Диссертация (1095047), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Дзержинска, где проходили экспериментальныеисследования КЭА.Конфигурация №2 предполагает следующий режим рециркуляции рабочих растворов вферраторе:1. Из бака Б2 с исходной щелочью насос Н2.1 подает щелочь в катодные камерыэлектролизера с числом качков Nн1 (качков/мин).2. Из катодных камер электролизера щелочь самотеком подается на вход насоса Н2.2,который подает ее в анодные камеры электролизера с числом качков Nн2 (качков/мин).3. Из анодных камер продукт самотеком подается на вход фотоколориметра Д2.1,который показывается концентрацию в нем феррата натрия Cф (г/л). На выходе датчикаформируется небольшой подъем выходящего трубопровода, чтобы объем датчика былнаполнен анализируемым раствором.Такая конфигурация системы рециркуляции позволяет отводить из катодных камерщелочь с концентрацией чуть выше исходной и подавать ее в анодные камеры, что позволяетподдерживать постоянную концентрацию щелочи в катодных и анодных камерах.Однако в целях безопасности проведения исследований в условиях водоканала былаиспользована конфигурация №1 с раздельным питанием рециркуляционных контуров в целяхпредотвращения проникновения в анодное пространство вместе со щелочью, отводимой изкатодного пространства, растворенного в ней водорода (конфигурация №2) и предотвращенияего смешения с кислородом.После приработки мембран включалась рециркуляция анолита и католита, напряжениена электролизере практически не изменялось.
Ферратор работал в режиме стабилизации потоку, сила тока поддерживалась постоянной (300 А), обеспечивавшей заданную плотность тока124500 А/м2 при площади анодов 1500 см2 или 0,15 м2. На каждый электрод приходилась токоваянагрузка 75А.Далееприведенаметодикаоценкиосновныхпоказателейработыферратора,работающего в проточном режиме.4.2.
Методика расчета основных показателей работы ферратора впроточном режиме4.2.1 Предварительный запуск электролизера1. Камеры электролизера заполнены щелочью до отметки слива.2. Производится тестовый запуск насоса Н2.1 и измерение его производительности.Записывается время tз (с) заполнения емкости Vз (л) при числе качков Nн1. Производительностьнасоса в условиях запуска при одном качке в минуту (л/мин) вычисляется по формуле:H = Vз * 60 / (tз * Nн1)3.
На пары электродов подается питание. Изначально подается ток 25 А и далееувеличивается на 25 А ежеминутно вплоть до подачи требуемого значения.4. В течение 60 минут осуществляется подача на электроды требуемого значения тока.5. В течение этих 60 минут каждые 5 минут записываются значения: измереннойконцентрации Cф, тока на источнике I и напряжения на источнике Uи.6. После 60 минут измеряется напряжение на клеммах проводов на электролизере ивычисляется падение напряжения на проводах Uп.4.2.2 Запуск электролизера в режиме поточного производства1. Исходя из целевой скорости потока производства выставляется число качков насосовН2.1 и Н2.2. Если электролизер состоит из nк катодных камер и nа анодных камер, где всекамеры имеют одинаковый объем Vкам (л), то по целевой скорости потока производства (время,за которое полностью обновляется объем анодных камер, tобн.а, мин) можно оценить Nн1.Для определения Nн1 необходимо задать скорость рециркуляции щелочи в катоднойкамере Nн2 (время, за которое полностью обновляется объем катодных камер, tобн.к, мин):Nн2 = Vкам * nк / (tобн.к * Н)Тогда Nн2.1 вычисляется следующим образом:Nн1 = Vкам * nа / (tобн.а * H) + Nн2 * 0,95125Необходимо обратить внимание, что для расчета Nн1 полученная величина Nн2занижается на 5%.2.
В процессе работы в случае, если датчики переполнения камер электролизерапоказывают наличие жидкости, необходимо увеличить Nн2 (для поддержания скорости потокапроизводства) или уменьшить Nн1 (для снижения скорости потока производства).3. Каждые 5 минут записываются значения: времени эксперимента t, измереннойконцентрации Cф, тока на источнике I, напряжения на источнике Uи, число качков Nн1 и Nн2.4.2.3 Расчет параметров электролизера по полученным в ходе работызначениямВ процессе работы ферратора в поточном режиме получен набор из n точек.
