Электробаромембранный аппарат трубчатого типа
TUBULAR ELECTRICALLY-BAROMETRIC UNIT

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, низкая скорость отвода пермеата, образование застойных зон на пути вывода пермеата. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат трубчатого типа, устройство которого приведено в патенте RU 2625669 С1, 18.07.2017 Бюл. №20. Прототип состоит из корпуса с торцевыми и ответными фланцами, трубных решеток, монополярных электродов - анода и катода, прикатодных и прианодных мембран, сборников прианодного и прикатодного пермеата, клемм устройства для подвода электрического тока, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, болтов, гаек и шайб, кольцевых прокладок, сетки-турбулизатора, трубок, причем торцевые фланцы выполнены в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, в которую вкручены клеммы устройства для подвода электрического тока, касающиеся монополярных электродов - анода и катода, прижимные решетки уплотнены по краю окружности через уплотнительные прокладки по посадочной поверхности типа «шип-паз» с трубными решетками, между трубными решетками и прижимными решетками имеется зазор шириной 7 мм, образующий сборники прианодного и прикатодного пермеата, соединенные с каналами прианодного и прикатодного пермеата, расположенными в сечении аппарата под углами 3π/2 к горизонтальной оси и совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного и прикатодного пермеата, вкрученных на резьбе в прижимные решетки, цилиндрический корпус с ответными фланцами соединен через прокладку с трубной решеткой по посадочной поверхности типа «шип-паз», в трубных решетках имеются сквозные и несквозные отверстия под трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами, уплотнение трубок с трубными решетками произведено через кольцевые прокладки, трубки с прианодными и прикатодными мембранами с одного и другого конца доходят по толщине трубных решеток до их края и середины и до их середины и края, соответственно, штуцеры ввода исходного раствора и вывода ретентата в сечении аппарата расположены под углами 3π/2 и π/2 к горизонтальной оси, соответственно, а по длине образующих цилиндрического корпуса штуцеры расположены на расстоянии 50 мм от посадочной поверхности типа «шип-паз» через прокладку с трубной решеткой, сетка-турбулизатор выполнена в виде набора прямоугольных элементов плетеной сетки, соединенных между собой под углом 90 градусов так, что в свободном пространстве в сечении данного соединения образованы прямоугольники, в центре которых проходят трубки с прианодными и прикатодными мембранами, уплотнение трубных решеток через уплотнительные прокладки и прокладки с прижимными решетками и цилиндрическим корпусом осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев и ответных фланцев при помощи болтов, шайб и гаек, которые расположены на торцевых фланцах в их сечении под углами к горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 и расположены от края торцевых фланцев на расстоянии 15 мм.
Недостатками прототипа являются: низкая площадь разделения растворов, низкая производительность и качество разделения растворов, большая материалоемкость на единицу объема аппарата.
Технический результат выражается увеличением площади разделения растворов, увеличением производительности и качества разделения растворов, снижением материалоемкости на единицу объема аппарата, за счет изменения конструкции аппарата, состоящей из корпуса с торцевыми и ответными фланцами, трубных решеток, монополярных электродов - анода и катода, прикатодных и прианодных мембран, сборников прианодного и прикатодного пермеата, клемм устройства для подвода электрического тока, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, болтов, гаек и шайб, кольцевых прокладок, сетки-турбулизатора, трубок, причем торцевые фланцы выполнены в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, в которую вкручены клеммы устройства для подвода электрического тока, касающиеся монополярных электродов - анода и катода, прижимные решетки уплотнены по краю окружности через уплотнительные прокладки по посадочной поверхности типа «шип-паз» с трубными решетками, между трубными решетками и прижимными решетками имеется зазор шириной 7 мм, образующий сборники прианодного и прикатодного пермеата, соединенные с каналами прианодного и прикатодного пермеата, расположенными в сечении аппарата под углами 3π/2 к горизонтальной оси и совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного и прикатодного пермеата, вкрученных на резьбе в прижимные решетки, цилиндрический корпус с ответными фланцами соединен через прокладку с трубной решеткой по посадочной поверхности типа «шип-паз», в трубных решетках имеются сквозные и несквозные отверстия под трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами, уплотнение трубок с трубными решетками произведено через кольцевые прокладки, трубки с прианодными и прикатодными мембранами с одного и другого конца доходят по толщине трубных решеток до их края и середины и до их середины и края, соответственно, штуцеры ввода исходного раствора и вывода ретентата в сечении аппарата расположены под углами 3π/2 и π/2 к горизонтальной оси, соответственно, а по длине образующих цилиндрического корпуса штуцеры расположены на расстоянии 50 мм от посадочной поверхности типа «шип-паз» через прокладку с трубной решеткой, сетка-турбулизатор выполнена в виде набора прямоугольных элементов плетеной сетки, соединенных между собой под углом 90 градусов так, что в свободном пространстве в сечении данного соединения образованы прямоугольники, в центре которых проходят трубки с прианодными и прикатодными мембранами, уплотнение трубных решеток через уплотнительные прокладки и прокладки с прижимными решетками и цилиндрическим корпусом осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев и ответных фланцев при помощи болтов, шайб и гаек, которые расположены на торцевых фланцах в их сечении под углами к горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 и расположены от края торцевых фланцев на расстоянии 15 мм, отличающийся тем, что на торцевых фланцах в их сечении под углами к горизонтальной оси 2π/3, π/2, с внешней стороны, также имеются сквозные отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцер ввода исходного раствора 21 и штуцер вывода ретентата 22 соответственно, которые расположены от края торцевых фланцев на расстоянии 45 мм, каналы для ввода исходного раствора и вывода ретентата также образованы в пространстве между торцевыми фланцами, диэлектрическими втулками 33 и прокладками 4, причем прокладки 4 снабжены восемьдесятью восемью отверстиями, как и в трубных решетках 3 и прижимных решетках 5, 6, являющихся монополярными электродами - анодом и катодом соответственно, все отверстия прокладок 4 соосно совпадают с отверстиями трубок 26, внутри которых размещены прианодная и прикатодная мембраны 28, 30, а снаружи прианодная, прикатодная дренажные сетки 32, 31, которые в шахматном порядке, только с одной из торцевых поверхностей, соединены с прижимными решетках 5, 6 соответственно и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 19.
На фиг.1 показана часть вида и разреза электробаромембранного аппарата трубчатого типа; фиг.2 – вид сверху; фиг.3 – вид слева; фиг.4 – сечение А-А на фиг.1; фиг.5 – вид Б увеличенный на фиг.4; фиг.6 – вид В увеличенный на фиг.1; фиг.7 – вид Г увеличенный на фиг.1.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из корпуса с торцевыми и ответными фланцами 2, 1, трубных решеток 3, прижимных решеток 5, 6, являющихся монополярными электродами - анодом и катодом, прианодных и прикатодных мембран 27, 28 и 29, 30 соответственно, сборников прианодного и прикатодного пермеата 7, 8, клемм устройства для подвода электрического тока 9, штуцеров ввода исходного раствора 10, 21 и вывода ретентата 11, 22, прианодного и прикатодного пермеата 12, 13 соответственно, прокладок 14, болтов, гаек и шайб 16, 17, 18, кольцевых прокладок 19, сетки-турбулизатора 20, трубок 25, 26, причем торцевые фланцы 2 выполнены в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, в которую вкручены клеммы устройства для подвода электрического тока 9, касающиеся прижимных решеток 5, 6 являющихся монополярными электродами - анодом и катодом, которые уплотнены по краю окружности через уплотнительные прокладки 15 по посадочной поверхности типа «шип-паз» с трубными решетками 3, между трубными решетками 3 и прижимными решетками 5, 6 имеется зазор шириной 7 мм, образующий сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8, соединенные с каналами прианодного и прикатодного пермеата 23, 24, расположенными в сечении аппарата под углами 3π/2 к горизонтальной оси и совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного и прикатодного пермеата 12, 13, вкрученных на резьбе в прижимные решетки 5, 6 соответственно, цилиндрический корпус с ответными фланцами 1 соединен через прокладку 14 с трубной решеткой по посадочной поверхности типа «шип-паз», в трубных решетках 3 имеются сквозные и несквозные отверстия под трубки 25 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 27, 29, уплотнение трубок 25 с трубными решетками 3 произведено через кольцевые прокладки 19, трубки 25 с прианодными и прикатодными мембранами 27, 29 соответственно с одного и другого конца доходят по толщине трубных решеток 3 до их края и середины и до их середины и края, соответственно, штуцеры ввода исходного раствора 10 и вывода ретентата 11 в сечении аппарата расположены под углами 3π/2 и π/2 к горизонтальной оси, соответственно, а по длине образующих цилиндрического корпуса штуцеры расположены на расстоянии 50 мм от посадочной поверхности типа «шип-паз» через прокладку 14 с трубной решеткой 3, сетка-турбулизатор 20 выполнена в виде набора прямоугольных элементов плетеной сетки, соединенных между собой под углом 90 градусов так, что в свободном пространстве в сечении данного соединения образованы прямоугольники, в центре которых проходят трубки 25 с прианодными и прикатодными мембранами 27, 29, уплотнение трубных решеток 3 через уплотнительные прокладки 15 и прокладки 14 с прижимными решетками 5, 6 и цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1 осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев 2 и цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1 и при помощи болтов, гаек и шайб 16, 17, 18, которые расположены на торцевых фланцах 2 в их сечении под углами к горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 соответственно и расположены от края торцевых фланцев на расстоянии 15 мм, на торцевых фланцах 2 в их сечении под углами к горизонтальной оси 2π/3, π/2, с внешней стороны, также имеются сквозные отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцер ввода исходного раствора 21 и штуцер вывода ретентата 22 соответственно, которые расположены от края торцевых фланцев 2 на расстоянии 45 мм, каналы для ввода исходного раствора и вывода ретентата также образованы в пространстве между торцевыми фланцами 2, диэлектрическими втулками 33 и прокладками 4, причем прокладки 4 снабжены восемьдесятью восемью отверстиями, как и в трубных решетках 3 и прижимных решетках 5, 6, являющихся монополярными электродами - анодом и катодом соответственно, все отверстия прокладок 4 соосно совпадают с отверстиями трубок 26, внутри которых размещены прианодная и прикатодная мембраны 28, 30, а снаружи прианодная, прикатодная дренажные сетки 32, 31, которые в шахматном порядке, только с одной из торцевых поверхностей, соединены с прижимными решетках 5, 6 соответственно и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 19.
