Электробаромембранный аппарат рулонного типа
ELECTROBAROMEMBRANE APPARATUS OF ROLL TYPE

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов рулонного типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электрогиперфильтрации.
Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в работе Дытнерского Ю.И. «Баромембранные процессы. Теория и расчет». - М.: Химия. 1986 г., с 47. Аппарат рулонного типа, предназначенный для разделения растворов под действием градиента давления, состоит из корпуса, перфорированной раствороотводящей трубки с обернутыми вокруг нее несколькими многослойными листами мембран. Недостатком аппарата является низкая эффективность разделения растворов, в особенности при разделении многокомпонентных смесей электролитов, при отделении электролитов от неэлектролитов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в патенте №RU 2700379 С1, 16.09.2019, МПК B01D 61/46, B01D 63/10. Прототип состоит из штуцера подачи исходного раствора, герметизирующей заливки, крышки, ответного прижимного фланца, внешних отводных трубок, внутренних трубок, корпуса аппарата изготовленного в виде цилиндрической обечайки из диэлектрического материала, рулонного элемента, резиновой манжеты, внешних трубок, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, эллиптических щелей, малых и больших полуэллипсов, эллиптических проточек, антителескопической решетки, втулки, герметизирующей прокладки, болтов, шайб и гаек, уплотнительной прокладки, устройства для подвода электрического тока, штуцеров для отвода ретентата, фиксирующих прокладок, посадочных прокладок, штуцеров для отвода прианодного и прикатодного пермеата, пленок имеющих насечки, углубленные в половину от их толщины и составляющие по форме параллелограммы, вертикальных перегородок, перфорированной трубки, перегородок, дренажных сеток - катода и анода, прикатодных и прианодных мембран, подложек мембран, сеток-турбулизаторов, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды, клеевой композиции, коллекторов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, электрических проводов, полимерных перфорированных перегородок, эллиптических отверстий, отверстий. Недостатками аппарата является большое гидравлическое сопротивление в канале для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, низкая производительность и качество разделения растворов, малая площадь прикатодных, прианодных мембран для разделения растворов, малая площадь охлаждающей поверхности, низкая степень охлаждения прикатодного, прианодного пермеата и высокая концентрационная поляризация.
Технический результат выражается - снижением гидравлического сопротивления в канале для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, увеличением производительности и качества разделения растворов, увеличением площади прикатодных, прианодных мембран для разделения растворов, увеличением площади охлаждающей поверхности и степени охлаждения прикатодного, прианодного пермеата, снижением эффекта концентрационной поляризации, за счет изменения конструкции аппарата: состоящего из штуцера подачи исходного раствора, герметизирующей заливки, крышки, ответного прижимного фланца, внешних отводных трубок, внутренних трубок, корпуса аппарата изготовленного в виде цилиндрической обечайки из диэлектрического материала, рулонного элемента, резиновой манжеты, внешних трубок, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, эллиптических щелей, малых и больших полуэллипсов, эллиптических проточек, антителескопической решетки, втулки, герметизирующей прокладки, болтов, шайб и гаек, уплотнительной прокладки, устройства для подвода электрического тока, штуцеров для отвода ретентата, фиксирующих прокладок, посадочных прокладок, штуцеров для отвода прианодного и прикатодного пермеата, пленок имеющих насечки, углубленные в половину от их толщины и составляющие по форме параллелограммы, вертикальных перегородок, перфорированной трубки, перегородок, дренажных сеток - катода и анода, прикатодных и прианодных мембран, подложек мембран, сеток-турбулизаторов, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды, клеевой композиции, коллекторов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, электрических проводов, полимерных перфорированных перегородок, эллиптических отверстий, отверстий, отличающийся тем, что