Проектирование электрокоагулятора

Тип работы:
Методичка
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Вятский Государственный Университет

Кафедра промышленной экологии и безопасности

Кафедра технологии электрохимических производств

Задания и методические указания для выполнения курсового проекта по дисциплине «Расчет и конструирование аппаратов очистки стоков»

Проектирование электрокоагулятора

Для студентов заочного ускоренного

обучения ВРЦЭП специальности

330 200 «Инженерная защита

окружающей среды"

Киров — 2005

УДК 628. 32. 001.2 (035. 5)

Хранилов Ю.П., профессор кафедры ТЭП. Проектирование электрокоагулятора. Задания и методические указания для выполнения курсового проекта по дисциплине «Расчет и конструирование аппаратов очистки стоков» для студентов специальности 330 200 «Инженерная защита окружающей среды». — Киров: ВятГТУ, 2005. — 24 с.

В методических указаниях изложена методика расчета электрокоагулятора для очистки сточных вод от шестивалентного хрома, даны указания по конструированию электрокоагулятора, представлены варианты заданий.

Работа подготовлена на кафедре технологии электрохимических производств Вятского государственного университета.

Библ. назв. 4.

Рецензент: Загоскин Н. Н., к.х.н., доцент кафедры ПЭБ.

© Ю. П. Хранилов, 2005

Принятые сокращения

СВ — сточные воды

ТМ — токсичные металлы

ЭК — электрокоагулятор

Введение

Курсовой проект является завершающим этапом в изучении дисциплины «Расчет и конструирование аппаратов очистки стоков».

Цель проекта — закрепление знаний, полученных в теоретическом курсе, при проектировании конкретного аппарата — электрокоагулятора (ЭК), предназначенного для очистки сточных вод (СВ) от шестивалентного хрома. В курсовом проекте рассчитываются:

токовая нагрузка на ЭК;

общая рабочая площадь электродов;

количество электродов;

масса электродных комплектов;

время непрерывной работы до смены анодов;

габариты ЭК;

необходимая производительность системы вытяжной вентиляции.

Выполняется ряд других вспомогательных расчетов. Приводится технологическая схема очистки СВ с использованием ЭК. Выполняется на формате А1 чертеж корпуса ЭК (общий вид) и дается деталировка отдельных элементов установки.

Расчетно-пояснительная записка курсового проекта выполняется на листах формата, А 4, объемом 15−20 страниц, набранных на компьютере. Текстовые документы оформляются в соответствии с ГОСТами Единой Системы Конструкторской документации (ЕСКД). Все разделы должны быть написаны технически грамотным языком. Текст должен сопровождаться поясняющими рисунками и эскизами. Таблицы, графики и схемы должны быть подписаны и пронумерованы по дробной двухступенчатой системе, например: рис. 2.1 — первый рисунок второго раздела. В записке должны быть ссылки на литературные источники. Перечень литературных источников приводится в конце записки в соответствии с требованиями библиографии. В качестве литературного источника могут быть использованы настоящие методические указания, а также лекции преподавателей.

Пояснительная записка включает в себя: титульный лист, задание, реферат, ведомость курсового проекта, содержание, введение, технологическую часть, расчетную часть, заключение, приложение (в том числе библиографический список и при необходимости — определения, обозначения, сокращения), спецификацию. Ведомость проекта и спецификация на сборочную единицу вкладываются в пояснительную записку согласно требованиям, приведенным в СТП ВятГУ 102 — 2003. Требования по оформлению текста — согласно СТП ВятГУ 101 — 2003. Требования по оформлению пояснительной записки — согласно требованиям СТП ВятГУ 102 — 2003.

Защита курсового проекта проводится в виде устного доклада, в котором излагаются цели работы, последовательность действий при расчетах, основные полученные результаты и их анализ.

1. Указания к выполнению технологической части курсового проекта

В технологической части работы рекомендуется осветить следующие вопросы:

область применения ЭК;

принцип действия ЭК и процессы, идущие в нем;

производственные источники загрязнения СВ хромом (VI);

принципиальная технологическая схема очистки СВ с использованием ЭК;

выбор конструкции ЭК, описание его устройства и работы.

Не следует полностью переписывать текст из данных методических указаний!

1. 1 Общие сведения о процессе электрокоагуляции

В общем случае электрокоагуляция — процесс, при котором в электролизере с растворимыми анодами (стальными или алюминиевыми) образуется эффективный коагулянт — многозарядные ионы Fe2+ или Al3+ по реакциям:

Fe — 2e Fe2+ (2. 1)

Al — 3e Al3+ (2. 2)

На стальном катоде выделяется водород и образуется щелочь (ионы гидроксила ОН-) по реакции:

2 H2O + 2e H2 + 2 OH- (2. 3)

Таким образом, СВ в ЭК подщелачивается. При этом становится возможным перевод в малорастворимые гидроксиды многих ионов токсичных металлов (ТМ), содержащихся в СВ (Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cr3+ и т. д.) по общей реакции:

Men+ + n OH- Me (OH)n (2. 4)

Первичные мелкодисперсные частицы гидроксидов в присутствии ионов-коагулянтов довольно быстро превращаются в более крупные хлопья, что облегчает их последующее отстаивание и улучшает качество осветленной воды.

Если в СВ содержатся мельчайшие частицы жировых и масляных загрязнений в виде эмульсий, облегчается их слипание и последующее всплывание. Этому процессу способствует также выделяющийся на катоде водород, т. е. одновременно происходит отделение жировых загрязнений в результате флотации.

