Автореферат (Комплексное оборудование и технологические процессы промышленного производства анолита и феррата), страница 3

Корпус ферратора из устойчивого к щелочам пластика делится на одиннадцатькамер, разделенных между собой полупроницаемой катионообменной мембраной. Вкачестве катионообменных мембран, работающих при концентрациях щелочи до 20%, могутиспользоваться сульфокатионитная мембрана марки Флемион 811 или Nafeon-324. Всего вферраторе 10 пар анод-катод. В качестве электродов использованы сплошные аноды из7электротехнической стали с повышенным содержанием кремния и катоды из нержавеющейстали. Основным целевым конечным продуктом модуля для производства феррата являетсяраствор феррата натрия, количество которого составляет до 10 кг в сутки.Сила тока на электролизере, необходимая для получения планируемого количества реагента (анолита или феррата), выражается через выход по току:(1)где h - планируемый выход по току продукта электролиза, %; m - планируемая производительность реагента, г; I - токовая нагрузка на электролизер, А; t - время работы электролизера, ч; q - электрохимический эквивалент получаемого вещества, г/А⋅ч; n - количество паранод-катод в электролизере, шт.Принципиальные и компоновочные решения электролизеров связаны с плотностью тока на аноде следующими зависимостями (2) – (3):(2)(3)где Р - электрическая мощность, потребляемая электролизной ячейкой, Вт; U - напряжениемежду анодами и катодами ячейки, В; I - ток через электролизную ячейку, А; j - плотностьтока, проходящего через эффективную площадь анодов, А/м2; nа - количество анодов в электролизере, шт.; Sа - площадь одного анода, участвующая в реакции, м2; W - удельные затратыэлектрической энергии на производство реагента, кВт⋅ч/кг.Удельные затраты электроэнергии для производства единицы реагента зависят отнапряжения на электролизере, плотности тока, количества и площади анодов и заданнойпроизводительности электролизера.

Исходными параметрами являются плотность тока, количество и площадь анодов. Количество анодов nа равно количеству пар n анод-катод в электролизере. Падение напряжения U формируется источником постоянного тока и зависит отравновесных потенциалов анода и катода, определяемых их материалами, падения напряжения в анолите и католите, которые в общем виде выражаются формулой (4):(4)где ΔUэ - падение напряжения в электролите, В;  - удельное сопротивление электролита,Ом∙см; l - расстояние от электрода до мембраны, см; k - коэффициент, учитывающий газонаполнение.Таким образом, падение напряжения в электролите существенно зависит от компоновки электролизера, материалов анода и катода и сопротивления электролита, которое определяется его концентрацией и температурой.Выполнены расчеты производительности и энергопотребления модулей для полученияанолита (таблица 1) и феррата (таблица 2) в зависимости от концентрации электролита,напряжения на ячейке, силы тока, плотности тока, температуры, времени работы.Таблица 1 – Расчетные параметры хлоратораПараметры процессаОбозначениеЗнач.

Cl2 NaOHСила токаI (A)960Теоретическое разложение веществаm (г/ч)1254 1433Напряжение на электродахU (В)3,0Площадь анодаSa (см2)6000Плотность токаj (A/см2)0,16Выход по токуh (%)8383Фактическое количество вещества в часm (г/ч)1042 1189ЭнергопотреблениеW(кВт∙ч/кг)2,77 2,428H23610035,880,4На основании теоретического и экспериментального исследования параметров процесса электролиза анолита и ферратов выбраны концентрация щелочи, температура электролиза, напряжение на хлораторе и ферраторе, выход по току анолита и щелочи и феррата натрия.В хлораторе расстояние между мембраной и анодом минимально возможное,определяется качеством поверхности анода, не более 0,15 мм. Расстояние между мембранойи катодом минимально возможное, не более 1,5 мм, определяется толщиной прокладки.Температура от 40 до 80С (поддерживается примерно в середине диапазона, при 60С),напряжение на ячейке от 2,9 до 3,5 В в зависимости от температуры и расстояния междуэлектродами. Размеры электродов и сила тока выбираются для обеспечения плотности токадо 1600 А/м2, обеспечивающей заданную производительность по хлору (до 25 кг/сут) припланируемом выходе по току (не менее 83%).

