5.7. Технологический расчет электролизеров

Технологический расчет электроаппаратов сводится к определению основных геометрических размеров рабочих камер и всей установки в целом, а также к определению всех эксплуатационных характеристик процесса: общего напряжения и силы тока на отдельных электродных блоках с целью подбора типа выпрямительных устройств; расхода потребляемой электроэнергии; продолжительности эксплуатации растворимых электродных материалов до полной их замены; объема образующихся осадков и флотошлама; необходимой степени вентиляции производственного помещения; количества выделяемой при электролизе теплоты для оценки теплового баланса процесса очистки воды.

Электрокоагуляторы для обработки циансодержащих сточных вод (по СНиП 02.04.03-85).

Для обработки циансодержащих сточных вод применяют электролизеры с анодами, не подвергающимися электролитическому растворению (графит, титан с металлооксидным покрытием и др.) в виде пластин или стержней, и стальными катодами в виде пластин толщиной 1-2 мм. Электролизеры применяют при расходе сточных вод до 10 м³/ч и исходной концентрации цианидов не менее 100 мг/л. Корпус электролизера должен быть защищен изнутри материалами, стойкими к воздействию хлора и его кислородных соединений, оборудован вентиляционным устройством для удаления выделяющегося газообразного водорода.

Значение рабочего тока I_cur , А, при работе электролизеров непрерывного и периодического действия определяют по формуле

или , (5.30)

где C_cn – исходная концентрация цианидов в сточных водах, г/м³; W_el – объем сточных вод в электролизере, м³; η_cur – выход по току, принимаемый равным 0,6-0,8; t_el – время пребывания сточных вод в электролизере, ч; 2,06 – коэффициент удельного расхода электричества, А·ч/г; q_w – расход сточных вод, м³/ч.

Общую поверхность анодов f_a, м², определяют по формуле

, (5.31)

где i_а – анодная плотность тока, принимаемая равной 100-150 А/м².

Общее число анодов N_а определяют по формуле

(5.32)

где – поверхность одного анода, м².

Электрофлотация. Способ электрофлотационной очистки основан на переносе загрязняющих частиц из объема жидкости на ее поверхность пузырьками газов, образующихся при электролизе сточных вод. Устройства, в которых производят этот процесс, называют электрофлотаторами. Образование газов происходит на катоде с восстановлением водородного иона:

в кислых растворах:

1. Н₃О⁺ +е^- → Н_адс + Н₂О. (5.33)

2. Н_адс + Н_адс → Н₂ . (5.34)

в щелочных растворах:

1. Н₂О⁺ +e^- → Н_адс + ОН^-. (5.35)

2. Н_адс + Н_адс → Н₂ ; (5.36)

Электрохимическое выделение кислорода является неотъемлемой частью процесса разложения воды и протекает следующим образом:

4ОН^- О₂ + Н₂О + 4e^- (в щелочной среде); (5.37)

2Н₂О О₂ + 4Н⁺ + 4e^- (в кислой среде). (5.38)

Как следует из уравнений (5.33 – 5.38), на катоде выделяется водород, а на аноде основные флотационные процессы протекают с участием кислорода. Методами электрофлотации очищают сточные воды нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозо-бумажных комбинатов и других предприятий.

Обычно в установках для электрофлотации используют растворимые электроды (железные или алюминиевые). При их растворении протекают реакции:

Fe – 2e^- → Fe²⁺, ^o = -0,44 B; (5.39)

Al – 3e^- → Al³⁺, ^o = -1,66 B; (5.40)

Fe + 2OH^- – 2e^- → Fe(OH)₂ , ^o = -0,877 B; (5.41)

Al + 3OH^- – 3e^- → Al(OH)₃ , ^o = -2,31 B; (5.42)

Fe(OH)₂ + OH^- – e^- → Fe(OH)₃ , ^o = -0,56 B. (5.43)

В результате этого в воду переходят катионы железа или алюминия (в виде гидроксидов). Эти электрофлотационные процессы очистки наиболее эффективны при очистке сточных вод, что обеспечивается одновременным воздействием на загрязнения коагулянтов (гидроксидов железа или алюминия) и пузырьков газа. Такие установки называют электрокоагуляционно-флотационными.

