Енергетичний баланс електролізера - все про металургію

При електролітичному способі виробництва магнію вартість електроенергії становить помітну частину вартості металу. Питома витрата електроенергії на сучасних магнієвих заводах коливається в залежності від застосовуваних конструкцій електролізера і сировини в межах 15-17 кВт * год / кг магнію.
Для вибору правильного напряму щодо зниження питомої витрати енергії необхідно знати розподіл втрат напруги в ланцюзі струму і баланс теплових втрат електролізера.

Напруга на електролізері (між точками підключення електролізера до шинопроводи серії) виражається наступним рівнянням:

f = E + vел + va + Vк + VШ,

де v - напруга на електролізері, в;
E - напруга розкладання, в;
vел- омическое падіння напруги в електроліті, в,
va - то ж, в аноді, в;
Vк - то ж, в катоді, в;
VШ - то ж, в шинопроводі і контактах, в.
При складанні балансу напруги завдання зводиться до визначення окремих складових наведеного рівняння, при проектуванні окремі складові рівняння визначаються розрахунковим шляхом, крім напруги розкладання, яке беруть виходячи з наявних експериментальних даних для прийнятих в проекті умов електролізу.
При складанні балансу напруги чинного електролізера більшість доданків рівняння напруги можна виміряти. Деякі складові розраховують.
Напруга розкладу (E). Напруга розкладу MgCl2 для деяких електролітів виміряна в лабораторних умовах. Проте точних даних для різних умов промислового електролізу немає. Тому при складанні балансу чинного електролізера воно може бути визначено виміром падіння напруги між анодом і катодом, падіння напруги в електроліті, анодах і катодах Потім напруга розкладання підраховують за формулою

E = va-к - (vел + va + Vк),

де va-к - падіння напруги між електродами, в.
Такі розрахунки є приблизними, так як всі помилки вимірювань (недостатньо точних) відносяться до величини E. Тому потрібно визначити E в різних умовах, що наближаються до виробничих.
Падіння напруги в електроліті (vел). Падіння напруги в електроліті розраховують за формулою

vел = iRел = рlDср.г,

де р - питомий опір електроліту, ом * см,
Dср.г - середньогеометричними щільність струму, а / см2;
l - межелектродное відстань, см.
Якщо немає даних про питомої електропровідності даного складу електроліту, її наближено обчислюють як адитивну з питомих електропровідностей компонентів електроліту при відповідній температурі.
Якщо є достатньо достовірне значення напруги розкладання для даних умов електролізу, то падіння напруги в електроліті може бути підраховано як різниця виміряного падіння напруги між електродами і напруги розкладання плюс виміряний падіння напруги в електродах.
Падіння напруги в анодах і катодах (va і Vк). Для визначення падіння напруги в аноді вимірюють падіння напруги на ділянці від середини анодної шини до середини робочої частини анода (за робочу приймають частину анода, що знаходиться нижче діафрагм). Для вимірювання падіння напруги в аноді користуються залізним штирем, добре ізольованим від зіткнення з електролітом.
Втрати напруги в шинопроводі. Ці втрати встановлюються шляхом послідовних вимірювань падіння напруги в окремих ділянках ланцюга і контактах. Сума втрат напруги в окремих ділянках шинопровода і контактах повинна бути дорівнює різниці між напругою на клемах електролізера і падінням напруги між електродами. Близьке збіг двох цих значень вказує на задовільні результати вимірювань.
Конструкція введення анодів помітно позначається на балансі напруги і тепловому балансі електролізерів.
У табл. 22 наведені розрахункові баланси напруги електролізерів з верхнім і бічним введенням анодів на 60000 а.
Напруга на електролізері з верхнім введенням анодів при однаковій щільності струму в електроліті на 0,4 в вище, так як ці аноди довше, а щільність струму в них більше. Падіння напруги в анодах при їх верхньому введенні в електролізер тим більше, чим глибше електролізер. При однаковій щільності струму на електродах (0,45 а / см2) прохідна щільність струму в анодах верхнього введення дорівнює 5,5 а / см2 замість 3,5 а / см2 для бокового введення Ці обставини, однак, не є вирішальними при виборі типу електролізера .
При цьому потрібно врахувати також питомі капітальні вкладення, терміни служби електролізерів і інші фактори.

