АЛМАТИНСКИЙ  ИНСТИТУТ  ЭНЕРГЕТИКИ  и  СВЯЗИ

 

 

Кафедра промышленной  теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  СИСТЕМ  ПОДГОТОВКИ ВОДЫ

Методические указания к выполнению курсового проекта

(для студентов специальности 220200 – Технология  воды  и  топлива)

ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

(для студентов бакалавриата специальности 050717 – Теплоэнергетика)

 

 

 

 

 

 

 

Алматы  2006

 

СОСТАВИТЕЛИ:  Л.Р. Джунусова. Проектирование систем подготовки воды. Методические указания к выполнению курсового проекта (для студентов очной формы обучения специальности 220240 – Технология  воды  и  топлива). Водоподготовительные установки и системы (для студентов очной формы обучения, обучающихся по программе бакалавриата, специальности 050717 – Теплоэнергетика). – Алматы: АИЭС, 2005. - 23 с.

 

 

 

 

Методические указания содержат введение, задание к курсовому проекту, содержание и объём работы с указанием всех основных разделов и рекомендаций, а также перечень используемой литературы.

Ил. 4  , табл. 4, библиогр. __

 

 

 

 

 

 

Рецензент:  гл. спец-химик АО АПК Р.М. Орлова.

                                                                      

 

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2005 год.

 

 

 

 

 

 

 

 

© Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.

 


Содержание

 

Введение

1 Цели и задачи курсового проекта………………………………………………4

2 Содержание и объём курсового проекта……………………………………….4

3 Задание и исходные данные на выполнение курсового проекта…………......4

4 Теоретическая  часть……………………………………………………………. 6

5 Технологический расчёт электродиализных установок………………………12

5.1 Определение кратности деминерализации исходной воды…………….... 12

5.2 Определение удельной электрической проводимости растворов………...12

5.3 Определение предельного значения степени концентрирования рассола………………………………………………………………………………….....13

5.4 Определение расчетной скорости протекания обрабатываемой воды.…...15

5.5 Определение максимального съёма соли ……………………………..........15

5.6 Определение числа ступеней обессоливания……….………………….. .. ..15

5.7 Определение степени обессоливания на электродиализаторе при расчетном режиме……………………………………………………….………………………15

5.8 Определение концентрации дилюата по ступеням обессоливании.…….....15

5.9 Определение средней расчетной концентрации дилюата……………...…...15

5.10 Определение расчетной концентрации рассола по ступеням:………….....15

5.11 Определение средней рабочей плотности тока по ступеням…………...…16

5.12 Определение расчетного значения мембранного потенциала по ступе­ням деминерализации………….…………..……………………………………………. 16

5.13 Определение расчетной удельной электропроводности дилюата рассола по ступеням…………………………………….………………………………………..16

5.14 Определение удельной электропроводности мембран…..…………….…..16

5.15 Определение омического сопротивления ячейки………..…………….…...16

5.16 Определение расчетного напряжения по ступеням……….………….….....17

5.17 Определение расхода электроэнергии………………………….………..…..17

5.18 Электросопротивление  электродиализатора……………………..….....…..17

5.19 Расход электроэнергии на перекачку……………………………….……... .17

6 Выполнение расчёта на ЭВМ с помощью электронных таблиц………….….....18

Список  литературы…………………………………………………………….. ….20

 

 

 

 

 

Введение

 

Задачами курсов «Проектирование систем подготовки воды», «Водоподготовительные установки и системы» являются закрепление знаний в области проектирования водоподготовительных установок, полученных на предыдущих курсах.

В данном курсовом проекте предлагается рассчитать электродиализную установку. Электродиализ используется для очистки высокоминерализованных и сточных вод, но в данной работе он рассчитывается для обычного поверхностного источника. Это позволит сравнить его с методами очистки воды на ионообменных фильтрах.

 

1 Цели и задачи курсового проекта

 

Целью курсовой работы является формирование и развитие у студентов умения самостоятельно приобретать научно-технические знания в соответствии с требованиями квалификационной характеристики по данному курсу и учебным планом специальности. Применение полученных знаний и решение конкретных инженерных задач при выполнении курсовой работы воспитывает у студентов ответственность за принятые решения, а также подготавливает студентов к выполнению дипломного проекта.

