Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа с охлаждением разделяемого раствора
ELECTRO-MEMBRANE APPARATUS OF PLANAR CHAMBER TYPE WITH COOLING OF SEPARATED SOLUTION

Изобретение относится к аппаратам, предназначенным для очистки, разделения и концентрирования растворов электрогиперфильтрационным и электронанофильтрационным методами. Применение возможно в химической, микробиологической, пищевой, текстильной и других отраслях промышленности.
Аналогом данной конструкции выступает электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, представленный в патенте № 2403957 RU, 11.03.2009 г. Данный аппарат состоит из фланцев корпуса, камер разделения с каналами ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, чередующихся диэлектрических камер корпуса, соединенных типом выступ-впадина, отверстий для подвода электрических проводов, последовательно соединенных через дренажную сетку с монополярным пористым электродом-пластиной "плюс" или "минус" и находящихся под пористой подложкой из ватмана и мембраной, канала для отвода прикатодного или прианодного пермеата образованного монополярным пористым электродом-пластиной с дренажной сеткой и диэлектрической камерой корпуса через каналы на диэлектрических камерах корпуса, а по всем межмембранным каналам проходит последовательно соединенная через переточные эллиптические окна электропроводящая сетка-турбулизатор, на все вершины которой нанесен диэлектрический элемент в точках касания с поверхностью мембран и получен на выходе из аппарата прианодный или прикатодный ретентат в зависимости от схемы подключения "плюс" или "минус". Недостатками являются малая площадь размещения прикатодных или прианодных мембран в единице объема аппарата, низкое качество и эффективность разделения растворов.
Прототипом данной конструкции является электромембранный аппарат с плоскими фильтрующими элементами, приведенный в патенте №2532813 RU, 07.05.2013 г. Известный аппарат состоит из фланцев корпуса, камер разделения с каналами ввода и вывода разделяемого раствора и каналами для отвода прикатодного и прианодного пермеата, камер охлаждения, отверстий для шпилек, устройства для подвода постоянного электрического тока к камерам аппарата, прикатодных и прианодных мембран, переточных отверстий, шпилек, прокладок, ионообменных спейсеров. Недостатками являются меньшая степень турбулизации и недостаточное охлаждение разделяемого (исходного) раствора, а также большая температурная нагрузка на мембраны.
Технический результат - осуществление улучшенного охлаждения разделяемого (исходного) раствора; снижение температурной нагрузки на мембраны; увеличение степени турбулизации разделяемого (исходного) раствора за счет расположения в нем камер охлаждения между камерами разделения, а не между камер сбора прианодного или прикатодного пермеата, отделяющихся от них титановыми листами толщиной 1,5 мм, которые покрыты слоем керамикополимерной теплопроводящей диэлектрической силиконовой массы, правых и левых сеток-электродов, имеющих конфигурацию в виде десяти равномерно удаленных друг от друга прутьев диаметром 1,5-2 мм, равномерно удаленных друг от друга на расстояние в 20 мм, изогнутых в форме двух витков синусоиды, но при этом концы прутков согнуты не до конца и имеют прямой цилиндрический участок, и расположенных вертикально относительно верхних и нижних границ камер разделения, а также припаянных каждый в шести местах к шести прямым прутьям такого же диаметра, расположенных перпендикулярно к изогнутым, причем два из этих прямых прутьев имеют удлинение с правой или левой стороны в зависимости от того, правой или левой является сетка-электрод, с помощью которых каждая сетка-электрод прикрепляется в двух местах в неизменном положении к соответствующим большим и малым фланцам корпуса путем выполнения в данных фланцах и паронитовых прокладках камер разделения проточек такого же диаметра, что и выступающие за переделы корпуса аппарата элементы сеток-электродов, а также заполнения герметизирующей композицией наружных проточек с увеличенным диаметром.
На фиг. 1 изображен электромембранный аппарат плоскокамерного типа с охлаждением разделяемого раствора, продольный разрез; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - разрез А-А, указанный на фиг. 1; фиг. 5 - вид сзади; фиг. 6 - вид Б, указанный на фиг. 5; фиг. 7 - правая и левая сетки-электроды в изометрии.
