Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа
FLAT-CHAMBER TYPE ELECTROBAROMEMBRANE APPARATUS

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, целлюлозно-бумажной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Обратный осмос и ультрафильтрация». М.: Химия, 1978 стр. 111, 197-200. Он представляет собой однокамерный аппарат, состоящий из пористого анода и катода, прианодной и прикатодной мембран. Недостатками являются: малая площадь разделения при высоких энергозатратах на процесс разделения. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2622659 C1, 19.06.2017 Бюл. № 17. Известный аппарат состоит из двух фланцев, каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, чередующихся диэлектрических камер корпуса соединенных типа выступ-впадина, отверстий для подвода электрических проводов, диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеющих прямоугольные переточные окна, в которых уложены на всю их длину и ширину в виде непрерывного полотна сверху и снизу с одной стороны чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” по другую последовательно дренажные сетки, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод, пористые подложки из ватмана, прикатодные и прианодные мембраны соответственно до внешнего периметра прокладок, за исключением тех мест пористых подложек из ватмана, прикатодных и прианодных мембран где расположены прямоугольные пластины вставки толщиной 2 мм соединяющие монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод, по внутреннему периметру прокладок расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладок вставлены концы сеток-турбулизаторов представляющих собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран, в пространстве прямоугольного переточного окна чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” образован межмембранный канал который на всю ширину и высоту под прокладкой и от прокладки до прокладки с одной стороны чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” по другую залит полимерной заливкой, межмембранный канал также образован в тех местах где расположена сетка-турбулизатор, внутренние поверхности диэлектрических фланцев корпуса снабжены уложенными последовательно друг на друга дренажными сетками, монополярно-пористыми пластинами электродом-катодом, пористые подложки из ватмана, прикатодными мембранами соответственно, на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеются двусторонние отверстия для подвода электрических проводов залитые полимерным компаундом от отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока соединенные с дренажными сетками, на внутренней стороне диэлектрических фланцев корпуса имеется отверстие для подвода электрического провода от отрицательной клеммы устройства для подвода постоянного электрического тока к дренажной сетке и канал для отвода прикатодного пермеата с диэлектрической сеткой по всей площади, расположенные в тех же местах что и на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной”, на которых расположены каналы для отвода прикатодного и прианодного пермеата и отверстия для подвода электрических проводов в зависимости от схемы подключения электродов “минус” или “плюс”.
Недостатками являются: малая площадь разделения растворов, малая производительность по прикатодному и прианодному пермеату, большое гидравлическое сопротивление, низкое качество и эффективность разделения растворов, большая материалоемкость на единицу объема аппарата.
Технический результат выражается увеличением площади разделения растворов, увеличением производительности по прикатодному и прианодному пермеату, снижением гидравлического сопротивления, повышением качества и эффективности разделения растворов, снижением материалоемкости на единицу объема устройства за счет того, что аппарат состоит из двух фланцев, каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, чередующихся диэлектрических камер корпуса соединенных типа выступ-впадина, отверстий для подвода электрических проводов. Диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеют прямоугольные переточные окна, в которых уложены на всю их длину и ширину в виде непрерывного полотна сверху и снизу с одной стороны чередующейся диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” по другую последовательно дренажные сетки, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод, пористые подложки из ватмана, прикатодные и прианодные мембраны соответственно до внешнего периметра прокладок, за исключением тех мест пористых подложек из ватмана, прикатодных и прианодных мембран где расположены прямоугольные пластины вставки толщиной 2 мм соединяющие монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод, по внутреннему периметру прокладок расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладок вставлены концы сеток-турбулизаторов представляющих собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран, в пространстве прямоугольного переточного окна чередующейся диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” образован межмембранный канал который на всю ширину и высоту под прокладкой и от прокладки до прокладки с одной стороны чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” по другую залит полимерной заливкой, межмембранный канал также образован в тех местах, где расположена сетка-турбулизатор, внутренние поверхности диэлектрических фланцев корпуса снабжены уложенными последовательно друг на друга дренажными сетками, монополярно-пористыми пластинами электродом-катодом, пористые