Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме

Автор: Пользователь скрыл имя, 23 Октября 2013 в 19:11, дипломная работа

Описание работы

Целью настоящего дипломного проекта является реконструкция отделения электролиза магния.
Новизна и практическая ценность проекта заключается в использовании электролизеров с крайними катодами, что позволит снизить потери магния и увеличить производительность электролизёра с 61 кг/ч до 65,5 кг/ч, что в стоимостном выражении составит 40560000 тенге.

Содержание

Введение
1 Теоретические основы процесса электролиза магния по хлормагниевой схеме питания
1.1 Краткая характеристика предприятия.
Номенклатура, качество и технический уровень продукции.
Сырьевая база, характеристика сырья
1.2 Анализ научно-исследовательских работ и работы действующего предприятия. Выбор и обоснование технологической схемы переработки сырья и технологических показателей
1.3 Описание технологического процесса электролиза магния по хлормагниевой схеме питания
1.4 Обзор патентов
2 Расчеты технологического процесса электролиза магния по хлормагниевой схеме питания
2.1 Расчет материального баланса
2.2 Расчет теплового баланса
2.3 расчет основного и вспомог оборудования
3 экономика
4 Безопасность и экологичность проекта
4.1 Охрана труда
4.1.1 Общие требования
4.1.2 Параметры микроклимата
4.1.3 Электробезопасность
4.1.4 Освещенность
4.1.5 Пожарная безопасность
4.2 Охрана окружающей среды
Заключение
Список литературы

Работа содержит 1 файл

электролиз магния дипломная работа.doc

— 1.43 Мб (Скачать)

 

Потери хлора с газами санитарно-технического отсоса, Xсто, кг, найдем из выражения:

 

ХСТО = Х – Mg ×АМ×c,    (3.17)

 

где X – количество образовавшегося хлора, кг;

Mg – количество образовавшегося магния, кг;

c – выход хлора на 1 кг магния по данным ОАО УКТМК, кг.

 

XСТО = 72,53 – 24 × 0,987 × 2,85 = 5,02 кг

 

Масса хлора содержащегося  в анодном газе, ХАГ, кг:

 

ХАГ = Х – ХСТО,     (3.18)

 

XАГ = 72,53 – 5,02 = 67,51 кг

 

Объем хлора, содержащегося  в анодном газе ХАГ",м3:

 

ХАГ" = ХАГ / dХ,     (3.19)

 

где dХ – плотность хлора, кг/м3,

dХ  = 3,24 кг/м3.

 

ХАГ" = 67,51 / 3,24 = 20,8 м3.

 

Объем воздуха, содержащегося в  анодном газе, ВАГ", м3:

 

ВАГ" = ХАГ" × 10 / 90,    (3.20)

 

где 10 – объемное содержание воздуха в анодном газе, %;

90 – объемное содержание  хлора в анодном газе, %.

 

ВАГ" = 20,8 × 10 / 90 = 2,3 м3.

 

Масса воздуха, содержащегося  в анодном газе, ВАГ, кг:

 

ВАГ = ВАГ" × dВ,     (3.21)

 

где dВ – плотность воздуха, кг/м3;  dВ = 1,293 кг/м3.

 

ВАГ = 2,3 × 1,293 = 2,97 кг.

Масса анодного газа: 2,97 + 67,51 = 70,48 кг.

Произведем пересчет полученных данных на 1000 кг магния-сырца:

 

а) Приход:

 

  • хлорид магния – 273 × 1000 / 65,5 = 4168 кг;
  • плавиковый шпат – 4168 × 0,025 / 100 = 1,04 кг;
  • хлорид натрия – 17 кг;
  • воздух (подсос в анодное пространство) – 2,97 × 4168 / 100 = 123,8 кг.

 

б) Расход:

 

  • магний-сырец – 1000 кг;
  • шлам – 1000 × 5,24 / 65,5 = 80 кг
  • осветлённый электролит – 1000 × 0,96 / 65,5 = 14,66 кг;
  • возгон – 1000 × 3,28 / 65,5 = 50,1 кг;
  • анодный газ – 70,48 × 4168 / 100 = 2937,6 кг;
  • потери хлора – 5,02 × 4168 / 100 = 209,2 кг.