Для любойi-ой точки имеются значения: t(i) (мин), Сф(i) (г/л), I(i) (А), Uи(i) (В), Nн1(i) (качков/мин), Nн2(i)(качков/мин).Далее для этих точек рассчитывается:1. Напряжение на ячейке U(i) (В):U(i) = Uи(i) – Uп2. Разность в частоте работы насосов Н2.1 и Н2.2 Nразн(i) (качков/мин):Nразн(i) = Nн1(i) – Nн2(i)3.
Оценка объема потока продукта Vпр(i) (л/мин):Vпр(i) = Nразн(i) * H4. Объем продукта Vпр(i) (л), слитый с момента предыдущего измерения:Vпр(i) = (t(i) – t(i-1)) * Vпр(i-1))5. Количество феррата mф(i) (г) в продукте, произведенном за период с моментапредыдущего измерения (оценивается по средней концентрации за период):mф(i) = Vпр(i) * (Сф(i) + Сф(i-1))/26. Затраченная электроэнергия E(i) (кВт∙ч) на производство продукта за период смомента предыдущего измерения (ток и напряжение оцениваются по средним значениям запериод):Е(i) = (I(i) + I(i-1)) / 2 * (U(i) + U(i-1)) / 2 * (t(i) – t(i-1))/ 60 / 10007. Затраты электроэнергии W(i) (кВт∙ч/кг), затраченные на производство 1 кг продукта запериод с момента предыдущего измерения:W(i) = W(i) / mф(i) / 10001268.
Производительность электролизера по феррату mф(i) (кг/сут) за период с моментапредыдущего измерения:mф(i) = Vпр(i-1) * (Сф(i) + Сф(i-1)) / 2 * 60 * 249. Теоретическое максимальное количество произведенного феррата Mфт(i) (г) за периодс момента предыдущего измерения:mфт(i) = (t(i) – t(i-1)) / 60 * (I(i) + I(i-1)) / 2 * 1,03где 1,03 – электрохимический эквивалент феррата (г/Ач).10. Выход по току электролизера h(i) (%) за период с момента предыдущего измерения:h(i) = mф(i) / mфт(i) * 1004.3 Анализ результатов исследований рабочих параметров прототипапромышленного КЭА и их сопоставления с результатамиматематического моделированияПо полученным параметрам работы электролизера определяется период работы снаилучшим выходом по току, при котором удовлетворены требования по производительности иудельным затратам электроэнергии.
Параметры электролизера для этого периода принимаютсяза оптимальный режим работы электролизера.В таблице 4.6 отражены результаты экспериментов с ферратным модулем, заполняемымрабочими растворами в соответствии с конфигурацией 1. При помощи глухой перегородки,вставленной в паз вместо рамки с мембраной, были отгорожены 5 камер, 2 анодных и 3катодных (рисунок 4.5).
Наличие такой перегородки позволяет регулировать количествоработающих камер при необходимости, снизить количество сливаемого продукта ирециркулирующей щелочи. Это было сделано в целях снижения энергозатрат и расходарабочих растворов, а также уменьшения образования газообразных водорода и кислорода,представляющих собой потенциальную опасность образования взрывоопасных смесей.Время выхода модуля на режим с учетом приработки мембраны составило 1,5 часа. Заэто время существенно снизилось напряжение на ячейке и при концентрации 6 г/л прекратилсяее рост (рисунок 4.5).