 

2 Содержание и объём курсового проекта

 

Курсовой проект должен содержать пояснительную записку с необходимыми графическими материалами.

Пояснительная записка оформляется в виде рукописи в соответствии с ЕСТД и должна включать следующие структурные элементы:

- титульный лист;

- задание;

- содержание;

- основную часть (обоснование, описание, расчёты);

- заключение, список использованной литературы.

 

3 Задание и исходные данные к выполнению курсового проекта

 

В курсовом проекте необходимо выполнить расчёт электродиализной установки.

 

Расчёт установок для обессоливания воды производится на основании исходных данных для проектирования с учётом производительности по обессоленной воде, начального и конечного солесодержания обессоленной воды и рассола, дальнейшего их использования или обработки.

 

Задание должно содержать следующие  данные:

а) назначение установки;

б) полезную пропускную способность по обессоленной воде

    Q (м3/сут) , q (м3/ч) ;

в) характеристику водоисточника;

г) полный физико-химический и бактериологический анализ исходной воды, который должен включать следующие показатели:

 - удельную электрическую проводимость воды,   Ом -1 *см -1 *10-6 или  Ом*см -1*10-6  (ф.9);

 - температуру воды = 17 оС или 290 К ;

 - содержание взвешенных веществ, мг/л ;

 - окисляемость, мгО2/л ;

 - жёсткость общую и карбонатную, мг/л, ммоль/л ;

 - выход по току η = 0,87;

 - толщину дилюатной (рассольной) камеры в электродиализном аппарате dД = 0,12см;

 - скорость протекания воды в ячейке V = 20см/с;

 - площадь отдельной мембраны в аппарате fобщ = 5000 см2;

 - толщину мембраны δА = δК = 0,03см;

 - тип прокладки в электродиализном аппарате – лабиринтно-сетчатая косого исполнения толщиной dкос = 0,12см;

 - материал прокладки – полиэтилен ПВД;

 - длину пути потока (лабиринта) L =304см;

 - длину канальца распределения l кан = 1см;

 - диаметр распределительного коллектора в аппарате Dк = 2см;

 - коэффициент экранирования мембран лабиринтно-сетчатой прокладкой (полезная площадь) Кэк = 0,704;

 - солесодержание опреснённой воды СД = 1000мг/л = 1г/л.

 

При привязке серийных образцов аппаратов заранее известны площадь мембран, их число, марка, тип прокладок, тип и характеристика насосного оборудования, мощность выпрямителя, обвязка аппаратов.

В настоящее время созданы электродиализные установки пропускной способностью от 2 до 5тыс.м3/сут. На базе электродиализных аппаратов АЭ-25, ЭХО, ЭДА можно создавать установки пропускной способностью до 10 тыс.м3/сут.  и более.

 

Таблица 1 – Источник водоснабжения

 

Вариант

Источник  водоснабжения

1

р. Урал

2

р.Волга

3

р.Иртыш

4

р.Лена

5

р.Аму-Дарья

6

р.Днепр

7

р.Амур

8

р.Ока

9

р.Обь

10

р.Кама

 

Таблица 2  

 

Вариант

Расход воды, м3/сут

Пропускная способность, м3/сут

Схема прямоточной установки

1

5000

500

С прямотоком рассола

2

4000

400

3

5500

550

4

6000

600

5

4500

450

6

6500

650

С противотоком рассола

7

5300

530

8

6200

620

9

7000

700

10

5700

570

 

4 Теоретическая  часть

 

Опреснение сточных вод при помощи электродиализа

 

Метод электродиализа основан на миграции ионов под действием поля постоянного электрического тока через разнополярные мембраны из ионообменных смол, отформованные в виде тонких ( 0,15 … 0,6 мм) листов и армированные по площади сетками из синтетических  нитей для придания им достаточной механической прочности. Чередующиеся анионо- и катионообменные мембраны, разделённые параллельными прокладками из пластмассы (0,1 …1,2 мм), образуют обессоливающие и концентрирующие камеры, объединённые в пакет фильтр-прессового типа. Пакет, имеющий 250 …500 и более камер, 2 электрода, отделённые от мембран приэлектродными камерами, и стянутый болтами между двумя нажимными плитами со штуцерами для подвода и отвода воды, называется электродиализатором. Принцип его работы и схема представлены на рисунке1,2.