Наконец, если в СВ есть соединения весьма токсичного шестивалентного хрома, в ЭК будет происходить их обезвреживание ионами Fe2+, образовавшимися на аноде:

3 Fe2+ + Cr (VI) 3Fe3+ + Cr3+ (2. 5)

Внимание! Ионы алюминия не могут нейтрализовать шестивалентный хром!

Продукты реакции (2. 5) взаимодействуют с катодной щелочью:

Fe3+ + 3 OH- Fe (OH)3 (2. 6)

Cr3+ + 3 OH- CrOH)3 (2. 7)

В принципе для протекания реакций (2. 6) и (2. 7) катодная щелочь даже не обязательна, так как гидроксиды трехвалентных железа и хрома могут образовываться уже при рН около 4, т. е. в слабокислой среде.

Свежеосажденные хлопья гидроксидов Fe3+ и Cr3+ сами являются эффективными коагулянтами, а за счет микропористой структуры — еще и неплохими сорбентами, способными очистить СВ от крупных молекул растворенных органических веществ (например, красителей).

Таким образом, существуют три основные области применения электрокоагуляции:

очистка СВ от катионов ТМ;

очистка СВ от эмульсий;

одновременная очистка СВ от шестивалентного хрома и от катионов ТМ.

Наиболее широко электрокоагуляция применяется для последней цели. Соответственно, и задания для курсового проекта связаны с очисткой СВ от Cr (VI).

Следует отметить и недостатки метода электрокоагуляции: расход электроэнергии; расход металла на изготовление анодов; увеличение общего объема шламов за счет большого количества гидроксида железа. Однако последнее обстоятельство имеет и положительную сторону, так как уменьшается процентное содержание токсичных металлов в шламе. Достоинством метода является возможность регулирования мощности ЭК изменением силы тока при изменении концентрации хрома в СВ.

1. 2 Особенности электрокоагуляции при очистке сточных вод от шестивалентного хрома

СВ, подаваемая на очистку от хрома, может иметь разнообразную кислотность, в зависимости от состава технологических растворов (рН от 2 до 8). Соответственно, электролиз будет протекать с различным выходом по току (ВТ) на реакцию (2. 1). Выход по току на ту или иную электродную реакцию — это доля электричества, израсходованная на эту реакцию. Для реакции (2. 1), идущей в хромовых стоках, значения ВТ (в долях единицы) приведены в табл. 2.1.

Таблица 2. 1 Значения выхода по току (доли ед.) для реакции (2. 1)

рН

2

3

4

5

6

7

8

ВТ

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

Помимо реакции (2. 1), при электролизе идут реакции

Fe + 2H2O Fe (OH)2 + 2H+ + 2e (2. 8)

Fe + H2O FeO + 2H+ + 2e (2. 9)

Эти реакции приводят к израсходованию стальных анодов. Однако продукты реакций — гидроксид и оксид двухвалентного железа — практически не участвуют в очистке СВ от хрома.

Другой особенностью процесса является необходимость поддержания определенного солесодержания в очищаемой СВ. Это необходимо во избежание пассивации анодов. Существуют рекомендации по соотношению между содержанием солей и хрома в сточной воде, при котором не происходит пассивации анодов (табл. 2. 2). Если соленость СВ недостаточна, в нее вводят поваренную соль в соответствии с рекомендациями из табл. 2.2.

Таблица 2. 2 Рекомендуемое соотношение между содержанием солей и хрома (VI)

Солесодержание, мг/л

80 — 150

150 — 200

200 — 300

300 —

400

400 — 500

500 — 700

700 — 900

900 -1000

Допустимая CCr, мг/л

5

10

15

20

30

40

50

60

1. 3 Источники загрязнения сточной воды хромом (VI)

На машиностроительных предприятиях в цехах металлопокрытий проводят разнообразные технологические операции в растворах и электролитах, содержащих соединения хрома (VI). К таким соединениям относятся: хромовый ангидрид CrO3; бихромат натрия (двухромовокислый натрий) Na2Cr2O7; бихромат калия (двухромовокислый калий) K2Cr2O7; хромат натрия (хромовокислый натрий) Na2CrO4; хромат калия (хромовокислый калий) K2CrO4. Соединения хрома (VI) содержатся также в препаратах типа «Ликонда», выпускаемых для ряда технологических операций в гальванотехнике. В табл. 2.3 представлены некоторые примеры технологических операций с использованием соединений хрома (VI).

Таблица 2.3 Некоторые технологические операции с использованием соединений хрома (VI)

Технологический процесс

Технологическая операция

Хромсодержащие компоненты раствора и их средняя концентрация, г/л

Среднее содержание Cr (VI) в растворе, г/л

Частота смены ванны

Хромирование

Покрытие хромом

CrO3 — 275

143

Не меняется годами

Цинкование; кадмирование

Хроматирование* (пассивирование) цинкового или кадмиевого покрытия для повышения его коррозионной стойкости

CrO3 — 5

2,6

Один раз в несколько месяцев. Конкретно определяется производственной программой линии.

K2Cr2O7 — 30

10,6

Препарат «Ликонда -1» — 70

16,8

Анодирование алюминия и его сплавов

Наполнение анодной пленки для повышения ее коррозионной стойкости

K2Cr2O7 — 45

15,9

Электрополирование нержавеющих сталей

Электрополирование

CrO3 — 77

40

Фосфатирование стальных деталей

Наполнение фосфатной пленки для повышения ее коррозионной стойкости

Na2Cr2O7 — 90

35,7

Не путать с хромированием !

