Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование электрохимических методов обеззараживания природных и сточных вод .
1.1. Основные методы получения хлорсодержащих реагентов электролитическим способом. 14
1.2. Этапы развития мембранного электролиза для получения хлорсодержащих реагентов и каустической соды. 17
1.3. Требования, предъявляемые к конструкциям и технологическим параметрам обеззараживающих установок с использованием ионообменных мембран . 18
1.4. Аппараты и установки отечественного и зарубежного производства для обеззараживания природных и сточных вод с использованием мембранного электролиза. 25
1.5. Основные направления совершенствования установок мембранного электролиза для обеззараживания природных и сточных вод. 38
1.6. Выводы. 39
Глава 2. Исследование влияния основных элементов мембранного электролизера на его производительность . 41
2.1. Основные элементы и узлы электролизера, влияющие на его производительность. 41
2.2. Программа и методика испытаний макетного образца обеззараживающей установки с мембранным электролизером. 42
2.2.1. Цели испытаний. 42
2.2.2. Описание схемы и принципа работы макетного образца. 43
2.2.3. Определение технологических параметров работы электролизера. Методы контроля. 47
2.2.4. Критерии оценки полученных результатов. 48
2.3. Экспериментальное исследование работы обеззараживающей установки с мембранным электролизером на различных сортах соли . 49
2.4. Экспериментальное исследование работы мембранного электролизера с различными электродными системами. 53
2.5. Оценка влияния коэффициента водопроницаемости ионообменной мембраны и коэффициента перетоков на работу мембранного электролизера. 56
2.5.1. Модель движения жидкости через ионообменную мембрану. 60
2.5.2. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента. 62
2.5.3. Оценка влияния коэффициента перетоков на работу мембранного электролизера. 65
2.5.4. Влияние коэффициента водопроницаемости мембраны на рН анолита. 69
2.6. Выводы по главе 74
Глава 3. Исследование режимов работы внешних элементов установки для приготовления дезинфицирующих и дегазирующих реагентов . 76
3.1. Макетный образец установки для экспериментальных исследований режимов работы ее внешних элементов. 76
3.2. Модели движения двухфазных сред в вертикальных трубопроводах. 79
3.3. Математическая модель движения газожидкостной смеси в трубопроводах эжекторно-эрлифтного контура перемешивания анолита в мембранном электролизере . 83
3.3.1. Теоретические исследования зависимости величины циркуляционного расхода от располагаемого перепада давления газлифта.88
3.3.2. Экспериментальные исследования зависимости величины циркуляционного расхода анолита от располагаемого перепада давления газлифта. 91
3.3.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований. 94
3.3.2.2. Измеряемые параметры и оценка погрешности измерений. 98
3.4. Зависимость производительности обеззараживающей установки с мембранным электролизером от конструктивных параметров выносного растворно-расходного бака, совмещенного с газоотделителем хлора. 101
3.5. Оценка безопасности эксплуатации установки с мембранным электролизером. 112
3.6. Выводы по главе. 115
Глава 4. Применение электролизных установок с мембранными электролизерами в оборотных системах технического водоснабжения . 117
4.1. Анализ использования оборотных систем в техническом водоснабжении промышленных и специальных объектах. 117
4.2. Применение хлорсодержащих реагентов в оборотных системах водоснабжения для борьбы с биообрастаниями . 122
4.3. Математическая модель хлоропоглащаемости в оборотных системах водоснабжения. 126
4.4. Рекомендации по применению обеззараживающих установок с использованием мембранных электролизеров в оборотных системах технического водоснабжения. 130
4.5. Выводы. 136
Глава 5. Перспективные направления использования мембранного электролиза в системах водоподготовки . 133
5.1. Применение малогабаритных и блочно-модульных установок для обеззараживания природных и сточных вод. 138
5.2. Малогабаритные установки блочно-модульного типа для обеззараживания природных и сточных вод 140
5.3. Использование мембранных электролизеров фильтр-прессного типа в технологических схемах получения концентрированного гипохлорита натрия. 146
5.4. Выводы по главе. 151
6. Выводы. 153
7. Литература. 155
8. Приложения. 167
- Требования, предъявляемые к конструкциям и технологическим параметрам обеззараживающих установок с использованием ионообменных мембран
- Экспериментальное исследование работы обеззараживающей установки с мембранным электролизером на различных сортах соли
- Математическая модель движения газожидкостной смеси в трубопроводах эжекторно-эрлифтного контура перемешивания анолита в мембранном электролизере
- Применение хлорсодержащих реагентов в оборотных системах водоснабжения для борьбы с биообрастаниями
Введение к работе
В последнее время все большее внимание со стороны общественности, правительства Российской Федерации уделяется вопросам экологической безопасности в стране.