 

 

Рисунок  1- Принцип устройства электродиализной ячейки:

1 - рассольная камера; 2- камера обессоливания (дилюатная)

     3 - анионообменные мембраны;  4- катионообменная мембрана

 

 

 

Рисунок 2 - Принципиальная схема электродиализного аппарата:

1 - рассольная камера; 2 - дилюатная камера; З - отвод анолита;

4- анод; 5 -приэлектродная камера; 6 - катод; 7 - отвод католита;

8- прокладки (сетки) турбулизатора

 

Анионообменные мембраны пропускают только анионы, катионообменные – только катионы. Анионы, двигаясь в поле постоянного тока из камер к аноду, проходят через анионообменные мембраны в смежные камеры, наталкиваются на препятствие в виде катионообменной мембраны и остаются в этих камерах. Катионы, двигаясь из камер к катоду, тоже проходят в смежные камеры и ,наталкиваясь на препятствие в виде анионообменной мембраны, остаются в этих камерах. В результате в одних камерах образуется обессоленный поток, а в смежных – концентрированный. Приэлектродные камеры промываются исходной водой или специальным раствором электролита.

Электродиализная установка может включать от одного до нескольких десятков и даже сотен электродиализаторов, соединённых последовательно или параллельно и работающих по прямоточному или циркуляционному гидравлическим циклам.

При прямоточном цикле снижение солесодержания до заданного осуществляется за один проход исходной воды через обессоливающие камеры. При этом через концентрирующие камеры поток может проходить один или несколько раз (в зависимости от заданной степени концентрирования рассола).

При циркуляционном цикле вода обессоливается при многократных проходах электродиализатора по камерам.

Степень обессоливания за один проход зависит от времени пребывания исходной воды в обессоливающей камере и величины приложенного электрического тока. Время пребывания зависит от скорости и длины пути потока в камере, которые определяются её конструкцией. С уменьшением скорости производительность установки по воде падает, а при увеличении длины пути возрастает гидравлическое сопротивление соответственно и расход электроэнергии на работу насосов.

Величина постоянного электрического тока на аппарате ограничивается концентрационной поляризацией. Сущность её состоит в том, что по мере обессоливания воды число переносчиков зарядов электрического тока (ионов) в растворе уменьшается, в наибольшей степени это проявляется в диффузионном слое раствора, прилегающем к мембране. Снижение концентрации в нём происходит довольно быстро за счёт разности в числах переноса в мембране и в толще раствора.

Величина электрического тока, при которой начинается этот нежелательный процесс, называется критической плотностью тока (i кр ). Экспериментальное определение i кр сводится к определению точки отклонения прямолинейного участка в сторону криволинейного на вольт-амперной характеристике электродиализатора в координатах U/J и I/J. Отношение плотности тока к концентрации раствора ( i/c ) является величиной, играющей важную роль при

 

проектировании электродиализных установок. Если величина этого отношения возрастает, это свидетельствует о наступлении поляризации в камере обессоливания, и в этом случае можно говорить о предельном значении тока и о критической толщине диффузионного премембранного слоя, в котором недостаток в переносе ионов под действием электрического поля несколько компенсируется диффузионным переносом. Состояние, когда концентрация раствора в диффузионном слое близка к нулю, можно выразить формулой

                                 ,                                                             (1)

где i – плотность тока, А/м2 ;

      с – концентрация в растворе, соответствующая началу поляризации, н ;

      F – постоянная Фарадея, равная 96491 к/г-экв ;

     D – коэффициент диффузии, см2/с ;

     t – t  - разница между числами переноса противоиона в мембранной фазе и растворе;

     δ кр – критическая толщина диффузионного слоя, см.

 

Толщина диффузионного слоя является функцией гидродинамических условий в рассматриваемой камере. В практике эксплуатации электродиализных аппаратов в их камерах используются сепараторы-турбулизаторы, способствующие турбулизации потока и уменьшению толщины ламинарного диффузионного слоя δ. К основным параметрам, влияющим на эту величину, относятся: расстояние между соседними перемычками-турбулизаторами l ; высота канала (толщина обессоливающей камеры) dд ; высота «сжатого» сечения dд – h ; средняя скорость потока V (рисунке 5).