внутри перфорированной трубки 34 имеется герметично установленная поперечная перегородка 15 разделяющая перфорированную трубку 34 на две равные части, на внешней поверхности которой имеется по четыре набора сквозных перфораций в виде эллиптических проточек 17, по периметру которых расположены большие полуэллипсы 14 выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, а на внутренней поверхности имеется четыре проточки полуэллиптические 35, проходящие по всей длине образующих за исключением участка поперечной перегородки 15 и распределенных от горизонтальной оси под углами π/4, 3π/4, (-π/4), (-3π/4), отверстия 54 в фиксирующей прокладке 28 выполнены в виде двух полумесяцев с прямоугольными краями, на внутренней поверхности внутренней трубки 6 имеется четыре проточки полуэллиптических 46 и две проточки малых полуэллиптических 53 проходящих по всей длине образующих за исключением участка поперечной перегородки 15 и распределенных от горизонтальной оси под углами π/4, 3π/4, (-π/4), (-3π/4) и π/2, (-π/2) соответственно, в полимерной перфорированной перегородке 51 имеются наряду с эллиптическими отверстиями 52 и чередующиеся с ними отверстия проходные 49, на пленке 32, имеющей насечки углубленные в половину от ее толщины в форме параллелограммов имеются также насечки 55 в виде синусойды такой же глубины, в межмембранном канале рулонного элемента 8 имеется герметично установленная с прикатодными и прианодными мембранами 39, 43 полимерная лента 37, проходящая от центра поверхности перфорированной трубки 34 и до центра поверхности внутренней трубки 6, торцевые поверхности корпуса аппарата 7 и крышки 3 уплотнены через герметизирующие и уплотнительные прокладки 21, 25 при помощи ответного прижимного фланца 4 с помощью болтов 22, гаек 24 и шайб 23 равномерно расположенных по контуру фланцевого соединения, с обеих сторон от рулонного элемента 8 на внешней поверхности перфорированной трубки 34 имеются втулки 19, расположенные между антителескопической решеткой 18 и крышкой 3.
На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; на фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид Г слева; фиг. 4 - вид Д справа; фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 6 - сечение Б-Б на фиг. 1; фиг. 7 - вид В увеличенный на фиг. 1; фиг. 8 - сечение Р-Р на фиг. 7; фиг. 9 - вид Ж увеличенный на фиг. 5; фиг. 10 - вид К увеличенный на фиг. 5; фиг. 11 - ступенчатый разрез Н-Н на фиг. 10; фиг. 12 - вид Л увеличенный на фиг. 5; фиг. 13 - вид T увеличенный на фиг. 12; фиг. 14 - вид E выносной элемент увеличенный на фиг. 1; фиг. 15 - развертка рулонного элемента со стороны межмембранного канала, показанного на фиг. 1.
Электробаромембранный аппарат состоит из штуцеров подачи исходного раствора 1; герметизирующих заливок 2; крышек 3; ответных прижимных фланцев 4; внешних отводных трубок 5; внутренних трубок 6; корпуса аппарата 7 изготовленного в виде цилиндрической обечайки из диэлектрического материала; рулонного элемента 8; резиновой манжеты 9; внешних трубок 10; штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды 11 и 20; эллиптических щелей 12 и 16; малых и больших полуэллипсов 13 и 14; поперечных перегородок 15; эллиптических проточек 17; антителескопической решетки 18; втулки 19; герметизирующих прокладок 21; болтов 22, шайб 23 и гаек 24; уплотнительных прокладок 25; устройства для подвода электрического тока 26; штуцеров для отвода ретентата 27; фиксирующих прокладок 28; посадочных прокладок 29; штуцеров для отвода прианодного 30 и прикатодного 31 пермеата; пленок 32 имеющих насечки, углубленные в половину от ее толщины и составляющие по форме параллелограммы; вертикальных перегородок 33; перфорированной трубки 34; полуэллиптических проточек 35; перегородок 36; полимерной ленты 37; дренажных сеток - катода 38 и анода 42; прикатодных 39 и прианодных 43 мембран; подложек мембран 40; сеток-турбулизаторов 41; сеток-турбулизаторов охлаждающей воды 44; клеевой композиции 45; проточек полуэллиптических 46; коллекторов для отвода прианодного 47 и прикатодного 48 пермеата; отверстий проходных 49; электрических проводов 50; полимерных перфорированных перегородок 51; эллиптических отверстий 52; проточек малых полуэллиптических 53; отверстий 54 выполненные в виде двух полумесяцев с прямоугольными краями; насечек 55 в виде синусоиды.