Мировой научно-технический прогресс, способствующий росту благосостоянию людей, таит в себе определенные опасности. Большинство крупных аварий и катастроф являются результатом насыщенности сверхсовременной техникой и сложными системами контроля и автоматики, одновременно резко увеличивается вероятность технических неполадок и человеческих ошибок в процессе эксплуатации техники. Масштаб крупных техногенных катастроф соизмерим с чрезвычайными ситуациями военного времени [46,115,118].
Наряду с обеспечением экологической безопасности на объектах особой опасности одной из приоритетных проблем, решение которой необходимо для сохранения здоровья, улучшения условий деятельности и повышения уровня жизни населения, является обеспечение населения России питьевой водой. В Концепции федеральной целевой программы «Обеспечение населения России питьевой водой» определены основные направления программных мероприятий и механизмы их реализации, необходимые для эффективного решения проблемы обеспечения населения Российской Федерации питьевой водой.
При обеспечении объектов народного хозяйства водой в настоящее время приходится все чаще решать вопросы водоподготовки вследствие имеющей место тенденции к ухудшению качества воды в водных источниках, не отвечающее требованиям СанПиНа 2.1.4.1074-01. Частота выявления неудовлетворительного качества воды по санитарно-химическим показателям по данным Первого заместителя ^шнистра здравоохранения РФ, Главного государственного санитарного врача РФ Г.Г. Онищенко, стабильно держится на уровне 20-21,5% и проявляет тенденцию к увеличению. Неудовлетворительное состояние питьевого водоснабжения в -.,-. -. t, » <-.... « . «v.. *.—, гп«^>^*^^»»«Ігм<»М,Ий,,і'-»<и---»іч ч. I <иш MtlliJ^HIl>4-»>l^j^№tPm^-t^^ *^^W<^l.^nJ^*^^KWW^l^HI№*r-4.. f/Л-ЩНШ. целом по стране иллюстрируют, например, результаты паразитологического контроля качества воды в г. Санкт-Петербурге. Так, віл воды р. Невы обнаруживается до 4 яиц гельминтов, до 33 цист кишечных простейших. Наибольшую остроту приобретает проблема обеззараживания воды в районах проведения антитеррористических мероприятий, где складывается предэпидемическая ситуация [101].
Применение хлорсодержащих реагентов, несмотря на ряд недостатков, является на сегодняшний день основным методом обеззараживания природных и сточных вод, позволяющее обеспечить пролонгированное действие обеззараживающих реагентов [48].
Главной проблемой применения жидкого хлора является обеспечение безопасности при обращении с реагентом на стадиях транспортировки на станцию, хранения, использования, дозирования. По этой причине около 10 лет назад технологии использования хлора потребителями, в частности. Водоканалами, были отнесены к категории подконтрольных Госгортехнадзору, как и технологии производства хлора. В 1999 г. выпущены «Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора» ПБ 09-322-99. Требования этих Правил распространяются на технологию применения хлора, объемно-планировочные решения зданий хлораторних, контроль состояния системы оборудования и трубопроводов, автоматическое регулирование процессов и поддержание безопасного режима работы [80].
Являясь элементом комплекса сооружений для подготовки питьевой воды или очистки сточных вод, хлораторная должна отвечать требованиям технологии обеззараживания: должны быть предусмотрены средства контроля и регулирования дозы хлора, обеспечена надежность обеззараживания, возможность одновременной подачи хлора в несколько точек при разных условиях его ввода.
В этом отношении хлораторная должна отвечать требованиям соответствующих глав СНиП [113].
Хлораторная является потенциальным источником загрязнения атмосферы и поэтому особо контролируется органами охраны природы в соответствии с нормативными документами,
Сопоставление требований Правил ПБ 09-322-99, СНиП, природоохранных нормативов и фактического технического уровня хлораторних и действующих типовых проектов для их строительства показало необходимость срочного изменения ситуации, опасной последствиями в отношении охраны окружающей среды и производственной безопасности на объектах, где применяется хлор [46].