 

 

 

 

Рисунок 5 -
 
 

 

 

 

 


Максимальную толщину диффузионного слоя можно определить по

,

где  ν - динамическая вязкость раствора, см2/с;

       К1 – безразмерный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей перемычек-турбулизаторов.

Тогда критическая плотность тока

      ,         (2)

где К1 = 5,6.

Введение в обессоливающую камеру турбулизатора влечёт за собой потери напора по длине между перемычками на местные сопротивления в виде перемычек-турбулизаторов, на участке сжатия потока перемычкой. Для конструкции прокладки, представленной на рисунке 5, предлагается следующее выражение для потерь напора по длине на «свободном» и «сжатом» участках

 ,                         (3)

      где А – коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения;

            Reн – число Рейнольдса, рассчитанное по гидравлическому радиусу: Rе = 4*V*R/ν;

             lуч – длина участков между перемычками-турбулизаторами;

            R- гидравлический радиус канала, R ≈ d/4 ;

            Кэк – безразмерный коэффициент экранирования, Кэк = 1/(1+а/ lуч),

здесь а – толщина перемычки вдоль потока, см.

 

Потери напора на местные сопротивления в виде перемычек-турбулизаторов в камерах составляют

  ,                          (4)

      где ψ = Re / (h*Reкр); 

            Re = 2*V*dд / ν ;

             h* = (1-h/ dд);

            Reкр = 7000 ;      

                  ε - коэффициент сжатия потока перемычкой-турбулизатором, ε = 0,611.

Общие потери напора в элементе прокладки

                 Нэл = Нм.с. + Ндл.               (5)

 

Потери напора по всей длине пути потока в обессоливающей камере

                        Н = nНэл  ,                    (6)

 

      где n – число элементов прокладки по всей длине потока (L);

                              n = 2*L / (l+a) ,           (7)

 

   здесь l – расстояние между перемычками на одной стороне мембраны.

Формула (2) , по которой определяется iкр, справедлива только в области Re ≤1000. Если    Re>1000, iкр можно вычислить следующим образом

   ,           (8)

     где К2 = 22.

      Несмотря на широкое внедрение электродиализа в народное хозяйство, при его применении имеются некоторые ограничения:

- «отравление» анионообменных мембран органическими веществами ;

- «отравление» катионообменных мембран железом и марганцем ;

- возможность выпадения в осадок карбоната кальция, гидрата окиси магния и гипса при работе электродиализного аппарата в условиях поляризации;

- работа установки при предельных потностях тока ниже оптимальных, что ведёт к повышению себестоимости деминерализации воды;

- относительно высокие капитальные затраты и эксплуатационные расходы на отдельные компоненты установок, включая заменяемые прокладки и мембраны.

В соответствии с указанными ограничениями вода должна быть освобождена от взвешенных и коллоидных загрязнений (их наличие не более 2мг/л ), микроорганизмов, железа и марганца (следы). При высоком содержании в концентрирующих камерах солей жёсткости и сульфатов могут выпасть в осадок гипс, карбонат кальция и гидроокись магния. Для предотвращения этого нужно поддерживать степень концентрирования солей в концентрирующих камерах ниже величины их произведения растворимости или предварительно умягчать воду известными методами.

В практике проектирования установок применяется несколько схем их работы в зависимости от производительности, солевого состава и других исходных условий.

Циркуляционная  схема (рисунок 3). Её применяют при требуемой производительности до 500м3/сут. Эта схема даёт возможность создания типовых серийных автономных установок,

 

Рисунок 3 -
 

 

которые могут быть адаптированы к любым конкретным условиям. Недостатком является завышенный расход электроэнергии вследствие трудности приближения рабочих параметров к критическим в большей части цикла деминерализации.

Прямоточная схема с прямотоком концентрированного потока (рисунок 4, а). Эта схема наиболее распространена в установках с пропускной способностью по воде 500м3/сут  и более и требует разработки индивидуальных проектов. Применение её даёт возможность снизить удельные капитальные затраты и расходы на электроэнергию.

