К особенностям современного этапа в реконструкции животноводческих объектов можно отнести поиск новых технических решений интенсификации производства на фермах. В процессе реконструкции должно быть предусмотрено применение прогрессивной технологии содержания животных с обеспечением функциональных взаимосвязей между строительными параметрами помещений и системами механизации производства. Должны быть решены проблемы предупреждения загрязнения окружающей среды, а также важные вопросы в изыскании и внедрения на фермах и комплексах энергосберегающих технологий, позволяющих эффективно использовать топливно-энергетические ресурсы.
В последние годы развернулись работы по реконструкции, расширению и техническому перевооружению действующих животноводческих ферм. Их необходимо довести до современного технического уровня, обеспечить повышение производительности труда, снизить затраты кормов и увеличить выпуск продукции.
В работе рассмотрена возможность внедрения на животноводческие объекты системы очистки сточных вод с использованием электрофлатационной установки.
Анализируя результаты патентно-информационного поиска можно сделать вывод об актуальности данной темы. Электрофлотаторы являются наиболее приемлемым компромиссом между существующими дорогостоящими аналогами и предлагаемыми вариантами для использования в качестве аппарата для очистки сточных вод, как по конструкции, так и по технологическим показателям. Результаты патентно-информационных исследований сведены в таблицу 1.
Таблица 1– Результаты патентно-информационного поиска
Предмет поиска |
Страна |
№ патента |
Сущность изобретения |
Недостатки |
Электрофлотатор для очистки сточных вод |
Россия |
2343121 |
Изобретение относится к электрохимическим методам очистки сточных вод. Электрофлотатор содержит цилиндрическую камеру флотации, блок электродов, камеру отстаивания, устройство для сбора и эвакуации пены, водораспределительное устройство и устройства подачи и отвода воды. |
Сложное схемотехническое решение |
Способ очистки сточных вод от нефтепродуктов и устройство для его осуществления |
Россия |
2340563 |
Изобретение относится к процессам очистки сточных вод от взвешенных веществ, нефтепродуктов, растворенных органических веществ. Очищаемую сточную воду подают в катодную камеру электрофлотатора и обрабатывают пузырьками водорода, флотошлам удаляют и из него извлекают газообразный водород, очищенную от диспергированных загрязнений воду за счет рециркуляции подают в анодную камеру электрофлотатора и насыщают пузырьками кислорода |
Сложное схемотехническое решение. Высокая стоимость устройсва |
Способ очистки сточных вод электрохимическими методами |
Россия |
2340562 |
Изобретение относится к очистке производственных сточных вод, содержащих взвешенные вещества, нефтепродукты, ПАВ, ионы железа и хрома, и может быть использовано для очистки сточных вод промышленных предприятий, имеющих в своем составе гальванические производства. |
Высокая стоимость устройсва |
Продолжение таблицы 1
Электрофлотатор для выделения белков из молочной сыворотки |
Россия |
2275967 |
Изобретение относится к области выделения белковых компонентов из водных гетерогенных систем и может быть использовано в молочной промышленности для извлечения остаточного белка из молочной сыворотки с целенаправленным регулированием аминокислотного состава пенного продукта. |
При проектировании и реконструкции животноводческого предприятия было рассмотрено оборудование, представленное в патентах: № 2343121; № 2340563 ; № 2340562; № 2275967.
Расчет электрофлотатора
Материальные потоки в электрофлотаторе.
Исходные данные:
I = 50 А - токовая нагрузка на аппарат;
tоэл=25оС – температура электролита;
Вт=98%;
Расстояние между электродами 5 – 10 мм
Катодные реакции
H2O→H2 + ОН- – 2ē.
Анодные реакции
2H2O→O2+4H++4ē.
Определение расхода воды при электрофлотации, GH2O:
,
где GH2O кг/ч – количество воды, вступившее в электрохимическую реакцию на электроде;
Вm – выход по току, доли единицы;
М = 18 – молекулярная масса воды;
26.8 – количество электричества, равная 1 Р, А-ч;
n=4,2 соответственно – количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.
G1H2O = 0,0082 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на аноде.
G2H2O = 0,0165 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на катоде.
GH2O= G1H2O + G2H2O,
GH2O= 0,0247 кг/ч.
Определение количества образовавшихся газов
,
где кг/ч– количество образовавшегося водорода,
МН2 = 2 – молекулярная масса водорода;
n = 2 – количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.
= 0,0019 кг/ч,
,
где кг/ч– количество образовавшегося кислорода,
МO2 = 32 – молекулярная масса кислорода.
= 0,2195 кг/ч.
Определение количества растворителя (воды), уносимого с газообразными продуктами:
а) Определение количества растворителя, уносимого с водородом
,
где t0эл = 25 – температура электролита, °С;
22,4 л – объем одного г-моль газа при нормальных условиях;
р = 23,76 мм. рт. ст. = 23,76133 = 3167,2 Па = 31,672 – упругость водяного пара при температуре электролита, гПа;
ρр = 0,02304 – плотность паров растворителя при t0эл, г/л.
