5.8. Примеры расчетов

Пример 5.1. Расчет электролизера для очистки циансодержащих сточных вод.

Исходные данные для расчета: производительность электролизера 2,5 м³/ч; исходная концентрация цианидов в очищаемой воде 200 мг/л; время электрохимической обработки сточных вод 0,5 ч.

Расчет. Необходимое значение тока в электрической цепи электролизера, A:

.

Принимается к установке один выпрямитель переменного электрического тока, вырабатывающий постоянный электрический ток 1600 А. Объем сточных вод в электролизере составляет, м³:

W_el = q_wt_el = 2,5·0,5 = 1,25.

Общая площадь поверхности анодов, м²:

.

При использовании в качестве анодов плит из графитированного угля размером 1000×180×50 мм общая поверхность одной плиты составляет, м²:

= 2 · 0,18 · 1 = 0,36.

Общее количество плит (анодов) из графитированного угля, помещаемых в один электролизер, шт.:

N_an = f_an / = 10/0,36 = 28.

Общая поверхность катодов равна общей поверхности анодов. Размеры электролизера выбираются исходя из объема находящихся в нем сточных вод с учетом общего объема погруженных в воду электродов.

Пример 5.2. Рассчитать электрофлотационную установку для очистки сточных вод мясокомбината при следующих исходных данных: расход сточных вод Q = 110 м³/ч; в качестве электродов используют алюминиевые пластины.

Решение. Принимаем горизонтальный электрофлотатор, состоящий из двух флотационных камер (на рис. 5.13 схематично показана одна камера). Число электродов, располагаемых в каждой камере:

n_э = (A – 2a + c)/(δ + с) = (2000 – 2 ∙ 100 + 20)/(8 + 20) = 65,

где А – ширина флотационной камеры (А = 2м при Q < 90 м³/ч, А = 2,5…3 м при Q = 90…180 м³/ч); а = 100 мм – ширина зазора между крайними пластинами и стенками камеры; с – размер зазора между пластинами (15-20 мм); δ – толщина пластин (6-10 мм).

Необходимая площадь пластин электродов, м², определяется по формуле

f_э = f_а.э /(n_э – 1),

где f_а.э – площадь активной поверхности электродов, м²: f_а.э = = EQ^’/i (здесь Е – удельное количество электричества, А ∙ ч/м³; Q^’ – расчетный расход сточных вод на каждую камеру, м³/ч; i – плотность тока на электродах, А/м²).

Значения Е и i определяются экспериментально в зависимости от состава сточных вод (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Параметры E и i

Сточные воды	Е, А · ч/м3	i, А/м2
Кожевенных заводов при дублении: хромовом смешанном Меховых фабрик Мясокомбинатов Фабрик искусственных кож	300-500 300-600 100-300 100-270 15-20	50-100 50-100 50-100 100-200 40-80

Затем, вычислив площадь активной поверхности электродов, м², f_а.э = 200 ∙ 55/150 = 73,3, находим необходимую площадь пластин электродов, м²:

f_э = 73,3/(65 – 1) = 1,15.

Назначив высоту пластин h_э = 1,15 м (обычно 1…1,5 м), определим их длину, м:

l_э = f_э/h_э = 1,15/1,15 = 1.

Длина электродной камеры, м:

l_э.к = l_э + 2а = 1 + 2 ∙ 0,1 = 1,2.

Объем электродной камеры, м³, находим по выражению

V_э.к = AH_э.к ∙ l_э.к,

где H_э.к – рабочая высота электродной камеры, м: Н_э.к = h₁ + h₂ + + h₃ = 1,15 + 0,4 + 0,45 = 2 (здесь h₁ = 1…1,5 м – высота осветленного слоя; h₂ = 0,3…0,5 м – высота защитного слоя; h₃ = = 0,4…0,5 м – слой шлама).

Следовательно, объем электродной камеры, м³:

V_э.к = 2 ∙ 2 ∙ 1,2 = 4,8.

Далее подсчитаем объем флотационной камеры, м³:

V_ф = Q^’ · t_ф = 55 ∙ 0,5 = 27,5,

где t_ф – продолжительность флотации, принимаемой 0,3-0,75 ч.

