Энергетический расчет магниевого электролизера

30.01.2017

Для того, чтобы электролизер находился в состоянии теплового равновесия, необходимо, чтобы весь расход энергии в единицу времени точно компенсировался приходом энергии. При несоблюдении этого условия электролит будет охлаждаться ниже оптимальной температуры, либо перегреваться выше ее Это может нарушить нормальный ход электролиза или сделать его совсем невозможным.
Целью энергетического расчета является определение расхода и прихода энергии по отдельным статьям. На основании энергетического баланса электролизера определяют величину и характер потерь тепла и разрабатывают мероприятия для лучшего использования энергии, вводимой в электролизер.
Для составления энергетического баланса электролизера необходимо определить приходные и расходные статьи баланса и количество поступающей и расходуемой в единицу времени энергии по каждой статье баланса в отдельности.
Ниже приведен упрощенный расчет энергетического баланса электролизера на ток 40 000 а по данным ранее составленного материального баланса.
Для расчета принимаем, что температура загружаемого безводного карналлита равна 690°, температура электролита и магния в электролизере 720°, температура хлора, выходящего из электролизера, 600’, температура катодного газа на выходе из электролизера 330° и температура воздуха в здании 20°.
Уравнение энергетического баланса электролизера может быть выражено следующим образом:
860W + Q1 = Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 + Q7.

где W — часовой расход электроэнергии, квт*ч/час;
Q1 — приход тепла с загруженным безводным карналлитом, тал/час;
Q2 — изменение внутренней энергии системы при разложении хлористого магния, ккал/час;
Q3 — расход тепла с выгруженным магнием, ккал/час;
Q4 — расход тепла с выгруженным отработанным электролитом и шламом, ккал/час;
Q5 — расход тепла с отходящим хлором, ккал/час;
Q6 — тепловые потери с газами катодного отсоса, ккал/час;
Q7 — потери тепла конвекцией и излучением с поверхностей электролизера и ошиновки, ккал/час.
Расходом энергии на испарение электролита, на разложение примесей и на другие незначительные статьи для простоты пренебрегаем.
Рассмотрим энергетический баланс электролизера.
Приходная часть баланса

1. Количество электрической энергии, подведенной к электролизеру, составит:
N*t*860 = 255,4 1*860 = 219,644 ккал/час.

2. Теплосодержание загруженного безводного карналлита. По данным материального баланса, в электролизер в 1 час. поступает 148,5 кг безводного карналлита, в том числе:
Энергетический расчет магниевого электролизера

Теплосодержание веществ магниевой ванны при разных температурах приведено в табл. 32.
Энергетический расчет магниевого электролизера

Теплосодержание безводного карналлита можно определить с достаточной для технического расчета точностью следующим образом: количество каждого вещества (в кг/час) умножают на величину теплосодержания соответствующего вещества (в ккал/кг) и полученные результаты складывают. Аналогичным образом рассчитывают теплосодержание отработанного карналлита и шлама
Энергетический расчет магниевого электролизера

Расходная часть баланса

1. Изменение внутренней энергии при разложении хлористого магния. Часовое количество выделяющегося на катоде чистого магния (с учетом металла, перешедшего в шлам) составляет 15,2 кг.
На разложение MgCl2 затрачивается
Энергетический расчет магниевого электролизера

где 153 220 кал/мол — теплота образования MgCl2 при температуре 25° С.
Хотя молекулярное состояние хлористого магния и других солей, входящих в состав электролита, точно еще не изучено, можно с достаточной долей вероятности допустить наличие в электролите комплексных группировок, например KCl*MgCl2. Поэтому, принимая, что весь хлористый магний в электролите находится в составе указанного комплекса, необходимо при расчете учесть и расход энергии на его разложение.
Теплота разложения KCl*MgCl2 на хлористый калий и хлористый магний численно равна теплоте образования этого комплекса
Энергетический расчет магниевого электролизера

где 7100 кол/мол — теплота образования карналлита, приведенная к температуре 25° С.
Полный расход энергии на разложение MgCl2, включая разложение комплексов,
Q2 = 95620 + 4800 = 100 420 ккал/час.

2. Теплосодержание выгруженного магния-сырца
Q3 = 15,4(0,97*250,1+0 0016*249,4 +0 0225*208,6+0,0059*227,5) = 3835 ккал/час.

3. Теплосодержание отработанного карналлита и шлама. По данным материального баланса из электролизера в 1 час выгружается 82,5 кг отработанного карналлита и 4,6 кг шлама, в том числе:
Энергетический расчет магниевого электролизера

4. Теплосодержание отходящего хлора Q5 = 44,1*70 = 3087 ккал/час (разбавлением хлора воздухом пренебрегаем и принимаем, что газ состоит только из Сl2).
5. Тепловые потери с газами катодного отсоса. Принимаем, что из электролизера отсасывается 500 нм3 катодных газов в час. Для упрощения принимаем, что катодный газ состоит из воздуха, пренебрегая содержанием в нем хлора и хлористого водорода. Температура катодного газа 300°. Температура окружающего воздуха 20°
Q6 = 0,311*500 (300—20) = 43 540 ккал/час,

где 0,311 ккал/нм3 — теплоемкость воздуха в данном интервале температур.
6. Теплопотери конвекцией и излучением с поверхностей электролизера и ошиновки. Эту статью расхода вычисляют обычными методами, на основании законов теплопередачи конвекцией и излучением. Для этого необходимо знать форму и размеры деталей электролизера, данные теплопроводности материалов, температуру соответствующих частей электролизера я окружающего воздуха.
При тщательно проведенных измерениях и правильных расчетах приходная и расходная части баланса сходятся с точностью до 1—2%.
Для нашего расчета определим расход по этой статье по разности:
Q7 = 219 644 + Q1 - Q2 - Q3 - Q4 - Q5 - Q6.

Подставляя соответствующие значения Q1, Q2 и т. д., получим:
Q7 = 81 137 ккал/час.

Полученные данные сведены в табл. 33.
Энергетический расчет магниевого электролизера
Энергетический расчет магниевого электролизера

Согласно данным табл. 33, только 39,9% всей введенной в электролизер энергии используется на разложение хлористого магния. Наибольший расход тепла падает на потери с катодными газами, излучением и конвекцией.
Для уменьшения тепловых потерь и повышения эффективности использования энергии необходимо тщательно регулировать катодный отсос, не допуская излишнего охлаждения электролита. Параметры электролиза, конструкция и размеры электролизера должны быть подобраны таким образом, чтобы достигалась максимальная производительность его, отнесенная к единице рабочего объема и наружной поверхности.