Электробаромембранный аппарат трубчатого типа
TUBULAR ELECTROBAROMEMBRANOUS DEVICE

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов трубчатого типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации.
Аналогом данной конструкции является мембранный аппарат, приведенный в авторском свидетельстве СССР №SU 799779, кл. В01D 13/00, 1979. Он состоит из цилиндрического корпуса с патрубком для подвода разделяемой жидкости; концентричных фильтрующих элементов; мембран; торцевых крышек имеющих патрубки для вывода фильтрата; центральной трубы с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения. Недостатком данного аппарата является низкая эффективность разделения. Этот недостаток частично устранен в прототипе.
Прототипом данной конструкции является мембранный аппарат трубчатого типа, конструкция которого приведена в авторском свидетельстве СССР №SU 1681926 A1, кл. В01D 61/14, В01D 61/42, 1991. Прототип состоит из цилиндрического корпуса, выполненного из диэлектрического материала с расположенным на его внешней поверхности патрубком для ввода разделяемой жидкости и на внутренней поверхности продольных каналов; устройства для подвода электрического тока; микропористой подложки, служащей одновременно электродом-анодом; прианодной мембраны; последовательно соединенными камерами разделения образованных концентрическими фильтрующими элементами с переточными каналами; центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала; внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом-катодом; прикатодной мембраны; торцевых крышек имеющих патрубки для вывода анионов и катионов с пермеатом. Недостатками прототипа являются: низкое качество и эффективность разделения растворов, отсутствие охлаждения потока пермеата, малая рабочая площадь мембран, высокая степень гидролиза мембран при повышенных температурах раствора.
Технический результат выражается - повышением качества и эффективности разделения растворов, возможностью охлаждения потока пермеата, увеличением площади мембран для разделения растворов, уменьшением степени гидролиза мембран при повышенных температурах за счет изменения конструкции аппарата: концентрические трубчатые элементы выполнены различной площади и различных диаметров, на которые уложены микропористые подложки и прикатодные, прианодные мембраны, микропористая подложка служащая одновременно электродом-анодом расположена на цилиндрическом корпусе, выполненном из диэлектрического материала сверху которой расположена прианодная мембрана, прикатодные, прианодные мембраны расположены с внутренней и внешней стороны концентрических трубчатых элементов, камеры разделения в аппарате образованы соседними концентрическими трубчатыми элементами с микропористыми подложками служащими одновременно электродом-анодом и катодом и прикатодными, прианодными мембранами, переточные каналы, расположены на нечетных и четных концентрических трубчатых элементах с микропористыми подложками служащими одновременно электродом-анодом и катодом и прикатодными, прианодными мембранами, смещены в продольном сечении относительно горизонтальной оси аппарата для нечетных и четных концентрических трубчатых элементов с микропористыми подложками служащими одновременно электродом-анодом и катодом и прикатодными, прианодными мембранами под углом триста пятнадцать градусов и сто тридцать пять градусов соответственно, в концентрических трубчатых элементах имеются каналы для протекания охлаждающего раствора, представляющие собой равномерно расположенные сквозные осевые круглые отверстия по всей длине образующих концентрического трубчатого элемента, которые расположены на минимальном расстоянии друг от друга, равным 5, 10, 15 мм, в зависимости от диаметра концентрических трубчатых элементов соответственно, кольцевой канал в цилиндрическом корпусе для протекания охлаждающего раствора образован двумя цилиндрическими поверхностями наружной и внутренней различной длины с патрубком для ввода разделяемого раствора.
На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат трубчатого типа; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - сечение Α-A на фиг. 1; фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 1; фиг. 6 - вид В, увеличенный на фиг. 1; фиг. 7 - вид Г, увеличенный на фиг. 1.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из цилиндрического корпуса 1, патрубка для ввода разделяемого раствора 2, канала подвода охлаждающего раствора 3, продольных кольцевых каналов 4, микропористых подложек служащих электродами - анодом и катодом 5, 44, прианодных, прикатодных мембран 6, 36, герметизирующих композиций 7, концентрических трубчатых элементов 8, переточных каналов 9, камер разделения 10, центральной трубы 11, кольцевого канала в цилиндрическом корпусе 12, патрубка 13, канала для протекания охлаждающего раствора 14, трубных решеток 15, 37, патрубков для вывода прианодного и прикатодного пермеата 16, 17, кольцевого элемента с двумя прямоугольными выступами 18, накидных фланцев 19, каналов отвода охлаждающего раствора 20, 32, шпилек, гаек и шайб 21, 22, 23, круглой заслонки 24, прокладок 25, 26, 28, прокладок для совмещения охлаждающего канала 27, прокладок уплотнителей трубных решеток и торцевых крышек 29, 40, устройство (клеммы устройства) для подвода электрического тока 30, 31, 35, внешних диэлектрических втулок 33, 47, 48, внутренних диэлектрических втулок 34, 45, 46, торцевых крышек 38, 39, соединительных каналов 41, проточных каналов для охлаждающего раствора 42, кольцевых полостей 43, концентрической трубки 49.