После соответствующих технологических операций (см. табл. 2. 3) детали промываются в проточной воде, в результате чего соединения хрома (VI) и попадают в СВ. Переход Cr (VI) в СВ можно ориентировочно оценить следующим образом. При обработке деталей на соответствующих приспособлениях — подвесках 1 м2 обрабатываемой поверхности уносит в СВ в среднем 0,2 л раствора. Если за какой-то период обработано S м2 поверхности деталей, в СВ переходит масса Cr (VI), равная

MCr (г) = 0,2 S C, (2. 1)

где С — концентрация хрома (VI) в технологическом растворе. В рамках данного курсового проекта такие расчеты, однако, не проводятся.

1.4 Возможные технологические схемы очистки воды с использованием электрокоагулятора

Кроме постоянно текущих разбавленных по хрому промывных вод, на очистку от Cr (VI) периодически направляют концентрированные залповые сбросы (отработанные растворы хроматирования, наполнения в хромпике, электрополирования и т. п., а также воду из непроточной ванны промывки — улавливания после хромирования; в этой ванне содержание Cr (VI) может доходить до 10−30% от содержания хрома в ванне хромирования). Залповые сбросы целесообразно нейтрализовать отдельно химическим (реагентным) методом (взаимодействием с восстановителем в кислой среде), после чего обработанная вода может быть присоединена к проточной воде либо направлена в общий реактор для нейтрализации кислотно-щелочных стоков. Если реагентная очистка от Cr (VI) не предусмотрена, следует залповые сбросы направлять в накопитель, откуда они дозированно направляются в поток промывной воды.

Целесообразно использовать процесс электрокоагуляционной очистки стоков как дополнение к общей схеме реагентной очистки гальванических стоков. Сказанное выше иллюстрируется рис. 2. 1-а и 2. 1-б.

1

/

Рис. 2.1. Варианты объединения электрокоагуляционной и реагентной очистки гальванических стоков: а — на ЭК направляют только промывные воды; б — на ЭК направляют промывные воды и залповые сбросы; А — промывные воды и технологические растворы, не содержащие хрома; Б — залповые сбросы с хромом; В — промывные воды с хромом; Г — вода в горколлектор или на доочистку; Д — шлам; 1 — реагентная очистка кислотно-щелочных стоков от ТМ; 2 — реагентная очистка залповых сбросов от Cr (VI); 3 — электрокоагуляционная очистка промывных вод; 4 — отстаивание и обезвоживание; 5 — электрокоагуляционная очистка промывных вод и залповых сбросов

Как говорилось выше, от гальванических линий в ЭК направляют промывные воды, содержащие Cr (VI). Кроме того, в гальванической линии имеются также щелочные растворы обезжиривания, кислые растворы травления и активации, электролиты для нанесения покрытий. Промывные воды после этих операций не содержат Cr (VI). Однако их можно объединить с хромовыми стоками. При этом увеличится объем СВ, направляемый на ЭК, но соответственно уменьшится и концентрация хрома в обрабатываемой воде. А в соответствии с данными табл. 2.2 уменьшится потребность в специальном введении солей в воду для предотвращения пассивации анодов. Кроме того, при смешении хромовых и кислотно-щелочных промывных вод в ЭК будет проходить очистка не только от хрома, но и от других ТМ. Таким образом, возникают еще два подварианта электрокоагуляционной очистки СВ (рис. 2. 2).

1

/

Рис. 2.2. Подварианты электрокоагуляционной очистки СВ: а — направление на ЭК только хромсодержащих промывных вод; б — направление на ЭК различных промывных вод; Р — реактор для нейтрализации кислотно-щелочных стоков; А — СВ, содержащие Cr (VI); Б — СВ, не содержащие Cr (VI)

При сопоставлении схем 2. 2-а и 2. 2-б может возникнуть вопрос: а зачем нужен реактор Р, если очистка от ТМ может быть проведена в ЭК? Следует иметь в виду, что электрокоагуляционная очистка СВ дороже реагентной (из-за расхода электроэнергии и стальных анодов). Поэтому использовать только электрокоагуляционную очистку можно лишь для небольших гальванических участков (цехов); для цехов средней и крупной производительности целесообразно сочетание двух методов очистки СВ.

При выполнении курсового проекта студент предлагает вариант технологической схемы с обоснованием его преимуществ и согласовывает с преподавателем. На рис. 2.3 — 2.8 изображены некоторые элементы технологической схемы.

1

/

Рис. 2.3. Ванна каскадной двухступенчатой промывки деталей. Такие ванны устанавливают для более качественной промывки деталей после нанесения покрытий, после токсичных растворов и для уменьшения расхода воды.

2. Указания к выполнению расчетной части курсового проекта

Ряд формул ниже дается с выводом, для лучшего понимания сущности расчета. Однако вывод формул в курсовом проекте переписывать не надо! Следует просто выполнять расчеты, ссылаясь на готовые уравнения.

2. 1 Электрохимические расчеты

сточный электрокоагуляция вода очистка

Исходными данными к электрохимическому расчету ЭК являются:

средняя концентрация шестивалентного хрома CCr в сточной воде (в пересчете на хром), выраженная в мг/л (г/м3);

среднее значение рН сточной воды;

средний часовой объем очищаемой воды vсв, м3/ч.