Существуют однокамерные и двухкамерные электрофлотационные установки вертикального и горизонтального типа (рис. 5.13). При пропускной способности до 10-15 м³/ч используют однокамерные установки.

Приведем методику расчета установок для электрофлотации или электрофлотокоагуляции (по С.В. Яковлеву).

Вначале определяют общую вместимость установки W_у , м³, вместимость электродного отделения W_э и камеры флотации W_э.к., м³.

Следовательно,

W_у = W_э + W_э.к . (5.44)

Вместимость электродного отделения зависит от размеров электродной системы. Если рассчитывается горизонтальная установка (рис. 5.13), то ширина секции принимается в зависимости от производительности Q: если Q  90 м³/ч, то В = 2 м, если Q = = 90…180 м³/ч, то В = 2,5…3 м.

Рис. 5.13. Горизонтальный электрофлотатор:

1 – впускная камера; 2 – решетка-успокоитель; 3 – электродная система; 4 – отвод обработанной сточной воды; 5 – механизм сгребания пены; 6 – пеносборник; 7 – отвод пенного шлама; 8 – трубопровод опорожнения электрофлотатора и выпуск осадка

Число электродов, размещаемых в установке:

n_э = (А – 2а₁ + а₂)/( + а₂), (5.45)

где а₁ – размер зазора между крайними пластинами и стенками камеры, 100 мм; а₂ – размер зазора между пластинками, 15-20 мм;  – толщина пластин, 6-10 мм.

Тогда необходимая площадь пластин электродов f_э , м², определяется по формуле

f_э = f_а.э /(п_э – 1), (5.46)

где f_а.э – активная поверхность электродов, м², определяемая по следующему выражению:

f_а.э = EQ/i, (5.47)

где Е – удельное количество электричества, А·ч/м³; Q - расчетный расход сточных вод, м³/ч; i – плотность тока на электродах, А/м².

Параметры Е и i определяют экспериментальным путем. Обычно их значения лежат в следующих пределах: Е = = 100…600 А·ч/м³; i = 50…200 А/м², напряжение постоянного тока 5…30 В. Высота пластин h_э обычно составляет 1…15 м. Длину пластин находят по следующему выражению:

l_э = f_э /h_э , (5.48)

а длину электродной камеры L_э.к , м, по формуле

L_э.к = l_э + 2а₁ . (5.49)

Объем электродной камеры W_э , м³, находят по выражению

W_э = АН_э.к L_э.к . (5.50)

В этом выражении Н_э.к – это рабочая высота электродной камеры, м:

Н_э.к = h₁ + h₂ + h₃ , (5.51)

где h₁ – высота осветленного слоя, равная 1…1,5 м; h₂ – высота защитного слоя, равная 0,3…0,5 м; h₃ – высота слоя шлама, равная 0,4…0,5 м.

Объем флотационной камеры составляет

W_ф = Qt_ф , (5.52)

где t_ф – продолжительность флотации, определяемая экспериментально (лежит в пределах 0,3…0,75 ч).

Длину L_ф и высоту Н_ф флотационной камеры рассчитывают исходя из ее объема W_ф и ширины А_ф .

Количество металла электродов, переходящее в раствор, рассчитывают по формуле

m_э = k_тЭЕ, (5.53)

где m_э – количество металла, переходящего в 1 м³ раствора, г; k_т – коэффициент выхода по току, равный 0,5…0,95 (определяется экспериментально); Э – электрохимический эквивалент, г/А·ч, равный для Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ соответственно 1,042, 0,695 и 0,336.

Срок службы электродной системы Т, сут:

Т = М · 1000/m_э Q_сут , (5.54)

где Q_сут – суточный расход сточных вод, м³/сут; М – количество металла электродов, которое растворяется при электролизе, кг, и вычисляется по формуле

М = γk_э f_э δп_э , (5.55)

где γ – плотность металла электродов, кг/м³; k_э – коэффициент использования материала электродов, равный 0,8…0,9.