Переточные каналы 9, расположены на нечетных и четных концентрических трубчатых элементах 8 с микропористыми подложками служащими одновременно электродами - катодом, анодом 44, 5 соответственно и прикатодными, прианодными мембранами 36, 6. На расстоянии 45-65 мм переточные каналы 9 на ширину 5 мм от края элементов залиты герметизирующей композицией 7. Камеры разделения 10 последовательно соединены через переточные каналы 9. Кольцевой элемент 18 с двумя прямоугольными выступами, расположенными под углом девяносто и двести семьдесят градусов соответственно, герметично установлен во внутренней поверхности аппарата накрученным по резьбе на клемму устройства для подвода электрического тока, таким образом, что два прямоугольных выступа касаются микропористой подложки служащей электродом катодом.
Патрубок 13 вкручен в центральную трубу 11, которая заглушена с противоположной стороны круглой заслонкой 24, который служит для вывода продуктов разделения.
Соединительные каналы 41 в трубных решетках 15, 37, необходимы для оттока прианодного и прикатодного пермеата самотеком через патрубки для вывода прианодного и прикатодного пермеата 16, 17 соответственно.
Цилиндрический корпус 1, центральная труба 11, торцевые крышки 38, 39, трубные решетки 15, 37 выполнены из диэлектрического материала - капролон.
Концентрические трубчатые элементы 8 имеют продольные кольцевые каналы 4 на внешней и внутренней стороне и каналы для протекания охлаждающего раствора 14, которые могут быть изготовлены из материала марок Х18Н9Т, Х18Н10Т.
Кольцевой элемент 18 с двумя прямоугольными выступами, расположенными под углом девяносто и двести семьдесят градусов соответственно, может быть изготовлен из проката марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т.
Поверхность микропористой подложки 5 служит электродом-анодом, а поверхность микропористой подложки 44, служит электродом-катодом, которые могут быть изготовлены из микропористого проката марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т с пористостью 20-45%.
Патрубок 13, который служит для вывода продуктов разделения, патрубок 2 для ввода разделяемого раствора и патрубки 16, 17 для вывода анионов и катионов в виде прианодного и прикатодного пермеата, могут быть изготовлены из капролона.
В качестве прикатодных и прианодных мембран 36 и 6 могут применяться изготовленные в виде ленты мембраны следующих типов МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA 1, ESNA, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН-П, ОФМН-П, МФФК-0, МФФК-3.
Прокладки 25, 26, 28, прокладка для совмещения охлаждающего канала 27, прокладки уплотнители трубных решеток и торцевых крышек 28, 29, 40 могут быть изготовлены из паронита и резины.
Герметизирующая композиция 7 может быть выполнена из герметика, клея или эпоксидных смол.
Накидные фланцы 19 могут быть изготовлены из материала: стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа, показанный на фиг. 1, работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через патрубок 2 для ввода разделяемого раствора поступает в камеру разделения 10.
После заполнения аппарата раствором, на устройство (клеммы устройства) для подвода электрического тока 30, 31, 35, фиг. 1 подводится внешнее постоянное электрическое поле, вызывающее определенную плотность тока в растворе. В камере разделения 10, фиг. 1, 4, 5, 6, вещество, растворенное в растворе диссоциирует на ионы, под действием электрического тока анионы проникают через при анодную мембрану 6 к поверхности микропористой подложки 5, служащей электродом-анодом и расположенной на цилиндрическом корпусе 1, а катионы через прикатодную мембрану 36 стремятся к ближайшей поверхности микропористой подложки 44 служащей электродом-катодом и расположенной на концентрическом трубчатом элементе 8.