Согласно уравнению (2. 5), на нейтрализацию одного моля Cr (VI) (52 г) необходимо затратить 3 моля ионов двухвалентного железа (167.5 г), что соответствует 3,22 г железа на 1 г хрома.

За 1 ч в электролизер поступает CCr vсв граммов шестивалентного хрома, для нейтрализации которого требуется анодно растворить (в виде ионов) 3,22 CCr vсв граммов железа. С учетом закона Фарадея минимально необходимый ток в электролизере должен быть

, (3. 1)

где 1,042 г/(А ч) — электрохимический эквивалент для перехода Fe Fe2+;

ВТ — выход по току для анодной реакции (см. табл. 2. 1).

Суммарная рабочая поверхность анодов будет равна

(3. 2)

Расчет силы тока является безальтернативным (речь может идти лишь о том, распределить ли расчетный ток на несколько электролизеров или подать его на один электролизер). Для величины Sa возможны несколько вариантов расчета в зависимости от выбранной плотности тока. При прочих равных параметрах рабочая плотность тока может быть тем выше, чем ниже рН сточной воды, чем выше ее солесодержание и чем ниже концентрация хрома в воде. Однако существуют рекомендации по соотношению между содержанием солей и хрома в сточной воде, при котором не происходит пассивации анодов [1, c. 432] (табл. 2. 2).

Если при эксплуатации эти рекомендации выдерживаются, определяющим фактором для выбора плотности тока остается рН сточной воды. Для воды с рН 2 -3 можно рекомендовать плотность тока 0,9 — 1 А/дм2, для воды с рН 7 — 8 — 0,4 — 0,5 А/дм2, для воды с рН 4 — 6 — 0,6 — 0,8 А/дм2. При расчетах следует иметь в виду, что с уменьшением плотности тока увеличивается масса анодного комплекта, но одновременно увеличивается срок службы анодов до их смены.

Время непрерывной работы анодов (в часах) до их смены рассчитывается по формуле, похожей на формулу для расчета времени гальванического покрытия:

, (3. 3)

где — толщина анода, см (согласно [2, c. 267] рекомендуется 0,5−0,8 см, а по [3] - 0,3−0,6 см);

— плотность стальных анодов (7,8 г/см3);

ia — анодная плотность тока, А/см2;

q — электрохимический эквивалент железа, равный 1,042 г/(А ч).

Однако формула (3. 3) имеет следующие отличия от формулы для времени гальванического покрытия:

вводится коэффициент использования материала анодов k (0,8−0,9 [2, c. 268]), учитывающий, что анод не может сработаться до нулевой толщины;

в знаменателе множитель 2 учитывает, что анод растворяется с обеих сторон, что уменьшает время его работы;

выход по току принимается равным 1, так как и полезная реакция (2. 1), и побочные реакции на аноде приводят к израсходованию анода.

В том случае, если гальваническое производство и работающий «в связке» c ним ЭК работают не круглосуточно (а это обычно и имеет место), из расчетной величины t определяют время (сутки или недели) до замены анодов. Так, при двусменной работе, продолжительности смены 8 ч и 5-дневной рабочей неделе за неделю коагулятор работает 80 ч, и число недель N до смены анодов будет равно t/80.

При односменной работе число недель до смены анодов будет вдвое больше. Если при эксплуатации ЭК производят изменение полярности электродов (анод становится катодом и наоборот), время до смены анодов увеличится еще вдвое, но заменять придется и аноды, и катоды, т. е. расход металла на очистку кубометра сточных вод останется прежним. Менять полярность можно либо по определенному графику, ручным переключением, либо в автоматическом режиме при использовании реверсивных выпрямителей типов ТЕР, ТВР, с установкой равных параметров (ток, время) катодного и анодного периодов.

2. 2 Конструктивные расчеты электрокоагулятора

В электролизных прямоугольных ваннах параллельно друг другу расположены пластинчатые катоды и растворимые аноды. Эти аппараты бывают однокамерными (односекционными) и многокамерными (многосекционными). Такого рода ЭК наиболее широко применяются на практике и поэтому в дальнейшем будет рассматриваться методика расчета только таких аппаратов.

Материал электродов — низкоуглеродистая сталь Ст. 3, Ст. 4 и т. п. Начальное межэлектродное расстояние 6−8 мм [1, с. 433] (по [3] - 5−10 мм, по [2] - не менее 8−10 мм).

Рекомендуется блочная конструкция электродов (блок — набор стальных пластин, закрепленных на общей раме). Токоподводы к ним привариваются или припаиваются. Для предотвращения коротких замыкания в 2−3 местах по высоте электродов устанавливаются прокладки из диэлектрика (текстолит, винипласт). Анодный и катодный блоки электродных пластин вставлены в пазы гребенки из диэлектрика (рис. 3. 1). Согласно [3] масса одного электродного блока не должна превышать 50 кг.

1

/

Рис. 3.1. Упрощенная схема электрокоагулятора

1 — корпус; 2 — электроды; 3 — гребенка из диэлектрика

При конструктивном расчете ЭК выбираются размеры электродных пластин, рассчитываются их количество и габариты электролизной камеры.

Рекомендуются следующие размеры пластинчатых электродов: высота ha = 0,5−1,2 м [1] (0,6−1 м [3]); ширина ba = 0,2−0,8 м [1 (0,3−0,6 м [3]). Следовательно, площадь sa одного анода (с одной стороны) может варьироваться в пределах 0,1−0,96 м2 (рабочая поверхность — в 2 раза больше).

