Электробаромембранный аппарат трубчатого типа
TUBULAR-TYPE ELECTROBAROMEMBRANE DEVICE

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 работе Ковалева C.B. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа с дифференцированным выделением ионов. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2014. №4, - С 27-29. Прототип состоит из корпуса, торцевых фланцев, трубных решеток, монополярных электродов - анодов и катодов, сборников прианодного и прикатодного пермеата, клемм устройства для подвода электрического тока, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, болтов, гаек и шайб, кольцевых прокладок, сетки-турбулизатора, щупов правого и левого цилиндрических, трубок, прикатодных и прианодных мембран. Недостатками прототипа являются: низкая скорость отвода прикатодного и прианодного пермеата, их перегрев из-за большой ширины сборников прикатодного и прианодного пермеата, в которых образуются застойные зоны на пути вывода прикатодного и прианодного пермеата.
Технический результат выражается - в предотвращении образования застойных зон на пути вывода прикатодного и прианодного пермеата, увеличении скорости отвода прикатодного и прианодного пермеата и уменьшении их нагрева, за счет изменения конструкции аппарата: 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 - анодов и катодов соответственно круглой формы, которые расположены в соответствующих им круглых посадочных областях с внутренней стороны торцевых фланцев, уплотнение монополярных электродов - анодов и катодов с приваренными у основания в шахматном порядке щупов правых и левых цилиндрических расположенных в шахматном порядке и прижимных решеток осуществлено при помощи кольцевых прокладок, прижимные решетки уплотнены по краю окружности через уплотнительные прокладки с трубными решетками по посадочной поверхности типа «шип-паз», между трубными решетками и прижимными решетками имеется минимальный зазор по ширине в 7 мм создающий сборники прианодного и прикатодного пермеата соединенные с каналами прианодного и прикатодного пермеата расположенными в сечении аппарата от горизонтальной оси под углами 3π/2 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 соответственно, уплотнение которых с трубными решетками произведено через кольцевые прокладки, трубки с прианодными и прикатодными мембранами соответственно с одного и другого конца доходят по толщине трубных решеток до края и до середины их и до середины и до края их соответственно, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата в сечении аппарата расположены от горизонтальной оси под углами 3π/2 и π/2 соответственно, а по длине образующих цилиндрического корпуса с ответными фланцами расположены на расстоянии 50 мм от посадочной поверхности типа «шип-паз» через прокладку с трубной решеткой, сетка-турбулизатор выполненна набором прямоугольных элементов плетеной сетки соединенных между собой под углом 90 градусов так, что в свободном пространстве при сечении данного соединения образованы прямоугольники, в центре которых проходят щупы правые и левые цилиндрические расположенные с зазором внутри трубок с прианодными и прикатодными мембранами в зависимости от схемы подключения монополярных электродов - анода и катода «плюс» или «минус» соответственно, уплотнение трубных решеток через уплотнительные прокладки и прокладки с прижимными решетками и цилиндрическим корпусом с ответными фланцами соответственно осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев и ответных фланцев на цилиндрическом корпусе при помощи болтов, шайб и гаек которые расположены на торцевых фланцах в их сечении под углами от горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 соответственно, расположенные от края торцевых фланцев на расстоянии 15 мм.
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.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из торцевых фланцев 2, выполненных 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 монополярных электродов - анодов и катодов 5, 6 соответственно круглой формы, которые расположены в соответствующих им круглых посадочных областях с внутренней стороны торцевых фланцев 2, уплотнение монополярных электродов - анодов и катодов 5, 6 с приваренными у основания в шахматном порядке щупов правых и левых цилиндрических 21, 22, расположенных в шахматном порядке, и прижимных решеток 4 осуществлено при помощи кольцевых прокладок 19, прижимные решетки 4 уплотнены по краю окружности через уплотнительные прокладки 15 с трубными решетками 3 по посадочной поверхности типа «шип-паз», между трубными решетками 3 и прижимными решетками 4 имеется минимальный зазор по ширине в 7 мм создающий сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8 соединенные с каналами 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 4, цилиндрический корпус с ответными фланцами 1 соединен через прокладку 14 с трубной решеткой 3 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, 26 соответственно, уплотнение которых с трубными решетками 3 произведено через кольцевые прокладки 19, трубки 25 с прианодными и прикатодными мембранами 27, 26 соответственно с одного и другого конца доходят по толщине трубных решеток 3 до края и до середины их и до середины и до края их соответственно, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 10, 11 в сечении аппарата расположены от горизонтальной оси под углами 3π/2 и π/2 соответственно, а по длине образующих цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1 расположены на расстоянии 50 мм от посадочной поверхности типа «шип-паз» через прокладку 14 с трубной решеткой 3, сетка-турбулизатор 20 выполнена набором прямоугольных элементов плетеной сетки соединенных между собой под углом 90 градусов так, что в свободном пространстве при сечении данного соединения образованы прямоугольники, в центре которых проходят щупы правые и левые цилиндрические 21, 22 расположенные с зазором внутри трубок 25 с прианодными и прикатодными мембранами 27, 26 в зависимости от схемы подключения монополярных электродов - анода и катода 5, 6 «плюс» или «минус» соответственно, уплотнение трубных решеток 3 через уплотнительные прокладки 15 и прокладки 14 с прижимными решетками 4 и цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1 соответственно осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев 2 и цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1 при помощи болтов, шайб и гаек 16, 17, 18, которые расположены на торцевых фланцах 2 в их сечении под углами от горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 соответственно, расположенные от края торцевых фланцев 2 на расстоянии 15 мм.
