Управление процессом электролитического получения алюминия с использованием алгоритма расчета ненаблюдаемых параметров

• Автор: Петров, Павел Андреевич
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 190 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ.

1.1 Теоретические сведения о процессе электролиза.

1.2 Влияние параметров процесса на выход по току

1.3 Анализ существующих систем управления.

1.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

2.1 Конструктивный расчет электролизера.

2.1.1 Выбор конструкции электролизера и его электрических параметров

2.1.2 Исходные данные.

2.1.2 Внутренние размеры шахты электролизера
2.1.3 Конструкция катода
2.1.4 Размеры катодного кожуха
2.2 Статический материальный баланс.
2.3 Электрический баланс
2.4 Статический тепловой баланс электролизера.
2.4.1 Приходные статьи теплового баланса
2.4.2 Расходные статьи теплового баланса
2.4.3 Тепловые потери конструкционными элементами электролизера.
2.4.3.1 Потери от электролита через боковцые стенки шахты электролизера.
2.4.3.2 Потери тепла подиной электролизера
2.4.3.3 Потери тепла от электролита к аноду
2.4.3.4 Потери тепла с поверхности корки и с открытого электролита
2.5 Выводы по главе.
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОЛИ ТА И ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕК ТРОЛИЗЕРА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
3.1 Методика определения температуры кристаллизации электролита.
3.2 Методика определения температуры плавления электролита
3.3 Физические поля электролизера.
3.3.1 Общие сведения о моделировании физических полей электролизера.
3.3.2 Магнитная гидродинамика электролизера
3.3.3 Газогидродинамика в электролизере
3.3.4 Тепловое и электрическое поле электролизера
3.4 Разработка программы реализации модели физических нолей
3.4 Выводы по главе.
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА И ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НИЖНЕГО
4.1. Краткие сведения о моделировании в МАТЬАВ
4.2 Постановка задачи.
4.3 Математическая модель электролизера.
4.3.1 Материальный баланс.
4.3.2 Тепловой баланс.
4.3.3 Тепловые потери.
4.3.3.1 Решение задачи теплопроводности в РОЕ ТооВох МАТЬАВ
4.3.3.2 Стационарная задача.
4.3.3.3 Нестационарная задача.
4.3.3.4 Сравнение результатов.
4.3.3 Уравнения междуполюсного расстояния.
4.3.4 Уравнение измерений.
4.3.5 Модель регулятора.
4.3.5.1 Регулирование МПР.
4.3.5.2 Стабилизация концентрации глинозема.
4.3.5.3 Стабилизация криолигового отношения.
4.4 Выводы по главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы


С уменьшением выхода по току содержание углерода (СО) в анодных газах возрастает и повышается плата за увеличенный его выброс, так как содержание диоксида углерода в отходящих газах не нормируется и не лимитируется. Скорость доставки оксифторидных ионов к подошве анода за счет диффузии зависит от разности концентраций этих ионов в объеме расплава и у поверхности анода. При малой объемной концентрации глинозема (около 1,5 % по массе) реакция разрушения комплексов не в состоянии обеспечить поддержание заданного тока и, чтобы пропустить его, электролизер вынужден частично разряжать ионы фтора. Обеднение прианодного слоя вызывает рост напряжения, который можно наблюдать за несколько минут перед наступлением анодного эффекта (АЭ), внешним проявлением которого является рост напряжения до - В. ИаъА1Р6 + 0, С = А1 + 0, СР4 + 3 МаЕ, (1. Ма3А1Р6 +С = А1 + 0,5 + ЗА(1. Гашение анодного эффекта заключается в восстановлении фтора. Восстановителями могут служить: растворенный алюминий, растворенный глинозем, различные углеводороды. Таким образом, эффект можно погасить перемешиванием расплава, погружением или качанием анода, введением жердей, перемешивающих расплав, и другими методами. Частота анодных эффектов зависит от конструкции ванны и метода питания се глиноземом. Напряжение АЭ зависит от многих обстоятельств. Время существования АЭ 1 - 2 мин и зависит от способа его гашения. Повышение среднего напряжения за счет АЭ составляет от 5 до 0 мВ. Анодные эффекты характеризуются критической плотностью тока, при которой, собственно, он и возникает. Возникновение анодного эффекта даже на одном электролизере серии приводит к резким снижениям тока серии и составляет примерно 5% от номинального значения. Оценим падение тока серии. Выделяющиеся при анодном эффекте СР4 и вносят существенный вклад в глобальное потепление климата [6]. Для электролизеров с самообжигающимися анодами количество СР4 составляет 0,2 - 1,0 кг/т алюминия, а для ванн с обожженными анодами и точечным питанием 0, - 0,3 кг/т. Технологическая политика всех компаний заключается в уменьшении продолжительности и числа ЛЭ. Основным источником тепла в электролизере является расход электроэнергии в токоведущих элементах, особенно в угольном аноде, катоде и электролите. В аноде и подине расход относительно стабилен и изменяется сравнительно медленно, а в электролите зависит от междуполюсного расстояния. Чем больше это расстояние, тем больше падение напряжения на электролизере, тем выше температура электролита. С повышением температуры электропроводность электролита возрастает, однако при этом резко ухудшаются показатели работы электролизера, снижается его производительность. Пели высокая температура электролита поддерживается в течение длительного времени, то происходит нарушение нормального хода электролизера и резко возрастают газообразные выбросы вредных веществ в атмосферу. В электролите содержатся также примеси, поступающие с сырьем: оксиды железа кремния, меди, фосфора, ванадия, различные соединения серы и др. Общее содержание данных примесей невелико и не превышает долей процента. На рисунке 1. Рисунок 1. Схема материальных потоков процесса электролиза 1. При электролизе глинозема, растворенного в расплаве электролита, параллельно с основным процессом идут побочные, многие из которых осложняют нормальный ход электролиза, снижают выход по току, повышают расход электроэнергии и фтористых солей, приводят к повышенным выбросам вредных веществ в атмосферу, снижают стойкость футеровки и так далее [7]. Существенны потери алюминия вследствие утечек тока. Не весь ток проходит между анодом и катодом, так как часть его идет между анодом и бортовой футеровкой, а некоторое количество утекает через различные замыкания токоведущих частей на землю. Возможны потери тока в результате технологических нарушений, таких как «конусы» на аноде, скопление пены под анодом. Другая причина снижения выхода по току - электролиз оксидов кремния, железа, меди и других более электроположительных, чем алюминий, элементов. Эти примеси попадают с сырьем, технологическим и н сіру ментом, из футеровки катода и снижают количество получаемого алюминия, а также ухудшают его качество [1].