Начиная с 30 мин была включена медленная рециркуляция анолита икатолита для проверки работы датчиков уровня католита и анолита в ячейке и проточногодатчика концентрации феррата (рисунок 4.6).127Таблица 4.6 – Результаты экспериментальных исследований ферратного модуля КЭА впроточном режимеВремя эксперимента, t, минПоказания ИКХ-08, Cф, г/лПоказания датчика температуры, Т, °СПоказания FlexKraft по току, I, АНапряжение на ячейке сучетом кабелей, U, ВСкорость работы насосаBF-50 №1 (подача), Nн1,качков/минСкорость работы насосаBF-50 №2 (рециркуляция),Nн2, качков/минРазность в скорости работынасосов, Nразн, качков/минОбъем стока продукта Vпр,л/минСлито продукта за период,Vпр, лСлито продукта всего, лПолучено феррата за период, mф, гПолучено феррата всего, гПотрачено электроэнергииза период, Е, Вт∙чЭнергозатраты на производтво феррата за период,W, Вт∙ч/кгПроизводительность 2анодных камер установкипо феррату, mф, кг/часПроизводительность 2анодных камер установкипо феррату, mф, кг/сутПроизводительность 5(всех) анодных камер установки по феррату, кг/сутТеоретический выход феррата, mфт, гВыход по току, h, %00,0727,5302,2632, 3604,4136, 2905,735,8956,0135,41006,9534,51205,9534,381303,7134,431503,63343013013013013013013013013014,884,84,54,34,24,13,603,433,37006667171713500444555555270022216161680,0960,0960,0960,7690,7690,7690,3850,000,002,880,480,4815,387,6915,380,0043,670,0042,872,8840,303,379,003,8521,8619,2395,0026,9237,1542,3156,460,000 0,00043,67 42,87 57,45 74,85 92,55 222,94 372,79 249,18728,42 699,83 662,20 106,60 104,10 376,25 176,34 341,1316,6816,3216,4311,854,763,964,755,990,0440,0430,0550,0400,0370,2850,2230,1691,051,031,320,960,906,845,354,072,622,573,292,402,2417,1013,3810,16155,02 155,02 155,02 25,8425,84103,34 51,67103,3428,1784,6191,9354,6327,6626,0034,8271,90128Рисунок 4.5 – Смонтированный ферратный электролизерс 2 анодными и 3 катодными камерамиРисунок 4.6 – Зависимость концентрации феррата (г/л) в растворе от времени (мин)После включения интенсивной рециркуляции, начиная с 90 мин, концентрация феррата впрокачиваемом продукте резко возросла с поступлением новой не обедненной щелочи, былазафиксирована максимальная концентрация, близкая к 7 г/л, что соответствует пределунастройки датчика в настоящий момент.
Затем модуль работал в режиме интенсивной129рециркуляции еще в течение часа, причем в течение последних 20 мин концентрацияфактически восполнялась за счет рециркуляции.Для запуска ферратного модуля КЭА на водоканале завода им. Свердлова г. Дзержинскбыли выбраны следующие параметры:- плотность тока 500 А/м2,- сила тока I=75 А на один промежуток, достаточная для получения 84 г/ч феррата с 1-йкамеры (420 г с 5-ти камер электролизера) при выходе по току не менее 53%;- концентрация щелочи – 20%, получаемая в стандартном режиме на хлораторахводоканала;- расстояние между электродами и мембраной – не более 10 мм;- температура электролиза – от tкомн до tкомн+10С.Для проведения испытаний были запущены только 2 анодные и 3 катодные камерыферратора, т.е. 4 пары анод/катод вместо возможных 10 пар.Режим работы электролизера был выбран непроточный на время выхода электролизерана режим (0,5 часа после остановки и повторного запуска).
В течение этого времениконцентрация растет, после чего включается рециркуляция рабочих растворов в анодных икатодных камерах (рисунок 4.7).Рисунок 4.7. Ферратный модуль в режиме рециркуляции130Для определения концентрации феррата в полученном продукте в проточном режимеприменялся модифицированный фотоколориметр ИКХ-08. Он был калиброван на измерениеконцентрации феррата в продукте в пределах до 6 г/л без существенной погрешности (рисунок4.8).Предварительная калибровка осуществлялась последовательным вводом в датчикприбора растворов с различной концентрацией феррата натрия, предварительно измереннойпотенциометрически титрованием, в соответствии с методикой, описанной в п.1.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