Аноды и катоды изготавливают из одного и того же материала. Поэтому блоки анодных и катодных пластин взаимозаменяемы, и число анодов na равно числу катодов. Общая рабочая поверхность анодов Sa будет равна

Sa = 2 sa(na - 1) + sa = sa(2na - 1) (3. 4)

(тыльная сторона одного из крайних анодов, ближняя к корпусу ЭК, не участвует в реакции).

Из (3. 4) следует, что

(3. 5)

Необходимая величина Sa определяется по уравнению (3. 2). Задавшись значением sa в пределах 0,1−0,96 м2, по (3. 3) определяют необходимое число анодов. Полученный результат округляют до целого числа либо корректируют принятые размеры электрода. Решение имеет смысл, если na не менее двух.

Поскольку величина sa может отличаться почти в 10 раз, конструктивный расчет дает несколько альтернативных вариантов. При выборе из них можно руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, количество электродных пластин одного знака не должно превышать 20−40 [1]. Во-вторых, масса одного блока электродов не должна превышать 50 кг. Она может быть рассчитана по уравнению:

МБЭ = na·sa· ·, (3. 6)

где — толщина анода; - плотность стали.

Если na > 40, а МБЭ > 50 кг, можно распределить поток СВ на несколько электродных камер в одном ЭК или на несколько ЭК. Можно также установить несколько электродных блоков в одной камере. После принятия решения по количеству анодов и их площади уточняются значения анодной плотности тока и времени работы анодов до их смены.

Проверка по уравнению (3. 6) требуется в том случае, когда электроды предварительно собираются в блок, который затем монтируется внутри ЭК. Однако существуют конструкции ЭК, в которых электроды монтируются индивидуально. В данном курсовом проекте базовой конструкцией ЭК является конструкция с индивидуальным монтажом электродных пластин. Поэтому следует вычислить массу одной электродной пластины. Поскольку пластины проще монтировать вручную, желательно, чтобы масса пластины не превышала 15 кг.

Длина электродной камеры ЭК (мм) определяется шириной электрода ba (мм) и равна

LЭК = ba + 2b', (3. 7)

где b' - зазор между торцем электрода и стенкой ЭК. Как видно из рис. 4. 5, этот зазор складывается из толщины верхней опоры, из толщины нижней части гребенки, в которой фиксируются электроды (см. рис. 4. 4) и из зазора (посадочного допуска) между торцем электрода и гребенкой. При принятых на рис. 4.5 размерах b' = 2 мм + 12 мм + 1 мм = 15 мм. Таким образом, длина электродной камеры на 30 мм больше ширины электрода.

Ширина электродной камеры ЭК определяется количеством электродов, их толщиной и межэлектродным зазором:

ВЭК = 2na ·д + la-k(2na - 1) + 2 b'', (3. 8)

где la-k — начальное межэлектродное расстояние (от 8 до 10 мм);

b'' - зазор между стенкой ЭК и крайним электродом (см. рис. 4. 6).

Зазор b'', как видно из рис. 4. 6, складывается из крайней части гребенки, которая надевается на штырь нижней опоры, и двух зазоров (посадочных допусков) — между краем гребенки и стенкой ЭК и между первым пазом гребенки и крайним электродом. При принятых на рис. 4.6 размерах b'' = 1 мм + 23 мм + 1 мм = 25 мм.

Для равномерного распределения СВ между электродами ЭК желательно, чтобы длина и ширина электродной камеры были примерно равны. Как этого достичь в расчетах, рассматривается в разделе 3.4.

Объем СВ в ЭК в начале работы (без учета зазоров b') равен

VСВ,ЭК = sa· la-k(2na - 1) (3. 9)

Время пребывания СВ в ЭК будет равно

(3. 10)

Согласно [1, 3], это время должно быть 25−35 с, а по [4] - 60−180 с. Если меньше рекомендуемых значений, в межэлектродном пространстве не успеет пройти реакция (2. 5); при чрезмерно высоких значениях шлам может накапливаться в электролизной камере. Величина тем выше, чем больше межэлектродное расстояние и меньше плотность тока.

2. 3 Расчет объема отсасываемого воздуха

При работе ЭК выделяется водород по реакции (2. 3). Электрохимический эквивалент водорода (в объемных единицах) равен 0,418 л / (А· ч). Если, например, ток на ЭК равен 1000 А, то за 1 час выделится 418 л, или почти полкубометра водорода. При содержании водорода (по объему) в воздухе от 4 до 74% образуется взрывоопасная смесь. Поэтому Э К должен быть снабжен надежной системой вытяжной вентиляции. Она обеспечивает разбавление выделяющегося водорода воздухом до концентрации существенно меньше нижнего предела взрываемости, а именно 0,4%.

Объем водорода (м3/ч), выделяющегося за 1 час, равен

VН = 0,418·10-3 I (3. 11)

Отсюда минимальный объем воздуха, который необходимо отсасывать от ЭК за 1 час, равен

V = 250 VH = 0,105 I (3. 12)

По рассчитанной производительности V подбирается вентилятор. Само же устройство местного отсоса от ЭК может быть различным (зонт над ЭК, бортовой отсос сбоку ЭК).

2. 4 Пример расчета электрокоагулятора

Внимание! В курсовом проекте следует приводить все используемые формулы с объяснением входящих в них символов. Кроме того, необходимо в числовых расчетах указывать размерности! В приведенном примере размерности указаны только для конечных результатов.