 

Данные по материальному  балансу приведены в таблице 3.5

 

Таблица 3.5 – Материальный баланс на 1000 кг магния сырца

 

Приход

Количество

Расход

Количество

кг

%

кг

%

Хлорид магния

4168

96,7

Mg-сырец

1000,0

23,2

Плавиковый шпат

1,04

0,024

Осветлённый электролит

14,66

0,34

NaCl

17

0,394

Шлам

80

1,86

Воздух

123,8

2,872

Возгон

50,1

1,16

     

Анодный газ

2937,6

68,16

Потери хлора

209,2

4,85

Невязка

18,28

0,43

Итого

4309,84

100,00

Итого

4309,84

100,00


 

Технологические показатели, отнесенные к 1 кг магния (100 % Mg) приведены в таблице 3.6

 

Таблица 3.6 – Технологические  показатели, отнесенные к 1 кг магния

 

Показатели, отнесенные к 1 кг магния (100 % Mg)

Масса, кг

Расход хлорида магния

4,2

Расход плавикового  шпата

0,001

Расход NaCl

0,017

Выход осветлённого электролита

0,015

Выход шлама

0,08

Выход возгона

0,05

Выход анодного газа

2,98


 

 

3.7.4 Расчет теплового  баланса электролизёра

 

 

Основной частью полного  расчета электролизёров для производства магния-сырца, состоящего из тепловых, электрических, материальных и конструктивных расчетов, являются тепловые расчеты  и балансы.

При расчете проектируемых  новых электролизёров тепловые балансы дают возможность рассчитывать необходимую тепловую изоляцию электролизёра, обеспечивающую сохранение теплового равновесия при принятых условиях процесса (выход по току, межполюсное расстояние, температура и т.д.).

Тепловой баланс состоит  из двух частей – приходной и расходной. В приходной части учитываются статьи приобретения тепла (энергии) системой, в расходной – потери и тепло, уносимое продуктами электролиза.

3.7.4.1 Приход тепла:

 

а) Тепло вносимое расплавленным  хлоридом магния, QХ.М., кДж/ч, рассчитаем по формуле:

 

QХ.М. = CХ.М. × m Х.М. × Т Х.М.,      (3.22)

 

где С Х.М. – теплоёмкость хлорида магния при данной температуре, СХ.М. =      = 0,98 кДж/кг×°С [20];

m Х.М. – часовой расход хлорида магния, равен 273 кг (таблица 3.4)

t Х.М. – температура поступающего хлорида магния, °С.

 

Q Х.М. = 0,98 × 273 × 760 = 203330 кДж/ч.

 

б) Тепло вносимое электрической  энергией постоянного тока, Qэ, кДж/ч, рассчитаем по формуле:

 

QЭ = I × U × t × 3600,    (3.23)

 

где I – сила тока, кА;

U – падение напряжения на шунтах электролизёра, В;

t – время пропускания электрического тока, ч;

3600 – коэффициент перевода  из ккал в кДж.

Qэ = 175 × 5,06 × 1 × 3600 = 3187800 кДж/ч  

 

3.7.4.2 Расход тепла:

 

а) Расход тепла на разложение хлорида  магния, QР, кДж/ч определим по формуле:

QР = DHТ × РMg,    (3.24)

 

где DHТ – тепловой эффект разложения хлорида магния при температуре электролиза, равное 25400 кДж/кг [7];

РMg – количество образовавшегося магния за 1 час, кг/ч;

 

QР = 25400 × 65,5 = 1663700 кДж/ч.

 

б) Количество тепла уносимое магнием-сырцом, QМ, кДж/ч определяем аналогично по формуле (3.24).

Тепловой эффект определим  по формуле:

 

DHM = 232,9 + 0,34 (tЭ – tПЛ),   (3.25)

 

где 232,9 – теплосодержание магния-сырца при температуре плавления;

DHM =  [232,9 + 0,304 (670 - 650)] × 4,184 = 999,89 кДж/кг;

tЭ – температура электролита;

tПЛ – температура плавления магния.