Штуцеры подачи исходного раствора 1, крышки 3, ответные прижимные фланцы 4, внешние отводные трубки 5, внутренние трубки 6, корпус аппарата 7 изготовленный в виде цилиндрической обечайки, внешние трубки 10, штуцеры ввода и вывода охлаждающей воды 11 и 20, поперечные перегородки 15, антителескопические решетки 18, втулки 19, штуцеры для отвода ретентата 27, штуцеры для отвода прианодного 30 и прикатодного 31 пермеата, вертикальные перегородки 33, перфорированная трубка 34, перегородки 36, полимерные перфорированные перегородки 51 могут быть изготовлены из капролона и углепластика.
Подложки мембран 40 могут быть изготовлены из листа ватмана.
Пленки 32 могут быть изготовлены из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности.
Дренажные сетки, являющиеся катодом 38 и анодом 42, могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум» или плетеной сетки выполненной из титана.
Прикатодная и прианодная мембраны 39 и 43 могут изготавливаться в виде ленты из мембран следующих типов в зависимости от прикладываемого градиента давления для обратного осмоса, ультрафильтрации, нанофильтрации и микрофильтрации: МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3.
Сетка-турбулизатор охлаждающей воды 44 и сетка-турбулизатор 41 могут быть выполнены из пластмассы или углепластика обеспечивают необходимую турбулизацию разделяемого раствора и охлаждающей воды.
Клеевая композиция 45 и гермитизирующая заливка 2 могут быть изготовлены из эпоксидной смолы или влагостойкого клея.
Герметизирующие 21, уплотнительные 25, фиксирующие 28, и посадочные 29 прокладки могут быть выполнены из прокладочной резины или паронита.
Полимерная лента 37 может быть изготовлена из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, подается через штуцер подачи исходного раствора 1, фиг. 1, 2, 3, 4, далее через сквозную проточку в центре крышки 3, фиг. 1 под перфорированную трубку 34 разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 33 прокачивается в ней до поперечной перегородки 15 и через эллиптические проточки 17, по периметру которых расположены большие полуэллипсы 14 выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, фиг. 1, 15 поступает в пространство, где расположена сетка-турбулизатор 41, фиг. 9, 15 по разные стороны, от которой расположены прианодные 43 и прикатодные 39 мембраны образующие межмембранный канал, по всей длине которого циркулирует раствор, поступающий по эллиптической щели 16, фиг. 1, 10 во внутрь внутренней трубки 6, далее отводится по внутреннему пространству штуцера для отвода ретентата 37, фиг. 1 создавая таким образом первый и второй контур разделения.
В этот же момент времени к дренажным сеткам, являющимся катодом 38 и анодом 42, фиг. 9, 10, 12 включением устройства для подвода электрического тока 26, фиг. 1 через электрические провода 50 соединенными через герметизирующую заливку 2 внешней отводной трубки 5, которые проходят через коллекторы для отвода прианодного 47, прикатодного 48 пермеата фиг. 10 далее проходящие через отверстия 54, выполненные в виде двух полумесяцев с прямоугольными краями в фиксирующей прокладке 28, фиг. 7, 8 затем между перегородкой 36, фиг. 10, внешней 10 и внутренней 6 трубками соответственно и полимерными перфорированными перегородками 51 через эллиптические отверстия 52 и отверстия проходные 49, фиг. 10, 11 к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор, двигаясь турбулизируется при помощи сетки-турбулизатора 41, фиг. 9, 10, 12, 13, 15 установленной в межмембранном канале около поверхности прианодных 43 и прикатодных 39 мембран в зависимости от схемы подключения дренажных сеток, являющихся анодом 42 и катодом 38 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус».