подложки из ватмана, прикатодными мембранами соответственно, на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеются двусторонние отверстия для подвода электрических проводов залитые полимерным компаундом от отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока соединенные с дренажными сетками, на внутренней стороне диэлектрических фланцев корпуса имеется отверстие для подвода электрического провода от отрицательной клеммы устройства для подвода постоянного электрического тока к дренажной сетке и канал для отвода прикатодного пермеата с диэлектрической сеткой по всей площади, расположенные в тех же местах что и на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной”, на которых расположены каналы для отвода прикатодного и прианодного пермеата и отверстия для подвода электрических проводов в зависимости от схемы подключения электродов “минус” или “плюс”, отличающийся тем, что чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз до другую, высотой в три раза больше его толщины, а шириной равной ширине малой прикатодной и прианодной мембран соответственно, под малые прикатодные и прианодные мембраны на уплотнительной поверхности диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран соответственно, в месте установки дренажной сетки с двух противоположных ее концов по плоской поверхности, установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористые пластины электрод-анод и малый электрод-анод соответственно, пористая подложка из ватмана и малая пористая прикатодная подложка из ватмана, пористая подложка из ватмана и малая пористая прианодная подложка из ватмана соответственно, прикатодная мембрана и малая прикатодная мембрана, прианодная мембрана и малая прианодная мембрана соответственно, на диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеются установленные на передней и задней стенке камерные штуцера ввода исходного раствора и вывода прианодного и прикатодного ретентата соответственно, которые размещены на расстоянии 30 мм и 70 мм и 50 мм и 90 мм соответственно от основания аппарата по центральной вертикальной оси камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” соответственно, сетка-турбулизатор представляет собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран, все соседние межузлия которой имеют насечки прямоугольной формы шириной 2 мм, кромки которых скошены на угол сорок пять градусов, глубина насечек составляет половину толщины нарезок катионообменных и анионообменных мембран, а сами насечки обращены к прианодным и прикатодным мембранам.
На фиг. 1 изображен электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, продольный разрез; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - вид А (2:1) увеличенный, схема разделения в межмембранном канале на фиг. 1; фиг. 5 - вид Б (2:1) повернутый, пространственная модель межмембранного канала на фиг. 4.
Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа состоит из диэлектрических фланцев корпуса 3, металлических пластин 4, прокладок 5, отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока 6, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7, 29, болтов 8, шайб 9 и гаек 10, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора 11, 12, диэлектрической сетки 22, фланцевой дренажной сетки 17, переточного окна 19, полимерного компаунда 21, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов 26, каналов для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34, 23, полимерной композиции 28, каналов ввода и вывода разделяемого раствора 32, 33, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 выполненных с полостью в виде малой камеры разделения 46 в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз до другую, высотой в три раза больше его толщины, а шириной равной ширине малой прикатодной и прианодной мембран 44, 41 соответственно, под малые прикатодные и прианодные мембраны 44, 41 на уплотнительной поверхности диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки 39 прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран 44, 41 соответственно, в месте установки дренажной сетки 25 с двух противоположных ее концов по плоской поверхности, установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод 14 и малый электрод-катод 45, монополярно-пористые пластины электрод-анод 30 и малый электрод-анод 42 соответственно, пористая подложка из ватмана 16 и малая пористая прикатодная подложка из ватмана 43, пористая подложка из ватмана 31 и малая пористая прианодная подложка из ватмана 40 соответственно, прикатодная мембрана 15 и малая прикатодная мембрана 44, прианодная мембрана 27 и малая прианодная мембрана 41 соответственно, на диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 имеются установленные на передней и задней стенке камерные штуцера ввода исходного раствора 36 и вывода прианодного и прикатодного ретентата 38, 37 соответственно, которые размещены на расстоянии 30 мм и 70 мм и 50 мм и 90 мм соответственно от основания аппарата по центральной вертикальной оси камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 соответственно, сетка-турбулизатор 13 представляет собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран, все соседние межузлия которой имеют насечки прямоугольной формы шириной 2 мм, кромки которых скошены на угол сорок пять градусов, глубина насечек составляет половину толщины нарезок катионообменных и анионообменных мембран, а сами насечки обращены к прианодным и прикатодным мембранам 15 и 27 соответственно.
Чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1, диэлектрические фланцы корпуса 3, штуцера ввода и вывода разделяемого раствора 11, 12, диэлектрическая сетка 22, штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7, 29, камерные штуцера ввода исходного раствора 36 и вывода прианодного и прикатодного ретентата 38, 37 могут быть изготовлены из капролона.
Монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод 14 и 45, монополярно-пористые электрод-анод 30 и малый электрод-анод 42 соответственно могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ как и прямоугольные пластины вставки 35.
Сетки-турбулизаторы 13 представляющие собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран марок МК-40, МА-40, МК-40Л, МА-41И, МА-ИЛ, МБ-1, МБ-2.
Полимерная заливка 20, полимерный компаунд 21 и полимерная композиция 28 изготавливаются из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол, пластмассы или клея холодная сварка.
Фланцевая дренажная сетка 17, дренажная сетка 25 могут быть изготовлены из материала Х18Н9Т, Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Т1.
Прокладка 5 и малая прокладка 39 могут быть выполнены из паронита или прокладочной резины.
Металлические пластины 4 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.
+
В КАЧЕСТВЕ ПРИКАТОДНЫХ, ПРИАНОДНЫХ МЕМБРАН 15, 27 И МАЛОЙ ПРИКАТОДНОЙ, ПРИАНОДНОЙ МЕМБРАН 44, 41 СООТВЕТСТВЕННО МОГУТ ПРИМЕНЯТЬСЯ ИЗГОТОВЛЕННЫЕ В ВИДЕ ЛЕНТЫ, ПОЛОТНА МЕМБРАНЫ СЛЕДУЮЩИХ ТИПОВ МГА-95, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, ESNA, УАМ-150П, УПМ-П, УПМ-ПП, УПМ-50, УПМ-50М, УФМ-100, УФМ-50, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3, ММК, ММПА,МПС, МФФК-Г, ММФ4, ММТ.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 11 расположенный на диэлектрическом фланце корпуса 3, фиг. 1, 2, 3, подается, минуя полимерную композицию 28 по каналу ввода разделяемого раствора 32, фиг. 1 в первую камеру разделения образованную прикатодной мембраной 15, прокладкой 5 по внутреннему периметру которой расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладки 5 вставлены концы сетки-турбулизатора 13 представляющей собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран соответственно, и прианодной мембраны 27, образуя, таким образом, межмембранный канал в тех местах, где расположена сетка-турбулизатор 13 и где она отсутствует в прямоугольном переточном окне 19.
В этот же момент времени к чередующимся диэлектрическим камерам корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1, и диэлектрическим фланцам корпуса 3, фиг. 1, включением устройства для подвода постоянного электрического тока 6 через электрические провода 26 проходящих в отверстиях 24, которые залиты полимерным компаундом 21 и соединенных с дренажными сетками 17 и 25, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор, двигаясь, перемешивается при помощи сетки-турбулизатора 13, фиг. 1, 4, 5, и поступает к прикатодной и прианодной мембранам 15 и 27 соответственно, фиг. 1, 4, в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.
Из образовавшейся между прикатодными, прианодными мембранами 15, 27 расположенными на диэлектрическом фланце корпуса 3 и диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 1 и прокладкой 5 камеры разделения, фиг. 1, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 15 и 27, пористые подложки из ватмана 16 и 31, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод 14 и 30, фланцевые и дренажные сетки 17 и 25 уложенные последовательно друг на друге, проходят в пространстве между диэлектрическим фланцем корпуса 3 и монополярно-пористой пластине электрод-катод 14 и в пространстве дренажной сетки 26 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34 и 23 отводятся через штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 29 в виде оснований и кислот и газа в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.
