Расчет прямоточной электродиализной опреснительной установки

     Хорошими  эксплуатационными характеристиками обладают полученные на основе фторированных  ненасыщенных соединений мембраны МРФ-26 и МРФ-4МБ, содержащие -SO3H в качестве ионогенных групп. МРФ-4МБ весьма термостойка и может применяться при 100 °С и выше.

     Эти мембраны показали химическую стойкость  в сильных окислительных средах: хромовой кислоте, гипохлорите натрия, концентрированной щелочи и серной кислоте. Еще большей химической стойкостью обладает мембрана МФ-4СК, выдерживающая действие наиболее активного для ионитных мембран окислителя – 10%-ного раствора H2O2. Для обеспечения механической прочности мембран МФ-4СК смолу наносят на ткань из политетрафторэтилена.

     В табл. 3.4 приведены характеристики некоторых  серийно выпускаемых в России гетерогенных мембран.

     Наиболее  совершенные мембраны производятся в настоящее время японскими  фирмами «Асахикемикал» и «Асахи глас» на основе перфторуглеродных материалов с -СООH в качестве ионогенных груп, а также фирмой «Дюпон» (CША). 
 

     1.3 Конструкции и схемы 

     Уменьшение  омических потерь в растворе достигается  максимально возможным сближением электродов и соответственно мембран. Интервалы между ними обеспечиваются прокладками различной конструкции, чаще всего – лабиринтно-сетчатыми. Прокладки выполняют также важную роль турбулизации потока воды (уменьшение опасности возникновения отложений). Применяются и профилированные мембраны (без прокладок), и прокладки струнного типа.

     Во  избежание образования застойных  зон в камерах концентрирования значительную часть (до 80%) получаемого раствора возвращают в диализный аппарат – создается циркуляционный контур.

     Введение  в камеры деминерализации смеси гранулированных или в виде волокон катионитов и анионитов – способ снижения нижнего экономически оптимального предела – 500 мг/л – деминерализуемой воды (электродеионизация). В этом случае можно получить не только пресную, но и глубокодеминерализованную воду (рис.3).

Рис.3. Схема  электродеионизационной установки 
 
 

     1.4 Условия применения метода 

     Мембраны  электродиализные так же, как и  обратноосмотические, требуют исходную воду определенной чистоты. Вода, подаваемая к электродиализному аппарату, должна содержать, не более:

     жесткость общая – 40 ммоль/л;

     взвешенные  вещества – 1,5 мг/л;

     цветность – 20 градусов по платино-кобальтовой  шкале;

     перманганатная  окисляемость – 5 мгО/л;

     железо  общее (Fe) – 0,05 мг/л;

     марганец  общий (Mn) – 0,05 мг/л;

     бораты (по ВО2) – 3 мг/л;

     бром (Br) – 0,4 мг/л;

     алюминий (Al) – 0,05 мг/л.

     Электродиализные  аппараты позволяют деминерализовать воду практически любой степени минерализации почти полностью.

     Глубина очистки – регулировкой расхода  очищаемой воды.

     Срок  службы аппаратов примерно 10 лет.

     Расход электроэнергии – 0,5–2,5 кВт ・ ч/м3 (в зависимости от минерализации исходной воды и других условий).

     Давление  воды на входе – 0,15–2,0 МПа; на выходе – 0,2–0,5 МПа.

     Температура воды на входе – 18–25°С; возможно повышение  температуры до 40°С – в этом случае расход электроэнергии уменьшается примерно на 20–30%.

     Режим работы – непрерывный. Борьба с отложениями  солей на поверхности мембран: переполюсовка  электродов с одновременным переключением  потоков диализата и рассола, а также подкисление рассола и католита. Возможна – при необходимости – отмывка трактов повышенными дозами кислоты и растворами комплексообразователей.

 

      2 Расчет прямоточной  электродиализной  опреснительной установки 

     Исходные  данные:

     1) расход воды, опресняемой установкой, = 2000 м3/сут = 83,3 м3/ч;

     2) пропускная способность электродиализатора = 500 м3/сут = 20,8 м3/ч;

     3) общее содержание растворенных  солей в исходной воде С_н= 1418 мг/л = 1,42 г/л;

     4) температура исходной воды 17°С;

     5) удельная электрическая проводимость исходной воды х=30,6∙10^-4 См.см^-1 ;

     6) выход по току  = 0,87;

     7) содержание ионов:

 

     8) толщина дилюатной (рассольной) камеры  в электродиалезном аппарате (см);

     9) скорость протекания воды в  ячейке  (см/с);

     10) площадь отдельной мембраны в  аппарате  (см²);

     11) толщина мембраны  (см);

     12) тип прокладки в электродиализном аппарате – лабиринтно-сетчатый косого исполнения толщиной (см);

     13) материал прокладки – полиэтилен  ПВД;

     14) длина пути потока (лабиринта)  (см)

     15) длина канальца распределения  (см)

     16) диаметр распределительного коллектора  в аппарате  (см);

     17) коэффициент экранирования мембраны  лабиринтносетчатой прокладки (полезная  площадь)  ;

     18) солесодержание опресненной воды 1000мг/л=1г/л. 
 

