Зависимость коэффициента выхода по току от солесодержания воды при электродиализе

Солесодержание опресняемой воды в г∙экв/л	0,02	0,03	0,04	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Коэффициент выхода по току	0,88	0,87	0,863	0,858	0,84	0,823	0,815	0,805	0,8

Тогда

                     

Оптимальная плотность тока при солесодержании воды 13,7 г/л, стоимости мембран 12 руб/м²и стоимости электроэнергии 1 коп/квт∙ч составит j=0,0117 а/см²(табл. 68).

Таблица 68

Оптимальная плотность тока j для электродиализных установок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание ис­ходной воды в г/л	Стоимость		Расчетная оптимальная плотность тока j в a/cм2
	электроэнергии в коп/квт∙ч	мембран в руб/м2	для циркуляцион­ной установки	для I ступени прямоточной мно­гоступенчатой установки
15	1	6	0,008	0,032
		12	0,012	0,042
	2	6	0,006	0,028
		12	0,008	0,032
7,5	1	6	0,007	0,022
		12	0,009	0,031
	2	6	0,005	0,016
		12	0,007	0,022
2,5	1	6,	0,005	0,015
		12	0,008	0,021
	2	6	0,004	0,011
		12	0,006	0,015
Примечание. Величины j даны для камер с сепараторами из поли­винилхлорида. Для сепараторов из капрона (плетеных) величину j надо уменьшить на 10%.

276

Тогда площадь мембран F_м=[IT]_факт:j=47 630:0,0117≈40,7∙10⁵ см².

Принимаем мембраны размером 0,7X500X1500 мм.

Площадь одной мембраны нетто f_нетто=К_м(50Х150)=0,75(50X150)= =5,6∙10^–3 см² (где K_м=0,75 — коэффициент экра­нирования мембраны из паронита).

Потребное число парных мембран п в ванне

                               

Принимаем четыре параллельно действующие ванны с числом камер n=730:4≈160 в каждой.

Источник постоянного тока, подаваемого в ванны, — выпрями­тель на кремниевых диодах ПВКЛ-200-8.

Необходимое напряжение на клеммах выпрямителя электриче­ского тока зависит от удельной электропроводности.

Для опресняемой воды удельная электропроводность равна:

                                             λ_в=k_эC^1–n,                                    (186)

где λ_в  — удельная электропроводность опресняемой воды;

  k_э=1/8300;

  С   — эквивалентная концентрация раствора, т. е. количество мг∙экв растворенного вещества в 1 л раствора.

Значения (1-n) составляют: для воды Каспийского моря 0,905, для подземных вод с солесодержанием 6,1 г/л 0,875 и с солесодер­жанием 3 г/л 0,89.

Тогда соответственно в начале и конце цикла

 

Для рассола при двукратной его концентрации удельная элект­ропроводность равна:

  

Внутреннее электрическое сопротивление одной камеры ванны

                   (187)

где d   — расстояние между мембранами в см;

  k_c  — коэффициент увеличения электрического сопротивле­ния камеры; по данным ВНИИ ВОДГЕО, k_c=0,34—0,71 в зависимости от типа сетки сепаратора турбу­лизатора (принимаем k_c=0,54);

277

λ_в и λ_р  — удельные электропроводности дилюата и рассола в камерах;

ρ_K и ρ_A — удельное поверхностное сопротивление катионитовой и анионитовой мембран в ом∙см². Тогда соответственно в начале и конце цикла

      

Мембранный потенциал равен:

                                        E_м=0,1 lgС_р/С_д,                               (188)

где С_р и C_д — концентрация солей соответственно в рассоле и дилюате.

Тогда:

в начале цикла

                                   

в середине цикла

                                  

в конце цикла

                                

Напряжение на ванне, необходимое для поддержания средней расчетной плотности тока,

                                     U=jf_нетто+E_э+2nE_м^ср,                            (189)

где j=0,0117 а/см² — плотность тока;

  f_нетто=5,6∙10⁸ см² — площадь одной мембраны;

  п   — число мембран в ванне;

                          

  Е_э=3—4 в — падение напряжения на электродах (на аноде и ка­тоде).

Следовательно,

           U=0,0117∙5,6∙10³∙160∙2,3∙10^–2+4+2∙160∙0,06≈264 в.

При этом напряжении плотность тока

                                                             (190)

278

Тогда соответственно в начале и конце цикла:

                      

                     

В среднем за цикл в предположении, что сила тока снижается в течение цикла по линейному закону, плотность тока будет

               j_ср=(j_нач+j_кон):2=(0,019+0,0057):2=0,0124 а/см²,

что только на 6% выше оптимальной величины j=0,0117 (cм. табл. 68).

Деполяризующая скорость движения воды и рассола в каме­рах ванны

                                                             (191)

где υ_к.д — критическая скорость движения воды через камеры, при снижении которой возникает жесткая концентра­ционная поляризация мембран, в см/сек;

  j_кон — плотность тока в а/см²;

  С   — средняя концентрация растворенных солей в опресня­емой воде в камере в мг∙экв/л;

  В и р — параметры, зависящие от конструкции камеры, типа турбулизатора-сепаратора, соотношения коэффициен­тов диффузии растворенных в воде солей и ее темпе­ратуры; можно принять В=2,5; р=0,67 и 1/p= 1,493;

  d_экв — эквивалентное расстояние между мембранами в см.

Тогда

                       

Производительность циркуляционных насосов для перекачки опресняемой воды и рассола

                                          Q_н=nmdbυ_к.д                                 (192)

где d   — расстояние между мембранами, равное 0,8∙10^–3 м;

  b   — ширина прохода воды в камере, равная 0,42 м.

Следовательно, Q_н=160∙4∙0,8∙10^–3∙0,42∙0,033=7,1∙10^–3 м³/сек, или 25 м³/ч.

Принимаем два рабочих кислотостойких насоса и один резерв­ный марки 1,5Х-9Д-1-41 производительностью по 14 м³/ч при напо­ре 14 м с электродвигателями мощностью по N=4,5 квт.

Расход электроэнергии на опреснение воды:

а) постоянного тока — собственно на электродиализ

                                                           (193)

279

тогда

                     

б) переменного тока — на циркуляцию дилюата и рассола

                                  W_пep=2N=2∙4,5=9 квт∙ч.

Расход электроэнергии на опреснение 1 м³ воды

                      

§ 52. Опреснение воды гиперфильтрацией

Этот способ опреснения заключается в фильтровании соленой воды через специальные полупроницаемые мембраны из ацетил-целлюлозы, которые пропускают воду, а задерживают ионы раство­ренных в ней солей. При этом необходимо создать избыточное дав­ление для фильтрования воды через мембрану в направлении, про­тивоположном осмотическому переносу, т. е. со стороны соленой воды. Иначе говоря, необходимое давление должно быть выше ос­мотического.

В имеющихся опытных установках пока еще малой производи­тельности соленая вода подается насосом под давлением 50— 100 ати. Некоторые исследователи считают этот способ опреснения воды весьма перспективным. Исследования в этом направлении ве­дутся во ВНИИ ВОДГЕО (проф. В. А. Клячко).

§ 53. Обессоливание воды с изменением ее агрегатного состояния

В данной книге не рассматриваются подробно способы опресне­ния воды, изменяющие ее агрегатное состояние¹. Отметим, что в настоящее время при высоком солесодержании воды наибольшим распространением пользуются дистилляционные опреснители. Ос­новная функция их состоит в испарении воды с последующей кон­денсацией пара, которая и приводит к получению пресной воды.

Наиболее экономичны: многоступенчатые установки с верти­кально-трубчатыми испарителями-конденсаторами и многоступен­чатые адиабатные испарители (типа «флеш») с мгновенным вскипа­нием опресняемой воды.

Установка первого типа построена в г. Шевченко; она имеет пять ступеней и позволяет опреснять 13,6 тыс. м³/сутки морской воды².

¹   Подробнее см. в книге: И. Э. Апельцин и В. А. Клячко. Опреснение воды. Стройиздат, 1968.

²   В 1969 г. завод «Уралхиммаш» разработал десятикорпусную установку производительностью до 700 т/ч дистиллята.

