» » Энергетический баланс электролизера
26.04.2015

При электролитическом способе производства магния стоимость электроэнергии составляет заметную часть стоимости металла. Удельный расход электроэнергии на современных магниевых заводах колеблется в зависимости от применяемых конструкций электролизера и сырья в пределах 15—17 квт*ч/кг магния.
Для выбора правильного направления по снижению удельного расхода энергии необходимо знать распределение потерь напряжения в цепи тока и баланс тепловых потерь электролизера.
Баланс напряжения

Напряжение на электролизере (между точками подключения электролизера к шинопроводу серии) выражается следующим уравнением:
f = E + vэл + va + vк + vш,

где v — напряжение на электролизере, в;
E — напряжение разложения, в;
vэл— омическое падение напряжения в электролите, в,
va — то же, в аноде, в;
vк — то же, в катоде, в;
vш — то же, в шинопроводе и контактах, в.
При составлении баланса напряжения задача сводится к определению отдельных составляющих приведенного уравнения, При проектировании отдельные составляющие уравнения определяются расчетным путем, кроме напряжения разложения, которое берут исходя из имеющихся экспериментальных данных для принимаемых в проекте условий электролиза.
При составлении баланса напряжения действующего электролизера большинство слагаемых уравнения напряжения можно измерить. Некоторые слагаемые рассчитывают.
Напряжение разложения (E). Напряжение разложения MgCl2 для некоторых электролитов измерено в лабораторных условиях. Однако точных данных для различных условий промышленного электролиза нет. Поэтому при составлении баланса действующего электролизера оно может быть определено измерением падения напряжения между анодом и катодом, падения напряжения в электролите, анодах и катодах Затем напряжение разложения подсчитывают по формуле
E = va-к - (vэл + va + vк),

где va-к — падение напряжения между электродами, в.
Такие расчеты являются приближенными, так как все ошибки измерений (недостаточно точных) относятся к величине E. Поэтому требуется определить E в разных условиях, приближающихся к производственным.
Падение напряжения в электролите (vэл). Падение напряжения в электролите вычисляют по формуле
vэл = iRэл = рlDср.г,

где р — удельное сопротивление электролита, ом*см,
Dср.г — среднегеометрическая плотность тока, а/см2;
l — межэлектродное расстояние, см.
Если нет данных об удельной электропроводности данного состава электролита, ее приближенно вычисляют как аддитивную из удельных электропроводностей компонентов электролита при соответствующей температуре.
Если имеется достаточно достоверное значение напряжения разложения для данных условий электролиза, то падение напряжения в электролите может быть подсчитано как разность измеренного падения напряжения между электродами и напряжения разложения плюс измеренное падение напряжения в электродах.
Падение напряжения в анодах и катодах (va и vк). Для определения падения напряжения в аноде измеряют падение напряжения на участке от середины анодной шины до середины рабочей части анода (за рабочую принимают часть анода, находящуюся ниже диафрагм). Для измерения падения напряжения в аноде пользуются железным штырем, хорошо изолированным от соприкосновения с электролитом.
Потери напряжения в шинопроводе. Эти потери устанавливаются путем последовательных измерений падения напряжения в отдельных участках цепи и контактах. Сумма потерь напряжения в отдельных участках шинопровода и контактах должна быть равна разности между напряжением на клеммах электролизера и падением напряжения между электродами. Близкое совпадение двух этих значений указывает на удовлетворительные результаты измерений.
Конструкция ввода анодов заметно сказывается на балансе напряжения и тепловом балансе электролизеров.
В табл. 22 приведены расчетные балансы напряжения электролизеров с верхним и боковым вводом анодов на 60000 а.
Напряжение на электролизере с верхним вводом анодов при одинаковой плотности тока в электролите на 0,4 в выше, так как эти аноды длиннее, а плотность тока в них больше. Падение напряжения в анодах при их верхнем вводе в электролизер тем больше, чем глубже электролизер. При одинаковой плотности тока на электродах (0,45 а/см2) проходная плотность тока в анодах верхнего ввода равна 5,5 а/см2 вместо 3,5 а/см2 для бокового ввода Эти обстоятельства, однако, не являются решающими при выборе типа электролизера.
При этом нужно учесть также удельные капитальные вложения, сроки службы электролизеров и другие факторы.
Энергетический баланс электролизера