Хлорирование воды является обязательным мероприятием, осуществляемым на коммунальных водопроводах и станциях по обработке технических и сточных вод. Как правило, для этой цели используется сжиженный хлор-газ, твердые реагенты (хлорная известь, гипохлорит кальция и др.), а также реагенты, поступающие на станции очистки в виде растворов (например, гипохлорит натрия).
Основным недостатком использования сжиженного хлора для целей хлорирования является повышенная опасность отравления обслуживающего персонала водоочистных станций, а при аварии - и жителей прилегающих к станции водоподготовки населенных мест. Кроме этого следует отметить, что для обеззараживания воды с использованием сжиженного хлор-газа требуются значительные капитальные и эксплуатационные затраты, включающие в себя как затраты на строительство отдельного здания хлораторной, приобретение, доставку и хранение реагента, но и затраты на обслуживание хлордозаторного оборудования, а также затраты на обеспечение мероприятий по технике безопасности.
Применение на станциях водоподготовки твердых реагентов (хлорной извести и гипохлорита кальция) технически более просто и безопасно. Однако это самые дорогие реагенты, выпускаемые централизованно химической промышленностью, а доставка на место потребления еще более увеличивает их стоимость, повышая ее в 3-6 раз. При этом более половины транспортируемых продуктов - балласт, поскольку содержание активного хлора в хлорной извести составляет 30*35%, а в гипохлорите кальция - 50% [99].
Использование в качестве обеззараживающего реагента гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза растворов поваренной соли, является одним из перспективных методов обеззараживания. Сохраняя все достоинства хлорирования с использованием жидкого хлора, применение электролитического гипохлорита натрия позволяет избежать основных трудностей, связанных с транспортировкой и хранением токсичного газа. Кроме того, применение этого реагента позволяет устранить постоянную зависимость потребителя от заводов-поставщиков жидкого хлора или других хлорпродуктов, выпускаемых централизованно химической промышленностью, а также от использования специализированных транспортных средств, что особенно важно для отдаленных районов [84].
В последнее время все большее применение для получения хлорсодержащих реагентов находит метод с использованием мембранного электролиза. Основные достоинства мембранного метода: экологическая чистота, экономия энергозатрат и расходных материалов, высокое качество получаемых продуктов, удобство эксплуатации производств, малые производственные площади. Суммарные энергозатраты при мембранном методе на 25 - 40% ниже, чем при традиционных методах, а удельный расход соли в 2,5-3 раза меньше, чем в гипохлоритных электролизерах. В приложении № 1 приведены сравнительные характеристики электролизеров различного типа для производства хлора и растворов гипохлорита натрия [П2].
К настоящему времени совершенствование технологии мембранного электролиза позволило достичь высоких технико-экономических
11 показателей, которые позволяют широко внедрять этот процесс в химической промышленности.
Следует отметить, что процесс электролиза в мембранных электролизерах предполагает использование растворов поваренной соли после глубокой очистки от примесей, а это влечет за собой применение в технологической схеме стадии подготовки исходного раствора, доупарки электролитической щелочи, а также обесхлорирования и переработки анолита. Все это влияет на существенное удорожание установок получения дезинфектанта и увеличение эксплуатационных расходов.
В случае применения на станциях водоподготовки малой производительности установок для обеззараживания воды целесообразно отказаться от такой полной технологической схемы получения хлорсодержащих реагентов.
Одним из путей совершенствования методов и средств физико-химической и биологической очистки воды, как отмечается в федеральной целевой программе «Обеспечение населения России питьевой водой» является использование мембранных технологий [130]. Использование опыта проектирования и конструирования отечественных и зарубежных промышленных электролизных мембранных установок, применяемых в химической промышленности, определило одно из перспективных направлений по совершенствованию методов и средств водоподготовки -разработка технологий и создание опытных образцов блочных водоочистных установок малой производительности [83].
Указанное состояние вопроса подтверждает актуальность темы диссертации, направленной на разработку технологической схемы установки для приготовления и дозирования хлорсодержащих реагентов на месте потребления, а также обеспечения требуемого уровня безопасности при транспортировании, хранении и применении хлорсодержащих реагентов,
Целью работы является изучение процессов, протекающих в анодной и катодной камерах мембранного электролизера; разработка технологических приемов, позволяющих повысить производительность и надежность работы, а также снизить капитальные затраты на изготовление и эксплуатационные затраты на обслуживание обеззараживающих установок, в которых могут применяться мембранные электролизеры.