Расчет проведен для варианта 34 из табл. 5.1. Минимально необходимый ток для работы ЭК рассчитываем по уравнению (3. 1). Он равен

I = 3,09 · 33 · 2 / 0,6 = 340 A

В соответствии с табл. 3.1 выбираем к установке выпрямительный агрегат ТЕ1−400 / 24Т-ОУХЛ4, дающий номинальный постоянный ток 400 А и номинальное постоянное напряжение 24 В (или реверсивный выпрямительный агрегат ТЕР1−400 / 24Т-ОУХЛ4 с теми же характеристиками).

По уравнению (3. 2) рассчитываем суммарную рабочую поверхность анодов (приняв рабочую плотность тока 0,6 А/дм2):

Sa = 340 / 0,6 = 567 дм2 = 5,67 м2

Задаемся толщиной анода д = 4 мм и межэлектродным расстоянием la-k = 10 мм. Из конструктивных соображений примем, что высота анода примерно в 1,5 раза больше его ширины (ha ?1,5 ba). Тогда sa =1,5 b2, а ba = v (sa/1,5).

Задаемся различным числом анодов na и проводим вычисления sa по уравнению (3. 4), ширины анода ba, длины электродной камеры LЭК по уравнению (3. 7) и ширины электродной камеры ВЭК по уравнению (3. 8). Результаты вспомогательных расчетов сводим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 Результаты вспомогательных расчетов для выбора числа анодов

Число анодов na

sa, м2

ba, м

LЭК, мм

ВЭК, мм

LЭК / ВЭК

10

0,298

0,446? 0,45

480

320

1,5

12

0,247

0,406? 0,41

440

376

1,17

13

0,227

0,389? 0,39

420

404

1,04

14

0,21

0,374? 0,37

400

432

0,926

16

0,183

0,349? 0,35

380

488

0,779

Наиболее близкое совпадение длины и ширины электродной камеры достигается при числе анодов 13, которое и принимаем в дальнейших расчетах. При этом числе анодов длина электродной камеры будет равна 420 мм, а ширина камеры — 404 мм. Принимаем высоту анода равной 0,6 м. Уточненные значения sa, Sa и ia будут равны: sa = 0,39 . 0.6 = 0,234 м2; Sa = 0,234 . 25 = 5,85 м2; ia = 340 А / 585 дм2 = 0,58 А/дм2.

Задавшись коэффициентом срабатывания анодов, равным 0,8, определим по уравнению (3. 3) время непрерывной работы анодов до их замены:

t = 0,8 · 0,4 · 7,8 / (2 · 0,58 · 10-2 · 1,04) = 207 ч

При двусменной работе по 8 ч число полных рабочих дней до смены анодов составит 207 / 16 = 13.

По уравнению (3. 6) определим общую массу всех анодов:

М = 13· 0,234· 0,004 · 7800 = 94,9 кг

При блочном монтаже анодов эту массу можно распределить на два блока. При индивидуальном монтаже электродов масса одной пластины будет равна 89,9 / 13 = 7,3 кг, что вполне приемлемо.

Объем СВ в ЭК определим по уравнению (3. 9):

VСВ, ЭК = 0,234 · 0,01(2 · 13 — 1) = 0,0585 м3

Время пребывания СВ в ЭК будет равно 0,0585 м3 / 2 (м3 / ч) = 0,0292 ч = 105 с, что соответствует рекомендациям [4].

Объем отсасываемого воздуха рассчитываем по формуле (3. 12). Он должен быть не менее, чем V = 0,105 · 340 = 35,7 м3 / ч.

2. 5 Выпрямительные агрегаты

В табл. 3.2 приведены технические характеристики выпускаемых промышленностью выпрямительных агрегатов, которые могут быть использованы для энергопитания электрокоагуляционных установок.

Таблица 3.2 Типы и характеристики выпрямительных агрегатов [1]

Тип агрегата

Номинальный постоянный ток. А

Номинальное постоянное напряжение, В

ТЕ1−100/12Т-ОУХЛ4

ТЕР1−100/12Т-ОУХЛ4

100

12

ТЕ1−400/12Т-ОУХЛ4

ТЕР1−400/12Т-ОУХЛ4

400

12

ТЕ1−400/24Т-ОУХЛ4

ТЕР1−400/24Т-ОУХЛ4

400

24

ТВ1−800/12Т-ОУХЛ4

ТВР1−800/12Т-ОУХЛ4

800

12

ТВ1−800/24Т-ОУХЛ4

ТВР1−800/24Т-ОУХЛ4

800

24

ТВ1−1600/12Т-ОУХЛ4

ТВР1−1600/12Т-ОУХЛ4

1600

12

ТВ1−1600/24Т-ОУХЛ4

ТВР1−1600/24Т-ОУХЛ4

1600

24

ТВ1−3150/12Т-ОУХЛ4

ТВР1−3150/12Т-ОУХЛ4

3200

12

В обозначениях агрегатов первая буква Т означает тиристорный, буква В — водяное охлаждение, буква Е — естественное охлаждение, буква Р — реверсивный режим работы, вторая буква Т — трансформаторное подключение к сети, ОУХЛ — общеклиматические и умеренно холодные условия эксплуатации.

3. Указания к выполнению графической части курсового проекта

3.1 Общие сведения об устройстве электрокоагуляторов

Рассмотрим общие сведения о конструкциях ЭК [1, с. 431].

По способу подачи отрабатываемой жидкости в ЭК последние подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных аппаратах направление движения обрабатываемой жидкости совпадает с направлением осаждения примесей, в противоточных — направления движения обрабатываемой жидкости и осаждения примесей противоположны.