     Расчет  будем вести в следующей последовательности³.

     1.Сиепень  опреснения исходной воды на  установке 

       

     2.Ионная  сила раствора

       

     3.Среднее  солесодержание

       

     4.Степень  допустимого концентрирования солей в рассольных камерах при циркуляции рассола

     

     5.Концентрация  солей в рассоле может быть  доведена до

       

     6.Необходимое  солеудаление (снижение общего солесодержания  с 1418 до 1000 мг/л)

       

     7.Количество  электричества, которое нужно  пропустить через электродиализатор  для удаления из воды рассчитанного  количества солей

       

     8.Отношение  концентрации рассола и дилюата  в конце длины пути (лабиринта)  потока  электродиализном аппарате

       

     9.Ширина  потока воды в прокладке (лабиринте)  электродиализного аппарата

       

     10.Число  дилюатных (рассольных) камер или  соответственно число рабочих  ячеек в электродиализном аппарате

       

     11.Необходимая  площадь катионитовых (анионитовых)  мембран в одном аппарате

     

       

     Аппарат АЭ-25 с пропускной способность до 25(м³/ч) имеет 300 катионитовых (анионитовых) мембран с . 
 

     12.Эквивалентная  электрическая проводимость исходной  воды

       

     13.Толщина  диффузионного слоя 

       

     14.Критические  условия работы электродиализного  аппарата

       

     15.Падение  напряжения на одну электродиализную ячейку аппарата

     

     16.Напряжение  на электродиализном аппарата, необходимое  для поддержания средней плотности  тока в ячейке

       

     17.Срелняя  концентрация дилюатта по длине

     

     18.Средн  плотность тока в ячейке 

       

     19.Потери  напора в камере (дилюатной или  рассольной)

       

     20.Потери напора в местных сопротивлениях в камере (дилюатной или рассольной)

       

     21.Полные  потери напора в камере

       

     21.Расход  электроэнергии на обработку  воды в электродиализной установке

     На  деминерализацию

     

     На  подачу дилюата и рассола  электродиализный аппарат

     

     Суммарный на обработку 1 м³ воды

      .

 

      Заключение 

     Из  всех компонентов окружающей среды  вода - жизненно необходимый продукт. Для нее нет заменителей. Все регионы в достаточной степени  обеспечены водой.  Однако возможность свободного ее использования на нужды  промышленного производства и обеспечение населения качественной питьевой водой являются приоритетными социально-экономическими проблемами. Естественными источниками водоснабжения централизованных систем водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий являются подземные и поверхностные воды. В России характерно использование главным образом подземных вод для водоснабжения городов и сельских населенных мест. Подземные воды обычно имеют постоянный состав и температуру, низкое содержание органических веществ, значительную минерализацию, высокое содержание растворенных газов, железа и марганца и при этом достаточную санитарную надежность. Исключение здесь составляют подземные воды верхних незащищенных горизонтов, забираемые из шахтных колодцев в основном в сельской местности. Только в двадцатом веке на основе достижений физической и коллоидной химии, биохимии, физики, гидравлики и общей теории процессов и аппаратов стала интенсивно развиваться технология улучшения качества воды.  Природные воды представляют собой сложную многокомпонентную динамическую систему, в состав которой входят минеральные соли, молекулярные и коллоидные органические вещества, газы, диспергированные примеси, гидробионты, бактерии и вирусы. Во взвешенном состоянии в природных видах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы. В коллоидном состоянии - различные вещества органического происхождения, кремниевая кислота, гидроокись железа, гуматы и фульвокислоты. В истинно растворенном состоянии - в основном минеральные соли. Концентрация отдельных примесей в воде определяет ее свойства и качество. Требования к качеству природных вод могут быть самыми различными и зависят от целевого назначения вод. Различают воду, используемую для хозяйственно-питьевые нужды, в отраслях пищевой промышленности, а также для технологических целей промышленности. Хозяйственно-питьевая вода должна быть безвредна для здоровья человека, иметь хорошие органолептические показатели и быть пригодной для использования в быту. Вода для технологических нужд промышленности в зависимости от ее целевого использования должна отвечать самым разнообразным требованиям.