В соответствии с поставленной целью определены и основные задачи: разработка технологической схемы получения хлора с использованием циркуляционных контуров анолита и католита; изучение влияния циркуляционного расхода анолита на процесс растворения твердой фазы поваренной соли в растворном баке, совмещенным с сепаратором хлора; разработка математической модели движения газожидкостной смеси в трубопроводах эжекторно-эрлифтного контура перемешивания анолита в мембранном электролизере; разработка технологической схемы и создание опытного образца установки обеззараживания воды с мембранным биполярным электролизером в блочно-модульном исполнении; сравнительная оценка безопасности предлагаемой и существующих технологий обеззараживания воды,
Практическая ценность работы состоит в использовании экспериментальных данных при разработке конструкторской документации и создании опытных образцов: установки по производству концентрированного гипохлорита натрия и станции обеззараживания воды в блочно-модульном исполнении с использованием мембранного электролизера, а также во внедрении полученных результатов в производство.
Научная новизна работы заключается в изучении режимов работы мембранного электролизера и внешних элементов обеззараживающей установки. Разработаны математические модели движения газожидкостной смеси в трубопроводах эжекторно-эрлифтных контуров перемешивания рабочих сред в мембранном электролизере и движения жидкости через ионообменную мембрану, позволяющие определять конструктивные параметры установок для обеззараживания воды. Разработана математическая модель хлоропоглащаемости в оборотных системах водоснабжения, дающая возможность определять технологические и конструктивные параметры обеззараживающих установок для борьбы с биообрастаниями в системах технического водоснабжения. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана технологическая схема станции обеззараживания воды типа СОВ-МЭ, выполнен опытно-промышленный образец такой станции и внедрен на станции водоподготовки.
На защиту выносятся следующие положения: - экспериментальные и теоретические результаты изучения режимов работы мембранного электролизера на различных сортах соли без ее очистки, а также с использованием различных электродных систем; - математические модели движения жидкости через ионообменную мембрану и движения газожидкостной смеси в циркуляционных контурах перемешивания рабочих сред, позволяющие определять необходимые технологические параметры работы мембранного электролизера; экспериментальные результаты исследования работы обеззараживающей установки с выносным растворно-расходным баком, совмещенным с газоотделителем хлора; технологические схемы установок для получения хлорсодержащих реагентов (хлор-газа, пшохлорита натрия концентрированного или обычного) на месте потребления; сравнительная оценка безопасности электролизных установок для обеззараживания воды,
Требования, предъявляемые к конструкциям и технологическим параметрам обеззараживающих установок с использованием ионообменных мембран
Несмотря на то, что технология мембранного электролиза с целью получения чистой каустической соды и хлора стала широко внедряться в промышленность лишь с недавнего времени, она непрерывно подвергается серьезным усовершенствованиям. Это прежде всего относится к разработкам в области катионообменных мембран, а также конструкций электролизеров мембранного типа. Развернутые в последнее время работы по мембранному электролизу позволили создать и подготовить к промышленному внедрению технологический процесс и конструкции электролизеров биполярного и монополярного типов.
Одной из первых предложила использовать ионообменную мембрану из сульфированного фенолоформальдегидного полимера для разделения анодного и катодного пространств электрохимической ячейки с целью получения хлора и щелочи фирма "Хукер" в 1952 году [8]. Последующие исследования были направлены на создание конструкций электролизеров и разработку технологических приемов, которые позволили бы повысить выход по току, чистоту получаемой каустической соды и увеличить срок службы мембран. Однако выдвигаемые предложения из-за сложности конструкций и обслуживания установок в промышленности применения не нашли. К концу 60-х годов интерес к мембранному электролизу снизился, что объяснялось малой селективностью существовавших мембран, повышенным расходом электроэнергии, получением каустической соды более низкого качества по сравнению с продуктом, получаемым по ртутному методу [12]..
В начале 70-х годов работы по мембранному электролизу получили новое развитие, что было обусловлено тремя причинами: усилением внимания к охране окружающей среды; созданием ионообменных материалов на основе перфторированных сополимеров; широким внедрением малоизнашиваемых анодов. Так, в 1973 году был предложен электролиз хлорида натрия в двухкамерном мембранном электролизере с мембраной из гидролизованного сополимера перфторсульфоновой кислоты и тетрафторзтилена [90,94], а в 1975 году были пущены первые опытно-промышленные мембранные установки по производству хлора и каустической соды сначала фирмой "Асахи Кемикл" в Нобеока (Япония), а затем фирмой "Хукер" в Драйдене (Канада) [2,12].