Оставшиеся в камере разделения анионы и катионы, движущиеся в ядре потока сетки-турбулизатора 13, фиг. 1, переходят через прямоугольное переточное окно 19, фиг. 1, межмембранного канала увеличенной площади в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 1, в следующую (вторую) камеру разделения, образованную соединенными между собой диэлектрическими камерами корпуса с “впадиной” и с “выступом” 1 и 2, фиг. 1, и прианодными и прикатодными мембранами 27 и 15 соответственно в виде кислот и оснований и газа в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, при этом в пространстве прямоугольного переточного окна 19 чередующихся диэлектрических камер корпуcа с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 образован межмембранный канал который на всю ширину и высоту под прокладкой 5 и от прокладки 5 до прокладки 5 с одной стороны чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 по другую залит полимерной заливкой 20.
Раствор переходит из первой камеры разделения во вторую камеру разделения и далее по всем камерам разделения через прямоугольные переточные окна 19 чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом” 2 и 1 всего аппарата фиг. 1, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через прикатодные и прианодные мембраны 15 и 27 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34 и 23, отводятся через штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 29 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, а ретентат выводится минуя полимерную композицию 28, фиг. 1, по каналу вывода разделяемого раствора 33, фиг. 1.
Одновременно с подачей исходного раствора под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 11 расположенного на диэлектрическом фланце корпуса 3, фиг. 1, 4, также подается исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через камерные штуцера ввода исходного раствора 36 установленные на передней стенке диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 независимо для каждой диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 и поступает в малые камеры разделения 46, где катионы проникают через малые прикатодные мембраны 44, малые пористые прикатодные подложки из ватмана 43, малые монополярно-пористые пластины электрод-катод 45, а анионы проникают через малые прианодные мембраны 41, малые пористые прианодные подложки из ватмана 40, малые монополярно-пористые пластины электрод-анод 42 соответственно в пространстве дренажной сетки 25 и отводятся самотеком в виде оснований и кислот и газа по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34, 23 соответственно предварительно объединяясь с потоками оснований и кислот и газа образованных при разделении в основных камерах разделения в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”. Отработанные растворы из малых камер разделения 46 каждой диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 в виде прианодного и прикатодного ретентата выводятся через установленные на задней стенке и камерных штуцеров вывода прианодного и прикатодного ретентата 38, 37 соответственно.
Исходный раствор, протекая по всем камерам разделения последовательно через весь межмембранный канал от одного диэлектрического фланца корпуса 3 до второго диэлектрического фланца корпуса 3, фиг. 1, очищается от катионов и анионов в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, причем в прикатодном и прианодном пермеате содержатся различные растворенные газы, выделившиеся на монополярно-пористых пластинах электроде-катоде и электроде-аноде 14 и 30 соответственно в результате электрохимических реакций.
Увеличение площади для разделения растворов достигается за счет того, что мембраны размещены не только в камере разделения растворов, но и в малой камере разделения, фиг. 1, за счет этого увеличивается и производительность по прикатодному и прианодному пермеату.
Снижение гидравлического сопротивления на единицу объема аппарата достигается за счет того, что сетка-турбулизатор представляет собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран, все соседние межузлия которой имеют насечки прямоугольной формы шириной 2 мм, кромки которых скошены на угол сорок пять градусов, глубина насечек составляет половину толщины нарезок катионообменных и анионообменных мембран, а сами насечки обращены к прианодным и прикатодным мембранам, то есть увеличивается проходное сечение камеры разделения, фиг. 5.
Повышение качества и эффективности разделения растворов достигается за счет того, что увеличивается эффективная площадь для разделения растворов и возрастает производительность при объединении потоков пермеата полученных из основных камер разделения и малых камер разделения растворов, фиг. 1, 4,
Снижение материалоемкости на единицу объема устройства (аппарата), фиг. 1, 4 электробаромембранного разделения растворов достигается за счет того, что что чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз до другую, высотой в три раза больше его толщины, а шириной равной ширине малой прикатодной и прианодной мембран.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и микрофильтрацию.