Электробаромембранный аппарат шюскокамерного типа с охлаждением разделяемого (исходного) раствора состоит из двух краевых фланцев 1 и 13, четырех больших фланцев 2, 5, 8 и 11, четырех малых фланцев 3, 6, 9 и 12, а также трех межкамерных фланцев 4, 7 и 10, входного и выходного штуцеров для разделяемого (исходного) раствора 18 и 19 соответственно, восьми штуцеров 51 для вывода прианодного или прикатодного пермеата, в зависимости от схемы подключения электрического тока, четырех входных 43 и четырех выходных 44 штуцеров камеры охлаждения, входного канала 20 в большом фланце 2 и выходного канала 31 в малом фланце 12, камер разделения 22 и 49, а также следующих за ними шести аналогичных камер, прокладок 40 и 41, входных и выходных каналов 21, 26 и 23, 27 соответственно в прокладках 40 в первой 22 и второй 49 камерах разделения, а также по одному аналогичному входному и выходному каналу в каждой из прокладок 40 в следующих шести камерах разделения, переточного канала 24 в каждом из четырех больших фланцев 2, 5, 8 и 11, переточного канала 30 в больших фланцах 5, 8 и 11, переточного канала 25 в каждом из малых фланцев 3, 6, 9 и 12, переточного канала 29 в каждом из межкамерных фланца 4, 7 и 10, восьми камер сбора прианодного или прикатодного пермеата 32 и восьми выходных каналов 33 прианодного или прикатодного пермеата, в зависимости от схемы подключения электрического тока, восьми ионообменных мембран 34, анионообменных или катионообменных, в зависимости от схемы подключения электрического тока, восьми пластин-электродов 35, анодов или катодов, в зависимости от схемы подключения электрического тока, четырех левых сеток-электродов 36 и четырех правых сеток-электродов 37, анодов или катодов, в зависимости от схемы подключения электрического тока, четырех камер охлаждения 38, каждая из которых с двух сторон отделена перегородками 50 от камер разделения, восьми каналов ввода-вывода охлаждающей воды 39, восьми проточек 42, заполненные герметизирующей композицией и проводами для подключения пластин-электродов 35, шестнадцати проточек 46 в прокладках 40, шестнадцати проточек 47 и 48 в больших и малых фланцах 2, 5, 8, 11 и 3, 6, 9, 12 соответственно. Корпус электромембранного аппарата плоскокамерного типа с охлаждением разделяемого (исходного) раствора вместе с двумя металлическими пластинами 14 скрепляется шестью болтами 15, шайбами 16 и гайками 17. Подключение к электросети осуществляется с помощью устройства для подвода постоянного тока 45.
Краевые фланцы 1 и 13, большие фланцы 2, 5, 8 и 11, малые фланцы 3, 6, 9 и 12, межкамерные фланцы 4, 7 и 10, входной штуцер 18 и выходной штуцер 19 для разделяемого (исходного) раствора, штуцеры 51 для вывода прианодного или прикатодного пермеата, входные штуцеры 43 и выходные штуцеры 44 камеры охлаждения могут быть изготовлены из капролона, фторопласта, текстолита ПТК, стеклотекстолита СТЭФ. В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С. Материал прокладок 40 и 41 - паронит. Прикатодные или прианодные мембраны 34 могут быть изготовлены в виде ленты из мембран типа МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, ESNA, 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-О, МФФК-3, МК-40, МА-40. Герметизирующая композиция, заполняемая проточки 42 и 48, может быть выполнена из эпоксидных смол. Металлические пластины 14 могут изготовляться из стали 3, стали 15, стали стали 30, стали 45. Болты 15, шайбы 16 и гайки 77 являются стандартизированными изделиями и изготавливаются по действующим ГОСТам. Правые и левые сетки-электроды 36 и 37 может быть изготовлены из полимерного композита с наполнителем до 60% металлических порошков или технического углерода, материала Х18Н9Т, Х18Н10Т, а пластины-электроды 35 могут быть выполнены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ. Перегородки 50 изготавливаются из титановых листов толщиной 1,5 мм, покрытых слоем керамикополимерной теплопроводящей диэлектрической силиконовой массой.
Работа электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа с охлаждением разделяемого (исходного) раствора происходим по следующему принципу.