Длина флотационной камеры, м:

l_ф = V_ф/(AH_э.к) = 27,5/(2 ∙ 2) = 6,9.

Общий объем электрофлотационной установки, м³:

V_у = 2(V_э.к + V_ф) = 2(4,8 + 27,5) = 64,6.

Далее определяем количество материала электродов m, переходящего в 1 м³ раствора, г/м³, по формуле

m = k₁ЭЕ,

где k₁ = 0,5…0,95 – коэффициент выхода по току; Э – электрохимический эквивалент, г/(А ∙ ч) (для Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ – соответственно 1,042; 0,695 и 0,336).

Количество материала для алюминиевых электродов, г/м³:

m = 0,6 ∙ 0,336 ∙ 200 = 40,3.

Срок службы электродной системы в сутках вычисляется по выражению

T = M ∙ 1000/(mQ ∙ 24),

где М – масса металла электродов, которая растворяется при электролизе, кг; M = ρk₂ f_э δn_э . Здесь ρ – плотность металла электродов, кг/м³; k₂ – коэффициент использования материала электродов (0,8…0,9)].

Определим массу металла, кг: 2700 ∙ 0,85/1,15/0,008/130 = = 2745.

Срок службы электродной системы, сут:

Т = (2745 ∙ 1000)/(40,3 ∙ 110 ∙ 24) = 25,8.

Пример 5.3. Расчет электрокоагулятора периодического действия.

Исходные данные для расчета: производительность аппарата q_w = 1,8 м³/ч; исходное содержание масел C_en = 6000 г/м³; удельный расход электричества на обработку сточных вод q_cur = = 540 А·ч/м³; толщина электродных пластин δ = 0,006 м; межэлектродное расстояние b = 0,02 м; анодная плотность тока f_a = = 120 А/м².

Расчет. Примем продолжительность цикла очистки t_ek равной 0,5 ч (продолжительность электрокоагуляционной обработки t₁ = 0,25 ч; продолжительность налива жидкости в аппарат и ее слива t₂ = 0,25 ч). Объем жидкости в электрокоагуляторе W_ek = = q_wt_ek = 1,8·0,5 = 0,9 м³.

Общее количество электричества, необходимое для обработки такого объема жидкости, составит, А·ч: Q_cur = W_ekq_cur = = 0,9·540 = 486, значение тока в электрической цепи, А: I_cur = = Q_cur/t₁ = 486/0,25 = 1944; площадь рабочей поверхности анодов, м²: f_a = I/i_a = 1944/120 = 16,2. Отсюда общий объем электродов при их толщине 6 мм составит, м³: V_ek = f_anδ = 16,2·0,006 = 0,097, а их масса, т: M_ek = V_ekρ_Al = 0,097·2,7 = 0,262 (ρ_Al – плотность алюминия, т/м³).

В связи с тем, что масса одного электродного блока не должна превышать 50 кг, принимаем число блоков, равное 6.

Общий объем жидкости в межэлектродном пространстве всех электродных блоков составит, м³: V_ж = f_a b = 16,2·0,02 = 0,324, а объем одного электродного блока, м³: W_δ = (V_ek + V_ж)/6 = (0,097 + + 0,324)/6 = 0,07.

Условно, приняв форму блока кубической, длина его ребра составит, м:

.

Число электродов в одном электродном блоке составит n = = l_δ/(δ + b) = 0,41/0,026 = 16, т.е. блок будет состоять из 8 анодов и 8 катодов.

Таким образом, с учетом установочных зазоров (l_з = 0,07 м; l_δ = 0,41) общая длина электрокоагулятора составит, м: L_э = 6l_δ + + 7l_з = (6·0,41 + 7·0,07) = 2,95. Ширина электрокоагулятора, м:

B_э = l_δ + 2l_з = 0,41 + 2·0,07 = 0,55.

На высоте верхней кромки электродов L₁ = l_δ + l_з объем жидкости в электрокоагуляторе, м³:

V_эк = L_эВ_э(l_δ + l_з) – V_ek = 2,95·0,55(0,41 + 0,07) – 0,097 = 0,681.