При использовании 20% щелочи можноприменять катод из углеродистой стали, что снижает перенапряжение на катоде (снижаетнапряжение и энергозатраты), увеличивает срок службы мембраны.Таблица 2 – Расчетные параметры ферратораПараметры процессаОбозначениеЗначениеКол-во анодных камерN, шт.2255Кол-во катодных камерN+1, шт.3366Сила токаI (A)300300750750Теоретическое разложение железаmfe (г/ч)104,7 104,7 261,7 261,7Теоретическое количество ферратаmfт (г/ч)309309772772Напряжение на электродахU (В)3,13,43,13,42Площадь анодаSa (см )1500 1500 1500 15002Плотность токаj (A/см )0,05 0,05 0,05 0,05Выход по токуh (%)54545454Количество электродных парn (шт.)441010Фактическое количество ферратаmfr (г/ч)167167417417ЭнергопотреблениеWfr (кВт∙ч/кг)5,46 5,99 5,46 5,99В ферраторе расстояние между мембраной и анодом (катодом) выбирается минимальновозможное, определяется креплением зажимов для сменных электродов (0,8-1,1 см).Температура процесса поддерживается от 20 до 40 С для обеспечения минимальногоэлектросопротивления 20%-ной щелочи, напряжение на электролизере составляет от 3,1 до3,4 В.

Выбор этого режима позволил использовать типичный режим работы хлораторов,принятый на водоканале, и обеспечил снижение напряжения и энергопотребления вферраторе, повысил долговечность мембраны. Размеры электродов и сила тока в ферраторевыбираются для обеспечения плотности тока до 500 А/м2, обеспечивающей заданнуюпроизводительность по феррату (до 10 кг/сут) при планируемом выходе по току (не менее54%).В третьей главе на основании выполненных расчетов производительности и энергопотребления разработаны схемные и конструктивные решения модулей для производства анолита и ферратов и определены режимы их функционирования в составе КЭА.

Разработанныеконструктивные и технологические решения модулей для производства анолита и ферратовобеспечивают экологическую безопасность, экономическую эффективность, компактность,ресурсосбережение, удобство монтажа и обслуживания, возможность раздельного функционирования хлоратора и ферратора.Разработан и изготовлен КЭА производительностью до 1040 г/ч хлора (до 25 кг/сутки)при энергозатратах до 3,0 кВт∙ч/кг хлора и до 420 г/ч феррата (до 10 кг/сутки) при энергозатратах до 6 кВт∙ч/кг феррата, позволяющая обеззараживать до 300 м3/час питьевой воды (израсчета до 3,5 мг/л) и до 2100 м3/час сточных вод (из расчета до 0,2 мг/л).Хлораторы вырабатывают анолит на месте применения методом мембранного9электролиза солевого насыщенного раствора NaCl в воде под действием постоянного тока.Сырьем для производства анолита являются умягченная водопроводная вода и соль пищеваямарки «Экстра».

В катодную камеру хлоратора подается очищенная от примесей и умягченная вода. В анодную камеру подается насыщенный солевой раствор с концентрацией до300–330 г/л с температурой не менее 5°С.Модуль для получения анолита (хлоратор) включает камеры с блоком электродныхэлементов, систему циркуляции электролита и опорную конструкцию (рисунок 2, а).абвгдРисунок 2 – Конструктивные элементы и операторский интерфейс хлоратораБлок электродных элементов хлоратора состоит из двух монополяров (анод и катод),разделенных ионообменной сульфокатионитной мембраной (рисунок 2, б).

Катод выполнениз перфорированной углеродистой стали и приварен к токоведущим ребрам катоднойкамеры. Анод, выполненный из перфорированного листа титана с активным покрытием издиоксидов рутения и титана, приварен к токоведущим ребрам анодной камеры. Габаритныеразмеры перфорированных анода и катода, используемые в хлораторе, составляют 0,6х1,14 м(площадь 0,6 м2), плотность тока на электродах не превышает 1600 А/м2.

Перфорацияэлектродов обеспечивает циркуляцию электролита и снижение газонаполнения вмежэлектродном пространстве.Между электродными элементами установлена катионообменная сульфокатионитнаямембрана Flemion 811 или Nafeon-424. Камеры электролизера соединяются черезуплотнительную резиновую прокладку (рисунок 2, б). Анодная и катодная камеры снабженысистемами подачи и рециркуляции раствора поваренной соли и умягченной воды и выводапродуктов электролиза. Каждая из этих систем состоит из насоса мембранного типа,обеспечивающего подачу электролита в соответствующую камеру (рисунок 2, в), сепаратораи рециркуляционного контура, выполненного из Х-ПВХ (рисунок 2, а).