По конструктивному оформлению ЭК могут быть в виде электролизных прямоугольных ванн, а также емкостей цилиндрической, колонной, барабанной, конической, трубчатой и других форм с горизонтально, вертикально или наклонно расположенными электродами. Электроды могут быть пластинчатые, цилиндрические, кольцевые, стержневые, призменные, гофрированные, перфорированные, стружечные, гранулированные. Выбор типа электродов зависит от конструкции аппаратов, вида содержащихся в воде загрязнений, условий и характера хлопьеобразования, гидродинамической структуры потоков и других факторов.

В электролизных прямоугольных ваннах параллельно друг другу расположены пластинчатые катоды и растворимые аноды. Эти аппараты бывают однокамерными (односекционными) и многокамерными (многосекционными). Такого рода ЭК наиболее широко применяются на практике.

Корпус аппарата изготавливается из кислотостойкого материала, например, полипропилена, либо стальной футерованный. Однако существуют и конструкции с нефутерованными корпусами (см. раздел 4. 2). ЭК оборудуются вытяжным вентиляционным устройством для удаления водорода. У дна ЭК рекомендуется уклон (до 50).

Движение потока СВ в ЭК осуществляется вдоль поверхности электродных пластин в вертикальном направлении (снизу вверх или сверху вниз) либо в горизонтальном направлении. Для равномерности подвода и отвода воды в [3] рекомендуются приемные и сборные камеры. Приемные камеры рекомендуется отделять от рабочего пространства ЭК дырчатыми перегородками с соотношением площади отверстий в них к общей площади перегородок не менее 0,3.

Материал электродов — низкоуглеродистая сталь Ст. 3, Ст. 4 и т. п. Начальное межэлектродное расстояние 6−8 мм [1, с. 433] (по [3] - 5−10 мм, по [2] - не менее 8−10 мм).

Рекомендуется блочная конструкция электродов (блок — набор стальных пластин, закрепленных на общей раме). Токоподводы к ним привариваются или припаиваются. Для предотвращения коротких замыканий в 2−3 местах по высоте электродов устанавливаются прокладки из диэлектрика (текстолит, винипласт). Анодный и катодный блоки электродных пластин вставлены в пазы гребенки из диэлектрика (рис. 3. 1). Согласно [3] масса одного электродного блока не должна превышать 50 кг.

Электродные шины (по [3]) — медные, латунные или алюминиевые прутки или полосы, закрепленные на изоляторе на корпусе ЭК. Их сечение рассчитывается по максимальному току. Однако при использовании шин из указанных материалов затруднена приварка к ним электродных пластин, поэтому широко используются и стальные шины.

3.2 Описание базовой конструкции электрокоагулятора

На рис. 4.1 представлен эскиз одного из вариантов ЭК в сборе. Данная конструкция успешно эксплуатируется на заводе «Маяк» (г. Киров), хотя не вполне соответствует рекомендациям [3]. Основу Э К представляет корпус 1 из нержавеющей стали Х18Н10Т. Эта сталь пассивна в хромсодержащих стоках, поэтому утечки тока на корпус практически отсутствуют, хотя корпус и не футерован. Однако электроды обязательно должны быть изолированы от корпуса.

1

/

Рис. 4.1. Эскиз электрокоагулятора в сборе. 1 — корпус; 2 — электродные пластины; 3 — ввод СВ; 4 — выпуск очищенной воды; 5 — слив; 6 — труба для промывки ЭК; 7 — алюминиевые токоподводящие полосы; 8 — стойки

СВ подается в ЭК снизу через приваренный ввод 3 в расширяющуюся донную часть корпуса и распределяется между электродными пластинами 2. На виде справа пластины показаны упрощенно. Очищенная от хрома (VI) СВ вместе с хлопьями шлама выходит через выпуск 4. Часть шлама однако скапливается в нижней части корпуса и периодически удаляется из него через слив 5; при этом осадок смывается с помощью трубы 6. Ввод, выпуск, слив и труба также изготовлены из стали Х18Н10Т.

Корпус закреплен на четырех стойках 8, изготовленных из уголка 50×50×4 из стали Ст. 3. Высота стоек около 1200−1300 мм.

Электроды каждого знака монтируются с помощью болтов на соответствующей алюминиевой полосе 7. Для фиксации электродов и предотвращения коротких замыканий между электродами и корпусом, а также между электродами разного знака, имеются 4 гребенки с пазами из диэлектрика (полиамид, винипласт, текстолит и т. п.). Две нижних гребенки смонтированы так, что пазы располагаются горизонтально; в верхних гребенках пазы расположены вертикально. На рис. 4.1 гребенки не показаны, их монтаж будет описан позднее.

1

/

Рис. 4.2. Эскиз корпуса ЭК: 1 — стенки; 2 — боковины; 3,4,4,6 — борта; 7 — перегородка; 8 — днище; 9 — нижние опоры; 10 — верхние опоры

Рассмотрим устройство корпуса (рис. 4. 2). Как говорилось выше, он изготовлен из стали Х18Н10Т. Толщина стенок — 3−4 мм. Конструкция сварная. Предварительно изготавливают две стенки (поз. 1), две боковины (поз. 2), четыре борта (поз. 3,4,5,6), перегородку (поз. 7) и днище (поз. 8). Высота перегородки 100 мм; она на 50 мм не доходит до верха корпуса. Днище имеет квадратную форму со стороной около 120 мм. Внутри корпуса приварены две нижних опоры (поз. 9) и две верхних опоры (поз. 10) для монтажа гребенок. Нижние опоры имеют вид скошенного уголка шириной 30 мм, к которому приварены вертикально два штыря диаметром 8 мм и высотой 13 мм для посадки гребенок из диэлектрика. Верхние опоры имеют вид швеллера; к ним также приварены, но уже горизонтально, штыри для посадки гребенок. Высота швеллера 35 мм, ширина — 10 мм. Расстояние между осями штырей на опорах 9 и 10 равно расстоянию между осями соответствующих углублений гребенки (рис. 4. 4).