К настоящему времени совершенствование технологии мембранного электролиза позволило достичь таких технико-экономических показателей, которые позволяют широко внедрять этот процесс в промышленность. 1.3. Требования, предъявляемые к конструкциям и технологическим параметрам обеззараживающих установок с использованием ионообменных мембран.
Несмотря на то, что технология мембранного электролиза с целью получения чистой каустической соды и хлора стала широко внедряться в промышленность лишь с недавнего времени, она непрерывно подвергается серьезным усовершенствованиям. Это, прежде всего, относится к разработкам в области катионообменных мембран, а также конструкций электролизеров мембранного типа. Развернутые в последнее время работы по мембранному электролизу позволили создать и подготовить к промышленному внедрению технологический процесс и конструкции электролизеров биполярного и монополярного типов.
Поскольку выпускаемые в настоящее время катионообменные мембраны в виде пленки требуют применения плоских электродных поверхностей, предпочтение при конструировании хлорных электролизеров отдается установкам со многими электродными ячейками, уплотняемыми по принципу фильтр-прессного соединения. Это относится ко всем типам известных промышленных электролизеров. На рис. 1.1. приведена классификация электролизеров для получения хлорсодержащих реагентов электрохимическим способом. При использовании мембранных электролизеров для получения хлорсодержащих реагентов к конструкциям и технологическим параметрам установок предъявляются более жесткие требования функциональной надежности оборудования, а также требования к процессу подготовки питающего рассола [47, 68].
В настоящее время широкое применение приобрели электролизеры как монополярного, так и биполярного типа, хотя предпочтение отдается электролизерам с монополярными электродами. Так, последние разработки фирм "Окситек", "Дау-Де Нора", "Асахи Гласе и др. ведутся преимущественно в этом направлении [90,3,13]. Биполярные электролизеры привлекательны тем, что значительным набором электролитических ячеек можно создавать электролизные установки большой единичной мощности. При этом отпадает необходимость в применении промежуточных токоподводов за исключением шин, подсоединяемым к концевым (крайним) электродам. Однако в биполярном электролизере фильтр-прессного типа имеется ряд конструкционных и технологических сложностей, затрудняющих как процессы изготовления и монтажа, так и их эксплуатацию [57,67,73].
Экспериментальное исследование работы обеззараживающей установки с мембранным электролизером на различных сортах соли
Одним из направлений совершенствования процесса обеззараживания природных или сточных вод является применение диафрагменного или мембранного электролиза. Известно большое количество различных по своей конструкции и принципу работы как диафрагменных, так и мембранных электролизеров.
Независимо от способа электролиза во всех случаях протекает следующая суммарная реакция:
Исходным сырьем как для диафрагменного, так и для мембранного электролиза служит твердая фаза поваренной соли ТУ 18-11-3-85 "Натрий хлористый (поваренная соль) для промышленного применения". Сорт "Высший". Кроме того, допускается использование пищевых сортов соли ТУ 13830-84 "Соль поваренная пищевая ". Сорт "Экстра", "Высший" "Первый". Возможно также применение технических сортов соли при обязательном условии их глубокой очистки.
Как правило, общая схема стадии подготовки исходного раствора хлорида натрия включает в себя две ступени: первичную очистку обычным содово-каустическим способом и вторичную глубокую очистку с применением ионообменных смол. Выход по току (к.п.д. электролизера) при такой схеме подготовки исходного раствора при мембранном электролизе достигает 95-99% [57, 77,90].