Прямоточная схема с противотоком рассола (рисунок 4, б). Преимуществом этой схемы является более равномерное соотношение концентраций рассола и обессоленной воды (дилюата). Эту схему желательно применять при относительно высоком соотношении концентраций рассола и дилюата.

 

;
 

Рисунок 4 -
 

 

 

5 Технологический расчёт электродиализных установок

 

1 Определение кратности деминерализации исходной воды

 

При расчёте кратности деминерализации следует исходить из двух требований:

а) общее содержание растворённых солей в пресной воде (для питьевых целей) не должно превышать 1000мг/л при условии содержания в ней 350мг/л хлоридов и 500мг/л сульфатов;

б) общая жёсткость опреснённой воды должна быть не выше 7 ммоль/л.

Тогда кратность опреснения будет

1/Ууст = Сн (мг/л)/1000 (мг/л)  или  1/Ууст = Ж (ммоль/л) / 7 (ммоль/л),

где Ууст – безрамерное соотношение концентраций обессоленной и исходной воды;

      Ууст = Ск / Сн ,принимается большая величина.

 

2 Определение удельной электрической проводимости растворов

При расчёте используют таблицы удельных электросопротивлений (ρ) различных растворов в зависимости от концентрации и температуры (таблица1) или формулу электропроводности

 ,                  (9)

где æ18- удельная электрическая проводимость раствора при 18 °С;                                               

    С - концентрация раствора, ммоль/л; 

     β  - показатель степени; при­нимается в зависимости от отношения содержания сульфатионов SO42- к  общему количеству анионов:

 

[SO42-]

0,02…0,2

0,2 - 0,4

0,4 - 0,6

0,6 - 0,8

0,8 - 1,0

β

0,94 - 0,92

0,92 - 0,895

0,895 - 0,87

0,87 - 0,84

0,84 - 0,81

    θ - коэффициент, зависящий от состава воды и округленно равный 8300.

 

  Таблица 3

№ вар

Концентрация NaCl

Значения ρ , Ом*см

г/л

ммоль/л

1

0,029

0,5

16000

2

0,058

1

8060

3

0,29

5

1630

4

0,6

10

840

5

1,17

20

430

6

2,9

50

185

7

5,8

100

93

8

11,6

200

49,2

9

29

500

21,5

 

При обработке производственных сточных вод можно определять удельное электрическое сопротивление раствора через эквивалентную проводимость, вычисляемую по формуле Кольрауша

    ,                         (10)

 

     λ0 - эквивалентная проводимость при бесконечном разбавлении, являющаяся суммой эквивалентной проводимости катиона М ео+  и аниона АНО-  ;

     b - коэффициент;

    С - концентрация электролита в растворе, моль/м3.

Значения эквивалентных проводимостей даны в таблице 4.

Таблица  4

Катион

М ео+ , мОм*см-1 *моль-1

Анион

А но- , мОм*см-1 *моль-1

К+

73,52

Cе-

76,34

Na+

50,11

ОН-

198,00

Н+

349,82

HCO3-

44,48

Са2+

59,50

SO42-

79,80

Mg2+

53,06

CO32-

69,30

 

Удельное электрическое сопротивление

 

        ρ = 1000/ С λ  .                  (11)

 

3 Определение предельного значения степени концентрирования рассола

 

Степень концентрирования рассола можно определить по содержанию ионов кальция и сульфатов  в  исходной воде:

а) по функциональной шкале I (рисунок 5) в зависимости от содержа­ния в исходной воде Са2+  и   SO42-   определяют значения

                                            f2 [Са2+]  и  f3 [SO42];

б) по выражению Дебая-Гюккеля определяют ионную силу обессоливае­мой воды

                                          

или

μ = {[Ca2+] + [Mg2+] + [SO42-] + 0,5 [Na+] + [HCO3-] + [Cl-]}*10-3            (12)

 

концентрация выражается в миллимолях на метр;

          в) по шкале  П  в зависимости от ионной силы находят f4 (μ);

          г) вычисляют  f1 (Кс) по выражению

                       f1 (Кс) = f2 [Ca2+] + f3 [SO42-] - f4 (μ) – 2,74  ;

д) по шкале Ш определяют значение Кс в зависимости от f1 (Кс).

