Расчет установок электродиализа

Расчет сводится к определению напряжения и силы постоянного тока, подводимого к аппаратам, выбору площади мембран и их числа, определению состава вспомогательного оборудования.

1. Количество электричества, которое нужно затратить на снижение солесодержания воды с С_нач до С_кон, А·ч,

,

где Q – расчетный расход сточных вод, м³/ч; h_э – выход по току, определяется экспериментально по данным, приведенным на рис. 17.

2. Необходимая рабочая площадь мембран в одной камере, м³,

,

где n – число камер в аппарате, принимается конструктивно; i – плотность тока, А/м², принимается по табл. 17.

3. Фактическая плотность тока в начале и в конце цикла, уточняется по закону Ома, А/см²:

,

где j_э и j_м – электродный и мембранный потенциалы, В;
R – внутреннее сопротивление, Ом;

h_Э

с/с, моль/л

Рис. 17. Зависимость коэффициента выхода по току h_э от солесодержания очищаемой воды для мембран МК-40 и МА-40

Таблица 17. Оптимальная плотность тока для электролизных
установок

Солесодержание исх. воды, г/л	Расчетная плотность тока, А/см2
для циркуляционной установки	для 1 ступени прямоточной многоступенчатой установки
	0,008	0,032
7,5	0,007	0,022
2,5	0,005	0,015

,

где d – расстояние между мембранами в камере, принимается равным 0,1–0,2 см; К_с – коэффициент увеличения электрического сопротивления камеры сепаратором-турбилизатором или лабиринтом, определяется экспериментально, ориентировочно можно принять по табл. 18; l_D, l_Р – удельные электропроводности дилюата и рассола в камерах (l=К_э·С^1–в), индекс (1–в) зависит от минерализации воды: М= 3 г/л – 0,89; М= 6 г/л – 0,875;
К_э – коэффициент пропорциональности, равный 1/8300; С – концентрация раствора, моль/л; r_к, r_а – удельные поверхностные сопротивления катионитовой и анионитовой мембран, Ом·см^–1 (табл. 19).

Таблица 18.Коэффициент увеличения электрического сопротивления камер с сепараторами-турбилизаторами при расстоянии между мембранами 1 мм

Тип сетки сепаратора	Значение Кс
Безотходная просечная НИИИТ	0,54
Техническая капроновая, арт. № 21394	0,48
Техническая капроновая, арт. № 22194	0,34
Перфорированная гофрированная	0,62

Таблица 19.Технологическая характеристика ионитных мембран

Показатели	Мембраны катионитовые	Мембраны анионитовые
МК-40	МКК-10	МК-41л	МА-40	МАК-10	МА-41л
Размер сухих мембран	1420´450´0,3	1000´500´0,2	1350´450´0,6	1420´450´0,3	1000´500´0,15	1420´450´0,6
Тип мембран	Гетерогенная	Гомогенная	Гомогенная	Гетерогенная	Гомогенная	Гомогенная
Ионообменная смола	КУ-2	КУ-2	КУ-2	ЭДЭ-10П	АВ-17	АВ-17
Уд. поверхн. сопротивление, Ом·см-2		–			–
Селективность в 0,1 н растворе	0,955-0,97	0,95-0,96	0,96	0,93-0,96	0,95-0,96	0,96
Статич. обменная емкость, моль/г	2,6±0,3	2,95	2,0	3,8±0,4	4,5	2,1

4. Напряжение на аппарате, необходимое для поддержания средней расчетной плотности тока, В,

U = i·f·n·R_cp + E_э·n·E_м,

где E_э – падение напряжения на электродах, равное 3¸4 В; E_м – мембранный потенциал, В;

.

При уточнении плотности тока может оказаться, что она далека от оптимальной, – подбор аппарата оказался неудачным. Если поверочный расчет показал, что плотность тока, вычисленная для начала и конца цикла и в среднем за цикл, окажется меньше оптимальной, принятый ЭД аппарат следует разбить на несколько аппаратов, работающих параллельно как по току воды, так и по электрическому питанию, и повторно произвести расчет.

5. Далее должна быть решена схема работы аппарата
(циркуляционная или прямоточная), что позволит определить параметры насосов. В камерах должна быть обеспечена деполяризующая скорость движения воды u_деп, значение которой, в зависимости от типа турбулизирующей сетки, составляет 2,9…9,3 см/с, поэтому производительность насосов, подающих в камеры опресняемую воду и рассол, должна быть не менее, м/ч,

Q_н = 36·10^–4·u_деп·d·b·n·m,

где d – расстояние между мембранами, см; n – число камер в аппарате; m – число аппаратов, работающих параллельно;
b – ширина прохода для воды в камере, см (равна расстоянию между внутренними краями рамки в направлении, перпендикулярном к направлению движения воды, а в лабиринтной камере – расстоянию между направляющими стенками лабиринта).

6. Критическая скорость потока воды через камеры, см/с,

,

где В и р – параметры, зависящие от конструкции камеры, типа сепаратора-турбилизатора, соотношения коэффициентов диффузии растворенных в воде солей, температуры воды, определяются экспериментально, ориентировочно по табл. 20;
С – средняя концентрация растворенных солей в очищаемой воде, моль/л; d_экв – эквивалентное расстояние между мембранами, см (табл. 20).

Таблица 20.Рабочие параметры электролизных ванн, зависящие от конструкции и типа сепараторов-турбилизаторов

Конструкция камеры	р	В	Расст. между мембранами, мм	dэкв, см	Reкр	Критич. скорость, см/с	Потеря давления при uкр на 1 м длины камеры, Па·10–2
Камеры лабиринтного типа без сепаратора	0,54			0,385   0,196
Камеры прокладочного типа: с сепаратором из перфорированного винипласта (гофры поперек потока) то же (гофры вдоль потока) с сепаратором, изготовленным методом просечки-вытяжки	0,43     0,53   0,67	0,45   2,5		0,203     0,203   0,105	26,5	5,2     12,4   2,88	2,63     24,6

7. Расход электроэнергии на опреснение воды электродиализом складывается из расхода электроэнергии (постоянного тока) на собственно электролиз и расхода электроэнергии (переменного тока) на прокачивание через ЭДА очищаемой воды, рассола и воды для промывки катодного и анодного пространств , кВт·ч,

,

где f_нетто – активная площадь одной мембраны, м²; m – число пакетов в аппарате.

Для двух одинаковых насосов с подачей 20 % воды на промывку катодной и анодной камер

,

где – расход воды, подаваемой одним насосом, л/с; Н – напор, развиваемый насосом, м; h_э – коэффициент полезного действия электродвигателя, равный 0,95¸0,97; h_н – коэффициент полезного действия насоса, равный 0,7¸0,8.

Расход электроэнергии на очистку 1 м³ воды, кВт·ч/м³,

.