Разделяемый (исходный) раствор под давлением поступает через штуцер 18 (фиг. 1, 3), входной канал 20 в большом фланце 2 и входной канал 21 в прокладке 40 и заполняет камеру разделения 22 (фиг. 1, 4), образованную в пространстве между краевым фланцем 1 и большим фланцем 2 и ограниченную с одной стороны ионообменной мембраной 34 и пластиной-электродом 35, а с другой перегородкой 50 камеры охлаждения 38. Далее он проходит через выходной канал 23 в прокладке 40, переточный канал 24 в большом фланце 2, переточный канал 25 в малом фланце 3, входной канал 26 в прокладке 40 и заполняет камеру разделения 49, образованную в пространстве между большим фланцем 2 и малым фланцем 3 и ограниченную по аналогии с камерой разделения 22 с одной стороны ионообменной мембраной 34 и пластиной-электродом 35, а с другой перегородкой 50 камеры охлаждения 38, но вышеупомянутые элементы расположены в зеркальном отражении. Затем после прохождения выходного канала 27 в прокладке 40, переточного канала 28 в малом фланце 3, переточного канала 29 в межкамерном фланце 4 и переточного канала 30 в большом фланце 5 движение разделяемого (исходного) раствора осуществляется аналогично движению через камеры разделения 22 и 49 вплоть до его попадания в выходной канал 31 в малом фланце 12, откуда он поступает в выходной штуцер 19 и выводится из аппарата в виде ретентата. Параллельно процессу протекания разделяемого (исходного) раствора через камеры разделения происходит электролитическая диссоциация его компонентов за счет нахождения в каждой камере разделения подключенных к электрической сети по одной пластине-электроду 35, анодов или катодов, в зависимости от схемы подключения электрического тока, и одной левой или правой сетке-электроду 36 или 37, соответственно, анодов или катодов, в зависимости от схемы подключения электрического тока. При этом часть разделяемого (исходного) раствора вместе с продуктами электролитической диссоциации в виде прианодного или прикатодного пермеата, в зависимости от схемы подключения электрического тока, проникает через ионообменные мембраны 34, анионообменные или катионообменные, в зависимости от схемы подключения электрического тока, и пластины-электроды 35, анодов или катодов, в зависимости от схемы подключения электрического тока, в камеры сбора прианодного или прикатодного пермеата 32 и выводится через выходные каналы 33 прианодного или прикатодного пермеата, в зависимости от схемы подключения электрического тока.
Охлаждение разделяемого (исходного) раствора осуществляется использованием камер охлаждения 38, в которые через входные штуцеры 43 и каналы ввода-вывода охлаждающей воды 39 поступает водопроводная вода и выводится через другие каналы ввода-вывода охлаждающей воды 39 и выходные штуцеры 44, тем самым обеспечивая постоянное постоянную смену охлаждающей воды. Теплообмен между всеми камерами разделения, 22, 49 и остальные, и камерами охлаждения 38 происходит через перегородки 50, которыми с двух сторон отделены камеры охлаждения 38.
Для подключения электрических проводов к пластине-электроду 35 имеются проточки 42 диаметром 1,5-2 мм (фиг. 1, 2) по одной в краевых фланцах 1 и 13 и по две в межкамерных фланцах 4, 7 и 10, которые заполнены герметизирующей композицией и расположены по центру на уровне соответствующей пластине-электроду 35.
Левые 36 и правые 37 сетки-электроды имеют конфигурацию в виде десяти равномерно удаленных друг от друга прутьев диаметром 1,5-2 мм, изогнутых в форме синусоиды и припаянных каждый в шести местах к прямым прутьям такого же диаметра, причем два из этих прямых прутьев имеют удлинение с правой или левой стороны в зависимости от того, правой или левой является сетка-электрод, и за счет них подключаются к устройству для подвода постоянного тока 45 (фиг. 5, 6, 7) через проточки 46 в прокладках 40, проточки 47 и 48 в больших 2, 5, 8, 11 и малых 3, 6, 9, 12 фланцах. Также данные выступающие элементы, по 2 у каждой сетки-электрода, позволяют закрепить все сетки-электроды в неизменном положении путем выполнений проточек 47 такого же диаметра, что и выступающие элементы сеток-электродов 36 и 37, а также за счет заполнения проточек 48 герметизирующей композицией.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например, ультрафильтрацию, обратный осмос, микрофильтрацию.