6. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОРА

При проектировании электродиализных установок необходимо выполнить технологический расчет. Исходными данными для проектирования и расчета являются:

  • 1) назначение установки;
  • 2) полезная пропускная способность;
  • 3) характеристика водоисточника;
  • 4) полный физико-химический и бактериологический анализ исходной воды.

Основной задачей расчета электродиализной опреснительной установки является определение напряжения и силы тока, подводимого к электродам, а также площади мембран и их количества.

6.1. Методика расчета установки циркуляционного типа

Рассмотрим пример расчета опреснительной установки циркуляционного типа [248]. Исходные данные для расчета:

  • - производительность установки, Q = 240 м3/сут =10 м3/ч;
  • - минерализация (солесодержание), S = 2230 мг/л;
  • - концентрация катионов:
    мг/л мг-экв/л
  Са2+ 220,4 5,5
  Mg2+ 243,0 10,0
  Na+ 402,5 17,5
  865,9 33,0
  • - концентрация анионов:
  HCO3- 183,0 3,0
  SO42- 667,0 15,5
  Сl- 514,1 14,5
  1364,1 33,0
  • - солесодержание опресненной воды, S0= 1000 мг/л;
  • - коэффициент выхода по току, η = 0,85-0,98 - при деминерализации пресных вод; η = 0,8-0,85 - солоноватых; η = 0,7 - при опреснении морской воды;
  • - оптимальная плотность тока, i = 0,0085 А/см2;
  • - падение напряжения на электродах, Е = 4-6 В;
  • - стандартные размеры мембран (сухих), а х в х δ = 142 х 45 x 0,03 см;
  • - коэффициент экранирования мембран в зависимости от типа корпусных рамок, Кэ = 0,60-0,80;
  • - расстояние между мембранами (перемычками), d = 0,08-0,12см; коэффициент увеличения электрического сопротивления камеры в зависимости от типа сетки-сепаратора, Ку = 0,34-0,71;

105

  • - удельное электрическое сопротивление мембран, ρк= ρа= 30 Ом·см2;
  • - эквивалентное расстояние между мембранами dэ = 0,08-0,12см;
  • - ширина прохода воды в камере В1 = 360-470 см;
  • - площадь электрода fэл = 0,32 м2;
  • - мощность двигателей рабочих насосов Nд = 0,73 кВт и их число N=2шт.

Ионную силу раствора определяем по формуле

μ = 0,5∑Ci·Zi2

(6.1)

где Сi - молярная концентрация иона, мг-экв/л,
zi - заряд иона.

μ = [2(5,5 + 10,0 +15,5) + 0,5(17,5 + 14,5 + 3,0)]·10-3 =0,079

Среднее солесодержание, мг/мг-экв

Еc= S ,
Sк,а

(6.2)

где Sк,а - сумма катионов (или анионов), мг-экв/л.

Ec= 2230 =67,4 мг/мг-экв.
33,0

Коэффициент допустимого концентрирования солей в рассольных камерах

Kc= 19μ·10-4 .
[Ca2+]·[SO42-]

(6.3)

Kc= 19·0,079·10-4 ≈4,5.
2,75·10-3·7,75·10-3

Количество солей, удаляемое за 1 час для снижения общего солесодержания воды, г-экв/ч

Sy= Q(Sк- S0 )
Ec

(6.4)

Sy = 10(33,0- 1000 )= 168 г-экв/ч
67,4

Количество электричества, которое нужно пропустить через электродиализную установку для удаления из воды солей, А·ч

I·t= 26,8·Sy ,
η

(6.5)

где I - сила тока, А;
t - время, ч.

106

I·t= 26,8·168 = 5175 А·ч
0,87

Площадь мембраны, см2

Fм = I·t
i

(6.6)

где i - плотность тока, определяется в зависимости от стоимости мембран и электроэнергии, А/см2.

Fм = 5175 =61·104 см2
0,0085

Площадь одной мембраны (нетто), см2

Fн = Кэ·а·в (6.7)

FH=0,75 · 5000 = 3750 см2.

Необходимое число парных мембран, шт

n= Fм
Fн

(6.8)

п= 61·104 ≈ 160 шт
3750

Число камер, шт

nk= n
m

(6.9)

где m - число параллельно действующих электролизеров.

nk 160 =160 шт.
1

Принимается один электродиализный аппарат рамочного типа с закладной сеткой-турбулизатором.