Мембранный метод позволяет получать раствор гидроксидд натрия достаточно высокой концентрации - 35% (масс.) с незначительным содержанием соли не более 0.02% (масс.) (что практически близко к показателям, получаемым на ртутных электролизерах), при этом, не прибегая к применению токсичной ртути [89, 102]. Для процесса электролиза с катионообменной мембраной в качестве питающего раствора используют раствор хлорида натрия, содержащий 300-315 кг/м3 NaCl. При этом основные процессы, протекающие на анодах и катодах мембранных электролизеров, аналогичны имеющим место при электролизе с фильтрующей диафрагмой. Основные отличия мембранного процесса от диафрагменного заключаются в том, что мембранный процесс требует более глубокой очистки питающего рассола от примесей и значительного подкисления анолита. Основные требования к очищенному рассолу при мембранном электролизе определяются следующими требованиями. Ионно-обменные мембраны особо чувствительны к наличию в рассоле многовалентных катионов (Саг+ ,м +,я# +\Fe и др.). Имея значительно меньшую подвижность по сравнению с ионами натрия, многовалентные катионы задерживаются у ионно-обменных групп мембраны, частично адсорбируясь на ее поверхности, тем самым, блокируя и уменьшая обменную емкость мембраны. Если содержание Саг а Mg2 превышает пределы растворимости их гидроксидов, то образующиеся в щелочной среде малорастворимые соединения отлагаются на поверхности или внутри пор мембраны, вызывая деструкцию и уменьшение ее селективности. В результате снижается выход по току, возрастает напряжение, сокращается продолжительность работы мембраны. В случае малого содержания примеси кальция, когда выпадение твердой фазы не происходит, весь кальций, проникший в мембрану, переносится в виде иона кальция в католит и выводится с получаемой каустической содой, оставаясь в ней в виде примеси. Вредное действие оказывают также сульфаты, хлораты, гипохлориты и некоторые другие соединения, которые могут содержаться в рассоле. Количественные ограничения по содержанию примесей в исходном рассоле зависят от природы используемой мембраны и концентрации получаемой каустической соды. Эти два фактора не являются независимыми, поскольку именно тип мембраны определяет и концентрацию образующейся в католите щелочи. Следует также учитывать взаимную растворимость в системе Са(ОН)3 -МаОН-НгО. Известно, что в концентрированных растворах щелочи заметно уменьшается растворимость гидроксида кальция и уже при содержании более 1-1,5 мг/дл 3 Саг в твердую фазу выделяется Са(ОН)2, На основании проведенного анализа и с учетом того, что аппаратное сопровождение стадий подготовки рассола для химических предприятий не приемлемо для блочно-модульных конструкций установок, были проведены исследования работы мембранного биполярного электролизера с мембраной МФ-4СК при условии подачи на него неочищенного раствора соли. Экспериментальная установка для исследования возможности использования в качестве перегородки между камерами электролизера мембраны МФ-4СК приведена на рис. 3.1. На рис. 2.3. приведены результаты проведенных исследований, выход на нормальный режим работы мембранного электролизера составил 35 минут (соль "Экстра"), 45 минут (соль поваренная пищевая, сорт №1, первого помола) и 1 час (соль техническая), одновременно с этим следует отметить, что продолжительность работы испытуемого образца при максимальном выходе хлора по току выше с использованием соли «Экстра» и ниже с использованием технической соли. Как видно из графика на рис. 2.3. выход хлора по току составил соответственно 75, 69,5 и 60,7% [29], это обусловлено более высокой концентрацией ионов NaCl в растворе поваренной соли (анолите), подаваемой на электролиз. На основании проведенных экспериментов следует сделать следующие выводы: 1. Подтверждено, что выход хлора по току зависит от сорта используемой для электролиза соли и количественного содержания в растворе примесей в виде многовалентных катионов (Ga1+,A&1+tFeJ+H др.). 2. Подтверждена возможность использования в установках с мембранными электролизерами неочищенных растворов поваренной соли, при непрерывной работе опытного образца электролизера на соли «Экстра» в течение 12 месяцев снижение выхода хлора по току не превысило 10%.
Математическая модель движения газожидкостной смеси в трубопроводах эжекторно-эрлифтного контура перемешивания анолита в мембранном электролизере
Для проведения экспериментальных исследований был создан макетный образец установки по определению влияния на ее производительность перечисленных выше элементов. Схема макетного образца установки для приготовления дезинфицирующих и дегазирующих реагентов приведена на рис. 3.1. Работа установки осуществлялась следующим образом. Циркуляционные контура перемешивания католита и анолита заполнялись водой, в растворно-расходный бак» совмещенный с газоотделителем хлора 9, засыпалась поваренная соль. Уровень анолита устанавливался выше уровня поверхности твердой фазы соли 10, а уровень католита - до уровня присоединения трубопровода слива щелочи 2 в емкость для сбора щелочи 1. Вода из водопровода подавалась на эжектор 8 для отвода хлора, а на клеммы биполярного мембранного электролизера 15 подавалось напряжение от выпрямителя постоянного тока 16. В процессе работы электролизера 15 в циркуляционных контурах происходит перемешивание католита и анолита за счет разности плотностей жидкостей. В газоотделителе водорода 5 газ отделяется от щелочи и по трубопроводу 7 выводится за пределы помещения в атмосферу, а щелочь возвращается в электролизер 15. Согласно [90, 128], концентрация щелочи в католите не должна превышать 150-160 мг/л, поэтому в контур католита для разбавления вводится вода из водопровода, а накопленная щелочь отводится в емкость для сбора 1. В газоотделителе хлора из анолита выделяется газообразный хлор, который эжектором 8 отводится в обрабатываемую воду, а анолит возвращается в электролизер 15. Донасыщение анолита новой порцией поваренной соли происходит за счет его фильтрации через слой твердой фазы соли 10 и вымывания соли через перфорированное днище 11 при горизонтальном движении анолита. Обработанная хлором вода отводилась в канализацию.