= 5,5246 10-4 кг/ч,
б) Определение количества растворителя, уносимого с кислородом
,
где – количество образовавшегося кислорода, кг/ч.
= 2,7623 10-4 кг/ч.
Таким образом, суммарный расход воды на электролиз:
,
=0,0503 кг/ч,
Энергетический баланс электрофлотатора:
Общая формула для расчета напряжения на электрофлотаторе:
(Еа - Ек) + (а - к) + Еконц + Едиф + Uэл + Uд + U1 + Uк ,
где U – напряжение на ячейке электролизера, В;
Еа, Ек – термодинамические (обратимые) значения потенциалов анода и катода, В;
Еа - Ек = Ет – теоретическое напряжение разложения, В;
а, к – перенапряжение реакций на аноде и катоде, В;
Еконц – величины концентрационной поляризации на аноде и катоде , В;
Едиф – диффузионный потенциал между анолитом и католитом (при наличии диафрагмы), В;
Uэл – падение напряжения в электролите , В;
Uд – падение напряжения в диафрагме, В;
U1 – падение напряжения в электродах и токоподводящих шинах, В;
Uк – падение напряжения в контактах, В.
Для данного случая исключаем из расчета Едиф и Uд в связи с отсутствием диафрагмы. Также не рассчитываем Еконц, так как процесс имеет электрохимическую природу. Величинами U1 и Uк пренебрегаем в связи с малостью их вклада в общую величину напряжения на электрофлотаторе.
Расчет теоретического напряжения разложения, Ет
В таблице приведены стандартные величины энергии Гиббса (G0), энтальпии (Н0) и энтропии S° для компонентов и продуктов реакции.
Таблица 2 - Стандартные величины энергии Гиббса (G0), энтальпии (Н0) и энтропии S° для компонентов и продуктов реакции
Вещество |
H2O |
(H+)H2O |
Н2(газ) |
О2(газ) |
|
Терм. функция |
G0, кДж/моль |
-237,531 |
0 |
0 |
0 |
Н0, кДж/моль |
-286,248 |
0 |
0 |
0 |
|
S°, Дж/моль град |
70,040 |
0 |
130,761 |
205,322 |
Теоретическое напряжение разложения реализуется при совершении системой максимально полезной работы. Оно вычисляется из изменения изобарно-изотермического потенциала при протекании реакции.
G0 = nFЕт = -Амах,
где G0 – стандартный изобарно-изотермический потенциал электродной реакции (энергия Гиббса),
G0 = (ni G0 i)п– (ni G0 i)р,
где G0 i – энергия Гиббса образования компонентов реакции,
ni - стехиометрический коэффициент компонента реакции. Индекс "п" означает продукты реакции; индекс "р" означает реагенты реакции.
Для реакции на катоде:
G0к= G0 н2 – 2G0 Н+, G0к= 0 кДж/моль.
Величина стандартного потенциала на катоде:
, Е0к = 0.
Для реакции на аноде:
В соответствии с правилом термодинамических расчетов, анодную реакцию следует представить в обратном направлении:
1/2O2+2H+ +2з → H2O. Тогда G0а= G0 Н2О – 1/2G0 О2 – 2G0 Н+,
G0а= -237,531 кДж/моль/
Величина стандартного потенциала на аноде:
, Е0а = 1,231 В.
Теоретическое напряжение разложения в стандартных условиях:
Е0т = Е0а - Е0к , Е0т = 1,231 В.
По уравнению Гиббса-Гельмгольца:
Ет = -(Н/nF) + Т(Е/Т)р,
где Е/Т - температурный коэффициент, В/град.
Величина (Е/Т)р вычислена из следующего уравнения, получающегося из уравнения Гиббса-Гельмгольца:
(Е/Т)р = S° /(296500), В/град.
Вычислим S°к катодной реакции:
S°к = S°Н2 - S°Н+; S°к = 130,761 Дж/моль град.
Аналогично находим S°а анодной реакции:
S°а = S°Н2О - 1/2S0О2 - 2S°Н+, S°а = -32,621 Дж/моль град.
Далее находим S° суммарной реакции и температурный коэффициент:
S° = S°а - S°к, S° = -163,328 Дж/моль град, Ет = 1.231 В.
Определение перенапряжения на электродах
Перенапряжение возникает вследствие замедленной одной (или нескольких) стадий переноса заряженных частиц через фазовую границу раздела электрод/раствор и описывается теорией замедленного разряда:
а = а – Ет,
где а = 0,9 В. Величина а определена из поляризационной кривой по кислороду для ОРТА при плотности тока i = 244,14 А/м2
а = 0,46 В, к = к – Ет,
где к = 1,0001 В.
Величина к определена из парциальной поляризационной кривой по водороду для стального электрода при плотности тока:
i = 244,14 А/м2.
к = 0,52 В.
