IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Интенсификация животноводства требует широкого внедрения в производство достижений научно-технического прогресса путем строительства новых и коренной реконструкции действующих ферм. В отличие от предприятий других отраслей народного хозяйства на животноводческих объектах производственные процессы тесно связаны с биологическими закономерностями, так как здесь главным средством производства являются животные. Дополнительные сложности в промышленном животноводстве вызваны высокой концентрацией поголовья, большими объемами вентиляционных выбросов и жидких навозных стоков.

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;

t^о_эл=25^оС – 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, G_H2O:

_,

где G_H2O кг/ч – количество воды, вступившее в электрохимическую реакцию на электроде;

В_m – 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.

G1_H2O = 0,0082 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на аноде.

G2_H2O = 0,0165 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на катоде.

G_H2O= G1_H2O + G2_H2O,

G_H2O= 0,0247 кг/ч.

Определение количества образовавшихся газов

,

где кг/ч– количество образовавшегося водорода,

М_Н2 = 2 – молекулярная масса водорода;

n = 2 – количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.

= 0,0019 кг/ч,

,

где кг/ч– количество образовавшегося кислорода,

М_O2 = 32 – молекулярная масса кислорода.

= 0,2195 кг/ч.

Определение количества растворителя (воды), уносимого с газообразными продуктами:

а) Определение количества растворителя, уносимого с водородом

,

где t⁰_эл = 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;

ρ_р = 0,02304 – плотность паров растворителя при t⁰_эл, 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:

(Е_а - Е_к) + (_а - _к) + Е_конц + Е_диф + U_эл + U_д + U₁ + U_к ,

где U – напряжение на ячейке электролизера, В;

Е_а, Е_к – термодинамические (обратимые) значения потенциалов анода и катода, В;

Е_а - Е_к = Е_т – теоретическое напряжение разложения, В;

_а, _к – перенапряжение реакций на аноде и катоде, В;

Е_конц – величины концентрационной поляризации на аноде и катоде , В;

Е_диф – диффузионный потенциал между анолитом и католитом (при наличии диафрагмы), В;

U_эл – падение напряжения в электролите , В;

U_д – падение напряжения в диафрагме, В;

U₁ – падение напряжения в электродах и токоподводящих шинах, В;

U_к – падение напряжения в контактах, В.

Для данного случая исключаем из расчета Е_диф и U_д в связи с отсутствием диафрагмы. Также не рассчитываем Е_конц, так как процесс имеет электрохимическую природу. Величинами U₁ и U_к пренебрегаем в связи с малостью их вклада в общую величину напряжения на электрофлотаторе.

Расчет теоретического напряжения разложения, Е_т

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 = nFЕ_т = -А_мах,

где G⁰ – стандартный изобарно-изотермический потенциал электродной реакции (энергия Гиббса),

G⁰ = (n_i G⁰ _i)п– (n_i G⁰ _i)р,

где G⁰ _i – энергия Гиббса образования компонентов реакции,

n_i - стехиометрический коэффициент компонента реакции. Индекс "п" означает продукты реакции; индекс "р" означает реагенты реакции.

Для реакции на катоде:

G⁰_к= G⁰ _н2 – 2G⁰ _Н+, G⁰_к= 0 кДж/моль.

Величина стандартного потенциала на катоде:

, Е⁰_к = 0.

Для реакции на аноде:

В соответствии с правилом термодинамических расчетов, анодную реакцию следует представить в обратном направлении:

1/2O₂+2H⁺ +2з → H₂O. Тогда G⁰_а= G⁰ _Н2О – 1/2G⁰ _О2 – 2G⁰ _Н+,

G⁰_а= -237,531 кДж/моль/

Величина стандартного потенциала на аноде:

, Е⁰_а = 1,231 В.

Теоретическое напряжение разложения в стандартных условиях:

Е⁰_т = Е⁰_а - Е⁰_к , Е⁰_т = 1,231 В.

По уравнению Гиббса-Гельмгольца:

Е_т = -(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° /(296500), 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 - 1/2S⁰_О2 - 2S°_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, Е_т = 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 – Е_т,

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 – Е_т,

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:

U_эл = I∙R_эл, R_эл = с∙(1/S),

где I - ток, проходящий через электрофлотатор, А;

R_эл - 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∙с_0,

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, U_эл можно рассчитать по формуле:

U_эл = 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(л^о++л^о-)1000,

где б = 1 - степень электролитической диссоциации Н₂SО₄;

с = 0,01 г-экв/л - концентрация Н₂SО₄ (вычислено из значения рН=8,5);

л=л^о++л^о-- эквивалентная (молекулярная электропроводность), Ом^-1 гэкв^-1 м²;

л^о+ = 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 С_К2SО4 = 0,005 г-экв/л.

л^о- = 0,02203 Ом^-1 гэкв^-1 м² - электролитическая подвижность ионов SО₄^2-.

Таким образом,

к = 0,557 Ом^-1 м^-1

с₀ =1,795 Ом м

U_эл = I∙K∙с₀∙(1/S)

U_эл = 2,269 В

Таким образом, общее напряжение на электрофлотаторе:

U = E_T+(з_а – з_к)+ U_эл, 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:

W_п = U∙I∙(1/V_эл),

где W_п - расход электроэнергии постоянного тока, кВт-ч/м³;

I - токовая нагрузка на электрофлотатор. А;

U - напряжение на электрофлотаторе, В;

W_п = 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

1. Дегтярев Г.П. Механизация молочных ферм и комплексов. – М.: Высшая школа, 2011.

2. Мельников С.В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов. Санкт-Петербург, Агропромиздат, 2014.

3. Бартофи И., Рафан П. Энергосберегающие технологии и агрегаты на животноводческих фермах. – М.: Агропромиздат, 2009.

4. Картанов Л.П. и др. Механизация и электрификация животноводства. – М.: Агропромиздат, 2001.

5. Захаров А.А. Применение теплоты в сельском хозяйстве. – М.: Агропромиздат, 2000.

6. Рубцов П.А. Применение электроэнергии в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 2003.

7. Кноринг А.Н. Справочная книга. – М.: Энергия, 2012.

8. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. Елисеева В.А. – М.: Энергопромиздат, 2005.

9. Технология и оборудование для очистки и обезвреживания сточных вод и газовых выбросов гальванических производств: Каталог/ВИМИ. – 2014. 1-112с., ил.

10. Колесников В.А. Экология и ресурсосбережение электрохимических производств. Учебное пособие по курсу «Основы электрохимической технологии». М., МХТИ, 1989, - 68 с.

11. Электрооборудование животноводческих предприятий и автоматизация производственных процессов в животноводстве. Под ред. Проф. Курявцева И.Ф. – М.: Колос, 2013.

12. Типовой проект 801-2-18 «Коровник на 400 коров боксового содержания».

13. Правила устройств электроустановок – 7. Минэнерго России – М.: Энергоатомиздат, 2008.

Код для цитирования: Скопировать