Тепловой расчет электролизера

Нормальная работа электролизёра возможна только при соблюдении теплового равновесия, т.е. когда приход и расход тепла в единицу времени при установившемся режиме электролиза становятся равными:

Qпр = Qрасх

Приход тепла в электролизёр осуществляется от прохождения постоянного электрического тока и от сгорания анодной массы.

В этом случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Qэл + Qан = Q_Г + Q _Al + Q_газ + Qп, (38)

где Qэл - приход тепла от электроэнергии;

Qан - приход тепла от сгорания анода;

Q_Г - расход тепла на разложение глинозёма;

Q _Al - тепло, уносимое с вылитым металлом;

Q_газ - тепло, уносимое отходящими газами;

Qп - потери тепла в окружающее пространство.

1 Приход тепла

1.1 Приход тепла от прохождения электрического тока Qэл, кДж определяется по уравнению:

Q эл = 3600 * I * U_гр * τ (39)

где 3600 – тепловой эквивалент одного кВт_*ч, кДж;

I – сила тока, кА;

U_гр – греющее напряжение, В (из таблицы 2);

τ – время, часы.

Q эл =

1.2 Приход тепла от сгорания угольного анода Qан, кДж определяется следующей зависимостью:

Qан = Р¹_{СО2 *} ∆H^T_CO2 + Р¹_{СО *} H^T_CO (40)

где Р¹_СО2 и Р¹_СО – число киломолей оксидов углерода; определяется по материальному балансу исходя из формул (10 и 11):

Р¹_СО2 = , (41)

Р¹_СО2 = ----------------------

Р¹_СО = , (42)

Р¹_СО =---------------

∆Н^Т_СО2 и ∆Н^Т_СО – тепловые эффекты реакций образования СО₂ и СО из углерода и кислорода при 25 ˚С (298 К):

∆H²⁹⁸_СО2 = 394 070 кДж/кмоль

∆H²⁹⁸_СО = 110 616 кДж/кмоль

Qан =

2 Расход тепла

2.1 На разложение глинозема расходуется тепла Q_Г, кДж:

Q_Г = R¹_{Г *} ∆H^T_Г, (43)

где R¹_Г - расход глинозёма, кмоль определяется по формуле 44

∆H^T_Г - тепловой эффект образования оксида алюминия при 25 ˚С (298 К), равный 1676000 кДж/кмоль.

R¹_Г = (44)

R¹_Г = ---------------

Q_Г =

2.2 Потери тепла с выливаемым из ванны алюминием рассчитываются, исходя из условия, что количество вылитого алюминия соответствует количеству наработанного за то же время. При температуре выливаемого алюминия 960 °С энтальпия алюминия ∆H^T1_Al составляет 43982 кДж/кмоль, а при 25 °С энтальпия алюминия ∆H^T2_Al равна 6716 кДж/кмоль. Отсюда потери тепла Q_Al, кДж с выливаемым алюминием составят:

Q_Al = Р¹_{Al *} (∆H^T1_Al - ∆H^T2_Al) (45)

где Р¹_Al - количество наработанного алюминия, кмоль определяемое по формуле:

Р¹_Al = (46)

Р¹_Al = ------------------

Q_Al =

2.3 Унос тепла с газами при колокольной системе газоотсоса рассчитываем, принимая, что разбавление газов за счет подсоса воздуха в систему отсутствует. В этом случае ведем расчет на основные компоненты анодных газов – оксид и диоксид углерода. Тогда унос тепла с газами Q_газ, кДж будет равен:

Q_газ = Р¹_{СО *} ( H^T1_CO - H^T2_CO) + Р¹_{СО2 *} (∆H^T1_CO2 - ∆H_T2^CO2) (47)

где Р¹_СО и Р¹_СО2 – количество CO и CO₂, кмоль

∆H^T1_CO – энтальпия СО при температуре 550 °С, равна 24860 кДж/кмоль

∆H^T2_CO – энтальпия СО при температуре 25 °С, равна 8816 кДж/кмоль

H^T1_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 550 °С, равна 40488 кДж/кмоль

H^T2_CO2 – энтальпия СО₂ при температуре 25°С соответственно, 16446 кДж/кмоль

Q_газ =

2.4 Потери тепла в окружающую среду определяются на основании законов теплоотдачи конвекцией, излучением и теплопроводностью. Так как электролизер представляет собой сложную систему, изготовленную из различных материалов, для упрощения расчетов, потери тепла конструктивными элементами электролизёра Q_П, кДж определяются по разности между приходом тепла и расходом по рассчитанным статьям:

Q_п = (Q эл + Qан) - (Q_Г + Q_Al + Q_газ) (48)

Q_п =

Данные расчета представлены в таблице 3

Таблица 3 - Тепловой баланс электролизера на силу тока кА

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
От прохождения электроэнергии			На разложение глинозёма
			С вылитым металлом
От сгорания угольного анода			С отходящими газами
			Конструктивными элементами и с поверхности электролизёра
ИТОГО		100	ИТОГО		100