Вивчення енергетичних балансів електролізерів різних конструкцій дозволяє намічати напрямки їх удосконалення і домагатися поліпшення показників процесу електролізу
У табл. 23 наведено порівняння енергетичних балансів електролізерів з верхнім і бічним введенням анодів, а в табл. 24 показано розподіл теплових втрат в цих електролізерах Основні параметри обох електролізерів однакові, проте теплові втрати електролізерів з верхнім введенням анодів вище в основному за рахунок великих втрат з поверхні анодів (24% всіх втрат).
Коефіцієнт корисної дії електролізера з верхнім введенням анодів нижче приблизно на 2%.

Більш важливі в даному випадку питомі теплові втрати, т. Е. Кількість тепла, що втрачається на 1 кг отриманого магнію.
Як видно з табл. 25, питомі теплові втрати в електролізерах з верхнім введенням анодів в основному залежать від висоти анодів На електролізерах з боковим введенням анодів виявляється та сама закономірність (табл 26).
Збільшення висоти анодів на 20 см знижує питомі тепловтрати на 23%. При цьому амперная навантаження на 1 м2 пода зростає приблизно на 26%. Чим більше робоча висота анодів (в межах до 100 см), тим більше відношення среднегеометрической поверхні електродів до обсягу електроліту і тим більше з'їм металу з одиниці площі електролізера. Слід зазначити, що збільшення знімання металу з 1 м2 подини електролізера має місце при зниженні среднегеометрической щільності струму на електродах, але при одночасному збільшенні об'ємної щільності струму в електроліті. Для зниження питомих втрат тепла слід прагнути до максимального використання обсягу електроліту.
Порівняння балансів напруги і енергетичних балансів електролізерів з різним введенням анодів показує деякі переваги бокового введення по питомій витраті електроенергії. Однак для повного порівняння економічності того чи іншого способу підведення струму до анодам цього одного показника недостатньо, так як питома вартість ремонтів ванн для бокового введення вище, ніж для верхнього.
Тому переваги того чи іншого типу електролізерів повинні визначатися в кожному окремому випадку в залежності від місцевих умов - головним чином вартості електроенергії.

Вихід по току на електролізерах з боковим введенням анодів приблизно на 3-4% нижче, ніж при верхнє введенні, через розчинення в електроліті залізних контактів анода при бічному введенні.
У районах з дешевою електроенергією вигідніше електролізери з верхнім введенням анодів через їх більшої продуктивності Їх переваги тим більше, чим ширше електролізер. При ширині робочого простору 2500 мм напруга на електролізерах обох типів однакова.
Розглянувши баланси напруги і енергетичні баланси магнієвих електролізерів, можна зробити наступні висновки
1. При анодної щільності струму 0,4-0,7 а / см2% висоті анодів 100 см і l = 4/7 см напруга на електролізері з боковим введенням анодів становить 5,5 в. При харчуванні карналлита і виході за струмом 80% питома витрата електроенергії становить 15,2 кВт * год / кг при тих же умовах напруга на електролізері з верхнім введенням анодів вище на 0,4-0,5 в, а енергії витрачається відповідно при харчуванні карналлита 15,8 кВт * год / кг і при харчуванні хлористим магнієм 15,4 кВт * год / кг магнію.
2. Для зниження напруги на електролізері необхідно працювати на електролітах більш електропровідних Це дозволяє підвищити щільність струму і збільшити струмовий навантаження на одиницю площі робочого простору електролізера без надмірного зменшення меж-полюсного відстані
3. Питомі теплові втрати при електролізі тим менше, чим більше потужність електролізера і ставлення робочої поверхні електродів до площі електролізера, тобто чим більше висота анодів.