Электробаромембранный аппарат трубчатого типа
ELECTROBAROMEMBRANE DEVICE OF TUBULAR TYPE

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, конструкция которого приведена в работе Дубяги В.П., Перепечкина Л.П., Каталевского Е.Е Полимерные мембраны. М.: Химия, 1981. С. 166-167. Аппарат изготовлен из корпуса, разделительных элементов состоящих из трубки и мембраны, штуцеров ввода разделяемого раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода пермеата. Недостатками аппарата является невозможность выделения анионов и катионов растворенных веществ из промышленных растворов и стоков, высокое гидравлическое сопротивление, высокая концентрационная поляризация, низкое качество и эффективность разделения растворов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат трубчатого типа, представленный в патенте № 2700333 С1 RU, 16.09.2019 г. Аппарат состоит из металлических стержней, соединенных по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой и металлической сеткой, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, металлической сетки выполненной в виде свернутого цилиндра такой же длины как цилиндрический корпус и расположенной между ним и цилиндрической обечайкой, торцевых фланцев, клемм устройства для подвода электрического тока - анода и катода, камеры разделения образованной между прианодными и прикатодными мембранами, прижимными решетками, цилиндрической обечайкой и центральной трубкой, трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно, которые равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределены по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайке и центральной трубке и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок, прокладок, уплотнительных прокладок, штуцеров ввода исходного раствора и вывода прикатодного, прианодного пермеата, ретентата соответственно, болтов, гаек и шайб.
Недостатками аппарата является низка турбулизация и перемешивание раствора, высокая концентрационная поляризация, низкое качество и эффективность разделения раствора, наличие застойных зон при выводе прикатодного пермеата, большой расход материала, высокая вероятность скола краев торцевого фланца в местах крепления болтов.
Технический результат выражается - в увеличении турбулизации и перемешивания раствора, снижении концентрационной поляризации, увеличении качества и эффективности разделения раствора, отсутствии застойных зон при выводе прикатодного пермеата, снижении расхода материала, низкая вероятность скола краев торцевого фланца в местах крепления болтов за счет изменения конструкции аппарата состоящего из: металлических стержней, соединенных по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой и металлической сеткой, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, металлической сетки выполненной в виде свернутого цилиндра такой же длины как цилиндрический корпус и расположенной между ним и цилиндрической обечайкой, торцевого фланца, выполненного в виде плоской круглой крышки, с внешней стороны которого имеются сквозные отверстия с резьбой под клемму устройства для подвода электрического тока - анода и штуцера вывода ретентата соответственно, в прижимной решетке также как и в торцевом фланце имеются отверстия с резьбой совпадающие относительно друг-друга, в которых расположены клемма устройства для подвода электрического тока - анода и штуцер вывода ретентата соответственно, камеры разделения образованной между прианодными и прикатодными мембранами, прижимными решетками, цилиндрической обечайкой, и центральной трубкой, трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно, которые равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределены по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайке и центральной трубке и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок, уплотнение центральной трубки, цилиндрической обечайки и цилиндрического корпуса с ответным фланцем по торцевой поверхности с прижимными решетками произведено при помощи прокладок соответственно, а уплотнение торцевого фланца с прижимной решеткой произведено при помощи уплотнительных прокладок, болтов, гаек и шайб, отличающийся тем, что одна из торцевых поверхностей цилиндрического корпуса имеет ответный фланец, а вторая - глухая, при этом на глухой торцевой поверхности цилиндрического корпуса имеются сквозные отверстия с резьбой, совпадающие с такими же отверстиями в прижимной решетке, одно из которых под штуцер ввода исходного раствора, а второе для штуцера вывода прианодного пермеата, на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответным фланцем имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата, расположенного на расстоянии тридцати миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответным фланцем, трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно в каждом соседнем узле повернуты относительно центральной оси на угол сорок пять градусов относительно друг-друга, на внешней стороне торцевого фланца в местах крепления болтов установлена металлическая пластина.
На фиг. 1 изображен в разрезе электробаромембранный аппарат трубчатого типа; фиг. 2 - вид слева; фиг. 3 - вид сверху; фиг. 4 - вид снизу; фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 1; фиг. 6 - разрез Б-Б на фиг. 1; фиг. 7 - вид В (увеличенный) на фиг. 1.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа cостоит из: металлических стержней 23 и 29, соединенных по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой 30 и металлической сеткой 4 соответственно, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 17 и 25 соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18 и 24 соответственно, металлическая сетка 4 выполнена в виде свернутого цилиндра такой же длины как цилиндрический корпус с ответным фланцем 1 и расположена между ним и цилиндрической обечайкой 15, торцевого фланца 2, выполненного в виде плоской круглой крышки, с внешней стороны которого имеются сквозные отверстия с резьбой под клемму устройства для подвода электрического тока 10 - анода и штуцера вывода ретентата 6, камера разделения 28 образована между прианодными и прикатодными мембранами 18 и 24, прижимными решетками 8, 9, цилиндрической обечайкой 15, и центральной трубкой 22, трубок 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18, 24 и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 17 и 25 соответственно, равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределенных по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, а в каждом соседнем узле повернутых относительно центральной оси на угол сорок пять градусов относительно друг-друга, и расположенных перпендикулярно цилиндрической обечайке 15 и центральной трубке 22 и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 26, уплотнение центральной трубки 22, цилиндрической обечайки 15 и цилиндрического корпуса с ответным фланцем 1 по торцевой поверхности с прижимными решетками 8 и 9 произведено при помощи прокладок 27, 14 и 13 соответственно, а уплотнение торцевого фланцев 2 с прижимной решеткой 9 произведено при помощи уплотнительных прокладок 12, одна из торцевых поверхностей цилиндрического корпуса 1 с ответным фланец - глухая, при этом на ее торцевой поверхности имеются сквозные отверстия с резьбой, совпадающие с такими же отверстиями в прижимной решетке 8, одно из которых под штуцер ввода исходного раствора 5, а второе для штуцера вывода прианодного пермеата 11, на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответным фланцем 1 имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата 7, расположенного на расстоянии тридцати миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока 10 - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответным фланцем 1, на внешней стороне торцевого фланца 2 в местах крепления болтов 19 установлена металлическая пластина 3, гаек и шайб 20, 21.