Для контроля и регулирования величин напряжения U и силы тока І в электрическую цепь включены: вольтметр 17, амперметр 18 и реостат 19. Для определения расхода обрабатываемой воды установлен ротаметр 12, отбор проб обработанной воды осуществлялся с использованием пробоотборника б.
При проведении экспериментов с введением воздуха в основание газлифтной трубы циркуляционного контура анолита непосредственно после выхода в трубопровод устанавливалась форсунка, при этом верхняя отметка подводящего воздух трубопровода размещалась выше уровня анолита в растворно-расходном баке, совмещенным с газоотделителем хлора, в целях безопасности.
Концентрация активного хлора в обрабатываемой воде определялась йодометрическим методом [72, 82], а концентрация раствора поваренной соли в анолите с использованием дифференциального измерителя плотности жидкости, устройство и принцип работы которого приведен в приложении 8. Температура анолита определялась по показаниям термометра, расположенного в растворно-расходном баке.
При проведении экспериментальных исследований использовался мембранный биполярный электролизер фильтр-прессного типа с электродной системой «ОРТА (А) - стеклоуглерод (БЭ) - нержавеющая сталь (К)» и мембраной МФ-4СК, работа электролизера осуществлялась на поваренной соли типа «Экстра» [88].
Увеличение точности результатов достигается обычно путем усложнения методики. Объем информации, необходимый для проведения подробного исследования двухфазных течений, часто неоправданно велик. Например, для анализа движения одиночного пузырька газа, всплывающего в неподвижной жидкости, приходится учитывать следующие эффекты; 1. инерция газа и жидкости; 2. вязкость газа и жидкости; 3. разность плотностей и подъемную силу, 4. поверхностное натяжение и загрязнение поверхности. Последний из указанных факторов определить чрезвычайно сложно, так как "загрязнение" может быть обусловлено различными причинам - просто грязью, растворенными веществами или же поверхностно-активными агентами. Тепло- и массообмен также влияют на движение пузырька [37, 65]. В качестве первого этапа решения этой задачи, возможно, следует выделить различные режимы, для каждого из которых будут иметь преобладающее влияние те или иные геометрические или динамические параметры. При определении режима течения необходимо описание морфологического распределения компонентов, или структуры потока. Структура потока часто становится очевидной визуальных или фотографических наблюдений, но это не адекватно полному определению режима течения из-за наличия дополнительных отличительных критериев, например относительного влияния различных сил или различий между ламинарным или турбулентным течениями. Чтобы упорядочить терминологшо, ограничим квалификацию морфологической структурой течения газо-жидкостньгх систем (например: пузырьковая, снарядная, кольцевая и дисперсная) и проведем дальнейшее деление каждой структуры на несколько режимов Г116].
Течения смешанной структуры, обычно характерные для области перехода, обозначаются сложным термином (например, "снарядно-кольцевая" и "дисперсно-кольцевая" структуры течения). Возможно использование некоторых синонимов (например: "туман", или "водяная пыль" - вместо "дисперсного" потока) [121]. В качестве иллюстраций сложности двухфазных течений на рис. 3.2. показана последовательная смена структур потока в испарительном канале по мере увеличения паросодержания [116]. Очевидно, что для каждого участка испарителя требуется свой метод анализа и, кроме того, необходимо исследовать вопрос о развитии последующего режима из предыдущего.
Применение хлорсодержащих реагентов в оборотных системах водоснабжения для борьбы с биообрастаниями
При этом в качестве математического ожидания результата использовалась медиана вариационного ряда. Использование данного приема позволило снизить суммарную относительную погрешность измерения величины Q до 15%.