Высота слоя жидкости над электродами, м:

h₂ = (W_ek – V_эк)/L_эВ_э = (0,900 – 0,681)/2,95·0,55 = 0,13.

Общая высота слоя жидкости в электрокоагуляторе составляет, м:

h_э = h₁ + h₂ = 0,48 + 0,13 = 0,61.

С учетом необходимости размещения пеносгонного устройства полная высота аппарата Н_э составит 0,8 м.

Общие габариты электрокоагулятора L×B_э×Н_э , м: 2,95×0,55×0,8.

Пример 5.4. Расчет электрокоагулятора непрерывного действия.

Исходные данные для расчета: производительность аппарата q_w = 1,8 м³/ч; исходное содержание масел C_en = 2500 г/м³; удельный расход электричества на очистку сточной воды q_cur = = 270 А·ч/м³; начальная толщина электродных пластин δ = = 0,006 м; межэлектродное расстояние b = 0,02 м; анодная (катодная) плотность тока i_a = 120 А/м².

Расчет. Общий расход электричества на обработку 1,8 м³ сточной воды составит, A·ч:

Q_cur = q_curq = 1,8·270 = 486,

а токовая нагрузка на электрокоагулятор I = Q_cur/t = 486 A. Поверхность анодов (катодов), м²:

f_a = f_k = I/i_a = 486/120 = 4,05.

Объем жидкости в межэлектродном пространстве, м³: V_ж = = f_a b = 4,05·0,02 = 0,081, а общий объем электродов, м³: V_ek = = f_a b = 4,05·0,006 = 0,024. Общий объем электродного блока составит, м³: W_δ = V_ж + V_ek = 0,081 + 0,024 = 0,105, а масса такого блока, т:

М_δ = V_ekρ_Al = 0,024·2,7 = 0,065.

В связи с тем, что масса электродного блока не должна превышать 50 кг, принимаем число блоков равным 2. Условно принимая форму блока кубической, получим, что длина его ребра, м:

.

Число электродов в блоке составит n = l_δ/(δ + b) = 0,37/(0,006 + + 0,015) = 18.

В связи с тем, что в электрокоагуляторе непрерывного действия проскок жидкости вне межэлектродного пространства недопустим, между боковыми стенками аппарата и крайними электродами не должно быть установочных зазоров.

Учитывая, что в аппарате должны быть размещены пено-сгонное устройство и устройства для распределения потока воды на входе и выходе, габариты электрокоагулятора принимаем, м:

L_эВ_эН_э = 0,8·0,42·0,5.

Пример 5.5. Расчет электрокоагулятора со стальными электродами для очистки хромсодержащих сточных вод.

Исходные данные для расчета: расход сточных вод составляет 10 м³/ч (при круглосуточной работе установки); исходные концентрации шестивалентного хрома и цинка – соответственно 50 и 20 мг/л.

Расчет. Значение тока в электрической цепи, А:

I_cur = 3,1C_en q_w = 3,1·50·10 = 1550.

К установке принимается один выпрямитель переменного тока, вырабатывающий ток силой до 1600 А при максимальном напряжении до 12 В. Общая площадь поверхности анодов составит, м²:

f_pl = I_cur /i_a = 1550/150 = 10,3.

Размеры одной электродной пластины принимаются следующими, мм: ширина b_pl = 300, рабочая высота h_pl = 600. Площадь рабочей поверхности одного электрода, м²:

f_pl = 2b_pl h_pl = 2·0,3·0,6 = 0,36.

Общее количество электродных пластин составит:

.

Принимаются к установке два электродных блока, каждый из которых состоит из 30 стальных пластин. Рабочий объем электрокоагулятора, м³:

W_ek = f_pl b = 10,3·0,008 = 0,082,

(расстояние между двумя соседними электродами b принято равным 0,008 м). Время обработки сточных вод (время пребывания сточных вод в межэлектродном пространстве электрокоагулятора), с:

t = W_ek /q_w = 0,082/10 = 0,008 ч = 0,008·3600 = 28,8.

Удельный расход металлического железа для обработки сточных вод, кг/сут, определяем по формуле

.

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

B = N_эδ + b(N_э – 1) = 30·0,005 + 0,008(30 – 1) = 0,38.