Цилиндрический корпус с ответными фланцами 1, торцевые фланцы 2, трубная решетка 3, прижимная решетка 4, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 10, 11, штуцера вывода прианодного и прикатодного пермеата 12, 13, выполнены из диэлектрического материала - капролона или стеклотекстолита.
Трубки 25 могут быть изготовлены из пористого фторопласта, а кольцевые прокладки 19 из резины.
Монополярные электроды - анод и катод 5, 6 с приваренными к ним у основания в шахматном порядке щупами правыми и левыми цилиндрическими 21, 22, 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 прикатодных и прианодных мембран 26, 27 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 и прокладки 14 могут быть изготовлены из паронита. Кольцевые прокладки 19 могут изготавливаться из паронита, резины.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа работает следующим образом. Исходный раствор 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 монополярные электроды - анод и катод 5, 6, фиг. 1 с приваренными к ним у основания в шахматном порядке щупами правыми и левыми цилиндрическими 21, 22.
Раствор протекает в межмембранном пространстве, фиг. 1, между цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1, трубными решетками 3 и прианодными и прикатодными мембранами 27, 26, 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, 26 соответственно в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», далее сквозь трубки 25 и попадают в зазоры между внутренними частями трубки 25 и щупами правыми и левыми цилиндрическими 21, 22, а затем самотеком выдавливаются с прианодным и прикатодным пермеатами и газами, образующимися на щупах правых и левых цилиндрических 21, 22 в результате электрохимических реакций в сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8, фиг. 1, образованные между трубными решетками 3 и прижимными решетками 4 обеспечивающие минимальный зазор в 7 мм. Далее прианодный и прикатодный пермеат отводится через каналы прианодного и прикатодного 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 4 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, 26, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», в котором расположена сетка-турбулизатор 20, в виде анионов и катионов удаляются растворенные вещества.
Торцевые концы трубок 25, фиг. 1, с прикатодными и прианодными мембранами 26, 27 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 прикатодными и прианодными мембранами 26, 27 и препятствуют протеканию разделяемого раствора в сборники прианодного и прикатодного пермеата 7 и 8 соответственно.
Предотвращение образования застойных зон на пути вывода прикатодного и прианодого пермеата, а также увеличение скорости отвода прикатодного и прианодного пермеата достигается за счет того, что пермеат, вытекающий самотеком из трубок 25, фиг. 1, попадает в сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8 откуда также самотеком без предварительного набора какого-то объема попадает в каналы прианодного и прикатодного пермеата 23, 24 совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного и прикатодного пермеата 12, 13 вкрученных на резьбе в прижимные решетки 4 и отводится таким образом со скоростью отвода самотеком пермеата без образования застойных зон.
Уменьшение нагрева прианодного и прикатодного пермеата достигается за счет того, что сборники прианодного и прикатодного пермеата 7, 8, фиг. 1 по сравнению с прототипом выполнены меньшей шириной более чем на половину и соответственно объемом, что при одинаковой с прототипом концентрации растворенных веществ в прианодном и прикатодном пермеатах и отсутствием застойных зон, а также увеличенной скорости отвода прианодного и прикатодного пермеата позволяет получать менее перегретый пермеат из-за меньшего по времени нахождения пермеата в сборниках прианодного и прикатодного пермеата.
Необходимость увеличения скорости отвода прикатодного и прианодного пермеата и уменьшении их нагрева, а также избавления от застойных зон необходимо при разделении пищевых растворов, например соков, молока, сыворотки, диффузного сока сахарных производств, крахмально паточных производств, биохимических растворов из-за их закисания и брожения.
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.