Учитывая цель экспериментальных исследований и сложившиеся требования к степени точности инженерных расчетов, можно утверждать, что точность системы средств измерения и методика экспериментальных исследований позволяет судить об адекватности выше рассматриваемых математических моделей фактическому режиму движения жидкости в эжекторно-эрлифтном циркуляционном контуре перемешивания анолита.
Зависимость производительности обеззараживающей установки с мембранным электролизером от конструктивных параметров выносного растворно-расходного бака, совмещенного с газоотделителем хлора.
Существенное влияние на скорость циркуляции анолита в контуре перемешивания оказывает конструкция растворно-расходного бака, совмещенного с газоотделителем хлора. Для повышения скорости циркуляции анолита, интенсификации процесса растворения твердой фазы поваренной соли и повышения концентрации питающего раствора, растворно-расходный бак, дооборудован дополнительной вертикальной перегородкой и перфорированным днищем.
Растворно-расходный бак, совмещенный с газоотделителем хлора, предназначен для хранения запаса поваренной соли, а также для организации процесса растворения поваренной соли и донасыщения анолита. Общий объем бака растворно-расходного бака, совмещенного с газоотделителем хлора, составляет w= 0,001 м3. Схема растворно-расходного бака с вертикальной перегородкой и перфорированным днищем, совмещенного с газоотделителем хлора приведена на рис. ЗЛО., а перфорированного днища нарис. 3.11.
Бак состоит из следующих основных элементов: корпус растворного бака 1, газоотделитель 2, емкость запаса соли 3, крышка с калиброванным отверстием для впуска воздуха 4, сплошная вертикальная перегородка 5, перфорированное днище 6. Для обеспечения подвода и отвода анолита, отвода газообразного хлора, а также опорожнения растворно-расходного бак оборудуется трубопроводами: подъемный . трубопровод анолита 7; трубопровод отвода хлора к эжектору 8; трубопровод для опорожнения 9 и опускной трубопровод анолита 10.
Корпус бака 1, сплошная вертикальная перегородка 5 и перфорированное днище 6 выполнены из оргстекла.
Проницаемое днище (рис. .3.11.) состояло из верхней перфорированной пластины 3 и нижней перфорированной пластины 4 с проточкой 5, толщина каждой из пластин равнялась 4 мм. Перфорация пластин осуществлялась в шахматном порядке круглыми отверстиями диаметром 3 мм с шагом 20 мм. Шаг между рядами отверстий равнялся 20 мм. Расположение отверстий верхней и нижней пластины относительно друг друга представлено на рис. 3.11. Верхняя пластина в нижней части имела проточку, глубина проточки составляла 5 = 0,3 мм. Между собой пластины соединялись склеиванием с использованием дихлорэтана. Для того чтобы поваренная соль не забивала отверстия верхней пластины ив виде твердой фазы не попадала в анолит, поверх перфорированного днища укреплялась стеклоткань.
При проведении экспериментальных исследований использовался мембранный биполярный электролизер фильтр-прессного типа с электродной системой «ОРТА (А) - стеклоуглерод (БЭ) - нержавеющая сталь (К)» и мембраной МФ-4СК, работа электролизера осуществлялась на поваренной соли типа «Экстра».
Исследования влияния конструктивных элементов растворно-расходного бака, совмещенного с газоотделителем хлора, осуществлялось по двум вариантам.
В первом варианте рассматривалась конструкция бака, при котором проницаемое днище устраивалось по всей его площади, вертикальная непроницаемая перегородка отсутствовала. Донасыщение анолита в данном случае осуществлялось за счет фильтрования всего потока анолита через слой поваренной соли.
Во втором варианте рассматривалась конструкция бака рассмотренная выше. Вертикальная непроницаемая перегородка, установленная в баке, выделяла проточную вертикальную камеру, отделенную от камеры с твердой фазой поваренной соли. Донасыщение анолита, подаваемого в анодную камеру электролизера, при такой конструкции бака осуществляется за счет фильтрования части потока анолита через слой поваренной соли и за счет вымывания соли через перфорированное днище при горизонтальном движении анолита под ним.
В обоих случаях конструкция перфорированного днища и расстояние между ним и днищем корпуса бака оставались неизменными, расстояние равнялось 30 мм. Ширина проточной вертикальной камеры во втором варианте составляло 35 мм.