В межмембранном канале, фиг. 9, 10, 12, 13 растворенное в исходном растворе вещество диссоциирует на ионы, - анионы и катионы и под действием электрического тока и градиента давления проникают совместно с растворителем сквозь поры прианодных 43 и прикатодных 39 мембран соответственно и подложки мембран 40 попадая в пространства, где расположены дренажные сетки, являющиеся анодом 42 и катодом 38 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус» соответственно.
Полученный таким образом прианодный и прикатодный пермеат самотеком отводится через эллиптические отверстия 52 и отверстия проходные 49, фиг. 10, 11 в полимерной перфорированной перегородке 51, на которую уложены концы дренажных сеток, являющихся анодом 42 и катодом 38, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус» попадая в коллекторы для отвода прианодного 47, прикатодного 48 пермеата, далее отводятся через отверстия 54, фиг. 7, 8 в фиксирующей прокладке 28, исполненные в виде двух полумесяцев с прямоугольными краями по продолжающимся коллекторам для отвода прианодного 47 и прикатодного 48 пермеата и выводятся через штуцера для отвода прианодного 30 и прикатодного 31 пермеата, фиг. 2, 3, 4 в виде кислот, оснований и растворенных газов соответственно.
Растворенные газы, в прианодном и прикатодном пермеате, образуются в результате электрохимических реакций на электродах.
Исходный раствор поступает через штуцер подачи исходного раствора 1, фиг. 1 с правой и левой торцевых поверхностей корпуса аппарата 7, при этом за счет поперечных перегородок 15 и полимерной ленты 37, фиг. 6, 15 в аппарате образуются два контура разделения раствора.
Одновременно с подачей исходного раствора, через штуцера для ввода 11 и вывода 20 охлаждающей воды, фиг. 1, 2 расположенные от горизонтальной оси в сечении корпуса аппарата 7 под углами (-π/2) и π/2 соответственно, а от торцевых поверхностей корпуса аппарата 7 с разъемными фланцевыми соединениями на расстоянии 95 мм от края, заполняется коллектор для протекания охлаждающей воды. Коллектор для протекания охлаждающей воды образован между корпусом аппарата 7, пленкой 32, внешних трубок 10, перфорированной трубки 34, крышки 3 и втулки 19, фиг. 1, 5, 6.
Исходный раствор, протекая по всему межмембранному каналу, где расположена сетка-турбулизатор 41, фиг. 9, 10, 12, 13, 15 очищается от катионов и анионов, попадая через эллиптические щели 16, фиг. 1, 10 внутрь внутренней трубки 6 и штуцера для отвода ретентата 27, фиг. 1. 2, 3, 4 и выводится в виде ретентата.
В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная и дистиллированная вода с температурой от 278 до 288 К.
Полимерная лента 37 герметично приклеена при скручивании рулонного элемента 8 к поверхностям прикатодных 39, прианодных 43 мембран.
При таком конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа и расположения элементов в аппарате, фиг. 1-15 происходит снижение гидравлического сопротивления в межмембранном канале, канале для отвода ретентата, прианодного, прикатодного пермеата за счет наличия следующих конструктивных элементов, проточек полуэллиптических 35 и 46, проточек малых полуэллиптических 53, большая полуось эллипса которых направлена изнутри перфорированной трубки 34 и внутренней трубки 6 и распределенных от горизонтальной оси под углами π/4, 3π/4, (-π/4), (-3π/4) и π/4, 3π/4, (-π/4), (-3π/4), π/2, (-π/2) соответственно, и наличия отверстий 54, выполненных в виде двух полумесяцев с прямоугольными краями, фиг. 1-15, это позволяет свободно циркулировать разделяемому раствору по всему электробаромембранному аппарату рулонного типа от штуцера подачи исходного раствора 1 до штуцеров для отвода ретентата 27 и штуцеров для отвода прианодного и прикатодного пермеата.
