Анодное устройство алюминиевого электролизера с верхним токоподводом

 

Техническое решение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано в конструкциях анодных устройств электролизеров с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом. В анодном устройстве кжоподводящие штыри снабжены герметичными полостями , расположенными внутри штырей. Каждая герметичная полость выполнена с развитой поверхностью из материала, коэффициент теплопроводности которого выше. чем у материала стержня. Полость частично заполнена жидким теплоносителем с температурой кипения 100-185°С, нижняя часть герметичной полости расположена в неспеченной зоне анода, а верхняя - в зоне радиатора охлаждения, которым снаружи в верхней части снабжен каждый анодный штырь. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 25 С 3/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4817977/02 (22) 24.04.90 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (71) Братский алюминиевый завод (72) А,И. Бегунов, В.Т. Беспалов, В.Н.Деревягин, С.Д.Цымбалов, Ф.К.Тепляков, B.È.Êðàâ÷åíê0 и Н.А,Черемисин (56) Патент СССР

М 1419522, кл. С 25 С 3/12, 1988. (54) АНОДНОЕ УСТРОЙСТВО АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА С ВЕРХНИМ ТОКОПОДВОДОМ (57) Техническое решение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано в конструкциях

Изобретение относится к электролитическому получению алюминия и может быть использовано в конструкции анодных устройств алюминиевых электролизеров с верхним токоподводом и самообжигающимися анодами.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату, является стальная токоподводящая штанга алюминиевого электролизера.

В известном решении стальной токоподводящий стержень(штырь) алюминиевого электролизера выполнен с уменьшенным сечением в верхней части, составляющей не менее 30% длины всего штыря. Площадь уменьшенного сечения составляет йе более

60% площади поперечного сечения нижней части, а выполнено сечение в виде круга или в виде кольца.

Уменьшение площади поперечного сечения штыря в верхней части, составляю Ы. 1776701 А1 анодных устройств электролизеров с верхним токоподводом и самообжигающимся анодом. В анодном устройстве токоподводящие штыри снабжены герметичными полостями, расположенными внутри штырей, Каждая герметичная полость выполнена с развитой поверхностью из материала, коэффициент теплопроводности которого выше, чем у материала стержня. Полость частично заполнена жидким теплоносителем с температурой кипения 100 — 185 С, нижняя часть герметичной полости располо>кена в неспеченной зоне анода, а верхняя — в зоне радиатора охлаждения, которым снаружи в верхней части снабжен каждый анодный штырь. 2 э.п.ф-лы, 2 ил. 2 табл. щей Hå менее 30% длины штыря, на 40% и более, приводит к значительному увеличению плотности тока на этом участке, что влечет увеличение выделения джоулева тепла и повышение температуры самого штыря и температуры жидкой фазы анода вокруг штыря. Рост температуры нижних слоев

° жидкой фазы анода приводит к увеличению газовыделений, к ухудшению качества анода, иэ-за потерь летучих углеводородов, и к загрязнению окружающей среды, из-эа выделений бенопирена и смолистых.

Целью предполагаемого изобретения является улучшение качества анода и снижение степени загрязнения окружающей среды за счет снижения температуры жидкой анодной массы непосредственно вокруг штыря и температуры самого штыря.

Техническая сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем.

1776701

В процессе формирования непрерывного самообжигающегося анода под действием высоких температур происходят различные физико-химические процессы, сопровождающиеся значительным выделением углеводородов и канцерогенных веществ с поверхности анода, причем, газовыделения тем больше, чем выше температура жидкого слоя анодной массы, Максимальная же температура — в зоне штырей.

Кипение массы в околоштыревом пространстае и повышение газовыделения приводит к загрязнению окружающей среды, к ухудшению качества анода, т,к. выделяющиеся углеводороды не используются в процессах полимериэации и конденсации. Снижается плотность спеченной части анода, повышается расход анодной массы.

Предлагаемое устройство, за счет интенсивного отвода тепла от неспеченного слоя анодной массы через штырь и охлаждения самого штыря, позволит снизить температуру массы в околоштыревом пространстве снизить выделения вредных веществ, повысить качество анода, за счет снижения выделения углеводородов снизить расход электроэнергии за счет снижения температуры самого штыря, П редла га ем ое решение отличается от прототипа тем, что, герметичная плотность частич lo заполнена жидким теплоносителем, имеющим температуру кипения 100—

185 С, а наружная верхняя часть штыря снабжена радиатором охлаждения. Причем, нижняя часть герметичной полости расположена в неспеченной зоне анода, а верхняя — в зоне радиатора охлаждения. Кроме того, развитая. поверхность (часть развитой поверхности) герметичной полости выполнена иэ материала, имеющего коэффициент теплопроводности выше, чем у материала штыря.