 

QМ = 999,89 × 65,5 = 65493 кДж/ч

 

в) Расход тепла на нагрев и плавление загружаемых материалов:        

 

-     QNaCl = mNaCl × CNaCl (tЭ - tФ) + mNaCl × aNaCl,   (3.26)

 

где CNaCl – средняя теплоёмкость хлорида натрия от 25 °С до температуры плавления, кДж/кг×°С;

aNaCl – теплота плавления NaCl, кДж/кг

mNaCl – часовой расход поваренной соли кг/ч

tФ – температура загружаемой соли, °С

 

QNaCl = 1,1 × 0,98 (670 - 20) + 1,1 × 494,5 = 1245 кДж/ч

 

-     QCaF = mCaF × iCaF,       (3.27)

 

где mCaF – часовой расход плавикового шпата, кг/ч;

iCaF – теплосодержание CaF2, кДж/кг×°С, определим по формуле:

 

iCaF = 4,184 × 0,265 (tЭ - tФ) + aCaF,   (3.28)

 

где aCaF = 380,7 кДж/кг, теплота плавления CaF2

 

QCaF = 0,07 × [4,184 × 0,265 (670 - 20) + 380,7] = 77,0 кДж/ч

 

QОБЩ = 1245 + 77 = 1322 кДж/ч.

 

г) Тепло теряемое с  ушедшим осветлённым электролитом, QОСВ, кДж/ч определим аналогично по формуле:

 

QОСВ = НОСВ × РОСВ,    (3.29)

 

где НОСВ – теплосодержание электролита, кДж/кг

РОСВ – часовой расход осветлённого электролита, РОСВ = 0,96 кг/ч

Теплосодержание электролита  определим по формуле:

 

          НОСВ = СТВ (tПЛ - tB) + q + CЖ (tЭ - tПЛ),   (3.30)

 

где СТВ – теплоёмкость соли при температуре от 0 °С до температуры   плавления,  CТВ = 0,87 кДж/кг×°С  [20];

q – теплота плавления,   q = 418,4 кДж/кг×°С   [20]

СЖ – теплоёмкость расплава соли,  СЖ = 1,02 кДж/кг×°С    [20]

tПЛ – температура плавления соли, tПЛ = 640 °С    [20]

tB – температура воздуха в цехе, tB = 25 °С

 

НОСВ = 0,87 (640 - 25) + 418,4 + 1,02 (670 - 640) = 984,05 кДж/кг;

 

QОСВ = 984,05 × 0,96 = 945 кДж/ч.

 

д) Потери тепла с возгоном, QВ, кДж/ч определим аналогично по формуле (3.29). Теплосодержание возгона определяем аналогично по формуле (3.30):

 

НВ = 0,9 (460 - 25) + 380,7 + 1,071 (670 - 460) = 985,8 кДж/кг,

 

QВ = 3,28 × 985,8 = 3233 кДж/ч.

 

е) Потери тепла со шламом, QШ, кДж/ч определим аналогично по формуле (3.29). Теплосодержание шлама определяем аналогично по формуле (3.30):

 

НШ = 0,904 (620 - 25) + 297,1 + 1,071 (670 - 620) = 918,3 кДж/кг

 

QШ = 5,24 × 918,3 = 4812 кДж/ч.

 

ж) Потери тепла с анодным  хлоргазом, QA, кДж/ч:

 

QA = РА × СА (tA - tB),    (3.31)

 

где РА – масса смеси хлора и воздуха, кг/ч

СА – теплоёмкость анодного хлоргаза, кДж/ч

tА – температура отходящего хлоргаза, °С

 

РА = РХ + РВ,     (3.32)

 

где РХ – масса хлора в смеси анодного хлоргаза, кг/ч

РВ – масса воздуха в смеси анодного хлоргаза, кг/ч

 

Тогда потери хлора с отходящим анодным хлоргазом найдём по формуле:

 

QA = PX × CX (tЭ - tА) + PВ × CВ (tА – tВ),   (3.33)

где СХ – средняя теплоёмкость хлора в интервале температур tЭ и tА, кДж/кг×°С;

СВ – средняя теплоёмкость воздуха в интервале температур tА и tВ, кДж/кг×°С.

 

СХ =

 

СВ =

РХ = 198 кг/ч;  РВ = 8,78 кг/ч

 

QA = 198 × 0,5 (670 - 420) + 8,78 × (420 -25) = 28322 кДж/ч.