Пермеат проникая через прианодную и прикатодную мембраны 6, 36, фиг. 1, 4, 5, 6 выдавливает анионы, катионы и газ, образующиеся на электродах в результате электрохимических реакций через поверхности микропористой подложки 5 и 44 концентрического трубчатого элемента 8, по соответствующим продольным кольцевым каналам 4 через кольцевые полости 43 и соединительные каналы 41 в трубных решетках 15, 37 через патрубки для вывода прианодного пермеата 16, фиг. 1, 2 и прикатодного пермеата 17, фиг. 1, 3, из аппарата.
Далее разделяемый раствор через переточный канал 9, фиг 4, концентрического трубчатого элемента 8 с микропористыми подложками электродами - катодом, анодом 44, 5 соответственно и прикатодными, прианодными мембранами 36, 6 поступает последовательно в следующую камеру разделения 10 расположенную ближе к центру аппарата, где происходят аналогичные процессы.
Одновременно с подачей разделяемого раствора, фиг. 1, через канал подвода охлаждающего раствора 3 подается охлаждающий раствор, поступая в зазор между круглой заглушкой 24 и торцевой поверхностью внутренней диэлектрической втулки 45 который попадает в пространство образованное между центральной трубой 11 и концентрической трубкой 49, затем прокачивается последовательно по проточным каналам для охлаждающего раствора 42, далее через отверстия в прокладке для совмещения охлаждающего канала 27, затем по каналам для протекания охлаждающего раствора 14 концентрического трубчатого элемента 8 и далее аналогичным образом последовательно протекая по всем этим элементам попадает в кольцевой канал цилиндрического корпуса 12 и выводится из аппарата через каналы отвода охлаждающего раствора 20, 32.
Таким образом, из раствора последовательно протекающего по всем камерам разделения 10, фиг. 1, 4, 5, всего аппарата в виде анионов и катионов, удаляются растворенные вещества, а обедненный раствор после разделения отводится через переточный канал 9, в центральной трубе 11 и концентрической трубе 49 на поверхность, которой снаружи последовательно уложены микропористая подложка, служащая электродом катодом 44, прикатодная мембрана 36, через патрубок 13, фиг. 1, служащий для вывода продуктов разделения.
Концентрические трубчатые элементы 8, фиг. 1, 4, 5, 6, 7 представляют собой трубки являющиеся биполярными электродами с продольными кольцевыми каналами 4 на внешней и внутренней поверхности которых, расположены микропористые подложки, служащие электродами - катодом 44 и анодом 5, на всей поверхности которых расположены прикатодные и прианодные мембраны 36, 6 соответственно.
Под повышением качества и эффективности разделения растворов, возможностью охлаждения потока пермеата, увеличением площади мембран для разделения растворов, уменьшением степени гидролиза мембран при повышенных температурах понимается возможность снижения температуры разделяемого раствора и прикатодного, прианодного пермеата за счет принудительного охлаждения их через теплопередающую стенку. А также снижения температурной нагрузки на элементы конструкции аппарата мембраны и электроды, так как при наложении градиента электрического потенциала высокой интенсивности большой нагрев разделяемого раствора происходит в том пространстве, где меньшая площадь мембраны, что может приводить к прогоранию мембран.
Увеличение площади мембран для разделения растворов при данном конструктивном исполнении аппарата по сравнению с прототипом позволяет повысить качество и эффективность разделения растворов.
Площадь мембраны расположенной на концентрическом трубчатом элементе для разделения растворов представленная в прототипе рассчитывается:
пр.
cp
a
S=2πdL-2πL,
где L - длина образующей, м;
d - диаметр концентрического трубчатого фильтрующего элемента, м;
а
- ширина переточного отверстия, м;
Площадь мембраны расположенной на концентрическом трубчатом элементе для разделения растворов представленная в новой конструкции рассчитывается:
н.к.
cp
отв
S=2πdL-2πdL,
где L - длина образующей, м;
d - диаметр концентрического трубчатого элемента, м;
отв
d - ширина переточного отверстия, м;
Приращение площади мембраны расположенной на концентрическом трубчатом элементе для разделения растворов рассчитывается по формуле:
н.к
пр.
cp
отв
cp
a
S/S=(2πdL-2πdL)/(2πdL-2πL)
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос, например, при разделении биологических растворов, которые при повышенных температурах склонны к брожению.