При эксплуатации электрофлотационных установок следует учитывать существенное количество водорода и кислорода, выделяющегося при протекании процесса, и принимать соответствующие меры безопасности.

Электрокоагуляторы с алюминиевыми электродами (по СНиП 2.04.03-85).

Электрокоагуляторы с алюминиевыми пластинчатыми электродами применяют для очистки концентрированных маслосодержащих сточных вод (отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей), образующихся при обработке металлов резанием и давлением, с концентрацией масел не более 10 г/л.

При обработке сточных вод с более высоким содержанием масел проводят предварительное разбавление предпочтительно кислыми сточными водами. Остаточная концентрация масел в очищенных сточных водах должна быть не более 25 мг/л.

Предварительное подкисление сточных вод производят соляной (предпочтительно) или серной кислотой до значения рН 4,5-5,5.

В качестве электродного материала применяют алюминий или его сплавы, за исключением сплавов, содержащих медь.

Пластинчатые электроды собирают в виде блока. Электрокоагулятор снабжают водораспределительным устройством, приспособлением для удаления пенного продукта, устройствами для выпуска очищенной воды и шлама, прибором для контроля уровня воды, устройством для реверсирования тока.

Примечание. Электрокоагулятор снабжают устройством для реверсирования тока лишь в случае его отсутствия в источнике постоянного тока.

При проектировании электрокоагуляторов определяют:

площадь электродов f_e, м²:

, (5.56)

где q_w – производительность аппарата, м³/ч; q_cur – удельный расход электричества, А·ч/м³, принимают по табл. 5.1; i_an – электродная плотность тока, А/м²; i_an = 80-120 А/м²;

токовую нагрузку I_cur, А:

I_cur = q_w·q_cur; (5.57)

длину ребра электродного блока l_b, м:

, (5.58)

где δ – толщина электродных пластин, мм; δ = 4-8 мм; b – размер межэлектродного пространства, мм; b = 10-20 мм.

Удельный расход алюминия на очистку сточной воды q_Al , г/м³, принимают по табл. 5.3.

Таблица 5.3

Удельный расход алюминия на очистку сточной воды q_Al

Технологичес-кий параметр	При концентрации масел, × 100 г/м3
	20	25	30	35	40	45	50	55	60	80	100
qcur , A·ч/м3 qAl , г/м3 qH , л/м3	180 60 85	225 75 95	270 92 113	315 106 132	360 121 151	405 136 170	430 151 184	495 166 208	540 182 227	720 242 303	860 302 368

После электрохимической обработки сточные воды отстаивают не менее 60 мин.

Расчет производительности вытяжной вентиляционной системы производят исходя из количества выделяющегося водорода, при этом производительность вентилятора q_fan , м³/ч, определяют по формуле

q_fan = (40 – 50)W_e q_H, (5.59)

где q_H – удельный объем выделяющегося водорода, л/м³, принимают по табл. 5.3.

Электрокоагуляторы со стальными электродами (по СНиП 2.04.03-85).

Электрокоагуляторы со стальными электродами применяют для очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности от шестивалентного хрома и других металлов при расходе сточных вод не более 50 м³/ч, концентрации шестивалентного хрома до 100 мг/л, исходном общем содержании ионов цветных металлов (цинка, меди, никеля, кадмия, трехвалентного хрома) до 100 мг/л, при концентрации каждого из ионов металлов до 30 мг/л, минимальном общем солесодержании сточной воды 300 мг/л, концентрации взвешенных веществ до 50 мг/л.

Значение рН сточных вод должно составлять при наличии в сточных водах одновременно

шестивалентного хрома, ионов меди и цинка при концентрации хрома, мг/л:

50…100 – 4…6;

20…50 – 5…6;

менее 20 – 6…7;

шестивалентного хрома, никеля и кадмия при концентрации хрома, мг/л:

свыше 50 – 5…6;

менее 50 – 6…7;

при отсутствии шестивалентного хрома, ионов меди, цинка и кадмия – свыше 4,5;

при отсутствии шестивалентного хрома, ионов никеля – свыше 7.