Цилиндрический корпус с ответным фланцем 1, торцевой фланец 2, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 5, 6, штуцера вывода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 11, прижимные решетки 8, 9, цилиндрическая обечайка 15, центральная трубка 22 выполнены из диэлектрического материала - капролона.
Металлическая пластина 3 изготавливается из материала сталь 3, сталь 45
Металлическая сетка 4 изготавливается из материала типа Х18Н9Т, Х18Н10Т, Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП. Клеммы устройства для подвода электрического тока 10 могут быть изготовлены из материала марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП.
Прокладки 13, 14, и 27, уплотнительная прокладка 12 могут быть выполнены из паронита, а кольцевая прокладка 26 из резины. Трубки 16 могут быть изготовлены из пористого фторопласта.
Монополярные электроды - аноды и катоды 17 и 25 соответственно, выполнены в виде трубок и могут быть изготовлены из микропористого проката марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т с пористостью 20-45%.
В качестве прианодных и прикатодных мембран 18 и 24 могут применяться изготовленные в виде ленты мембраны следующих типов МГА-95, 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, ОФАМ-К.
Металлические стержни 23, 29 и металлическая шпилька 30 могут быть изготовлены из материалов Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т или из полимерного композита с наполнителем до 60% металлических порошков.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода исходного раствора 5, фиг. 1, 2, 4, поступает в камеру разделения 28, фиг. 1, 5, 6, 7, которая образована между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15 и центральной трубкой 22. В камере разделения 28 вещества, растворенные в растворе, диссоциируют на ионы (катионы и анионы). После заполнения раствором всей камеры разделения 28, фиг. 1, на клеммы устройства для подвода электрического тока 10 - «плюс» и «минус» соответственно, через металлические стержни 23 и 29, соединенные по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой 30 и металлической сеткой 4 соответственно, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 17 и 25 соответственно, выполненных в виде трубок такой же длины, как и трубки 16, подводится внешнее постоянное электрическое поле, вызывающее определенную плотность тока в растворе.
Под действием электрического тока анионы и катионы проникают через прианодные и прикатодные мембраны 18 и 24, через трубки 16 и монополярные электроды - аноды и катоды 17 и 25 соответственно, фиг. 1, 5, 6, 7 и выдавливаются в виде анионов, катионов и газов, образующихся на электродах в результате электрохимических реакций, в пространство между монополярными электродами - анодами и катодами 17 и 25 и металлическими стержнями 23 и 29 соответственно. Далее анионы, катионы и газы, образующиеся на электродах в результате электрохимических реакций в виде кислот, оснований и растворенных газов соответственно, фиг. 1, попадают в пространство, где расположена металлическая шпилька 30 и металлическая сетка 4 и выводятся из аппарата по штуцеру вывода прианодного пермеата 11, фиг. 1, 2, 4 и штуцеру вывода прикатодного пермеата 7 соответственно. Часть раствора с анионами и катионами, не проникшими через прианодные и прикатодные мембраны 18 и 24 соответственно, в виде ретентата выводится из камеры разделения 28, фиг. 1, 3 через штуцер вывода ретентата 6.
Таким образом, разделяемый раствор циркулирует по всей камере разделения 28, фиг. 1, в пространстве между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15 и центральной трубкой 22, от штуцера ввода исходного раствора 5 и до штуцера вывода ретентата 6, фиг. 1, последовательно очищается от анионов и катионов соответственно.
Увеличение турбулизации и перемешивания раствора, снижение концентрационной поляризации, увеличении качества и эффективности разделения раствора достигается за счет того, что трубки 16, фиг. 1, с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18, 24 и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 17 и 25 соответственно, равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределенны по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, а в каждом соседнем узле повернуты относительно центральной оси на угол сорок пять градусов относительно друг-друга, и расположенных перпендикулярно цилиндрической обечайке 15 и центральной трубке 22 и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 26.
Отсутствие застойных зон при выводе прикатодного пермеата, фиг. 1 достигается за счет того, что на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответным фланцем 1 имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата 7, расположенного на расстоянии тридцати миллиметров по образующей от края торцевой поверхности таким образом, что прикатодный пермеат сразу же выводится из аппарата самотеком.
Снижение расхода материала достигается за счет того, что одна из торцевых поверхностей цилиндрического корпуса 1 с ответным фланец - глухая, по сравнению с аппаратом аналогом, что позволяет экономить материальные ресурсы на выпуск единицы продукции.
Низкая вероятность скола краев торцевого фланца 2 в местах крепления болтов 19 обеспечивается за счет того, что на внешней стороне торцевого фланца 2 в местах крепления болтов 19 и их затяжке с шайбами 21 и гайками 20 установлена металлическая пластина 3, которая препятствует чрезмерной нагрузке вызываемой перетяжкой болтового соединения, фиг. 1.
Без наложения на электробаромембранный аппарат внешнего электрического поля можно проводить процессы баромембранного разделения (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, гиперфильтрация (обратный осмос) растворов и сточных вод машиностроительных, химических, биохимических и пищевых производств.