивается в 2 раза больше электричества, чем на образование 1 моля СО.
3) Внутреннее падение напряжения в ванне
4) Часовое количество джоулева тепла, выделяемое в ванне
 ккал/час
Таблица 8 – Варианты заданий к примеру 8
№
|
I, кA
|
ВТ , %
|
V1, B
|
V2, B
|
об.% СО
|
об.% СО2
|
1
|
140
|
89
|
5,0
|
0,35
|
40
|
60
|
2
|
160
|
85
|
4,8
|
0,38
|
42
|
58
|
3
|
130
|
80
|
5,2
|
0,42
|
50
|
50
|
4
|
120
|
81
|
5,5
|
0,45
|
35
|
65
|
5
|
125
|
88
|
5,8
|
0,50
|
33
|
67
|
6
|
135
|
86
|
5,7
|
0,51
|
38
|
62
|
7
|
150
|
95
|
5,6
|
0,49
|
44
|
54
|
8
|
152
|
92
|
4,9
|
0,33
|
48
|
52
|
9
|
145
|
90
|
4,3
|
0,30
|
43
|
57
|
10
|
148
|
96
|
4,7
|
0,34
|
33
|
67
|
Пример 9. В магниевом электролизере с нижним вводом анодов нагрузкой I = 90 кА установлено 7 анодных блоков шириной по 2300мм, каждый из которых состоит из восьми графитированных электродов сечением 200×325мм и общей длиной L =2085мм. Рабочая длина анодов L/ =1400мм. У анодов пяти средних блоков работают обе стороны. Удельное сопротивление графитированных электродов при +200С ρ20 = 9,0 Ом×мм2/см. Температурный коэффициент сопротивления графита α=0,000346. Средняя температура анодов 5000С.
Рассчитать падение напряжения в неработавших графитовых анодах электролизера.
Решение:
1) Проходное сечение анодов в ванне
S = 2300 · 200∙(7-1)=2,76 ∙ 106 мм2
(в крайних блоках анодов работает одна сторона, поэтому расчетное число блоков приближенно берется на единицу меньше их количества).
2) Удельное сопротивление графита при 5000С
ρ500 = ρ20 ·[1+α · (t0 – 20)]=90·[1+0,000346 · 480] = 10,5 Ом·мм2/м
3) Падение напряжения в нерабочей части анодов
4) При расчете падения напряжения в рабочей части анодов учитываем, что сила тока по длине рабочей части анодов уменьшается от полного тока I до нуля. Поэтому для расчетов можно принять проходную плотность тока в рабочей части анода равной половине плотности тока в нерабочей части анодов:
5) Суммарное падение напряжения в анодах
∆V = ∆V1 + ∆V2 = 0,235 + 0,240 = 0,475 В
Таблица 9 – Варианты заданий к примеру 9
№
|
I, кА
|
L, мм
|
L/, мм
|
Средняя температура анодов, 0С
|
1
|
90
|
2085
|
1400
|
500
|
2
|
92
|
2090
|
1410
|
500
|
3
|
94
|
2095
|
1415
|
520
|
4
|
96
|
2100
|
1420
|
520
|
5
|
98
|
2105
|
1424
|
540
|
6
|
100
|
2110
|
1428
|
540
|
7
|
105
|
2115
|
1430
|
560
|
8
|
110
|
2120
|
1435
|
560
|
9
|
115
|
2125
|
1445
|
565
|
10
|
88
|
2070
|
1390
|
565
|
Пример 10. Э. д. с. системы Na(ж)| расплав NaCl | Cl2(C) равна 3,43В (при 6500С); температурный коэффициент э. д. с. составляет  В/ 0С.
Какова величина теплового эффекта реакции
Na(ж)+  Cl2 NaCl (ж)
при температуре процесса + 600 0С?
Решение:
Для расчета используем уравнение Гиббса-Гельмгольца
Е=
отсюда
QТ = z∙FТ (E-T  )
-
Э. д. с. системы при 600 0С
страница 1 страница 2 страница 3
|