Увеличение производительности и качества разделения растворов, увеличение площади прикатодных, прианодных мембран для разделения растворов, увеличение площади охлаждающей поверхности и степени охлаждения прикатодного, прианодного пермеата, снижение эффекта концентрационной поляризации при конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа, фиг. 1-15, по сравнению с аппаратом прототипом достигается за счет наличия конструктивных элементов: внутри перфорированной трубки 34 имеется герметично установленная поперечная перегородка 15 разделяющая перфорированную трубку 34 на две равные части, на внешней поверхности которой имеется по четыре набора сквозных перфораций в виде эллиптических проточек 17, по периметру которых расположены большие полуэллипсы 14 выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, а на внутренней поверхности имеется четыре проточки полуэллиптические 35, проходящие по всей длине образующих за исключением участка поперечной перегородки 15 и распределенных от горизонтальной оси под углами π/4, 3π/4, (-π/4), (-3π/4), отверстия 54 в фиксирующей прокладке 28 выполнены в виде двух полумесяцев с прямоугольными краями, на внутренней поверхности внутренней трубки 6 имеется четыре проточки полуэллиптических 46 и две проточки малых полуэллиптических 53 проходящих по всей длине образующих за исключением участка поперечной перегородки 15 и распределенных от горизонтальной оси под углами π/4, 3π/4, (-π/4), (-3π/4) и π/2, (-π/2) соответственно, в полимерной перфорированной перегородке 51 имеются наряду с эллиптическими отверстиями 52 и чередующиеся с ними отверстия проходные 49, на пленке 32, имеющей насечки углубленные в половину от ее толщины в форме параллелограммов имеются также насечки 55 в виде синусоиды такой же глубины, в межмембранном канале рулонного элемента 8 имеется герметично установленная с прикатодными и прианодными мембранами 39, 43 полимерная лента 37 проходящая от центра поверхности перфорированной трубки 34 и до центра поверхности внутренней трубки 6, торцевые поверхности корпуса аппарата 7 и крышки 3 уплотнены через герметизирующие и уплотнительные прокладки 21, 25 при помощи ответного прижимного фланца 4 с помощью болтов 22, гаек 24 и шайб 23 равномерно расположенных по контуру фланцевого соединения, с обеих сторон от рулонного элемента 8 на внешней поверхности перфорированной трубки 34 имеются втулки 19, расположенные между антителескопической решеткой 18 и крышкой 3 и следующих расчетных параметров, которые представлены в таблице.
Результаты расчета площади разделения растворов и площади охлаждающей поверхности в электробаромембранных аппаратах (представленный в данной работе и прототипа) представлены в таблице.
пл
пл
общ.
пл.общ.
-
+
2
2
2
где а, а - длина мембраны и пленки, м; b, b - ширина мембраны и пленки, м; n - количество прикатодных мембран и пленок около дренажной сетки - катода, шт.; n - количество прианодных мембран и пленок около дренажной сетки - анода, шт.; n - общее количество мембран и пленок около дренажных сеток - катода и анода, шт.; ,  - общая площадь прикатодных мембран и пленок около дренажной сетки - катода, м; ,  - общая площадь прианодных мембран и пленок около дренажной сетки - анода, м; F, F - общая площадь разделения и общая площадь охлаждающей поверхности, м.
Увеличение площади прикатодных, прианодных мембран и как следствие общей площади разделения раствора и общей площади охлаждающей поверхности по сравнению с аппаратом-прототипом в два раза, позволяет увеличить производительность и качество разделения растворов и степень охлаждения прикатодного, прианодного пермеата.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например, обратный осмос, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию.