Атериальный расчет противоточной каскадной промывки

Схема промывочного комплекса показана на рис. 2.26.

Расчет также будет состоять из двух частей: определения расхода воды для достижения ПДК в последней ванне и ККК во всех ваннах комплекса.

1. Расчет расхода воды на промывку.

Расчет ведем для стационарного режима. Уравнение материального баланса промывных ванн можно записать, как

1-я ванна

Умножим обе части уравнения на

Получаем

(2.56)

Рис.2.26. Схема противоточной каскадной промывки.

Аналогично для 2-й ванны

(2.57)

Для N-ной ванны

(2.58)

Перемножим левые и правые части уравнений (2.57)-(2.58):

При ККК в последней ванне промывного комплекса, равной ПДК, С_N=C_п, можно записать:

Отсюда можно найти выражения для определения расхода воды на промывку

(2.59)

В этой формуле нам неизвестна концентрация контролируемого компонента в первой ванне. Чтобы ее определить, представим весь каскад как одну промывную ванну, рис.2.27. Уравнение материального баланса в этом случае можно записать, как

Отсюда

Поскольку С_N=C_п<<C_o,то

(2.60)

Подставим (2.60) в (2.59). Получаем:

Рис.2.27. К определению ККК в первой ванне промывочного комплекса.

По условию концентрация в последней ванне равна предельно допустимой С_N=C_П. Отношение С_о/С_п = К_о. Тогда

Так как j_s<<j_z, полученное выражение можно упростить:

(2.61)

Таким образом, получено выражение, аналогичное расходу воды через одну ванну в прямоточной промывке.

Вывод. Расход воды в противоточном промывном комплексе из N ванн (2.61) равен протоку воды через одну промывную ванну в прямоточной промывке, состоящей из такого же количества ванн (2.55). Поскольку в прямоточной промывке общий расход воды равен сумме потоков через все промывочные ванны, то применение противотока позволяет сократить расход воды во столько раз, сколько ванн в промывном комплексе.

2. Определение концентрации контролируемого компонента в ваннах.

Для определения ККК в каждой ванне промывочного комплекса воспользуемся приемом, применяемым для определения концентрации в первой ванне. Для этого каскад ванн будем рассматривать в виде одной ванны. Например, определим ККК во второй ванне, рис.2.28.

Во вторую ванну загрузочное приспособление приходит из первой промывной ванны с концентрацией компонента С₁. Уравнение материального баланса в этом случае будет выглядеть, как

Отсюда

Рис.2.28. К определению ККК во второй ванне промывочного комплекса.

То есть, получено выражение аналогичное определению ККК в первой ванне .

Для любых других ванн можно записать

Окончательно имеем

Расчет числа ступеней промывки

Из формулы (2.60)

Прологарифмируем полученное выражение

Полученные формулы выведены для условия работы ванн промывочного комплекса в стационарных условиях. Проверим справедливость допущения о стационарности условий работы. Время выхода на стационарный режим можно рассчитать по формуле

(2.62)

где j_s = PSv_уд, P - ритм выхода загрузочных приспособлений, S - площадь деталей, v_уд - удельный вынос электролита.

Так, для ванны объемом V=1000 л, при количестве ванн в промывочном комплексе N=2, V_уд =0,2 л/м², Р=10, j_z=50 л/час и площади деталей S = 1м² время выхода на стационарный режим составляет всего 30 часов, то есть около 4-х рабочих смен. Поскольку ванны промывки эксплуатируются непрерывно весь межремонтный период, можно считать, что они всегда работают в стационарном режиме.

2.8.4. Материальный расчет каскадной противоточной промывки с одной ванной улавливания [23]

Наиболее часто в цехах гальванопокрытий после гальванической ванны размещают ванну непроточной промывки (ванну улавливания) и две противоточные промывные ванны. Схема промывочного комплекса показана на рис.2.29. Целью расчета является определение расхода воды на промывку.

Исходные данные:

-ККК в последней третьей ванне промывочного комплекса равна предельно допустимой С₃=С_пдк.

-операционная ванна работает при повышенной температуре, объем электролита в ванне уменьшается за счет испарения. Поток испарения равен j_исп.

- уменьшение объема в операционной ванне компенсируется за счет перекачивания раствора из ванны улавливания.

Рис.2.29. Схема противоточной промывки с ванной улавливания.

Растворенное в электролите вещество выносится с раствором на поверхности загрузочного приспособления в непроточную ванну промывки (1), см. рис. 2.29. Часть растворенного вещества возвращается в операционную ванну с потоком раствора, компенсирующим уменьшение объема при испарении, часть – выносится на поверхности деталей в проточные ванны промывки и теряется со сточными водами. Поэтому материальный баланс ванны улавливания можно записать, для стационарных условий, как

(2.63)

Разделим обе части уравнения на j_sC_o

(2.64)

Отношение количества вещества, возвращаемого в операционную ванну j_иоС₁ к количеству вынесенного вещества j_sС_о называется степенью возврата. Степень возврата характеризует долю вещества, возвращающегося в операционную ванну из ванн промывочного комплекса:

(2.65)

Степень потери характеризует долю вещества, уносимого с промывной водой в коллектор сточных вод

(2.66)

Из приведенных формул (2.64), (2.65) и (2.66) видно, что

Понятия степени возврата и степени потерь можно определить и через величины объемных потоков испарения и выноса жидкости на поверхности загрузочного приспособления. Для этого необходимо знать величину концентрации в ванне улавливания. Она может быть определена из материального баланса ванны улавливания (2.63).

(2.67)

Подставим С₁ из (2.67) в (2.65) и (2.66). Получаем

Из приведенных формул видно, что чем больше поток испарения из операционной ванны, тем больше степень возврата вещества. Из (2.67) можно определить связь между ККК в операционной ванне и ванне улавливания

(2.68)

Определим ККК во второй и третьей ваннах и расход воды.

Из материального баланса 2-й ванны:

(2.69)

Материальный баланс для 3-й ванны выглядит аналогично

Из баланса 3-й ванны также определим С₂:

(2.70)

Приравняем (2.69) и (2.70). Примем, что С₃=С_п. Приведем к общему знаменателю и преобразуем. Слагаемым пренебрежем, как малой величиной. С учетом (2.68) получаем

Проанализируем полученные формулы. По [14], при наличии одной ванны улавливания в промывочном комплексе, в которой концентрация С₁ достигает 0,4 от концентрации вещества в операционной ванне С₀, a_пот составляет 0,4, при двух – 0,15, а при трех – 0,06. Это означает, что:

1. За счет наличия ванны улавливания расход воды на промывку сократился, по сравнению с противоточной промывкой, на величину (1-a_в).

2. Из ванны улавливания достаточно концентрированный раствор возвращается в операционную ванну. При этом расход реактивов на выполнение производственной программы резко снижается.

3. Уменьшение выноса ионов тяжелых металлов в сточные воды, снижает затраты на доочистку воды и уменьшает экологическое загрязнение водоемов.

4. Эффективность работы ванны улавливания повышается при увеличении потока испарения из операционной ванны.

Примечание. Искусственное увеличение потока испарения из операционной ванны используется в перспективных системах локальной очистки. Это дает возможность резко сократить вынос вредных веществ, сократить расход воды и для доочистки воды использовать простые системы и аппараты.

5. С увеличением количества ванн улавливания, степень возврата компонентов повышается, а расход воды на промывку снижается.

2.8.5. Материальный расчет непроточной системы промывки [24]

Схема промывки показана на рис.2.30. Промывочные системы такого типа применяются при нанесении покрытий из драгоценных и редких металлов. Из операционной ванны идет вынос электролита на поверхности деталей j_s в первую, затем вторую и последующие промывные ванны. Из операционной ванны испаряется вода, объемный поток испарения j_ио. Для пополнения испаряющейся воды, в операционную ванну перекачивается раствор из первой промывной ванны. Пополнение раствора в первой промывной ванне происходит из второй, второй - из третьей и так далее. В последнюю промывную ванну доливают дистиллированную воду.

Рис.2.30. Схема непроточной промывки.

Целью расчета является:

- определение количества ванн в промывочном комплексе при условии, что ККК в последней ванне не должно превышать предельно допустимую концентрацию;

- изучение динамики изменения концентрации электролита в ваннах промывочного комплекса в процессе его работы.

1). Расчет количества ванн.

Составим материальный баланс комплекса, работающего в стационарном режиме. В этом случае приход вещества в ванну равен его уходу.

Для 1-й ванны:

Поскольку С₂<<C_o

Аналогично для 2-й ванны

Для любой m-й ванны

(2.71)

Из формулы (2.71) можно рассчитать количество ванн в промывочном комплексе. Разделим обе части уравнения на С_о и прологарифмируем это выражение.

Отсюда определяем m. При условии, что С_m=C_п, m=N.

2). Расчет изменения во времени концентрации контролируемого компонента в промывных ваннах в пусковой период.

В момент начала работы промывочного комплекса ККК в ваннах промывки равна нулю. В процессе работы она увеличивается за счет переноса раствора на поверхности загрузочного приспособления. Изменение концентрации контролируемого компонента в ваннах промывочного комплекса в процессе его работы свидетельствует о