1.7 Электролитическое получение алюминия
1.7.1 Годовая производительность цеха по производству алюминия, оснащённого электролизёрами нагрузкой 160 кА, составляет 140 тыс тонн металла. Катодный выход по току для алюминия равен 93%. Цеховой источник постоянного тока способен выдать напряжение 700 В. Машинное время работы ванн 95 %. Напряжение на ванне равно 4,7 В. Рассчитать число необходимых электролизёров в цехе, число последовательных серий, напряжение на серии и удельный расход электрической энергии на 1 тонну алюминия.
Решение
Годовая производительность одного электролизёра составит:
g1 = kItBTKM = 0,3335·160000·365·24·0,93·0,95 = 412,98·106 г = 412980 кг
где
k
=
= 0,3335 – электрохимический эквивалент
алюминия,
.
Необходимое число электролизёров составит:
n1
=
= 338,9
Выбираем 339 электролизёров.
Суммарное напряжение на всех электролизёрах составит:
U1 = 4,7·n1 = 4,7·339= 1593,3 B.
Число последовательных серий составит:
n2
=
=
= 2,78.
Принимаем число последовательных серий, равное 3.
Число ванн в каждой серии составит:
n3
=
=
= 113.
Напряжение на одной серии составит:
U2 = 4,7·113 = 531 В.
Удельный расход электрической энергии на 1 т Al составит:
W
=
=
= 14,4 (Вт·ч)/г = 14400 (кВт·ч)/т
1.7.2 Электролизёр для получения алюминия нагрузкой 160 Ка с катодным и анодным выходами по току 90 % содержит 32 анода площадью 0,7 м2 и высотой 5о см каждый. Плотность материала анодов 1,53 г/см3. Анодный огарок составляет 17 %, а механические потери 10 % от электрохимически разрушающейся массы анода. Отходящие газы содержат 46 % СО и 54 % СО2.
Рассчитать высоту сгорания анода за 1 сутки, срок службы анодов и расход анодов на 1 тонну алюминия.
Решение
В процессе электролиза на электродах и вэлектролизёре проьекают реакции:
на катоде 4Al3+ + 12e = 4Al
на аноде 6О2- - 12е = 3О2
3О2 + 3С = 3СО2
в электролизёре 2Al2O3 + 3C = 4Al + 3CO2 (1)
и
на катоде 2Al3+ + 6e = 2Al
на аноде 63О2- - 6е = 1,5О2
1,5О2 + 3С = 3СО
в электролизёре Al2O3 + 3C = 2Al + 3CO (2)
Электрохимические эквиваленты углерода по реакциям (1) и (2) составят:
k1
=
=
= 0,112 г(А·ч)
k2
=
=
= 0,224 г/(А·ч),
где 12 – молярная масса углерода, г.
Доля анодного тока, расходуемого на реакции (1) и (2) составят:
BT1
=
=
= 0,701
BT2
=
=
= 0,299,
где рi –содержание i-го компонента в газовой фазе, %.
Тогда средний электрохимический коэффициент углерода л\для реакций (1) и (2) составит:
k = k1·BT1 + k2·BT2 = 0,112·0,701 + 0,224·0,299 = 1,146 г(А·ч).
За счёт электрохимического окисления (реакции 1 и 2) расход анода за одни сутки составит:
g1 = kItBt = 0,146·160·103·24·0,9 = 504,6·103 г = 504,6 кг
С учётом механических потерь расход анодов за 1 сутки составит:
g2 = g1 + 0,1g1 = 504,6 +0,1·504,4 = 555,1 кг.
Объём израсходованных анодов составит:
V
=
=
=
362·103
см3.
Высота сгорания анодов составит в электролизёре составит:
h
=
=
= 1,62 cм.
Общая масса всех анодов в электролизёре составит:
g3 = V·ρ·n = S·h·ρ·n = 0,7·10·0,5·10·1,53·32 = 17136·103 г = 17136 кг.
Из всей массы анодов электрохимическим и механическим путём разрушится
g4 = 17136(1- 0,17) = 14223 кг.
Масса анодов, разрушающаяся электрохимическим путём, определится из уравнения:
g5 + 0,1·g5 = 14223.
Откуда
g5 = 12930 кг
Тогда срок службы анодов рассчитаем по закону Фарадея:
g5 = kItBT = 12930·103 г,
откуда
t
=
=
= 615
час = 25,6
сут.
Количество алюминия, полученное за 615 часов, составит:
g6 = kItBT = 0,3335·160·103·615·0,9 = 29535·103 г = 29535 кг
Удельный расход анодов на 1 т Al cоставит:
g7
=
=
= 0,482 кг/кг = 0,482 т/т.