ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫЙ АППАРАТ С ПЛОСКИМИ ФИЛЬТРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ELECTRICAL BAROMEMBRANE UNIT WITH FLAT FILTER ELEMENTS

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электрогиперфильтрации, электромикрофильтрации, электроультрафильтрации и электронанофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, целлюлозно-бумажной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Аналогом данной конструкции является мембранный аппарат, конструкция которого приведена в авторском свидетельстве СССР № SU 1745284 А1, кл. B01D 63/08, 1989. Аналог состоит из двух фланцев с каналами ввода и вывода разделяемого раствора и каналами для отвода пермеата, отверстиями для стяжки болтами, устройством для подвода электрического тока, пористыми подложками, которые одновременно служат электродами и дренажем для отвода пермеата, и мембранами, между которыми расположены биполярные электроды. Недостатком аналога является: низкая эффективность разделения при низкой площади мембран и нагревание раствора при прохождении электрического тока, влияющее на рабочие и технологические параметры аппарата. Недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат, который приведен в патенте РФ № RU 2324529 С2, B01D 61/14, 20.05.2008. Аппарат включает последовательно расположенные между двумя фланцами прикатодные и прианодные мембраны с биполярными электродами. Средняя часть биполярных электродов в аппарате заменена графитовой тканью и диэлектрической перегородкой. В межмембранном канале установлены ионообменные спейсеры, подвод электрического тока осуществляется параллельно. Недостатками прототипа являются: нагрев прикатодного и прианодного пермеата и снижение эффективной площади мембран при выполнении переточных отверстий непосредственно на электроде с уложенной на нем мембраной.
Технический результат - увеличение площади мембран, повышение эффективности разделения растворов и снижение степени нагрева прикатодного и прианодного пермеата за счет изменения конструкции-аппарата, первый и второй фланцы корпуса аппарата выполнены с выступом и впадиной соответственно по плоской уплотнительной поверхности, в которых имеются каналы для ввода и вывода раствора, выполненные в виде цилиндрического канала под углом 90° по центру снизу первого фланца корпуса аппарата и сверху во втором фланце корпуса аппарата, плоская уплотнительная поверхность первого фланца корпуса опирается на первую паронитовую прокладку, в которой имеется отверстие диаметром 3 мм, совпадающее с таким же отверстием первой камеры корпуса в верхней ее части, расположенным по центру со стороны паронитовой прокладки, а отверстие в первой камере корпуса соединено с цилиндрическим каналом в верхней части второй камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, причем на уплотнительной поверхности первой камеры корпуса уложены последовательно с одной ее стороны монополярный пористый электрод катод и прикатодная мембрана, а с другой стороны уплотнительной поверхности этой же камеры корпуса расположена диэлектрическая пластина, опирающаяся на вторую прокладку из паронита с одной ее стороны, в которой отверстия диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующих камер корпуса, а эта же прокладка из паронита с другой ее стороны опирается на диэлектрическую пластину, которая уложена на уплотнительной поверхности второй камеры корпуса с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность с выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод анод, который прижимает прианодную мембрану к третьей паронитовой прокладке, в которой сверху и снизу ее имеются отверстия диаметром 3 мм, совпадающие с такими же отверстиями третьей камеры корпуса в верхней и нижней ее части соответственно, расположенными по центру со стороны паронитовой прокладки, а отверстие в верхней части третьей камеры корпуса соединено с цилиндрическим каналом второй камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие в нижней части третьей камеры корпуса соединено с цилиндрическим каналом в нижней части четвертой камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, третья паронитовая прокладка прижимает последовательно прикатодную мембрану и монополярный пористый электрод катод к плоской уплотнительной поверхности третьей камеры корпуса, а с другой стороны этой же камеры корпуса и ее уплотнительной поверхности расположена диэлектрическая пластина, опирающаяся на четвертую прокладку из паронита с одной ее стороны, в которой отверстия диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующих камер корпуса, и эта же прокладка с другой ее стороны опирается на диэлектрическую пластину, которая уложена на четвертой камере корпуса с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод анод, который прижимает прианодную мембрану к пятой паронитовой прокладке, в которой сверху и снизу ее имеются отверстия диаметром 3 мм, совпадающие с такими же отверстиями пятой камеры корпуса в верхней и нижней ее части соответственно, расположенными по центру со стороны пятой паронитовой прокладки, а отверстие в верхней части пятой камеры корпуса соединено с цилиндрической проточкой в верхней части шестой камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие в нижней части пятой камеры корпуса соединено с цилиндрической проточкой в нижней части четвертой камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие в нижней части пятой камеры корпуса соединено с таким же отверстием в нижней части четвертой камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, пятая паронитовая прокладка прижимает последовательно прикатодную мембрану и монополярный пористый электрод катод к плоской уплотнительной поверхности пятой камеры корпуса, а с другой стороны уплотнительной поверхности этой же камеры корпуса расположена диэлектрическая пластина, опирающаяся на шестую прокладку из паронита, в которой отверстия диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующих камер корпуса, и эта же прокладка из паронита опирается на диэлектрическую пластину, которая уложена на шестой камере корпуса с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод анод, который прижимает прианодную мембрану к седьмой паронитовой прокладке, в которой сверху и снизу ее имеются отверстия диаметром 3 мм, совпадающие с такими же отверстиями седьмой камеры корпуса в верхней и нижней ее части соответственно, расположенными по центру со стороны седьмой паронитовой прокладки, а отверстие в верхней части седьмой камеры корпуса соединено с цилиндрической проточкой в верхней части шестой камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие в нижней части седьмой камеры корпуса соединено с цилиндрической проточкой в нижней части восьмой камеры корпуса проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, седьмая паронитовая прокладка прижимает последовательно прикатодную мембрану и монополярный пористый электрод катод к плоской уплотнительной поверхности седьмой камеры корпуса, а с другой стороны уплотнительной поверхности этой же камеры корпуса расположена диэлектрическая пластина, опирающаяся с одной ее стороны на восьмую прокладку из паронита, в которой отверстия диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующих камер корпуса, и эта же прокладка из паронита с другой ее стороны опирается на диэлектрическую пластину, которая уложена на восьмой камере корпуса с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод анод, который прижимает прианодную мембрану к девятой паронитовой прокладке, в которой снизу имеется отверстие диаметром 3 мм, совпадающее с таким же отверстием второго фланца корпуса в нижней его части, расположенным по центру со стороны девятой паронитовой прокладки, а девятая паронитовая прокладка прижимается ко второму фланцу корпуса аппарата впадиной по плоской уплотнительной поверхности, по периметру внешних уплотнительных поверхностей каждой камеры корпуса расположены внешние паронитовые прокладки, в которых имеются отверстия, совпадающие с цилиндрическими каналами первой, второй, третьей, пятой, шестой и седьмой камер корпуса сверху и третьей, четвертой, пятой, седьмой и восьмой камер корпуса снизу, кроме внешней паронитовой прокладки, расположенной по периметру между первым фланцем корпуса и первой камерой корпуса аппарата, в нижней части каждой камеры корпуса с внутренней ее стороны между монополярным пористым электродом и диэлектрической пластиной по центру имеется отверстие диаметром 3 мм и глубиной 10 мм с проточкой в виде цилиндрического канала, соединенной с такой же проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, соединенной со штуцером для отвода прикатодного и прианодного пермеата, в зависимости от расположения монополярного пористого электрода катода или анода, между каждой парой диэлектрических пластин, разделенных второй, четвертой, шестой и восьмой паронитовыми прокладками в верхней и нижней части второй, четвертой, шестой и восьмой камер корпуса, располагаются отверстия диаметром 5 мм, совпадающие с такими же отверстиями в паронитовых прокладках, совмещенных со штуцерами для ввода и вывода охлаждающего агента, находящимися на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующих камер корпуса, в каждом межмембранном пространстве размещены ионообменные спейсеры, состоящие из гранул и ионообменной сетки, в каждой камере корпуса имеются проточки диаметром 2 мм, заполненные герметизирующей композицией, обеспечивающие подключение электрического провода к монополярно-пористому электроду, расположенные по центру на уровне соответствующего монополярно-пористого электрода снизу - на первой, третьей, пятой и седьмой камере корпуса, сверху - на третьей, пятой, седьмой камерах корпуса и втором фланце корпуса.
На фиг.1 изображен фронтальный разрез электромембранного аппарата с плоскими фильтрующими элементами; фиг.2 - вид А (боковой) аппарата; фиг.3 - вид Б (сверху) электромембранного аппарата; фиг.4 - вид В, увеличенный, межмебранного пространства с ионообменными спейсерами; фиг.5 - вид Г, разрез электробаромембранного аппарата, представленного на фиг.1; фиг.6 - вид Д, разрез электробаромембранного аппарата, представленного на фиг.1; фиг.7 - вид Е, разрез электробаромембранного аппарата, представленного на фиг.1.
Электробаромембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами состоит из первого и второго фланцев корпуса 1 и 7, которые выполнены с выступом и впадиной соответственно по плоской уплотнительной поверхности, в которых имеются каналы для ввода 33 и вывода 34 раствора, выполненные в виде цилиндрического канала под углом 90° по центру снизу первого фланца корпуса аппарата 1 и сверху во втором фланце корпуса аппарата 7, плоская уплотнительная поверхность первого фланца корпуса 1 опирается на первую паронитовую прокладку 12, в которой имеется отверстие 40 диаметром 3 мм, совпадающее с таким же отверстием 46 первой камеры корпуса 2 в верхней ее части, расположенным по центру со стороны паронитовой прокладки 12, а отверстие 46 в камере корпуса 2 соединено с цилиндрическим каналом 45 в верхней части второй камеры корпуса 3 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, причем на уплотнительной поверхности первой камеры корпуса 2 уложены последовательно с одной ее стороны монополярный пористый электрод 19 катод и прикатодная мембрана 18, а с другой стороны уплотнительной поверхности этой же камеры корпуса 2 расположена диэлектрическая пластина 37, опирающаяся на вторую прокладку из паронита 14 с одной ее стороны, в которой отверстия 36 и 39 диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующей камеры корпуса 3, а эта же прокладка из паронита 14 с другой ее стороны опирается на диэлектрическую пластину 37, которая уложена на уплотнительной поверхности второй камеры корпуса 3 с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность с выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод 20 анод, который прижимает прианодную мембрану 21 к третьей паронитовой прокладке 13, в которой сверху и снизу ее имеются отверстия 41 и 42 диаметром 3 мм, совпадающие с такими же отверстиями 35 третьей камеры корпуса 4 в верхней и нижней ее части соответственно, расположенными по центру со стороны паронитовой прокладки 13, а отверстие 35 в верхней части третьей камеры корпуса 4 соединено с цилиндрическим каналом 45 второй камеры корпуса 3 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие 47 в нижней части третьей камеры корпуса 4 соединено с цилиндрическим каналом 48 в нижней части четвертой камеры корпуса 5 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, третья паронитовая прокладка 13 прижимает последовательно прикатодную мембрану 18 и монополярный пористый электрод 19 катод к плоской уплотнительной поверхности третьей камеры корпуса 4, а с другой стороны этой же камеры корпуса 4 и ее уплотнительной поверхности расположена диэлектрическая пластина 37, опирающаяся на четвертую прокладку из паронита 14 с одной ее стороны, в которой отверстия 36 и 39 диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующей камеры корпуса 5, и эта же прокладка из паронита 14 с другой ее стороны опирается на диэлектрическую пластину 37, которая уложена на четвертой камере корпуса 5 с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод 20 анод, который прижимает прианодную мембрану 21 к пятой паронитовой прокладке 13, в которой сверху и снизу ее имеются отверстия 41 и 42 диаметром 3 мм, совпадающие с такими же отверстиями 46 и 49 пятой камеры корпуса 6 в верхней и нижней ее части соответственно, расположенными по центру со стороны пятой паронитовой прокладки 13, а отверстие 46 в верхней части пятой камеры корпуса 6 соединено с цилиндрической проточкой 45 в верхней части шестой камеры корпуса 3 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие 49 в нижней части пятой камеры корпуса 6 соединено с цилиндрической проточкой 48 в нижней части четвертой камеры корпуса 5 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, пятая паронитовая прокладка 13 прижимает последовательно прикатодную мембрану 18 и монополярный пористый электрод 19 катод к плоской уплотнительной поверхности пятой камеры корпуса 6, а с другой стороны уплотнительной поверхности этой же камеры корпуса расположена диэлектрическая пластина 37, опирающаяся на шестую прокладку из паронита 14, в которой отверстия 36 и 39 диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующей камеры корпуса 3, и эта же прокладка из паронита 14 опирается на диэлектрическую пластину 37, которая уложена на шестой камере корпуса 3 с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод 20 анод, который прижимает прианодную мембрану 21 к седьмой паронитовой прокладке 13, в которой сверху и снизу ее имеются отверстия 41 и 42 диаметром 3 мм, совпадающие с такими же отверстиями 35 и 47 седьмой камеры корпуса 4 в верхней и нижней ее части соответственно, расположенными по центру со стороны седьмой паронитовой прокладки 13, а отверстие 35 в верхней части седьмой камеры корпуса 4 соединено с цилиндрической проточкой 45 в верхней части шестой камеры корпуса 3 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, отверстие 47 в нижней части седьмой камеры корпуса 4 соединено с цилиндрической проточкой 48 в нижней части восьмой камеры корпуса 5 проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, седьмая паронитовая прокладка 13 прижимает последовательно прикатодную мембрану 18 и монополярный пористый электрод 19 катод к плоской уплотнительной поверхности седьмой камеры корпуса 5, а с другой стороны уплотнительной поверхности этой же камеры корпуса 5 расположена диэлектрическая пластина 37, опирающаяся с одной ее стороны на восьмую прокладку из паронита 14, в которой отверстия 36 и 39 диаметром 5 мм расположены в левой боковой части на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующей камеры корпуса 5, и эта же прокладка из паронита 14 с другой ее стороны опирается на диэлектрическую пластину 37, которая уложена на восьмой камере корпуса 5 с одной ее стороны, с другой ее стороны плоская уплотнительная поверхность выступом опирается последовательно на монополярный пористый электрод 20 анод, который прижимает прианодную мембрану 21 к девятой паронитовой прокладке 12, в которой снизу имеется отверстие 40 диаметром 3 мм, совпадающее с таким же отверстием 49 второго фланца корпуса 7 в нижней его части, расположенным по центру со стороны девятой паронитовой прокладки 12, а девятая паронитовая прокладка 12 прижимается ко второму фланцу корпуса 7 аппарата впадиной по плоской уплотнительной поверхности, по периметру внешних уплотнительных поверхностей каждой камеры корпуса расположены внешние паронитовые прокладки 10 и 11, в которых имеются отверстия, совпадающие с отверстиями 35 первой 2, второй 3, третьей 4, пятой 6, шестой 3 и седьмой 4 камер корпуса сверху и третьей 4, четвертой 5, пятой 6, седьмой 4 и восьмой 5 камер корпуса снизу, кроме внешней паронитовой прокладки 10, расположенной по периметру между первым фланцем корпуса 1 и первой камерой корпуса 2 аппарата, в нижней части каждой камеры корпуса с внутренней ее стороны между монополярным пористым электродом 19 или 20 и диэлектрической пластиной 37 по центру имеется отверстие 28 или 29 диаметром 3 мм и глубиной 10 мм с проточкой в виде цилиндрического канала, соединенной с такой же проточкой в виде цилиндрического канала под углом 90°, соединенной со штуцером 30 и 31 для отвода прикатодного и прианодного пермеата соответственно, в зависимости от расположения монополярного пористого электрода 19 или 20 катода или анода, между каждой парой диэлектрических пластин 37, разделенных второй, четвертой, шестой и восьмой паронитовыми прокладками 14 в верхней и нижней части второй 3, четвертой 5, шестой 3 и восьмой 5 камер корпуса, располагаются отверстия 36 и 39 диаметром 5 мм, совпадающие с такими же отверстиями 36 и 39 в паронитовых прокладках 14, совмещенных со штуцерами 43 и 44 для ввода и вывода охлаждающего агента, находящимися на расстоянии 30 мм от верхней и нижней внутренних кромок соответствующих камер корпуса 3 и 5, в каждом межмембранном пространстве размещены ионообменные спейсеры 15, состоящие из гранул 16 и ионообменной сетки 17, в каждой камере корпуса имеются проточки 27 диаметром 2 мм, заполненные герметизирующей композицией 26, обеспечивающие подключение электрического провода 25 к монополярно-пористому электроду 19 или 20, расположенные по центру на уровне соответствующего монополярно-пористого электрода 19 или 20 снизу - на первой 2, третьей 4, пятой 6 и седьмой 4 камере корпуса, сверху - на третьей 4, пятой 6, седьмой 4 камерах корпуса и втором фланце корпуса 7, по краям фланцев 1 и 7 расположены металлические пластины 8.
Фланцы корпуса аппарата 1, 7 и камеры корпуса 2, 3, 4, 5, 6 могут быть изготовлены из капролона.
Металлические шпильки 22, 23 и 24 могут быть изготовлены из стали 25.
Герметизирующая композиция 26 может быть выполнена из эпоксидных смол.
Металлические пластины 8 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.
Прокладки 10, 11, 12, 13, 14 могут быть изготовлены из паронита.
Диэлектрические пластины 37 могут быть изготовлены из полиэтилентерефталата (ПЭТ), керамики.
Мембраны 18, 21 могут быть типов УАМ-150, УАМ-300П, УАМ-1000П, УПМ-ПП, УПМ-200, УПМ-П, УФМ-П, УФМ-100, МФФК-3, ОПМ-К, ОПМН-П, ESPA1, ESNA, МГА-80П, МГА-95, МГА-100.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор поступает через штуцер 50, фиг.1, в канал ввода исходного раствора 33 и, заполнив пространство, образованное первым фланцем корпуса аппарата 1 и прикатодной мембраной 18, попадает через отверстие 40 в паронитовой прокладке 12 в отверстие 46, фиг.5, первой камеры корпуса 2, а далее через цилиндрическую проточку 45 второй камеры корпуса 3, через отверстие 35 в третьей камере корпуса 4 и отверстие 41, фиг.1, в верхней части паронитовой прокладки 13, заполняет пространство между прианодной и прикатодной мембранами 21 и 18, расположенными между второй и третьей камерами корпуса 3 и 4 и уложенными с обеих сторон паронитовой прокладки 13. Через отверстие 42, фиг.7, в нижней части паронитовой прокладки 13, отверстие 47, фиг.1, в нижней части третьей камеры корпуса 4, цилиндрическую проточку 48 в нижней части четвертой камеры корпуса 5, отверстие 49 в нижней части пятой камеры корпуса 6, раствор заполняет следующее межмембранное пространство. Аналогичным образом происходит заполнение всех межмембранных пространств. В каждом межмембранном пространстве расположены ионообменные спейсеры 15, состоящие из ионообменной сетки 17, фиг.4, и гранул 16. После заполнения пространства, образованного прианодной мембраной 21, фиг.1, и вторым фланцем корпуса 7, раствор выводится через канал вывода раствора 34 и штуцер вывода раствора 9, фиг.3. В этот же момент времени к аппарату от источника тока 32, фиг.1, подводится внешнее постоянное электрическое поле с определенной плотностью тока. Под действием электрического тока анионы, проникающие через прианодную мембрану 21, фиг.1, и пористый монополярный электрод 20 отводятся с прианодным пермеатом по каналу 29 в виде кислот через штуцер 31, фиг.2, прианодного пермеата. Прианодный пермеат соприкасается с диэлектрической пластиной 37, фиг.1, которая является стенкой охлаждающей камеры 38, отводя избыток тепла, образующегося при нагревании монополярных пористых электродов, от прианодного пермеата. Катионы, проникающие через прикатодную мембрану 18 и пористый монополярный электрод 19, отводятся с прикатодным пермеатом по каналу 28, фиг.6, в виде оснований через штуцер 30, прикатодного пермеата. Прикатодный пермеат соприкасается с диэлектрической пластиной 37, фиг.1, которая является стенкой охлаждающей камеры 38, отводя избыток тепла, образующегося при нагревании монополярных пористых электродов, от прикатодного пермеата. Газы, образованные в результате электрохимических реакций в аппарате, также отводятся через штуцера 30 и 31. Одновременно с заполнением аппарата исходным раствором охлаждающий агент подается через каналы штуцера 44 и по отверстиям 39 заполняет охлаждающие камеры 38 и, отводя избыток тепла от пермеата, выводится через отверстия 36 и штуцера вывода охлаждающего агента 43.
Контакт прикатодного и прианодного пермеата с диэлектрическими пластинами 37 охлаждающей камеры 38 выполняется с целью отвода избытка тепла от пермеата, т.к. с увеличением времени работы аппарата с наложением электрического поля, возрастает температура поверхности электродов и мембран, негативно влияя на рабочие характеристики мембран. Кроме того, высокая температура способствует брожению биологически активных растворов, делая невозможным применение аппарата для их концентрирования.
В качестве охлаждающего агента используется вода с температурой 278-288 К.
Отверстия 35, 46, 47, 49, фиг.1, представляют собой проточки цилиндрической формы, выполненные в соответствующих камерах корпуса.
Цилиндрический канал, расположенный под углом 90° во фланцах корпуса и камерах корпуса, представляет собой два канала цилиндрической формы, соединенные друг с другом и расположенные перпендикулярно друг к другу, фиг.1.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата с плоскими фильтрующими элементами можно проводить баромембранные процессы без наложения электрического поля. В частности, на разработанной конструкции электробаромембранного аппарата с плоскими фильтрующими элементами можно проводить мембранные процессы с разрежением под вакуумом.