280

Из числа введенных в действие установок с мгновенным вскипа­нием воды самая большая находится в Кувейте (производительно­стью 22,5 тыс. м³/сутки).

В г. Шевченко строится первый в мире опреснитель производи­тельностью 120 тыс. м³/сутки с использованием тепла ядерного ре­актора на быстрых нейтронах. Одновременно с опреснением воды атомная электростанция мощностью 150 тыс. квт будет ежегодно вырабатывать 5 млрд квт∙ч электроэнергии (рис. 81).

        

Рис. 81. Схема двухцелевой ядерно-энергетической водоэлектро­станции с многоступенчатыми испарителями с мгновенным испаре­нием воды

1—атомный реактор; 2—пар; 3 — турбина; 4—бак подкисления; 5 —резер­вуар пресной воды; 6 —пресная вода; 7 — подогреватель; 8 — испаритель с мгновенным испарением воды; 9 — соленая вода; 10 — водоприемник

Опреснение воды с применением искусственного замораживания основано на отъеме тепла при кипении воды в вакууме ниже точки ее замерзания. При вспрыскивании соленой воды тепло, затрачи­ваемое на испарение воды, отнимается от неиспарившейся ее части. Вследствие этого вода замерзает, образуя суспензию кристаллов пресного льда в рассоле. Эти кристаллы отделяют, обмывают пресной водой и подают в камеру для таяния, происходящего за счет тепла, которое выделяется при конденсации паров воды, отса­сываемых из вакуумной камеры.

При этом способе исключаются косвенные неудобства, свойст­венные другим способам опреснения, — накипеобразование, биооб­растание и коррозия.

Некоторым видоизменением описанного процесса кристаллиза­ции является опреснение воды при помощи получения кристалло­гидратов пропана. Первый этап состоит в связывании части воды соленого раствора в кристаллогидраты пропана. Затем производит­ся сепарация кристаллов от маточного раствора, очистка их от рассола и, наконец, плавление кристаллов для получения пресной воды.

Глава XI

Расчет установок для удаления из воды свободной углекислоты

§ 54. Определение содержания в воде свободной углекислоты

Как отмечалось в главе I, находящиеся в воде ионы СО₃^2– НСО₃^–и углекислый газ СО₂ связаны углекислотным равновесием. Часть свободной углекислоты, находящаяся в равновесии с бикарбоната­ми, называется равновесной и не вступает в химические реакции. Избыточная свободная (или агрессивная) углекислота в отличие от равновесной весьма активна. Наличие ее в воде вызывает кор­розию бетонных сооружений и металлических труб.

В табл. 69 приведены данные о содержании свободной углекис­лоты СО₂ в воде. Если условия отличаются от принятых в табл. 69, то вводятся поправки на солесодержание β (табл. 70) и на темпе­ратуру τ (табл. 71).

Следовательно, фактическое содержание СО₂ в воде будет

                                  [СО₂]_факт = [СО₂]_таблβτ.                         (194)

§ 55. Способы удаления из воды свободной углекислоты

Удаление из воды свободной углекислоты необходимо при умяг­чении воды Н — Na-катионированием, при ионитовом способе обессоливания воды и при ее обезжелезивании аэрацией. Для этой цели применяют дегазаторы. Наиболее целесообразны пленочные дегазаторы, загруженные насадкой и оборудованные вентилятора­ми для принудительной подачи воздуха снизу, т. е. в направлении, встречном по отношению к движущейся сверху вниз воде.

Насадкой могут служить либо керамические кольца Рашига размером 25X25X3 мм (ГОСТ 748—67), либо деревянные хордо­вые насадки (бруски) размером 50X13 мм.

Пример. Рассчитать дегазатор при заданном расходе воды (смешанный фильтрат после Н — Na-катионирования) Q_чac=190 м³/ч.

