3.5 Расчет температуры сточной воды в электролизере и определение необходимости применения дополнительного охлаждения

В соответствии с законом сохранения энергии:

W_в = W_п,

где: W_в - тепло выделяющееся в аппарате за счет прохождения электрического тока, Дж;

W_п - тепло поглощающиеся стоком, Дж,

получим:

,

где: τ – время, с;

с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·град);

m – масса сточной воды, кг;

ΔТ – разность температур стока на выходе и входе в аппарат, град.

Т.о. получаем уравнение для разности температур стока на выходе и входе в аппарат:

.

Результаты расчета следующие:

Плотность тока, А/м2	Разность температур, град
100	3,1
200	6,2
300	9,3
400	11,3

Полученные результаты показывают, что возрастание температуры сточной воды при ее переработке в электролизере увеличивается с ростом плотности тока. Однако, увеличение температуры сточной воды таково, что дополнительного охлаждения электролизера при его работе не требуется.

Расчет оптимального количества рабочих ячеек в электролизере

Определение оптимального числа рабочих ячеек в электролизере производили исходя из рабочей плотности тока на мембранах и объема перерабатываемого стока. Расчет проводился по изменяющимся статьям. Изменяющимися статьями затрат следует считать расходы на электродные пластины, ионообменные мембраны, паронит для изготовления рабочих камер и затраты электрической энергии на переработку сточной воды.

В качестве катодных пластин рекомендуется листовая сталь 09Г2С толщиной 0,5 мм по цене 39,1 руб/кг. Анодные пластины рекомендуется изготавливать из пластин ОИРТА по цене около 200000 руб/м². Для изготовления рабочих камер (прокладок) рекомендуется паронит ПЭ электролизный толщиной 1,5 мм по цене 205 руб/кг. В качестве ионообменных мембран рекомендуются катионообменные мембраны марки МК-40 и анионообменные мембраны марки МА-41, выпускаемые объединенной химической компанией «Щекиноазот» по цене 9180 руб/м². Цена на электрическую энергию принята равной 3,774 руб/кВт·ч. Сечение электролизера рассчитывалось исходя из размеров ионообменных мембран, выпускаемых объединенной химической компанией «Щекиноазот», и равной 0,4х1,4 м.

В таблице 3.6 представлены результаты расчета компонентов электролизера, полученных для разных мембранных плотностей тока.

Таблица 3.6 – Компоненты электролизера

Плотн. тока, А\м2	Прокладки		Катоды			Аноды			Мембраны
	шт	кг		шт	кг		шт	м2		МК-40, шт	МА-41, шт
100	4104	6205		514	1131		514	288		2052	1026
200	2052	3103		258	568		258	144		1026	513
300	1368	2068		172	378		172	96		684	342
400	1024	1548		129	284		129	72		512	256

В таблице 3.7 приведены результаты расчета стоимости элементов электролизера, учитывающие изменяющиеся статьи затрат на аппарат.

Таблица 3.7 – Стоимость элементов электролизера, учитывающие изменяющиеся статьи затрат на аппарат

Плотн. тока, А/м2	Прокладки, руб	Катоды, руб	Аноды, руб	Мембраны, руб
100	1272025	44222	57600000	15823382
200	636115	22208	28800000	7911999
300	423940	14779	19200000	5274666
400	317340	11104	14400000	3948288

В таблице 3.8 представлены стоимость электролизера, рассчитанная по изменяющимся статьям затрат и амортизационные отчисления. В расчетах приняты затраты на изготовление электролизера 30% от стоимости его элементов и величина амортизационных отчислений на электрохимическое оборудование, равная 15 %.

Таблица 3.8 - Стоимость электролизера, рассчитанная в зависимости от плотности тока

Плотность тока, А/м2	Стоимость, руб	Амортизационные отчисления, руб
100	97161518	14574228
200	48581419	7287213
300	32387401	4858110
400	24279751	3641963

Затраты на обработку 1 м³ воды рассчитаны с учетом объема сточных вод - 15 м³/ч, эффективного фонда рабочего времени, равного 8760 часов в год и годового объема стока - 131400 м³/год. В таблице 3.9 приведены результаты расчета затрат на обработку 1 м³ сточной воды.

Таблица 3.9 - Затраты электроэнергии на обработку 1 м³ сточной воды

Плотн. тока, А/м2	Затраты на изготовление электролизера, руб	Затраты на электроэнергию, руб	Сумма затрат, руб
100	110,91	13,59	124,50
200	55,46	27,17	82,63
300	36,97	40,80	77,77
400	27,72	54,27	91,99

Анализ полученных результатов показывает, что наименьшие затраты на переработку сточной воды в мембранном электролизере наблюдаются при работе аппарата с мембранной плотностью тока, равной 300 А/м².

Расчет стоимости электрохимической установки

Расчет стоимости электрохимической установки проводили на основе принципиальной технологической схемы и электролизера, работающего при мембранной плотности тока 300 А/м².

Таблица 3.10 – Предварительная оценка стоимости электрохимической установки

№ пп	Наименование оборудования	Сметная стоимость, тыс. руб.
1	Проектирование	20 000
2	Оборудование и материалы	38936,4
3	Строительно-монтажные работы	48 000
4	Итого	106936,4