Если вода предварительно умягчается, то предельное значение сте­пени концентрирования рассола может быть найдено ориентировочно по формуле

                                     (13)

где μ - ионная сила раствора, определяется по выражению (12);

[Ca2+] [SO42-] - концентрация ионов кальция и сульфатионов в исходной воде,  моль/л.

Необходимая глубина умягчения исходной воды при желаемой степени концентрирования Кс   может быть определена по формуле:      

,                                       (14)

где                     .

 

 

 

 

 

4 Определение расчетной скорости протекания обрабатываемой воды

Конструкцией каждого электродиализного аппарата уже предусмот­рена определенная скорость протекания обрабатываемой воды через ячейки, а следовательно, с учетом оптимальной плотности тока и про­изводительности по обессоленной воде. Задача сводится к нахождению числа параллельно работающих электродиализаторов

N э = Qуст / Q э  ,          (15)

                                            

где  Qуст - заданная производительность установки, м3/сут; м3/ч;

       Qэ - пропускная способность одного аппарата, м3/сут; м3/ч.

 Расчетная скорость установки

Vрасч = Qуст Vn / Nэ*Qэn  ,                (16)

где  Vn  - скорость аппарата по паспорту, см/с;

       Qэn - пропускная способность аппарата по паспорту, м3/ч.

 

5 Определение максимального съёма соли

Его производят по приближенной формуле

 

∆Сд = ∆СNaCl (æд / æNaCl)*[1+0,02(t-18oC)] ,      (17)

 

где ∆Сд - расчетная величина съема соли из исходной воды;

      ∆СNaCl - величина съема соли   NaCl ;

      æд / æNaCl - безразмерное соотношение удельных электрических проводимостей рабочего раствора и раствора той же концентрации.

 

6 Определение числа ступеней обессоливания

 Производится по формуле

N = lg(Cн / Cк) / lg (1/YNaCl) + Ni   ,             (18)

где Ni  принимается равным единице при числе ступеней меньше пяти и равным двум при большем числе ступеней.

 

7 Определение степени обессоливания на электродиализаторе при расчетном режиме

        Y = Cн1/N / Cк  .                                                          (19)

 

8 Определение концентрации дилюата по ступеням обессоливания

                                  CNi = Cн*YN i-1 ,                                   (20)

                                   

где Ni- порядковый номер ступени.

 

9 Определение средней расчетной концентрации дилюата

CД Ni = Cн*YN i-1 (1-Y) / lg (1/Y).                         (21)

 

10 Определение расчетной концентрации рассола по ступеням

 

а) концентрация рассола на выходе из последней ступени

Cрк = KсCн,                                 (22)

где Kc - степень концентрирования.

 

б) концентрация рассола на входе в электродиализатор

Cр.н. = Ср.к. – d*∆C ,                       (23)

где d* -  отношение расхода дилюата к расходу рассола по камерам;

d* = QД / QР ≈ 1 ;

 

в) расчётная концентрация рассола по ступеням

С Р Ni = Cн {Kc + d*[Yуст – YN i-1 (1-Y) / lg(1/Y)]}.       (24)

 

11 Определение средней рабочей плотности тока по ступеням

iср Ni = [26,8*Qуст*Сн / (η*nm*f)] YN i-1*(1-Y)  ,

или          ,     (25)

где  Qуст – расход воды через установку, м3/сут, м3/ч;  

        η  - коэффициент выхода по току,     η = 0,8 ... 0,85;   

        ηм - число мембран; 

        f - площадь мембран, м2;

       Uяч - напряжение на пару камер, В;

       ХN - безразмерная концентрация рассола, ХN = Cр / Cд ;

       Cпр - концентрация в дилюатной камере в момент наступления поляризации, Н;

       δА - толщина анионообменной мембраны, см;

       δК - толщина катионообменной мембра­ны, см;

       æА , æК -  электропроводности анионообменной и катионообменной мембран соответственно;

       æNaCl - электропроводность раст­вора NaCl;

       λ - эквивалентная электропроводность раствора.