282

Таблица 69

Содержание свободной углекислоты (в мг/л) в исходной воде

 

Общая щелоч­ность воды Щ в мг∙экв/л	Содержание свободной углекислоты СО2, в воде при температуре 10 °С, солесодержа­нии 200 мг/л и при значениях рН
	6,5	6,6	6,7	6,8	6,9	7	7,1	7,2	7,3	7,4	7,5	7,6	7,7	7,8	7,9	8
0,5	18	14	10	8	7	6	5	4	3	2	2	2	2	1	1	1
0,6	21	16	13	10	8	7	6	5	4	3	2	2	2	1	1	1
0,7	24	18	15	12	10	8	7	5	4	3	3	3	2	1	1	1
0,8	28	21	18	14	11	9	7	6	5	4	3	3	2	1	1	1
0,9	32	24	20	15	13	10	8	6	5	4	4	4	2	1	1	1
1	36	27	23	17	14	11	9	7	5	4	4	4	3	2	2	1
1,1	39	30	25	19	15	12	9	7	6	5	4	4	3	2	2	1
1,2	43	33	27	21	17	13	10	8	6	5	4	4	3	2	2	1
1,3	47	36	29	23	18	14	11	8	7	6	5	4	3	3	2	1
1,4	50	39	31	24	19	15	12	9	8	6	5	4	3	3	2	2
1,5	54	41	33	26	21	17	13	10	8	7	5	5	3	3	3	2
1,6	58	44	36	28	22	18	14	11	9	7	5	5	4	3	3	2
1,7	61	47	38	30	23	20	15	22	10	7	6	5	4	3	3	2
1,8	64	50	40	31	25	21	16	12	11	8	6	5	4	3	3	2
1,9	68	52	42	33	26	22	17	13	11	9	6	6	4	3	3	2
2	72	55	44	35	28	23	18	14	12	10	7	6	5	4	3	2
2,5	90	69	56	44	35	28	22	18	14	12	9	7	6	5	4	3
3	108	83	67	53	42	34	27	22	17	14	11	8	7	6	5	3
3,5	—	97	79	62	49	39	31	25	19	16	12	9	8	7	5	4
4	—	111	90	71	56	45	35	28	22	18	14	11	10	8	6	5
4,5	—	—	100	79	63	50	40	32	25	21	16	12	11	9	7	5
5	—	—	—	88	70	56	44	36	28	23	18	14	12	10	9	6
5,5	—	—	—	97	77	62	48	39	31	25	19	15	13	11	9	6
6	—	—	—	106	85	68	53	43	33	27	21	17	14	12	9	7
6,5	—	—	—	—	92	74	57	46	36	29	23	18	15	12	10	8
7	—	—	—	—	99	79	61	50	39	31	25	19	16	13	10	9
7,5	—	—	—	—	106	85	66	54	42	33	26	21	17	14	11	10
8	—	—	—	—	—	90	70	57	44	35	28	22	18	15	12	10

Таблица 70

Поправка β на солесодержание воды при определении СO₂

Солесодержание в мг/л	100	200	300	400	500	750	1000
β	1,05	1	0,96	0,94	0,92	0,87	0,83

Таблица 71

Поправка τ на температуру воды при определении СO₂

Температура воды в °С	0	5	10	15	20	25	30	40	50	60
τ	1,28	1,12	1	0,9	0,83	0,78	0,74	0,7	0,66	0,65

283

Содержание углекислоты в подаваемой на дегазатор воде оп­ределяют по формуле

                                  [СO₂]_п=[СО₂]_исх+44Щ,                         (195)

где [CO₂]_исх — содержание свободной углекислоты в исходной во­де в мг/л;

  Щ — щелочность исходной воды в мг∙экв/л.

В данном примере Щ=2,3 мг∙экв/л; общее солесодержание в исходной воде 362 мг/л. Величина рН воды 6,9 и расчетная ее тем­пература 5°С.

По интерполяции найдем значение β и τ (ом. табл. 70 и 71), а по формуле (194)

                            [СО₂]_исх=33∙0,95∙1,12=35 мг/л.

Откуда

                              [СО₂]_п=35+44∙2,3=136 мг/л.

Площадь поперечного сечения дегазатора

                                           F_дег=Q_чac:P_o,                                  (196)

где Р_о— плотность орошения на 1 м² площади дегазатора в м³/ч, равная при насадке из колец Рашига 60 м³/ч и при де­ревянной хордовой насадке 40 м³/ч.

Таблица 72

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 700; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!