Расчет электрокоагулятора

Содержание

 Введение

Общие  сведения о процессе электрокоагуляции……………………………3-5

Особенности электрокоагуляции  при очистке сточных вод от шестивалентного хрома………………………………………………………..5-6

Источники загрязнений сточной  воды хромом (VI)………………………….6-8

Возможные технологические  схемы очистки воды с использованием электрокоагулятора……………………………………………………………8-12

Указания к выполнению расчетной части курсового проекта

• Электрохимические расчеты…………………………………………12-15
• Конструктивные расчеты электрокоагулятора………………….......15-19
• Расчет объема отсасываемого воздуха…………………………………20
• Пример расчета электрокоагулятора………………………………...21-23
• Выпрямительные агрегаты…………………………………………...23-24

Указания к выполнению графической части курсового  проекта

• Общие сведения об устройства электрокоагуляторов……………..25-26
• Описание базовой конструкции электрокоагулятора……………...27-33

Введение

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.

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 à Fe²⁺ (2.1)

Al – 3e à Al³⁺ (2.2)

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

2 H₂O + 2e à 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^- à 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) à 3Fe³⁺ + Cr³⁺ (2.5)

Внимание! Ионы алюминия не могут нейтрализовать шестивалентный хром!

Продукты реакции (2.5) взаимодействуют с катодной щелочью:

Fe³⁺ + 3 OH^- à Fe(OH)₃ ¯ (2.6)

Cr³⁺ + 3 OH^- à 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.

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)

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)

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)

• 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

M_Cr (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.

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.

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).

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.

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.

1.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.

1. Электрохимические расчеты

очистка

Исходными данными к электрохимическому расчету ЭК являются:

• средняя концентрация шестивалентного хрома C_Cr в сточной воде (в пересчете на хром), выраженная в мг/л (г/м³);
• среднее значение рН сточной воды;
• средний часовой объем очищаемой воды v_св, 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 C_Cr × v_св граммов шестивалентного хрома, для нейтрализации которого требуется анодно растворить (в виде ионов) 3,22 C_Cr × v_св 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 S_a 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 d - толщина анода, см (согласно [2, c.267] рекомендуется 0,5-0,8 см, а по [3] – 0,3-0,6 см);

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

i_a – 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. 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.

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 h_a = 0,5-1,2 м [1] (0,6-1 м [3]); ширина b_a = 0,2-0,8 м [1 (0,3-0,6 м [3]). Следовательно, площадь s_a 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 n_a равно числу катодов. Общая рабочая поверхность анодов S_a будет равна

S_a = 2 s_a(n_a – 1) + s_a = s_a(2n_a – 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 S_a определяется по уравнению (3.2). Задавшись значением s_a 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 n_a не менее двух.

Поскольку величина s_a 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:

М_БЭ = n_a·s_a·d ·g, (3.6)

где d - толщина анода; g - плотность стали.

Если n_a > 40, а М_БЭ > 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 b_a (мм) и равна

L_ЭК = b_a + 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:

В_ЭК = 2n_a ·δ + l_a-k(2n_a – 1) + 2 b^’’, (3.8)

где l_a-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

V_СВ,ЭК = s_a· l_a-k(2n_a – 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 t меньше рекомендуемых значений, в межэлектродном пространстве не успеет пройти реакция (2.5); при чрезмерно высоких значениях t шлам может накапливаться в электролизной камере. Величина t тем выше, чем больше межэлектродное расстояние и меньше плотность тока.

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 ЭК 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

V_Н = 0,418·10^-3 I (3.11)

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

V = 250 V_H = 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).

1.4Пример расчета электрокоагулятора

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).