2.4 Статический тепловой баланс электролизера

Уравнение теплового (энергетического) баланса представлено в виде [7]:

,

(2.39)

где – теплота, подводимая в электролизере от электрической энергии постоянного тока;

– теплота, выделяемая в электролизере за счет реакции вторичного окисления алюминия;

– использованная в электролизере теплота анодных газов, учитывающая изменение их энтальпии и теплоту догорания;

– затраты теплоты на разложение глинозема с участием угольного анода;

– затраты теплоты на нагрев и растворение глинозема;

– затраты теплоты на нагрев анода;

– затраты теплоты на реакцию Будуара;

– энергия побочных процессов;

– суммарные потери теплоты с конструктивных поверхностей электролизера.

2.4.1 Приходные статьи теплового баланса

1. Теплота, подводимая в электролизере от электрической энергии постоянного тока , кВт,

кВт;

(2.40)

В том числе: джоулева теплота, выделяемая в аноде,

, кВт;

(2.41)

джоулева теплота, выделяемая в электролите,

, кВт;

(2.42)

джоулева теплота, выделяемая в катоде,

, кВт;

(2.43)

энергия (теплота) перенапряжения анодной и катодной реакций,

, кВт;

(2.44)

энергия (теплота) реакции разложения,

, кВт;

(2.45)

энергия (теплота) анодных эффектов,

, кВт.

(2.46)

2. Теплота, выделяемая в электролизере за счет реакции вторичного окисления алюминия, кВт. Вторичное окисление алюминия происходит по следующей реакции:

(2.47)

Принимается допущение, что потери металла происходят только за счет его окисления углекислым газом в прианодной зоне при температуре электролиза . Величина энтальпии реакции окисления алюминия с образованием в твердой фазе составляет 4353 кВт·ч/т Al. Глинозем находится в растворенном состоянии, поэтому из полученной выше величины рекомендуется вычесть теплоту растворения глинозема, равную 120 кВт·ч/т Al.

Тогда

кВт.

(2.48)

3. Использованная в электролизере теплота анодных газов ,кВт. В процессе электролиза на аноде происходит образование анодных газов. На основании термодинамических расчетов получено, что на 1т. выливаемого алюминия выделяются оксид углерода в количестве , т. и диоксид углерода , т.

В местах выхода анодных газов из-под корки происходит догорание CO до CO₂ за счет кислорода подсасываемого в электролизер воздуха. Теплота, выделяющаяся при догорании оксида углерода , кВт∙ч/т Al.

кВт

(2.49)

где и – тепловые эффекты реакций образования и при температуре электролиза, кДж/кмоль.

2.4.2 Расходные статьи теплового баланса

1. Затраты теплоты на разложение глинозема , кВт. При электролизе протекает электрохимическая реакция разложения глинозема с участием углерода. Здесь принято допущение, что первичным газом, выделяющимся на аноде, является СО₂.

Затраты энергии на разложение глинозема по электрохимической реакции в энергетическом балансе вычисляются по выражению:

кВт.

(2.52)

2. Затраты теплоты на нагрев и растворение глинозема . Глинозем поступает в электролизер при температуре окружающей среды (примерно 25⁰С), где нагревается до температуры электролиза и растворяется в электролите при этой температуре. Тепловой эффект зависит от концентрации полученного раствора. Можно принять, что в зависимости от вида глинозема на его нагрев от 25⁰С и растворение при 960⁰С затрачивается 600-740 кВт·ч/т Al, из которых на нагрев расходуется около 550 кВт·ч/т Al и на растворение – 120 кВт·ч/т Al.

Тогда

кВт.

(2.53)

3. Затраты теплоты на нагрев анода , кВт. Анод нагревается от температуры окружающей среды до температуры электролиза . При известном удельном расходе анода кг/тAl, можно рассчитать затраты теплоты на нагрев анода по уравнению:

кВт,

(2.54)

где – удельная массовая теплоемкость анода, кДж/(кг·К), для обожженных анодов кДж/(кг·К).

4. Затраты теплоты на реакцию Будуара . Реакция Будуара – это окисление углекислым газом неполяризованного, т.е. непокрытого соединениями СО_х, углерода. Им являются боковые грани анода, выступающие из электролита, и частицы осыпавшегося в электролит углерода – угольной пены, плавающей на поверхности электролита. Эта реакция представлена в виде:

,

(2.55)

Рассчитываются затраты теплоты на реакцию Будуара по формуле:

кВт,

(2.56)

5. Энергия побочных процессов складывается из:

– затраты теплоты на нагрев и разложение фторидов алюминия;

– теплота, выделяемая при нейтрализации в глиноземе.

= + – .

(2.57)

1. Затраты теплоты на нагрев и разложение фторидов алюминия ,кВт. Фторид алюминия, содержащийся в электролите, соединяется с влагой, имеющейся в глиноземе и фтористых солях. Реакция гидролиза протекает следующим образом:

.

(2.58)

Затраты энергии на этот процесс при удельном расходе фторида алюминия кг/т Al:

кВт.

(2.59)

где – содержание в глиноземе, %; по технологическим данным .

2. Теплота, выделяемая при нейтрализации в глиноземе , кВт. Нейтрализация содержащегося в глиноземе происходит по следующей реакции:

.

(2.60)

Эта реакция экзотермическая, выделение теплоты определяется по формуле:

кВт.

(2.61)

Таким образом,

= – =0,476–0,090=0,386 кВт.

(2.62)

После определения всех статей теплового баланса из уравнения рассчитываются тепловые потери по разности приходной и вычисленной расходной статей:

кВт.

(2.63)