Диссертация (1095047), страница 25
Текст из файла (страница 25)
При раздельном функционировании модулей производства феррата и анолита впространстве и во времени, предусмотренном модульной конструкций КЭА и его системыуправления, хлораторы, работающие на водоканале, производят хлор для обеззараживанияпитьевой воды и в качестве побочного продукта электролиза – щелочь с концентрацией около20%. Ферраторы, использующие произведенную хлораторами щелочь, могут устанавливатьсяна промышленных очистных сооружениях для очистки токсичных стоков, на полигонахтоксичных отходов, на очистных сооружениях для доочистки сточных вод хозбытовогоназначения, для очистки природных и ливневых вод.1164. Экспериментальные исследования прототипа промышленногоКЭА и его САУ на водоканале4.1 Цели и методика экспериментальных исследованийЦелью экспериментальных исследований прототипа КЭА является отработка рабочихрежимов получения анолита и феррата (ток, напряжение, режим рециркуляции, скоростьподачи рабочих растворов, температура электролиза) для обеспечения производительности неменее 25 кг/сут хлора и 10 кг/сут феррата при энергопотреблении не более 3,0 кВт/кг хлора и 6кВт/кг феррата натрия.Режимы работы хлораторов достаточно хорошо отработаны.
Хлораторы на очистныхсооружениях включены в системы первичного и вторичного хлорирования вод, подаваемых длянужд населения, в связи с чем изменение параметров работы хлораторов не допускалось. Втаблице 4.1 приведены результаты испытаний хлоратора на линии вторичного хлорирования.Рисунок 4.1. Панель монитора с параметрами работы хлорного модуля.Как видно по рисунку 4.1, два из трех электролизеров МБЭ-75 работают на токе 200 А, т.е. примерно на 21% от максимальной производительности (запланированных 960 А в117соответствии с оценкой в п. 2.2.1).
При этом напряжение на электролизере составляет примерно9 В, что соответствует напряжению 3 В на одной паре электродов, эквивалентной расчетномуМБЭ-25. Выход по току хлора производился опосредованно через выход по току щелочи,принимая их равными. Во время работы установки показатели остаточного хлора вобрабатываемой воде находились в допустимых пределах.Теоретически возможное количество NaOH с электролизера:G 1 = A(NaOH)*I*N,(4.1)где A(NaOH) – электрохимический эквивалент NaOH, A(NaOH)=1,49 г/А∙ч, I – токовая нагрузкана ячейку, I=200 А, N – количество ячеек (электродных пар), N=3.G 1=1,49*200*3=894 г/чНа выходе катодной камеры V(р-ра) = 3,055 л. Плотность раствора щелочи ρ = 1219кг/м3 определялась усреднением результатов трех измерений измерений ареометром АОН-1 поГОСТ 18481-81.
Массовая доля щелочи в растворе, соответствующая полученной плотности,равна С=244 г/л. G 2 (NaOH)= С*V= 244*3,055 = 745,42 гВыход по току щелочи η = G2/G1*100=745,42/1,49/200/3*100=83,3%Выход по току хлора принимается равным выходу по току щелочи. Количество образовавшегося хлора определяется по формуле (4.2)m(Cl2) = A(Cl2)*h(Cl2)*I*3(4.2)где A(Cl2) – электрохимический эквивалент хлора, A(Cl2)=1,325 г/А∙ч; h(Cl2)=hη(NaOH)=83,3%, I =200 А.m(Cl2) = 1,325*83,3/100*200*3=662 гПолученные экспериментальные результаты в пересчете с 3-х на одну электрохимическую ячеку приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 – Производительность и энергопотребеление хлоратораМасса, m, г/чЭнергозатраты,W, кВт∙ч/кгНапряжениена ячейке, U, ВКол-во нодныхкамер,N, шт.Сила тока, I, АПлотность тока,j, А/см2Выход по току,h, %Масса, m,кг/сутМасса, m, г/чЭнергозатраты,W W, кВт∙ч/кгНапряжениена ячейке, U, ВИзмеренное значениеМасса, m,кг/сутРасчетное значение2510412,773139602000,160,03483,383,325,4315,89410606622,722,7233Основной целью испытаний КЭА являлась отработка рабочих режимов получения феррата (ток,напряжение, режим рециркуляции, скорость подачи рабочих растворов, температура118электролиза) для обеспечения производительности не менее 10 кг/сут феррата призатрачиваемой мощности не более 6 кВт/кг феррата натрия.Для выяснения оптимальных параметров модуля для производства ферратов былвыполнен ряд экспериментов на макете с размером анода 4 см х 7,5 см, S=30 см 2 (2 анода) приплотностях тока 300, 500 и 750 А/м2, силе тока I=1,8; 3 и 4,5А (рисунок 4.2).
