Электродиализатор с охлаждением разделяемого раствора
ELECTRODIALYSER WITH COOLING OF SEPARATED SOLUTION

Изобретение относится к области очистки, разделения и концентрирования растворов электродиализным методом. Применение возможно в пищевой, химической, микробиологической, текстильной и других отраслях промышленности. Аналогом данной конструкции является электродиализатор, приведенный в патенте №2225746 RU, 28.01.2003В состав электродиализатора входят две прижимные плиты, входные каналы для подачи разделяемого раствора (концентрата), разделяемого раствора (дилюата) и растворов для омывания электродов, выходные каналы для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Недостатками являются отсутствие охлаждения разделяемого раствора, что влечет за собой потерю качества разделяемого раствора и температурную нагрузку на мембраны.
Прототипом данной конструкции является мембранная электродиализная ячейка ED 64 производства немецкой компании PCCell GmbH, представленная в международной заявке на патент WO 2014138600 A1, 08.03.2013Данная ячейка включает две прижимные плиты, входные каналы для подачи разделяемого раствора (концентрата), разделяемого раствора (дилюата) и растворов для омывания электродов, выходные каналы для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Недостатками являются отсутствие возможности охлаждения разделяемого раствора непосредственно в межмембранных каналах, недостаточная турбулизация потока и большая температурная нагрузка на мембраны.
Технический результат выражается в снижении температуры разделяемого раствора; снижении температурной нагрузки на ионообменные мембраны, увеличении турбулизации разделяемого раствора за счет изменения конструкции электродиализатора, состоящей из двух прижимных плит, входных каналов для подачи разделяемого раствора (концентрата), разделяемого раствора (дилюата) и растворов для омывания электродов, выходных каналов для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакетов чередующихся мембран и прокладок-спейсеров и отличающейся тем, что в электродиализатор сквозь всю конструкцию перпендикулярно торцевой плоскости стороне вставлены двенадцать трубок с циркулирующей охлаждающей водой через отверстия в прижимных плитах, прокладках-спейсерах, катионообменных и анионообменных мембранах, которые расположены таким образом, что центры восьми из них распределены по торцевой поверхности по кругу радиусом 75 мм от центра каждых прижимных плит, прокладок-спейсеров, катионообменных и анионообменных мембран и с шагом 45 градусов относительно друг друга, а центры оставшихся четырех отверстий образуют равносторонний ромб с диагоналями длиной 30 мм, пересечение которых так же лежит в центре прижимных плит, прокладок-спейсеров, катионообменных и анионообменных мембран.
На 1 изображен электродиализатор с охлаждением разделяемого раствора в собранном состоянии в изометрии; 2 - вид спереди; 3 - вид слева; 4 - разрез А-А, указанный на 2; 5 - разрез Б-Б, указанный на фиг. 3, и разрез Д-Д; фиг. 6 - вид Г, указанный на фиг. 4;фиг. 7 - форма мембран и прокладок-спейсеров; фиг. 8 - разрез В-В, указанный на фиг. 3, и разрез Е-Е.Электродиализатор с охлаждением разделяемого раствора состоит из прижимной плиты 1 с четырьмя входными каналами 2 для подачи разделяемого раствора (концентрата), четырьмя входными каналами 3 для подачи разделяемого раствора(дилюата), входным 4 и выходным 5 каналами для раствора для омывания электрода (катода) 6, двенадцатью отверстиями 7 для охлаждающих трубок 8, пазом 9 и отверстием 10 для электрода (катода) 6, отверстием 11 для подключения электрода (катода) 6, четырьмя отверстиями 12 для скрепления конструкции, из десяти пакетов ионообменных мембран и прокладок-спейсеров, включающих в совокупности чередующиеся в определенном порядке две прокладки-спейсера 1  четырьмя отверстиями 14 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 15 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 16 для охлаждающих трубок 8, десять катионообменных мембран 1 с четырьмя отверстиями 18 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 19 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 20 для охлаждающих трубок 8, десять прокладок-спейсеров 2 с четырьмя отверстиями 22 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями-впадинами 23 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 24 для охлаждающих трубок 8, десять анионообменных мембран 2 с четырьмя отверстиями 26 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 27 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 28 для охлаждающих трубок 8идевять прокладок-спейсеров 2 с четырьмя отверстиями-впадинами 30 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 31 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 32 для охлаждающих трубок 8, из прижимной плиты 3 с четырьмя выходными каналами 34 для вывода разделяемого раствора (концентрата), четырьмя выходными каналами 35 для разделяемого раствора (дилюата), входным 36 и выходным 37 каналами для раствора для омывания электрода (анода) 38, двенадцатью отверстиями 39 для охлаждающих трубок 8, пазом 40 и отверстием 41 для электрода (анода) 38, отверстием 42 для подключения электрода (анода) 38, четырьмя отверстиями 43 для скрепления конструкции, из двух электродов (катода) 6 и (анода) 38, из двенадцати охлаждающих трубок 8, из четырех входных штуцеров 44 для подачи разделяемого раствора (концентрата), четырех входных штуцеров 45 для подачи разделяемого раствора (дилюата), четырех выходных штуцеров 46 для вывода разделяемого раствора (концентрата), четырех выходных штуцеров 47 для вывода разделяемого раствора (дилюата), из входного 48 и выходного 49 штуцерами для подачи и вывода раствора для омывания электрода (катода) 6, из входного 50 и выходного 5 штуцерами для подачи и вывода раствора для омывания электрода (анода) 38, двух металлических пластин 52. Две прижимные плиты электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора вместе с двумя металлическими пластинами 52 скрепляются четырьмя болтами 53,восемью упорными шайбами 54, восемью шайбами 55 и четырьмя гайками 56.Прижимные плиты1 и 33, четыре входные штуцера 44 для подачи разделяемого раствора (концентрата), четыре входные штуцера 45 для подачи разделяемого раствора (дилюата), четыре выходные штуцера 46 для вывода разделяемого раствора (концентрата), четыре выходные штуцера 47 для вывода разделяемого раствора (дилюата), входной 48 и выходной 49 штуцеры для подачи и вывода раствора для омывания электрода (катода) 6, входной 50 и выходной 51 штуцерами для подачи и вывода раствора для омывания электрода (анода) 3 могут быть изготовлены из полиэтилена низкого давления, капролона ПА-6, фторопласта Ф-4, текстолита ПТК, стеклотекстолита СТЭФ. В качестве катионообменных мембран17 могут быть использованы мембраны марок МК-40, МК-40Л, МК-41ИЛ, МФ-4СК, Nafion-117, Ralex CM, а в качестве анионообменных 25 - мембраны марокМА-40, МА-41,МА-41И, PC Acid, Ralex AM. Материалом для прокладок-спейсеров13, 21 и 2 служит силиконовая резина. Два электрода 6 (катод) и 38 (анод) изготавливаются из нержавеющей стали иплатинированного титана соответственно. Охлаждающие трубки 8 могут быть изготовлены из силикона или фторопласта-4, а в качестве охлаждающей воды используется водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С. Металлические пластины 52 могут изготовляться из стали марок 3, 15, 30, 45. Болты53, упорные шайбы 54, шайбы 55 и гайки 56 являются стандартизированными изделиями и изготавливаются по действующим ГОСТам.
Работа электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора (1-3) осуществляется следующим образом. Раздельными потоками через четыре штуцера 44 и четыре канала 2 (4, 5) для подачи разделяемого раствора (концентрата) в прижимной плите 1 электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора и через четыре штуцера 45 и четыре канала 3 (4, 5) для подачи разделяемого раствора (дилюата) в прижимной плите 1 электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора к пакетам чередующихся ионообменных мембран и прокладок-спейсеров поступают разделяемый раствор (концентрат) и разделяемого раствора (дилюат) соответственно (4, 6).Далее поток разделяемого раствора (концентрата) через четыре отверстия14 (7) в прокладках-спейсерах 13, четыре отверстия 18 в катионообменных мембранах 17, четыре отверстия 22 в прокладках-спейсерах 21, четыре отверстия 26 в анионообменных мембранах 25 и четыре отверстия-впадины 30 в прокладках-спейсерах 29 подается к прижимной плите 33 (4, 8) электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора, через четыре выходные канала 34 для вывода разделяемого раствора (концентрата) которой и через четыре выходных штуцера 46 для вывода разделяемого раствора (концентрата) он выводится из электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора для повторной его подачи по этому же пути. При этом часть разделяемого раствора (концентрата) через отверстия-впадины 30 (7) прокладки-спейсера 29 попадают в межмембранное пространство, образованное за счет этой прокладки-спейсера 29, куда под действием электрического поля, наложенного с помощью внешнего источника электрического тока через два электрода (катод) 6 и (анод) 38, в ходе электролитической диссоциации компонентов разделяемого раствора из соседних межмембранных пространств поступают катионы и анионы через катионообменные 17 и анионообменные 25 мембраны, образуя тем самым концентрированный поток веществ, из которых состоит разделяемый раствор.