Цилиндрический корпус с ответными фланцами 1, торцевые фланцы 2, трубная решетка 3, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 10, 21 и 11, 22 соответственно, штуцера вывода прианодного и прикатодного пермеата 12, 13, выполнены из диэлектрического материала – капролона или стеклотекстолита.
Трубки 25, 26 могут быть изготовлены из пористого фторопласта, а кольцевые прокладки 19 из резины.
Прижимные решетки 5, 6, являющиеся монополярными электродами - анодом и катодом соответственно и прианодная, прикатодная дренажные сетки 32, 31, а также клеммы устройства для подвода электрического тока 9 могут быть изготовлены из материала марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП.
Сетка-турбулизатор 20 может быть выполнена из материала капролон, пластмасса, стеклотекстолит.
В качестве прианодных и прикатодных мембран 27, 28 и 29, 30 могут применяться мембраны следующих типов МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, ОПМН-П, ОФМН-П, ОПМ-К, ESPA, ESNA, мембраны «Таммел».
Уплотнительные прокладки 15, прокладки 4 и 14 могут быть изготовлены из паронита. Кольцевые прокладки 19 могут изготавливаться из паронита, резины.
Диэлектрическая втулка 33 может изготавливаться из материала капролон.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа работает следующим образом. Исходный раствор первого контура под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, фиг.1, 2, через штуцер ввода исходного раствора 10 подается во внутреннее пространство цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1, где постепенно заполняет весь объем.
В этот же момент времени к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле вызывающее определенную плотность тока в растворе путем подключения клемм устройства для подвода электрического тока 9, фиг.1, 2, 3 через прижимные решетки 5, 6, являющиеся монополярными электродами - анодом и катодом, фиг.1 и соединенных в шахматном порядке только с одной из торцевых поверхностей прианодных, прикатодных дренажных сеток 32, 31 соответственно.
Раствор, протекает в межмембранном пространстве, фиг.1, между цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1, трубными решетками 3 и прианодными и прикатодными мембранами 27, 29, расположенными на трубках 25, двигаясь перемешивается при помощи сетки-турбулизатора 20.
В межмембранном пространстве, фиг.1, 4, 5, вещество, растворенное в жидкости диссоциирует на ионы, под действием электрического тока анионы и катионы проникают через прианодные и прикатодные мембраны 27, 29 соответственно, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», далее сквозь трубки 25 и попадают в зазор между внутренней поверхностью трубки 25 и внешней поверхностью трубки 26, фиг.6, 7 где размещены прианодные, прикатодные дренажные сетки 32, 31 соответственно, а затем самотеком выдавливаются с прианодным и прикатодным пермеатами и газами, образующимися на прианодных, прикатодных дренажных сетках 32, 31 в результате электрохимических реакций в сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8, фиг.1, 6, 7 образованные между трубными решетками 3 и прижимными решетками 5, 6, обеспечивающие минимальный зазор в 7 мм. Далее прианодный и прикатодный пермеат отводится через каналы прианодного и прикатодного пермеата 23, 24, расположенными в сечении аппарата от горизонтальной оси под углами 3π/2 совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного и прикатодного пермеата 12, 13 вкрученных на резьбе в прижимные решетки 5, 6 соответственно в виде кислот и оснований и растворенных газов в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус».
Таким образом, из раствора последовательно протекающего по всему межмембранному пространству электробаромембранного аппарата трубчатого типа, фиг.1, образованного между цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1, трубными решетками 3 и прианодными и прикатодными мембранами 27, 29, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», в котором расположена сетка-турбулизатор 20, в виде анионов и катионов удаляются растворенные вещества.