Баланс энергии

Изучение энергетических балансов электролизеров различных конструкций позволяет намечать направления их усовершенствования и добиваться улучшения показателей процесса электролиза
В табл. 23 приведено сравнение энергетических балансов электролизеров с верхним и боковым вводом анодов, а в табл. 24 показано распределение тепловых потерь в этих электролизерах Основные параметры обоих электролизеров одинаковы, однако тепловые потери электролизеров с верхним вводом анодов выше в основном за счет больших потерь с поверхности анодов (24% всех потерь).
Коэффициент полезного действия электролизера с верхним вводом анодов ниже примерно на 2%.
Энергетический баланс электролизера

Более важны в данном случае удельные тепловые потери, т. е. количество тепла, теряемого на 1 кг полученного магния.
Как видно из табл. 25, удельные тепловые потери в электролизерах с верхним вводом анодов в основном зависят от высоты анодов На электролизерах с боковым вводом анодов обнаруживается та же закономерность (табл 26).
Увеличение высоты анодов на 20 см снижает удельные теплопотери на 23%. При этом амперная нагрузка на 1 м2 пода возрастает примерно на 26%. Чем больше рабочая высота анодов (в пределах до 100 см), тем больше отношение среднегеометрической поверхности электродов к объему электролита и тем больше съем металла с единицы площади электролизера. Следует отметить, что увеличение съема металла с 1 м2 подины электролизера имеет место при снижении среднегеометрической плотности тока на электродах, но при одновременном увеличении объемной плотности тока в электролите. Для снижения удельных потерь тепла следует стремиться к максимальному использованию объема электролита.
Сравнение балансов напряжения и энергетических балансов электролизеров с разным вводом анодов показывает некоторые преимущества бокового ввода по удельному расходу электроэнергии. Однако для полного сравнения экономичности того или другого способа подвода тока к анодам этого одного показателя недостаточно, так как удельная стоимость ремонтов ванн для бокового ввода выше, чем для верхнего.
Поэтому преимущества того или иного типа электролизеров должны определяться в каждом отдельном случае в зависимости от местных условий — главным образом стоимости электроэнергии.
Энергетический баланс электролизера

Выход по току на электролизерах с боковым вводом анодов примерно на 3—4% ниже, чем при верхнее вводе, из за растворения в электролите железных контактов анода при боковом вводе.
В районах с дешевой электроэнергией выгоднее электролизеры с верхним вводом анодов из-за их большей производительности Их преимущества тем больше, чем шире электролизер. При ширине рабочего пространства 2500 мм напряжение на электролизерах обоих типов одинаковое.
Рассмотрев балансы напряжения и энергетические балансы магниевых электролизеров, можно сделать следующие выводы
1. При анодной плотности тока 0,4—0,7 а/см2% высоте анодов 100 см и l=4/7 см напряжение на электролизере с боковым вводом анодов составляет 5,5 в. При питании карналлитом и выходе по току 80% удельный расход электроэнергии составляет 15,2 квт*ч/кг При тех же условиях напряжение на электролизере с верхним вводом анодов выше на 0,4—0,5 в, а энергии расходуется соответственно при питании карналлитом 15,8 квт*ч/кг и при питании хлористым магнием 15,4 квт*ч/кг магния.
2. Для снижения напряжения на электролизере необходимо работать на электролитах более электропроводных Это позволяет повысить плотность тока и увеличить токовую нагрузку на единицу площади рабочего пространства электролизера без чрезмерного уменьшения меж-полюсного расстояния
3. Удельные тепловые потери при электролизе тем меньше, чем больше мощность электролизера и отношение рабочей поверхности электродов к площади электролизера, т.е. чем больше высота анодов.