Движение потока разделяемого раствора (дилюата) аналогично движению потока разделяемого раствора (концентрата), но имеет ряд отличий. Так из четырех каналов 3 (фиг. 4, 5) для подачи разделяемого раствора (дилюата) в прижимной плите 1 электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора он через четыре отверстия 15 (фиг. 7) в прокладках-спейсерах 13, четыре отверстия 19 в катионообменных мембранах 17, четыре отверстия-впадины 23 в прокладках-спейсерах 21, четыре отверстия 27 в анионообменных мембранах 25 и четыре отверстия 31 в прокладках-спейсерах 29 подается к прижимной плите 33 электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора, через четыре выходные канала 35 для вывода разделяемого раствора (дилюата) которой и через четыре выходных штуцера 47 для вывода разделяемого раствора (дилюата) он выводится из электродиализатора с охлаждением разделяемого раствора для повторной его подачи по этому же пути. При этом часть разделяемого раствора (дилюата) через отверстия-впадины 23 (фиг. 7) прокладок-спейсеров 21 попадают в межмембранное пространство, образованное за счет этой прокладки-спейсера 21, откуда под действием электрического поля, наложенного с помощью внешнего источника электрического тока через два электрода (катод) 6 и (анод) 38, в ходе электролитической диссоциации компонентов разделяемого раствора удаляются катионы и анионы через катионообменные 17 и анионообменные 25 мембраны в соседние межмембранные пространства, образуя тем самым обессоленный либо обедненный солями поток жидкости.Параллельно этим двум потокам через входной 48 и выходной 49 штуцеры (фиг. 1-3, 4, 5) и через входной 50 и выходной 51 штуцеры (фиг. 2, 3, 4, 8) в электродиализатор с охлаждением разделяемого раствора поступают и выводятся растворы для омывания электрода (катода) 6и электрода (анода) 38, католит и анолит соответственно, которые образуются за счет миграции катионов и анионов через крайние катионообменную 17 и анионообменную 25 мембраны к электроду (катоду) 6 и электроду (аноду) 38 соответственно.
Охлаждение всех движущихся потоков жидкости в электродиализаторе с охлаждением разделяемого растворапроисходит непосредственно внутри него за счет проложенных двенадцати охлаждающих трубок 8 (1, 2, 4) с проточной водой сквозь всю конструкцию черездвенадцать отверстий 7 в прижимной плите 1, двенадцать отверстий 16 (фиг. 7) для охлаждающих трубок 8 в каждой прокладке-спейсере 13, двенадцать отверстий 20 для охлаждающих трубок 8 в каждой катионообменной мембране 17, двенадцать отверстий 24 для охлаждающих трубок 8 в каждой прокладке-спейсере 21, двенадцать отверстий 28 для охлаждающих трубок 8 в каждой анионообменной мембране 25, двенадцать отверстий 32 для охлаждающих трубок 8 в каждой прокладке-спейсере 29 и двенадцать отверстий 39 для охлаждающих трубок 8 в прижимной плите 33. Герметичность межмембранных каналов обеспечивается выполнением соединения двенадцати охлаждающих трубок 8 с катионообменными мембранами 17 (7) через двенадцать отверстий 20 для охлаждающих трубок 8 в каждой и с анионообменными мембранами 25 через двенадцать отверстий 28 для охлаждающих трубок 8 в каждой в виде соединения с натягом. Отверстия 16 для охлаждающих трубок 8 в прокладках-спейсерах 13, отверстия 24 для охлаждающих трубок 8 в прокладках-спейсерах 21 и отверстия 32 для охлаждающих трубок 8 в прокладках-спейсерах 2 соединения с натягом с охлаждающими трубками 8 не требуют.
Двенадцать отверстий 7, 39, 16, 24, 32, 20 и 28 (фиг. 4, 7)под охлаждающие трубки 8 с проточной водой в обеих прижимных плитах 1 и 33, во всех прокладках-спейсерах 13, 21 и 29, катионообменных 17 и анионообменных 25 мембранах соответственно выполнены таким образом, что центры восьми из них распределены по кругу радиусом 75 мм от центра каждых прижимных плит, прокладок-спейсеров, катионообменных и анионообменных мембран и под углом 45 градусов относительно друг друга, а центры оставшихся четырех отверстий образуют равносторонний ромб с диагоналями длиной 30 мм, пересечение которых так же лежит в центре прижимных плит, прокладок-спейсеров, катионообменных и анионообменных мембран. При этом герметичность межмембранных каналов обеспечивается выполнением соединения двенадцати охлаждающих трубок с катионообменными и анионообменными мембранами в виде соединения с натягом.
Добавление к типовой конструкции электродиализатора охлаждающих трубок позволит охлаждать разделяемый раствор непосредственно в межмембранных каналах, что играет важную роль в некоторых отраслях промышленности, например, в молочной, где необходимо устранить негативный эффект нагревания молока или сыворотки в связи с наложением электрического тока.