Исходный раствор второго контура подается под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, одновременно с подачей исходного раствора первого контура, фиг.1, 2 через штуцер ввода исходного раствора 21, расположенного в сквозном отверстии с резьбой с внешней стороны торцевого фланца 2, в его сечении под углом к горизонтальной оси 2π/3 и попадает в канал для ввода исходного раствора, образованного между торцевым фланцем 2, диэлектрической втулкой 33 и прокладкой 4 с одной стороны аппарата. Далее исходный раствор распределяется из канала для ввода исходного раствора по восемьдесять восьми отверстиям прокладки 4, фиг.1, соосно совпадающим с внутренними отверстиями трубок 26 с прианодными и прикатодными мембранами 28, 30 перекачивается по всей длине образующих трубок 26 с прианодными и прикатодными мембранами 28, 30 через восемьдесять восемь отверстий в прокладке 4 и собирается в канал для вывода ретентата, который образован между торцевым фланцем 2, диэлектрической втулкой 33 и прокладкой 4, с другой стороны аппарата, и выводится из него в виде ретентата через штуцер вывода ретентата 21, расположенного в сквозном отверстии с резьбой с внешней стороны торцевого фланца 2, в его сечении под углом к горизонтальной оси π/2. При действии избыточного давления и электрического тока, наложенных на систему «мембрана-раствор» по всей длине образующих трубок 26, фиг.1, 4, 5, 6, 7 с прианодными и прикатодными мембранами 28, 30 осуществляется отвод анионов и катионов диссоциированных на ионы веществ, которые проникают через прианодные и прикатодные мембраны 28, 30 соответственно, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», далее сквозь трубки 26 и попадают в зазор между внутренней поверхностью трубки 25 и внешней поверхностью трубки 26, фиг.6, 7 где размещены прианодные, прикатодные дренажные сетки 32, 31 соответственно, а затем самотеком выдавливаются с прианодным и прикатодным пермеатами и газами, образующимися на прианодных, прикатодных дренажных сетках 32, 31 в результате электрохимических реакций в сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8, фиг.1, 6, 7 образованные между трубными решетками 3 и прижимными решетками 5, 6, обеспечивающие минимальный зазор в 7 мм. Далее прианодный и прикатодный пермеат отводится через каналы прианодного и прикатодного пермеата 23, 24, расположенными в сечении аппарата от горизонтальной оси под углами 3π/2 совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного и прикатодного пермеата 12, 13 вкрученных на резьбе в прижимные решетки 5, 6 соответственно в виде кислот и оснований и растворенных газов, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус».
Таким образом, из раствора последовательно протекающего по всему внутреннему пространству трубок 26 с прианодными и прикатодными мембранами 28, 30 и перекачиваемому по всей длине образующих трубок 26 с прианодными и прикатодными мембранами 28, 30 из электробаромембранного аппарата трубчатого типа, фиг.1, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», в виде анионов и катионов удаляются растворенные вещества.
Торцевые концы трубок 25, фиг.1, 6, 7, с прианодными и прикатодными мембранами 27, 29 закреплены в трубных решетках 3 при помощи кольцевых прокладок 19 вставленных в посадочную поверхность на внутренней стороне трубных решеток 3, которые охватывают концы трубок 25 с внешней стороны вместе с прианодными и прикатодными мембранами 27, 29 и препятствуют протеканию разделяемого раствора в сборники прианодного и прикатодного пермеата 7 и 8 соответственно.
Торцевые концы трубок 26, фиг.1, 6, 7, с прианодными и прикатодными мембранами 28, 30 закреплены в трубных решетках 3 при помощи кольцевых прокладок 19 вставленных в посадочную поверхность на внутренней стороне трубных решеток 3, которые охватывают с внешней стороны трубки 26, а также трубки 26 и трубки 26 с прианодными, прикатодными дренажными сетках 32, 31 вставленных в посадочную поверхность на внутренней стороне прижимных решеткок 5, 6.
Увеличение площади разделения растворов достигается за счет того, что прианодные и прикатодные мембраны размещенные на трубках 25 дополнительно размещены и на трубках 26 соответственно, что, как следствие, увеличивает производительность и качество разделения растворов по сравнению с аппаратом прототипом.
Снижение материалоемкости на единицу объема аппарата по сравнению с аппаратом прототипом достигается за счет того, что вместо щупов правых и левых цилиндрических, выполненных из целиковых прутков, прианодные и прикатодные дренажные сетки 32, 31 выполнены мешьшей массой.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос при разделении растворов химических, машиностроительных и пищевых производств.