Удельная электропроводность опресняемой воды в начале цикла, Ом-1·см-1

χH = Skβ

(6.10)

где β - показатель степени, зависит от отношения содержания сульфат-ионов к количеству анионов:

[SO42-] 0,02-0,2 0,2-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0
β 0,94-0,92 0,92-0,895 0,895-0,87 0,87-0,84 0,84-0,81

γ - коэффициент, зависящий от состава воды, определяется по известному значению удельной электропроводности исходной воды при t = 18 °С; ориентировочно γ = 8300.

χH =33,00,905 / 8300 = 0,38·10-2 Ом-1·см-1.

107

В конце цикла

χк=( So )β
Ec

(6.11)

χк=( 1000 )0,905/8300 =0,188·10-2 Ом-1·см-1.
67,4

Для рассола при Кс, кратной его концентрации, удельная электропроводность равна

χp = (SK·KC)β /γ,

(6.12)

χp = (33,0 · 4,5)0,905 / 8300 = 0,017 Ом-1·см-1.

Внутреннее электрическое сопротивление в начале цикла одной камеры электролизера (дилюатной и рассольной), Ом

RH = 1 (d (1 + Ky)/χH + d (1 + Ky)/χP + ρk + ρa)
FH

(6.13)

RH = 1 ( 0,12·(1 + 0,54) + 0,12·(1 + 0,54) +30+30)= 1,8·10-2 Ом
3,75·103 0,38·10-2 0,017

В конце цикла

RK = 1 (d (1 + Ky)/χH + d (1 + Ky)/χP + ρk + ρa)
FH

(6.14)

RH = 1 ( 0,12·(1 + 0,54) + 0,12·(1 + 0,54) +30+30)= 1,8·10-2 Ом
3,75·103 0,188·10-2 0,017

Среднее электрическое сопротивление одной камеры, Ом

Rср RK + RH = 1,8·10-2 + 5,0·10-2 3,4·10-2 Ом
2 2

Мембранный потенциал в начале, середине и конце цикла, В

EM = 0,1lg ( CP )
CД

(6.15)

где СР и СД - концентрация солей в рассоле и дилюате соответственно.

В начале цикла - EMср = 0,1lg ( 2·4,5 ) = 0,065 В
2

в середине – EMср = 0,1lg ( 2·4,5 ) = 0,078 В
1,5

108

в конце цикла - EMк = 0,1lg ( 2·4,5 ) = 0,095 В
1

Напряжение на установке, необходимое для поддержания расчетной плотности тока, В

U = I · FH · n · Rcp+E + 2nEMср

(6.16)

U = 0,0085 · 3,75·103 · 160 · 3,4·10-2 + 4 + 2 · 160 · 0,078 ≈ 203 В.

При этом напряжении плотность тока, А/см2

j = U - (E + 2nEM)
FHnR

где ЕM и R берутся в начале и конце цикла.

Плотность тока в начале цикла

jн= 203 - (4 + 2·160·0,065) = 0,0173 A/см2
3,75·103·160·1,8·10-2

в конце

jк= 203 - (4 + 2·160·0,095) = 0,0056 A/см2
3,75·103·160·1,8·10-2

Тогда в среднем за цикл

jср= 0,0173 + 0,0056 = 0,00116 A/см2
2

Расчетная плотность тока составит 0,0085 А/см2. Деполяризующая скорость движения воды и рассола в камерах электролизера, см/с

υД= B · j1/p
C1/p · dЭ

(6.18)

где В и p - параметры, зависящие от конструкции камеры, типа турбулизатора-сепаратора, соотношения коэффициентов диффузии растворенных в воде солей и ее температуры, принимаются равными 2,5 и 0,67 соответственно;

С - средняя концентрация растворенных солей в опресняемой воде в конце цикла, г-экв/л.

υД= 2,5 · 0,00561,495 = 5,6 см/с
0,021,495 · 0,081

Производительность циркуляционных насосов для перекачки опресняемой воды и рассола, м3

ан = т · п · d · В1 - vД

(6.19)

ан =1 · 160 · 1,2·10-3 · 0,42 · 5,6·10-2 м3/с=16,2 м3/ч.

109

Расход тока на опреснение воды, кВт

Wэ= jср ·FH · U · m
1000
Wэ= 0,0116 · 3,75·103 · 203 · 1 =13 кВт
1000

Расход тока на перекачку дилюата и рассола, кВт

WП=NД · N

(6.21)

WП=0,73·2 = 1,46 кВт.

Общий расход тока на опреснение воды, кВт/м3

W= WЭ + WП
Q

(6.22)

W= 13 + 1,46
10

110

Rambler's Top100
Lib4all.Ru © 2010.