Расчет падения напряжения в электролите
Падение напряжения в электролите может быть рассчитано по закону Ома:
Uэл = I∙Rэл, Rэл = с∙(1/S),
где I - ток, проходящий через электрофлотатор, А;
Rэл - сопротивление электролита с учетом газонаполнения, Ом;
с - удельное сопротивление электролита с учетом газонаполнения, Ом-м;
l = 0,005 м- расстояние между электродами;
S = 0,02 - м2 площадь поверхности электрода.
Поскольку на электродах выделяется некоторое количество газов, то электролит, содержащий газовые пузырьки, имеет большее сопротивление. Удельное сопротивление, таким образом, зависит от степени газонаполнения и может быть определено выражением:
С = K∙с0,
где К – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления электролита из-за наличия в нем газовых пузырьков;
с0 - удельное сопротивление электролита без газовых пузырьков,
Причем с0 = 1/к,
где к - удельная электропроводность раствора электролита, Ом-1-м-1.
Таким образом, Uэл можно рассчитать по формуле:
Uэл = I∙K∙с0∙(1/S).
Величину К определим из выражения:
K = 1/ (1-1,78∙Г+Г2),
где Г = 2 % - газонаполнение электролита, принятое для рассматриваемых условий
(К =1,036).
Величину К определим по формуле:
К = б∙с(ло++ло-)1000,
где б = 1 - степень электролитической диссоциации Н2SО4;
с = 0,01 г-экв/л - концентрация Н2SО4 (вычислено из значения рН=8,5);
л=ло++ло-- эквивалентная (молекулярная электропроводность), Ом-1 гэкв-1 м2;
ло+ = 0,03368 Ом-1 гэкв-1 м2 - электролитическая подвижность ионов водорода.
На общий коэффициент электропроводности влияет наличие в электролите солей. Принимаем солесодержание раствора 440 мг/л в пересчете на К2SО4. Концентрация СК2SО4 = 0,005 г-экв/л.
ло- = 0,02203 Ом-1 гэкв-1 м2 - электролитическая подвижность ионов SО42-.
Таким образом,
к = 0,557 Ом-1 м-1
с0 =1,795 Ом м
Uэл = I∙K∙с0∙(1/S)
Uэл = 2,269 В
Таким образом, общее напряжение на электрофлотаторе:
U = ET+(за – зк)+ Uэл, U = 3,715 В.
Таблица 3 - Баланс напряжений на электрофлотаторе
Напряжение на клеммах электрофлотатора, В |
Составляющие баланса, В |
Доля составляющей, % |
|
Определенное экспериментально 4.09 |
ET |
1,231 |
33,14 |
за |
0,704 |
18,95 |
|
зк |
0,489 |
-13,16 |
|
Uэл |
2,269 |
61,08 |
Расход электроэнергии постоянного тока на одну тонну получаемого продукта производится по уравнению:
Wп = U∙I∙(1/Vэл),
где Wп - расход электроэнергии постоянного тока, кВт-ч/м3;
I - токовая нагрузка на электрофлотатор. А;
U - напряжение на электрофлотаторе, В;
Wп = 3,715 кВт-ч/м3
Таким образом, спроектирован электрофлотатор объемом 1,285 м3 (длина – 2,08 м, ширина – 0,9 м, рабочая глубина – 0,8 м). Напряжение постоянного тока – 6В, сила тока 50А, продолжительность работы электродной системы 36,5 месяцев. Подобран выпрямительный агрегат ВАКР-12/6-100 с размерами H=1000мм, L=850мм, B=570мм и массой 650 кг.
Список использованных источников
Дегтярев Г.П. Механизация молочных ферм и комплексов. – М.: Высшая школа, 2011.
Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. Санкт-Петербург, Агропромиздат, 2014.
Бартофи И., Рафан П. Энергосберегающие технологии и агрегаты на животноводческих фермах. – М.: Агропромиздат, 2009.
Картанов Л.П. и др. Механизация и электрификация животноводства. – М.: Агропромиздат, 2001.
Захаров А.А. Применение теплоты в сельском хозяйстве. – М.: Агропромиздат, 2000.
Рубцов П.А. Применение электроэнергии в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 2003.
Кноринг А.Н. Справочная книга. – М.: Энергия, 2012.
Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. Елисеева В.А. – М.: Энергопромиздат, 2005.
Технология и оборудование для очистки и обезвреживания сточных вод и газовых выбросов гальванических производств: Каталог/ВИМИ. – 2014. 1-112с., ил.
Колесников В.А. Экология и ресурсосбережение электрохимических производств. Учебное пособие по курсу «Основы электрохимической технологии». М., МХТИ, 1989, - 68 с.
Электрооборудование животноводческих предприятий и автоматизация производственных процессов в животноводстве. Под ред. Проф. Курявцева И.Ф. – М.: Колос, 2013.
Типовой проект 801-2-18 «Коровник на 400 коров боксового содержания».
Правила устройств электроустановок – 7. Минэнерго России – М.: Энергоатомиздат, 2008.