Расчет электрокоагулятора

 

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).