В предлагаемом анодном устройстве токоподводящие штыри снабжены герме. тичными полостями, каждая из которых выполнена с развитой поверхностью и частично заполнена жидким теплоносителем. Длина полости, выполненной внутри штыря, составляет 25-28 g, от длины штыря, а площадь поперечного сечения — 2025$ от площади поперечного сечения цилиндрической части штыря. Верхняя граница полости находится ниже головки штыря на расстоянии, составляющем

5 - 19% от длины штыря. В верхней части токоподводящий штырь снабжен радиатором охлаждения. Для увеличения

1 1 теплоабмена на 10 30 своего обьема полость заполнена жидким теплоносите20

55 лем, имеющим температуру кипения

100-185 С. Количество теплоносителя зависит от его термодинамических характеристик, обеспечивающих следующие необходимые условия: — эффективный отвод тепла на всем цикле работы штыря за счет динамического равновесия системы жидкость — насыщенный пар (фазовый переход) и конвекции; — обеспечиватьусловия безопасной эксплуатации устройства, т.к. при больших объемах теплоносителя возрастает давление пара в полости, что может привести к ее разрушению.

Выбор жидких теплоносителей. имеющих температуру кипения 100 — 185 С обусловлен тем, что, с одной стороны, использование легкокипящего теплоносителя нецелесообразно. т.к. в этом случае эа счет высокого давления насыщенного пара в герметичной полости снижается эффективность теплопередачи системы жидкость-насыщенный пар, не обеспечиваются безопасные условия эксплуатации устройства, С другой стороны, температура кипения теплоносителя должна быть не выше температуры анодной массы в зоне расположения нижней части герметичной полости штыря (200-220 С) при его работе на нижнем горизонте в центральной части анода, чтобы происходил отвод тепла за счет фазового перехода и работы динамически равновесной системы жидкость-насыщенный пар. Токоподводящие штыри установлены в тело анода. При установке штыря на верхний горизонт нижняя часть герметичной полсти с жидким теплоносителем располагается в верхней жидкой зоне анодной массы. По мере загрузки анодной массы и опускания анода штырь, содержащий герметичную полость с заключенной в ней двухфазной системой жидкость-насыщенный пар, погружается в жидкую анодную массу. При этом возрастает интенсивность охлаждения околошты ревого пространства и самого штыря.

При опускании штыря на нижний горизонт в жидкий верхний слой анодной массы погружена часть штыря, содержащая больший, по сравнению с установкой на верхнем горизонте, обьем теплоносителя.

Предлагаемое анодное устройство изображено на фиг. 1: а — анодный штырь установлен на нижнем горизонте, б — на верхнем горизонте.

Анодное устройство состоит из анода, содержащего спеченную часть (1), высокотемпературную зону полукокса (2). жидкую зону(З) и установленных в анод токоподводящих штырей (4) с головками (5). Внутри

1776701 каждого штыря в верхней его части выполнена герметичная полость (6), частично заполненное жидким теплоносителем 7), имеющим температуру кипения 100-185 С, Снаружи штырь (4) снабжен в верхней части радиатором охлаждения (8). Штырь соединен с анодной рамой токоподводящей алюминиевой штангой (9). Анодный штырь (4) представляет собой стальной стержень длиной 1900 мм, выполненный из верхней цилиндрической части с головкой (5) длиной

820 мм и диаметром 138 мм и конусной части длиной 1080 мм и диаметром в нижней части 100 мм. Внутри штыря, в его верхней цилиндрической части, на расстоянии

330 мм от головки выполнена цилиндрическая полость длиной 500 мм и диаметром 65 мм, внутри которой установлен алюминиевый цилиндр (10) (фиг. 2,б) с перфорированными ребрами (11) (фиг. 2,б) из алюминия, Внутри полости жидкий теплоноситель (7) этилбензал (130,9 мл) — — от объема по1

10 лости, температура кипения 136,2 С. Снаружи верхняя часть штыря на расстоянии 150 мм ниже его головки, снабжена радиатором охлаждения (8), в виде ребер, длина которого равна 300 мм. При установке штыря на любой горизонт нижняя часть герметичной полости (6) с жидким теплоносителем (7) (эона испарения) расположена в неспеченной жидкой части анода (3), а верхняя часть герметичной полости (6) (зона конденсации) расположена выше уровня жидкой анодной массы (3), в зоне расположения радиатора охлаждения (8).

Анодное устройство работает следующим образом.

При установке токоподводящего штыря в анод нижняя часть герметичной полости (6), с установленными в ней алюминиевым цилиндром (10), снабженным перфорированными ребрами охлаждения (11). запол1 ненная на 10 часть этилбензолом 7, через стенку, образованную стальным материалом штыря 4, контактирует с жидкой фазой

3 анода. Тепловой поток от жидкой анодной массы околоштыревого пространства передается к герметичной емкости и теплоносителю. При этом, часть потока через развитую поверхность (алюминиевый цилиндр с перфорированными ребрами) теплопроводностью передается в верхнюю часть полости и самого штыря. Часть теплового потока за счет теплопроводности передается в верхнюю часть штыря через материал самого штыря. Часть теплового потока идет на нагревание и испарение жидкого теплоносителя, Причем, этот меха30

35. Как видно из таблицы 2, применение

55 включающее самообжигающийся анод и ус5

25 низм теплоотвода наиболее эффективен, т.к, используется фазовый переход жидкость-пар. Образовавшаяся двухфазная однокомпонентная система жидкость-насыщенный пар находится в состоянии динамического равновесия: процессы испарения и конденсации компенсируют друг друга.