 

12 Определение расчетного значения мембранного потенциала по ступе­ням деминерализации

Ем = 0,2*lg(Cp Ni / Cд Ni) .                (26)

 

13 Определение расчетной удельной электропроводности дилюата рассола по ступеням

                         æд = (CNi / θ)*[1+0,02 (t исх + Ni -18o)] ,                  (27)

æр = (CрNi / θ)*[1+0,02 (t см + Ni -18o)] ,

где   t исх  - температура исходного раствора;

         t см = t исх  + (1/æ -1) Ni  , здесь æ = d*(1-Yуст)/(Кс-1)

θ = 8300;   Ni  = 1...2.

 

14 Определение удельной электропроводности мембран

                æА= æА NaCl (æд / æNaCl )*[1+0,02 (t исх + Ni -18o)] ,        (28)

æК= æК NaCl (æд / æNaCl )*[1+0,02 (t исх + Ni -18o)] ,

 

         где æА NaCl , æК NaCl - удельные электропроводности соответственно анионитовых и катионитовых мембран в растворе   NaCl  с   концентрацией соответствующей концентрации дилюата.

 

15 Определение омического сопротивления ячейки

                     ,               (29)

где δА  и δК - толщины анионитовой и катионитовой мембран;

     δ’ - толщина диффузионного примембранного слоя;

     f - рабочая площадь отдельной мембраны, см2.

 

16 Определение расчетного напряжения по ступеням

UNi = Uэл + nм*EмNi + iср Ni *f* nм*rяч* Ni  ,               (30)

где Uэл - электродный потенциал (Uэл ≈ 4... 6В);  

       nм - число мембран в электродиализаторе .

 

Падение напряжения на одной электродиализной ячейке составит

  .   (31)

 

17 Определение расхода электроэнергии

 

Wобщ = Wобес + Wпер  ,                  (32)

    Wобес – расход электроэнергии на собственно деминерализацию;

    Wпер – расход электроэнергии на перекачку;

    Wобес = ∑ (iср Ni * UNi*n)*f*Nэ / (103 η) ,

или

Wобес = J2Rt ,

        где       J – сила тока, А; 

                    R – электрическое сопротивление электродиализатора, Ом;

                    t – время, ч.

 

Сила тока, необходимая для снижения солесодержания в 1 м3 исходной воды с Сн до СК ,

J = 26,8 (Сн – Ск)*Qд / (n*η*t) ,                                (33)

        где     n – число ячеек (двойных камер);

                  η – выход по току (0,85 … 0,98).

                  η = 26,8 (Сн – Ск)*Qд / (n*t*J).

 

18 Электросопротивление  электродиализатора

R = n*rяч*f                                    (34)

Wобес можно также определить по падению напряжения на одну ячейку

Wобес = 26,8 (Сн – Ск)*n*Uяч / (103 η) ,                           (35)

        где      Uяч = 1,0 ; 1,5; 2,0 В.

 

19 Расход электроэнергии на перекачку

Wпер = Wд + Wр + Wпр  ,               (36)

        где     Wд ,Wр , Wпр – расход энергии на прокачивание дилюата, рассола, промывного раствора;

 W пер = Qуст*H*Ni (1+d*)*1,25 / (102*ηнас*ηдв) ,                    (37)

          где    Н – потери напора, складывающиеся из потерь напора в электродилизной ячейке (Н1), потерь напора в распределительной системе (Н2) и потерь напора в трубопроводах (Н3)

Н = Н1 + Н2 + Н3

           Н2 = 2…4м, Н3 = 3м;

           1,25 – коэффициент, учитывающий промывку приэлектродных камер;

           ηнас – КПД насоса;

           ηдв – КПД электродвигателя.

 

Ориентировочно расход на перекачку можно рассчитать по формуле

  ,                  (38)

        где   Q – расход дилюата, рассола или промывной воды, м3/ч.

 

    6 Выполнение расчёта на ЭВМ с помощью электронных таблиц

                                                                         

Расчёт установки

Наименование

Расчетная формула

Значение

Ед.изм.