Эскиз электродной пластины (Ст. 3, толщина 3−4 мм) с приваренным токоподводом представлен на рис. 4.3. Габариты электрода (ba, ha) определяются расчетом (см. раздел 3). В верхней части сделан скос во избежание случайных коротких замыканий с токоподводами электродов противоположного знака.

1

/

Рис. 4.3. Эскиз электродной пластины с токоподводом.

Размеры приведены ориентировочные. * - высота токоподвода должна быть такой, чтобы алюминиевая полоса и болты, соединяющие ее с токоподводом, не были погружены в электролит

Число пазов на гребенке (рис. 4. 4) определяется общим числом электродов (катодов и анодов). Ширина паза на 2 мм больше толщины электродной пластины. Расстояние между осями соседних электродных пластин равно сумме толщины электрода д и начального межэлектродного расстояния la-k.

При выполнении чертежа ЭК студент должен в качестве основного чертежа представить чертеж корпуса ЭК (три проекции) с указанием необходимых размеров.

В качестве деталировочных чертежей выполняются:

чертеж электродной пластины с токоподводом (с размерами);

чертеж гребенки (с размерами).

Преподаватель дает необходимые консультации в процессе выполнения графической части проекта.

1

/

Рис. 4.4. Эскиз гребенки из диэлектрика. Ширина паза П на 2 мм больше толщины анода. Ширина выступа В на 2 мм меньше начального межэлектродного расстояния. Диаметр посадочных углублений 10 мм, высота цилиндрической части углублений 20 мм. Габаритная длина гребенки зависит от принятого в расчете числа электродов и может быть рассчитана по уравнению LГР = 2 na( + 2) + (2 na — 1) (la-k — 2) + 2. 23.

1

/

Рис. 4.5. Сопряжение верхней опоры (поз. 10 из рис. 4. 2), гребенки из диэлектрика и электродной пластины. 1 — стенка ЭК; 2 — верхняя опора со средним посадочным штырем длиной 13 мм и диаметром 8 мм; 3 — гребенка из диэлектрика; 4 — электродная пластина.

1

/

Рис. 4.6. Схема, поясняющая взаимное расположение боковой стенки ЭК (поз. 1), гребенки (поз. 2), нижней опоры (поз. 3) и электродных пластин (поз. 4). Электродные пластины располагаются попеременно. Если левая пластина на схеме — анод, то правая пластина — катод (и наоборот). Нижняя пластина имеет два штыря диаметром 8 мм и высотой 13 мм (на схеме не показаны) для посадки гребенок из диэлектрика.

4. Задания и исходные данные к расчету

№ варианта

vсв — поток СВ, м3

CCr — концентрация Cr (VI), мг/л

рН СВ

№ варианта

vсв — поток СВ, м3

CCr — концентрация Cr (VI), мг/л

рН СВ

1

4

30

6

18

5

35

5

2

6

40

7

19

7

45

6

3

8

30

6

20

9

35

5

4

10

40

7

21

11

45

6

5

12

30

6

22

13

35

5

6

14

40

7

23

15

45

6

7

16

30

6

24

17

35

5

8

18

40

7

25

19

45

6

9

20

30

6

26

20

25

5

10

16

50

7

27

17

45

6

11

12

50

6

28

13

45

5

12

8

50

7

29

9

45

6

13

4

50

6

30

5

45

5

14

6

30

7

31

7

35

6

15

8

40

6

32

9

45

5

16

10

30

7

33

11

35

6

17

12

20

6

34

2

33

6

Рекомендуемая последовательность действий студента:

ознакомиться с содержанием методических указаний и понять базовую конструкцию ЭК, рекомендуемую в методических указаниях;

выполнить расчеты в соответствии с номером варианта; после этих расчетов может возникнуть проблема выбора размеров электродной пластины, количества пластин и количества аппаратов;

обсудить с преподавателем неясные вопросы по расчетной части, согласовать размеры электродной пластины, количество электродов и количество аппаратов;

ознакомиться с образцом чертежа (у преподавателя);

получить консультацию по выполнению графической части;

выполнять оформление записки и чертеж.

Литература

Гибкие автоматизированные гальванические линии: Справочник / В. Л. Зубченко, В. И. Захаров, В. М. Рогов и др.; Под ред. В. Л. Зубченко. — М.: Машиностроение, 1989.- 672 с.

Яковлев С.В., Краснобородько И. Г., Рогов В. М. Технология электрохимической очистки воды. — Л.: Стройиздат, 1987. — 312 с.

Проектирование сооружений для очистки сточных вод. — М.: Стройиздат, 1990.- 192 с. (Справочное пособие к СниП 2. 04. 03−85 «Канализация. Наружные сети и сооружения»).

Виноградов С. С. Экологически безопасное гальваническое производство / Под ред. В. Н. Кудрявцева. — М.: Произв. -изд. предприятие «Глобус», 1998.- 302 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой