Исследование оптимального режима работы аппарата эху и проектирование промышленного образца

I

УДК 621.187

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ АППАРАТА ЭХУ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБРАЗЦА

Е.О. ШИНКЕВИЧ, Р.Я. ДЫГАНОВА

В статье описываются экспериментальные исследования динамики умягчения воды на лабораторной электроактивационной установке проточного типа. Полученные результаты позволили создать методику для проектирования промышленных аппаратов ЭХУ. Предложена принципиальная схема водоподготовки с аппаратами ЭХУ для котельных малой и средней производительности.

Химводоочистки промышленных установок предназначены, как правило, для умягчения воды. Наиболее распространенной и приемлемой схемой умягчения является натрий-катионирование. Однако натрий-катионирование по общепринятой технологии дает большое количество сбрасываемых хорошо растворимых солей. Так, расход соли на регенерацию катионитовых фильтров в 2-3,5 раза превышает количество кальция и магния, удаляемое из воды в процессе умягчения [1]. Столько же растворимых солей сбрасывается с химводоочисток в канализацию, либо в природный источник. При этом в отработанных солевых растворах содержится примерно 2/3 неиспользованного хлористого натрия. Таким образом, дорогостоящая поваренная соль привозится в котельную, очищается от механических примесей, а потом 2/3 ее количества сбрасывается в дренаж неиспользованной.

Охрана окружающей среды требует уменьшения сбросов вредных веществ в водоемы. В настоящее время электрохимические способы обработки воды вызывают большой интерес у специалистов самых различных отраслей народного хозяйства. От традиционных методов очистки их отличают высокая эффективность, технологичность, экологическая безопасность, возможность полной автоматизации и удобство обслуживания применяемого оборудования [2,3]. Современные требования к безотходности могут быть решены применением комплекса электрохимических методов.

В настоящих исследованиях анализировался метод электроактивации на экспериментальной лабораторной установке ЭХУ. Метод электроактивации основан на использовании электродиализа и электролиза в начальной его стадии, когда начинают сдвигаться равновесные потенциалы электродов. При униполярной электрохимической обработке воды в аппаратах ЭХУ, исключающих перемешивание воды катодной и анодной камер, под действием постоянного электрического тока происходит изменение ее свойств: электропроводности, окислительно-восстановительного потенциала, величины рН. В обработанной воде катодной камеры создается отрицательный редокс-потенциал и рН>7, в воде анодной камеры положительный редокс-потенциал и величина рН понижается до 2-3 единиц в связи с переходом

© Е.О. Шинкевич, Р.Я. Дыганова Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

- 2—

анионов сильных кислот (С1- и 80^ ) из катодной камеры и образования там

сильных кислот. Аппараты электроактивации отличаются от электродиализных аппаратов типом применяемой мембраны.

Для разделения продуктов электролиза применяют:

1. Мембраны, пропускающие одни компоненты системы и задерживающие другие. Иногда их называют электрохимически активными, т.е. изменяющими число переноса ионов по сравнению с их значениями в свободном растворе.

2. Диафрагмы, одинаково проницаемые для всех компонентов системы. Они лишь препятствуют быстрому смешиванию католита и анолита. Это электрохимически неактивные мембраны, не имеющие переноса ионов [4].

В первом случае имеют место электродиализные аппараты с ионообменными мембранами, во втором - электроактивационные аппараты с инертной диафрагмой. На рис.1. представлена принципиальная схема экспериментальной установки электроактивации ЭХУ проточного типа.

Рис.1. Принципиальная схема работы экспериментальной установки ЭХУ воды проточного типа:

1 - источник постоянного тока /ВСА-5К/; 2 - лабораторная установка ЭХУ воды;

3 - емкости для обработанной воды; 4 - анод; 5 - диафрагма; 6 - катод;

7 - ресивер сжатого воздуха; 8 - баллон с исследуемой водой; 9 - ротаметр;

10 - воздушный компрессор; 11 - манометр марки; 12 - кран, регулирующий подачу воды

Для подачи воды в аппарат воздушный компрессор 10 (рис.1.) нагнетает атмосферный воздух в ресивер 7, где давление поддерживается на уровне 1,2-1,5 атм. Давление определяется манометром 11. Из емкости 8 исследуемая вода под давлением, создаваемым сжатым воздухом, подается в нижнюю часть аппарата ЭХУ. Расход воды регулируется краном 12 и контролируется показаниями ротаметра 9. Экспериментальный аппарат ЭХУ состоит из нейтральной диафрагмы 5 из брезентовой ткани, анода 4 и катода 6. Токовые характеристики работы экспериментальной установки определяются показаниями источника © Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

постоянного тока, в качестве которого служит регулируемый выпрямитель ВСА-5К 1. Камеры аппарата симметричны, но расход воды через них различен. Он определяется соотношением диаметров выходных патрубков катодной и анодной камер. Вода в аппарате ЭХУ движется снизу вверх и поступает в емкости 3 соответственно из катодной и анодной камер.

Исследования умягчения воды в аппарате ЭХУ проводились согласно следующим задачам. Определить:

- степень умягчения воды в аппарате с различными типами металла анода;

- степень умягчения воды в аппарате с различным исходным солесодержанием воды;

- степень умягчения воды при различных напряженностях электрического поля в аппарате;

- степень умягчения воды при различном значении времени пребывания воды в аппарате.

Электроды, устанавливаемые в аппарате были следующие: катод - титан; анод - нержавеющая сталь марки 1Х18Н9Т, титан и алюминий. Для исследований использовалась вода с исходным солесодержанием 4,2 , 8,5 и 14,2 мг-экв/л. Напряженность электрического поля варьировалась 0,6 , 1,0 и 1,5 В-м. Время пребывания воды в аппарате задавалось от 0 до 500 сек с интервалом в 100 сек. В результате исследования комбинаций всех перечисленных выше факторов работы аппарата ЭХУ было установлено, что оптимальным режимом работы аппарата при различных исходных солесодержаниях воды является: применение в качестве материала анода - алюминия (из-за хорошего коагулирующего свойства); напряженность электрического поля - 1,5 В-м (и=75 В); время пребывания воды в аппарате - 500 сек. На рис.2. представлена динамика умягчения воды в аппарате с алюминиевым анодом при изменении напряженности электрического поля за один проход воды через аппарат.

ан од с % кап юд

иду

I 1

II 0 [),£ II III

т,с( [)0 зс '0 к 0 К - ? Л )0 3( Ю 50 0 Г,( :ек

III

И

-1- - 6 -

- 1 п

I

дЬ од пп каг под 11.111 1

Рис.2. Динамика умягчения воды в аппарате ЭХУ при различных напряженностях электрического поля:

I - 0,6 В-м; II - 1,0 В-м; III - 1,5 В-м; с/с0 - глубина умягчения воды, об. ед.; рН - водородной показатель воды в анодной и катодной камере © Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

Как видно из рисунка 2, степень умягчения воды может достигать 98%. Такие показатели не дает ни одна ионообменная мембрана. В схемах ВПУ полученная экспериментально степень умягчения дает возможность говорить об эффективности промышленного образца аппарата ЭХУ в качестве первой ступени умягчения вместо натрийкатионитного фильтра на котельных малой и средней производительности.

Для проведения проектировочного расчета промышленного аппарата ЭХУ предлагается методика, которая включает в себя следующие расчеты: расчет конструктивных параметров (высоты и ширины электродов в аппарате, количества секций, расчет габаритных размеров); гидравлический расчет работы аппарата (скорость движения в ячейках аппарата, потери давления в аппарате при прокачивании жидкости), расчет энергетических характеристик (напора воды, необходимого для поднятия воды в аппарате, мощности и количества энергии, необходимого на прокачивание воды).

На рис.3. представлена блок-схема расчета промышленного аппарата ЭХУ по перечисленным выше показателям.

Рис.3. Блок-схема проектировочного расчета промышленного аппарата ЭХУ

Исходя из проведенных экспериментов на лабораторной установке ЭХУ, приняты следующие исходные положения для расчетов: установленные

экспериментально - время пребывания воды в установке ЭХУ (тпр =500 сек),

средняя плотность электрического тока (3 = 0,7 А/м2), напряжение, подаваемое на электроды одной ячейки (и=75 В), расстояние между электродами (£=0,02 м); из технологии умягчения воды - расход исходной воды V, м3/ч, схема установки ЭХУ воды - двухэлектродная, многосекционная, секции работают параллельно.

На рис.4. представлена принципиальная схема системы водоподготовки котельной с установкой электроактивации.

Рис.4. Схема ВПУ с промышленной установкой ЭХУ:

1 - бак сырой воды; 2 - аппарат ЭХУ; 3 - установка фильтрации рассола (отстойник); 4 - бак-смеситель дилюата и очищенного рассола; 5 - вторая ступень ^-катионитных фильтров; 6 - деаэратор питательной воды; 7 - паровой котел;

8 - бак регенерационного раствора; 9 - насос сырой воды;

10 - насос регенерационного раствора; 11 - насос питательной воды

Исходная вода из бака 1 подается снизу в каждую секцию установки ЭХУ 2 из единого коллектора, попадая в соответствующую камеру. В каждой камере располагается катод или анод. Все камеры, за исключением двух: первой и последней, снабжаются закрепленными посередине катодом или анодом, у которых работают обе противоположные стенки. Обработанная вода удаляется через два коллектора, не смешивая католит и анолит. Анолит (рассол) с мелкими частичками образовавшихся нерастворившихся солей Са и Mg поступает в отстойник 3, где происходит кристаллизация солей, а отстоянная умягченная вода поступает в бак-смеситель дилюата и очищенного рассола 4. Продувка отстойников удаляется на технологию получения товарных продуктов.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что исследуемые нами процессы электроактивации в аппарате ЭХУ являются эффективными для обработки природных вод в системах ВПУ котельных малой и средней производительности. Кроме того, в результате работы предлагаемой на рис.4 схемы ВПУ не только минимизирует стоки, но и является источником полезных для народного хозяйства продуктов.

Summary

In clause the experimental researches of dynamics softening of water on laboratory electro-activation of installation of a flowing type are described. The received results have allowed to create designing account for industrial devices to an ECS. The basic circuit prestarting of water with devices to an ECS for boiler-house of small and average productivity also is offered.

І2З

Литература

1. Лепилин Р.С. Борьба со стоками соленых вод химводоочисток теплоэнергетических установок // Промышленная энергетика, - 1998. - №6.- С. 51-52.

2. Бейгельдруд Г.М. Технические решения в области электрохимической очистки воды (Обзор) // Кокс и химия, - 1994. - №12.- С. 31-33.

3. Хожаинов Ю.М. Комплексные технологические схемы электродиализного обессоливания и концентрирования промышленных и природных вод // Химическая промышленность, - 1995. - №9.- С. 29-34.

4. В.Н.Смагин. Обработка воды методом электродиализа.- М.: Стройиздат, 1986.171 с.