 

з) Потери тепла с воздухом, отсасываемым из сборной ячейки, QСТО, кДж/ч определим аналогично по формуле (3.31).

Средняя теплоёмкость воздуха  в интервале температур tСТО и tВ, кДж/кг×°С определим по формуле:

 

СВ =

 

Так как содержание хлора  в газах санитарно-технического отсоса (СТО) незначительно (0,01 кг на 1400 м3 газов СТО), то для вычисления их массы используем плотность воздуха:

 

mСТО = 1400 × 1,293 = 1810,2 кг;

 

QСТО = 1810,2 × 1 × (150 - 25) = 226275 кДж/ч.

 

 

3.7.4.3 Потери тепла конструкцией  электролизёра

 

3.7.4.3.1 Потери тепла  торцевыми стенками электролизёра

 

 

Торцевые стенки состоят  из слоев, следующей толщины, d, мм:

 

  • шамотный кирпич – 345 мм;
  • диатомитовый кирпич – 170 мм;
  • стальной лист – 10 мм;
  • ребро жесткости – 100 мм.

 

В дальнейшем при расчете  коэффициента теплопроводности стальной лист не учитываем.

Используя данные литературных источников, определим средние температуры слоев, °С:

 

  • шамот (670 + 500)×0,5 = 585 °С;
  • диатомит (500 + 70)×0,5 = 285 °С;

 

Коэффициент теплопередачи, К, кДж/м2×ч×°С определим по формуле:

 

    (3.34)

 

где lШ, lД – теплопроводности шамота и диатомита соответственно, кДж/м×ч×°С.

Значения теплопроводностей  определяем: lШ = 4,73 кДж/м×ч×°С, lД =         = 0,71 кДж/м×ч×°С [20].

Принимаем, что электролит пропитывает весь слой шамота и на 25 % слой диатомита. Пористость шамотного кирпича, G = 24 %.

 

lПР = lШ + G× (lЭ - lВ),    (3.35)

 

где lЭ и lВ -  коэффициент теплопроводности электролита и воздуха соответственно:  lЭ=13,8 кДж/м×ч×°С, lВ = 0,19 кДж/м×ч×°С, [20].

 

lПР = 4,73 + 0,24 (13,8 - 0,19) = 8 кДж/м×ч×°С,

 

Толщины пропитанного и  непропитанного слоёв диатомита  составят:

 

dД. ПР. = 0,17 × 0,25 = 0,04 мм;

dД. НЕПР. = 0,17 × 0,75 = 0,13 мм.

 

Теплопроводность пропитанного слоя диатомита составит (рис. 53 [20]):

 

lД. ПР. = 2,26 кДж/м×ч×°С.

 

Коэффициент теплопередачи составит:

 

 кДж/м×ч×°С.

Размеры торцевых стенок:

 

  • внутри ванны  S1 = 2,74 × 1,845 = 5,055 м2
  • снаружи ванны S2 = 3,98 × 2,84 = 11,3 м2

 

Общее сечение теплового  потока, SТ, м2:

 

SТ

 

Тепловой поток через  стенку, QТ, кДж/ч определится уравнением:

 

QТ = К × SТ (tЭ - t2),    (3.36)

 

Тепловой поток через  ребра жесткости QК.Л., кДж/ч определится уравнением:

 

QК.Л. = a1×(t2-tB)×S2 + f×l1×m×th(m×H)×(t2-tB),   (3.37)

 

где a1 – суммарный коэффициент теплоотдачи (лучеиспусканием и конвекцией) стенки в зависимости от ее температуры и температуры среды, кДж/м×ч×°С;

f – общее сечение ребер жесткости, м2;

l1 – теплопроводность углеродистой стали в зависимости от температуры, кДж/м×ч×°С;

m – коэффициент;

H – высота ребра жесткости, м;

th(m×H) – гиперболический тангенс, функция аргумента (m×H).

Стенка имеет 5 горизонтальных и 5 вертикальных ребер жесткости. Общая  длина полос для горизонтальной и вертикальной рёбер жёсткости  составят соответственно:

 

Информация о работе Проектирование участка электролиза магния по хлормагниевой схеме