Результатыэкспериментов приведены в таблице 4.2. Максимальный выход по току наблюдается приплотности тока 500 А/м2.Рисунок 4.2. Состав макета ферратораКонцентрацию феррата в растворе практически черного цвета (рисунок 4.3) опредлялипо описанной в разделе 1.5 методике титрования расвора феррата тетрагидроксохромитом сконцентрацией 0,1-0,01 М при непосредственном участии автора [116, 118].Рисунок 4.3. Раствор феррата после электролиза длительностью 1 ч1193,05003,07504,50,64(1,92)55,673,73,091,840,97(2,91)59,573,63,091,820,98(2,90)59,074,14,641,31,31(3,88)2866,1Выход по току поубыли анодов, %333843491,03Выход по току потитрованию, %6,56,25,65,61,85Убыль анодов, г23262931332629333842252832364028Количествополученногоферрата натрия потитрованию, г5005,85,75,75,55,35,35,25,25,05,05,35,25,15,15,06,7Теоретическивозможноеколичество феррата,г1,8Температура вячейке,0С300Напряжение наячейке, ВНагрузка, АПлотность тока,А/м2Таблица 4.2.
Материал анода – электротехническая сталь, концентрация щелочи – 35 %Для снижения энергопотребления процесса в ферратном модуле на основаниирезультатовмоделированиябылипроведеныисследованияэнергопотребленияипроизводительности на 20%-ной щелочи на макете с размером анода 4 см х 7,5 см, S=30 см2 (2анода) при плотности тока 500 А/м2, силе тока I=3 А. Результаты экспериментов приведены втаблице 4.3.Принезначительномснижениивыходапотокунапряжениенаячейкеэнергопотребление снижаются примерно на 15% при тех же значениях тока и плотности тока.и1202Убыль анодов, гВыход по току потитрованию, %Выход по току поубыли анодов, %4,4454,34850013,04,2503,094,2534,1543,4473,34950023,03,2523,093,2533,1543,7233,42525003,03,093,3283,2283,2291концентрация исходной щелочи – 35,0 %Количествополученногоферрата натрия потитрованию, гТеоретическивозможноеколичествоферрата, гТемпература вячейке, 0СНапряжение наячейке, ВНагрузка, АПлотность тока,А/м2Таблица 4.3 – Материал анода – электротехническая сталь.1,661,0(2,96)53,776,11,551,0(2,96)52,474,153,771,91,730,95(2,81)концентрация исходной щелочи – 17,5 %На рисунке 4.4 приведена зависимость концентрации феррата натрия в растворе инапряжения на ячейке от продолжительности электролиза при плотности тока 430 А/м2 в 20%щелочи.Рисунок 4.4.
Зависимость концентрации феррата натрия в растворе и напряжения на ячейке отпродолжительности электролиза при плотности тока 430 А/м2121Следующим шагом в снижении энергозатрат и повышении выхода по току былоуменьшение времени эксперимента с 1 ч аса до 30-40 минут. Исследования проводились на томже макете при плотности тока 500 А/м2, силе тока I=3 А. Результаты в зависимости отдлительности эксперимента приведены в таблице 4.4.Таблица 4.4. Производительность по феррату и энергозатраты в непроточном режиме (20%щелочь)Объем анолита, лТок через ячейку, АНапряжение на ячейкеДлительностьэксперимента, минМасса феррата, г/лМасса феррата ванолите, гТеоретический выходферрата, гВыход по току, %Затрачиваемаямощность, ВтЭнергозатраты напроизводство 1 кгферрата, кВтч/кг0,243,063,670,243,063,610,253,063,760,243,063,670,233,063,610,243,063,190,243,063,170,243,063,140,253,073,1930,005,7960,006,3230,005,7340,005,7960,006,3930,005,7840,006,4760,006,3360,006,531,411,541,451,411,491,411,571,541,651,5889,253,1548,761,5891,922,1066,943,1547,241,5889,172,1074,863,1548,843,1652,2411,2311,0511,5111,2311,059,769,709,619,793,997,193,975,327,423,474,116,245,93На макете выяснили, что через 30 минут производительность составляет до 76%, затем сувеличением длительности выдержки без обновления щелочи она снижается за счетразложения образовавшегося феррата и снижения скорости его синтеза в щелочи спонижающейся концентрацией.