Степень опреснения исходной воды на установке

 

 

-

Ионная сила раствора

 

 

-

Среднее солесодержание

 

 

мг/ммоль

Степень допустимого концентрирования солей в рассольных камерах при циркуляции рассола

 

 

-

Концентрация солей в рассоле

 

 

мг/ммоль

Необходимое солеудаление

 

 

моль/ч

Количество электричества, которое необходимо пропустить через электродиализатор для удаления из воды рассчитанного количества солей

 

 

А•ч

Соотношение концентраций рассола и дилюата в конце длины пути потока в электродиализном аппарате

 

 

-

Ширина потока воды в прокладке электродиализного аппарата

 

 

см

Число рабочих ячеек в электродиализном аппарате

 

 

шт

Общая площадь катионовых мембран в одном аппарате

 

 

м2

Рабочая площадь катионовых мембран в одном аппарате

 

 

м3

Эквивалентная электрическая проводимость исходной воды

 

 

см•см2/моль

Толщина диффузионного слоя

 

 

см

Критические условия работы электродиализного аппарата

 

 

A•cм/моль

Удельная электрическая проводимость катионов (анионов)

 

 

-

Удельная электрическая проводимость NaCl

 

 

-

Падение напряжения на одну электродиализную ячейку аппарата

 

 

В

Напряжение на электродиализном аппарате

 

 

В

Средняя концентрация дилюата по длине

 

 

моль/л

Средняя плотность тока в ячейке

 

 

A/м2

Потери напора в камере

 

 

см

Потери напора в местных сопротивлениях в камере

 

 

см

Полные потери напора в камере

 

 

см

Расход энергии на обработку воды в электродиализной установке на деминерализацию

 

 

кВт•ч

Расход энергии на обработку воды в электродиализной установке на подачу дилюата и рассола в электродиализный аппарат

 

 

кВт•ч

 

 

 

 

 

Список  литературы

 

1. Мещерский М.А. Эксплуатация водоподготовительных установок высокого давления. -М.: Энергоиздат, 1984.

 

2. Современные схемы водоподготовки мощных тепловых электростанций. Обзорная информация/ Охотин В.Н., Зачинский Г.А., Харкевич В.А. – М.: Информэнерго, 1982.

 

3. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций. – М.: Типография МОТЭПа, 1981.

 

4. Руководство к проектированию обработки и очистки производственных сточных вод тепловых электростанций. – М.:  Информэнерго, 1976.

 

5. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. – М.: Энергия, 1977.

 

6. Вихрев В.Ф., Вихрев В.В. Проектирование водоподготовительных установок тепловых электростанций: Учебное пособие МЭИ, 1977.

 

7. Смагин В.Н. Обработка воды методом электродиализа. – М.: Стройиздат, 1986.

 

8. Клячко В.А., Первов Г.Г., Ушаков Л.Д. Временные указания по расчёту, проектированию и изготовлению электродиализных (электрохимических) опреснительных установок. – М.: ВДЕО, 1970.

 

9. Алексеев В.И., Винокурова Т.Е., Пугачёв Е.А. Проектирование сооружений переработки и утилизации осадков сточных вод с использованием элементов компьютерных информационных технологий. – М.: АСВ, 2003.

 

10. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. – М.: МЭИ, 2003.

 

11.Баскаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и горячего водоснабжения. – Изд-во:УГТУ-УПИ, 2002.

 

12. Методические указания по надзору за вводно-химическим режимом паровых и водогрейных котлов. РД 10-165-97. – Изд-во: ПИО ОБТ, 2001.

 

13. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. – Изд-во: ДеЛи принт, 2004.

 

Доп. план 2006г., поз _9_

 

 

 

 

 

 

Джунусова  Ляззат  Рысхановна

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  СИСТЕМ  ПОДГОТОВКИ ВОДЫ

Методические указания к выполнению курсового проекта

(для студентов специальности 220240 –Технология  воды  и  топлива)

ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

(для студентов бакалавриата специальности 050717 – Теплоэнергетика)

 

 

 

 

 

 

 

Редактор  Т.С. Курманбаева

 

 

 

Подписано в печать __________                                   Формат 60х84 1/16

Тираж    50    экз.                                                             Бумага типографская №1

Объём 1,5  уч.изд.л.                                                    Заказ ____ Цена   150   тг.

 

 

 

 

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

050013, Алматы, Байтурсынова, 126