Этому способствует и то, что зона конденсации (верхняя часть полости) находится в зоне расположения наружного радиатора охлаждения штыря. Результаты испытаний свидетельствуют о снижении температуры жидкой части анода в околоштыревом пространстве.

Проведены испытания с использованием различных теплоносителей и разными объемами теплоносителя в герметичной полости.

Производили следующие измерения. температуру поверхности штырей ниже головки (зона конденсации) — t ш 1, температуру поверхности штырей на границе с жидкой частью анода — t ш 2, температуру поверхности жидкой части анода в радиус 50 мм от штыря — t а 1, температуру жидкой части анода в радиусе 50 мм от штыря на глубине:

50мм — ta2, 200 мм — ta 3, 300мм — ta 4, .

Полученные данные сопоставляли с аналогичными данными штыря-свидетеля, без полости. Результаты занесены в. таблицы 1,2. штырей с замкнутой полостью и жидким теплоносителем, во-первых, снижает температурный градиент по всей высоте жидкой части анода в непосредственной близости от штыря по сравнению со штырем-свидетелем (t а.1 — ta.4), и во-вторых, на глубине

300 мм в жидкой части анода снижает его температуру ниже температуры начала возгонки смолистых веществ KBMeHHoyronbного пека (240 С). Все это приводит к отсутствию газовых выделений вокруг штырей с полостью, тем самым улучшается качество анода и снижаются вредные выбросы в атмосферу.

Формула изобретения

1. Анодное устройство алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, тановленные в нем токоподводящие штыри. снабженные в верхней части герметичными полостями, расположенными внутри штырей. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения качества анода и снижения сте1776701

Таблица 1

Характеристики анолного устройство

Исходные данные

Тип штыря

С занкнутой полостью

Свидетель с ребраин охлахяения

22 ) 22 (22 без ребер охлаядения с ребрани охлянления

2 3 без ребер охлахления с ребрами охлавйения без ребер охланления

22.fir)22 22122 (22

i2 (22 1 22

Лнанетр полости, нн

65 62 62

62 67 65

Теипература кипиния, С (теплоноситель) 100 вола 136,2 зтилбензол

183 тетразтилсвинец

Поля объеиа теплоносителя.от объема полости

1О

30

1о

10

Высота вицкой части аноца h, нн 320 340 330 320 340 330 320 340 330 320 340 330 320 340 330 320 340 330 320 340 330 расстояние от штыря до полошаы анода, 1 п(п нн 470 270 210 470 270 210 470 270 210 470 270 210 470 270 210 470 270 210 470 270 210 длина штыря от головки до вилкой части анода, ни 1000 550 480 1000 550 480 1000 550 480 tO00 550 480 1000 550 480 1000 55О 480 1000 550 480 н и е; " " нннинальное расстояние штырь-подошва анода (1 min), равное 210 е, достигалось только у периферийных ряйов штырей (при Лвухгоризонтной схене). е

Принеча

Таблица 2 результаты изнерений

tm1 С

tm 2."С

45 92 73 59 116 95 57 111 92 62. "l18 98 60 117 95 63 122 99 61 119 94

107 177 148 106 138 129 104 134 127 109 133 !39 108 140 142 !12 146 145 110 137 141

1t0 148 13? 108 126 .118 !07 121 117 (12 117 114 110 120 115 115 127 118 112 124 112

tm 1,ОС

ta 2, c

179 203 202 158 174 176 155 171 170 t62 !72 168 161 !76 !64 166 132 171 . t64 178 168

290 305 282 207 223 234 210 224 229 201 215 225 202 "217 229 197 214 221 200 2t6 . 224

360 370 325 224 232 238 217 230 236 214 226 230 216 229 235 214 225 228 217 229 232

ta З.еС

Са 4, C

Выделение газовых пузырей вокруг штыря.

+ +

П р и н е ч а н и е. 1 гй - нннинальное расстояние втырь-подошва анода (1 ю(л) ° равное 210 мн ° сн.табл.1 достигалось только у периФерийных рялов штырей (при лвухгоризонтной схене). поэтому значения температур tm — !а.а

1mir2 = 210 нн полу сны ниве, ен Лля 1н1п 270 нн внутреннеуо ряда штырей. 2 - высота вилкой части виола !2 изнерена в центральной части анода. пени загрязнения окружающей среды, каждая герметичная полость выполнена с развитой поверхностьк) и частично заполнена жидким теплоносителем, наружная верхняя часть штыря выполнена с оребрением, при- 5 чем нижняя часть герметичной полости расположена в неспеченной части анода, а верхняя — выше уровня нижнего торца оребрения.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что развитая поверхность ге рметичной полости выполнена из материала, козффициент теплопроводности которого выше, чем у материала штыря.

3.Устройство поп.1,отл ича ю щеес я тем, что герметичная полость заполнена жидким теплоносителем, имеющим температуру кипения 100-185 .

1776701 бvs.t .

Д KA

Ф ю л

Составитель А.Бегунов

Техред М.Моргентал Корректор, М.Керецман

Редактор.

Заказ 4101 Тираж йодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101