При этом концентрация феррата через 30 минут экспериментасоставляет 90% от получаемой за 1 час.Следующим шагом в снижении энергозатрат и повышении производительности былпереход от непроточного режима к проточному с обновлением объема ячейки в течение 30минут. Результаты исследования производительности и энергопотребления на макете впроточном режиме с измерениями концентрации каждые 15 минут приведены в таблице 4.5.На макете был отработан режим рециркуляции, обеспечивающий выход на режим втечение 30-40 минут и обеспечивающий производительность 76%, которая после включениярециркуляции и измерений каждые 15 минут возросла выше 90% и поддерживалась на этомуровне еще час, в течение которого объем ячейки был прокачан дважды. Таким образом, был122выбран режим рециркуляции, обеспечивающий двухкратное обновление раствора щелочи втечение часа при поддержании производительности и энергопотребления в необходимомдиапазоне. Такой режим рециркуляции был использован при испытаниях ферратора в составеКЭА.Таблица 4.5.
Производительность по феррату и энергозатраты в проточном режиме (20% щелочь)Объем анолита, лТок через ячейку, АНапряжение на ячейкеДлительность эксперимента, минМасса феррата, г/лМасса феррата в анолите, гТеоретический выход феррата, гВыход по току, %Затрачиваемая мощность, ВтЭнергозатраты на производство 1 кгферрата, кВтч/кг0,273,043,4365,261,441,8876,410,30,403,043,4516,12,442,6691,810,30,533,043,35666,453,423,4499,310,20,663,053,34816,454,234,2499,710,20,783,063,37966,034,725,0493,610,34,33,63,273,253,5Режим работы ферратора в составе КЭА был выбран непроточный на время выходаэлектролизера на режим, исходя из того, что при установке новых мембран оно можетсоставлять до 2-х часов. В течение этого времени на электролизере сохраняется повышенноенапряжение (и пониженный выход по току феррата), которое после приработки мембраныпадает в 1,5 – 2 раза, производительность электролизера растет, он выходит на нормальныйрежим эксплуатации, после чего включается рециркуляция рабочих растворов в анодных икатодных камерах.Трубопроводы анолита и католита ферратного модуля смонтированы таким образом, чтопредусматривается две рабочих конфигурации системы циркуляции рабочих растворов.Конфигурация №1 предполагает следующий режим рециркуляции рабочих растворов вферраторе:1.
Из бака Б2 с исходной щелочью насос Н2.1 подает щелочь во все камерыэлектролизера с числом качков Nн1 (качков/мин) для равномерного их заполнения дляпредотвращения деформации и вытягивания мембран из-за избыточного давления в анодныхили катодных камерах.2. Из катодных камер электролизера щелочь самотеком подается на вход насоса Н2.2,который возвращает ее в бак Б2 с числом качков Nн2 (качков/мин).3. Из анодных камер раствор феррата самотеком подается на вход фотоколориметраД2.1, который показывает концентрацию в нем феррата натрия Cф (г/л).
На выходе датчика123формируется небольшой подъем выходящего трубопровода, чтобы объем датчика былнаполнен анализируемым раствором.При запитывании анодных и катодных камер щелочью одинаковой концентрации дляполной автономности хлорных и ферратного модулей использовалась одна дополнительнаяпромежуточная емкость с раствором щелочи с концентрацией около 20%.Такая конфигурация системы рециркуляции позволяет отдельно запитать катодные ианодные камеры и подавать в них щелочь разной концентрации. По имеющимся литературнымданным, снижение концентрации щелочи до примерно 10% в катодных камерах повышаетвыход по току вследствие обусловленного градиентом концентрации ускорения перехода ионовнатрия через мембрану. Как раз такой раствор щелочи также как товарный производится наводоканалах, в частности и на водоканале г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