Корпус электрокоагулятора должен быть защищен изнутри кислотостойкой изоляцией и оборудован вентиляционным устройством.

При проектировании электрокоагуляторов принимают:

анодную плотность тока – 150…250 А/м²;

время пребывания сточных вод в электрокоагуляторе – до 3 мин;

расстояние между соседними электродами – 5…10 мм;

толщина электродов – 3…6 мм;

размеры электродных пластин: длина 0,6…1,0 м, ширина 0,3…0,6 м;

скорость движения сточных вод в межэлектродном пространстве – не менее 0,03 м/с;

удельный расход:

электричества для удаления из сточных вод 1 г Cr⁶⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺ при наличии в сточных водах только одного компонента – соответственно 3,1; 2-2,5; 4,5-5; 6-6,5 и 3-3,5 А·ч;

металлического железа для удаления из сточных вод 1 г шестивалентного хрома – 2-2,5 г;

металлического железа для удаления 1 г никеля, цинка, меди, кадмия – соответственно 5,5-6; 2,5-3; 3-3,5 и 4-4,5 г.

Целесообразно использование электродов (анодов и катодов) в виде блоков.

При наличии в сточных водах одного компонента значение тока I_cur, А, определяют по формуле

I_cur = q_w C_en q_cur , (5.60)

где q_w – производительность аппарата, м³/ч; C_en – исходная концентрация удаляемого компонента в сточных водах, г/м³; q_cur – удельный расход электричества, необходимого для удаления из сточных вод 1 г иона металла, А·ч/г.

При наличии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома значение тока определяют по формуле (5.36), причем в формулу подставляяют значения C_en и q_cur для шестивалентного хрома. При суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома значение тока, определяемое по формуле (5.36), увеличивают в 1,2 раза, а значения C_en и q_cur относят к одному из компонентов сточных вод, для которого произведение этих значений является наибольшим.

Общую поверхность анодов f_pl, м², определяют по формуле

(5.61)

где i_an – анодная плотность тока, А/м².

При суммарной концентрации шестивалентного хрома и ионов тяжелых металлов в сточных водах до 80 мг/л в интервалах 80-100, 100-150 и 150-200 мг/л анодную плотность тока принимают соответственно 150, 200, 250 и 300 А/м².

Поверхность одного электрода , м², определяют по формуле

, (5.62)

где b_pl – ширина электродной пластины, м; h_pl – рабочая высота электродной пластины (высота части электродной пластины, погруженной в жидкость), м.

Общее необходимое число электродных пластин N_pl определяют по формуле

(5.63)

Общее число электродных пластин в одном электродном блоке должно быть не более 30. При большем расчетном числе пластин необходимо предусмотреть несколько электродных блоков.

Рабочий объем электрокоагулятора W_ek, м³, определяют по формуле

W_ek = f_pl b, (5.64)

где b – расстояние между соседними электродами, м.

Время обработки сточных вод (время пребывания сточных вод в межэлектродном пространстве электрокоагулятора) составляет

t = W_ek /q_w , (5.65)

где q_w – производительность аппарата, м³/ч.

Ширина одного электродного блока при толщине одной электродной пластины 5 мм составит

B = N_эδ + b (N_э – 1), (5.66)

где N_э – число стальных пластин в одном блоке; δ – толщина электродных пластин, мм; b – размер межэлектродного пространства, мм.

Расход металлического железа для обработки сточных вод Q_Fe кг/сут, при наличии в них только одного компонента определяют по формуле

, (5.67)

где q_Fe – удельный расход металлического железа, г, для удаления 1 г одного из компонентов сточных вод; K_ek – коэффициент использования материала электродов, в зависимости от толщины электродных пластин, принимаемой равной 0,6-0,8; Q_w – расход сточных вод, м³/сут.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа для обработки сточных вод определяют по формуле (5.67), в которую подставляются значения q_Fe и C_en для шестивалентного хрома.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа определяют по формуле (5.67) с коэффициентом 1,2, а q_Fe и C_en относят к одному из компонентов сточных вод, для которого произведение этих значений является наибольшим.