Электробаромембранный аппарат комбинированного типа
ELECTROBAROMEMBRANE APPARATUS OF COMBINED TYPE

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, машиностроительной, пищевой промышленности, агропромышленном комплексе и т.п.
Аналогом данной конструкции является плоскокамерный мембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2», М.: Химия, 1995, стр. 347-348, представляющий собой набор эллиптических мембранных элементов, находящихся между круглыми фланцами, и трубчатый мембранный модуль для фильтрации жидкости, конструкция которого приведена в патенте RU 2156645 С1, 27.09.2000. Недостатками аналога являются: низкое качество и эффективность разделения растворов, невозможность дифференцированного выделения ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на промежуточной ступени разделения. Частично недостатки устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат комбинированного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2712599 C1, 29.01.2020. Бюл. № 4. Прототип состоит из двух крышек, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора, штуцеров вывода ретентата первой и второй ступени, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха, камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей, трубок трубчатого модуля, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, обратных клапанов, прианодной и прикатодной дренажных сеток, пористых подложек, прианодных и прикатодных мембран, поплавковых уровнемеров, прокладок, прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, герметизирующих заливок, байонетного кольца, клемм устройства для подвода электрического тока — анода и катода, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки, проточных окон, диэлектрических перегородок, монополярных электродов, камер вывода ретентата второй ступени.
Недостатками прототипа являются: малая площадь разделения раствора на единицу объема аппарата, низкое качество и эффективность разделения растворов, отсутствие охлаждения.
Технический результат выражается повышением площади разделения раствора на единицу объема плоскокамерного модуля аппарата, повышением качества и эффективности разделения растворов, охлаждением пермеата второй ступени, за счет того, что аппарат состоит из двух крышек, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора, штуцеров вывода ретентата первой и второй ступени, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха, камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей, трубок трубчатого модуля, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, обратных клапанов, прианодной и прикатодной дренажных сеток, пористых подложек, прианодных и прикатодных мембран, поплавковых уровнемеров, прокладок, прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, герметизирующих заливок, байонетного кольца, клемм устройства для подвода электрического тока - анода и катода, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки, проточных окон, диэлектрических перегородок, монополярных электродов, камер вывода ретентата второй ступени, отличающийся тем, что плоскокамерный модуль состоит из первой, третьей и пятой прианодных камер разделения и второй, четвертой и последней прикатодных камер разделения с равной площадью прианодных и прикатодных мембран, между трубками трубчатого модуля от камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени расположены 3-контурные модули охлаждения типа «труба в трубе» с переточными отверстиями, переточными каналами, штуцерами ввода и вывода охлаждающей воды.
На фиг. 1 изображен основной вид электробаромембранного аппарата комбинированного типа; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вид снизу; на фиг. 4 - горизонтальный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - сложный разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - сложный разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 7 - сложный разрез Г-Г на фиг. 4; на фиг. 8 - выносной элемент фиг. 5, схема миграции катионов и анионов в плоскокамерном модуле; на фиг. 9 - выносной элемент фиг. 7, схема циркуляции пермеата второй ступени; на фиг. 10 - выносной элемент фиг. 7, схема циркуляции охлаждающей воды.
Электробаромембранный аппарат комбинированного типа состоит из двух крышек 1 и 2, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора 3, штуцеров вывода ретентата второй и первой ступени 4 и 5, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха 6 и 7, камер для прианодного и прикатодного пермеата 8 и 9 первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей 10 и 11, трубок трубчатого модуля 12, корпуса плоскокамерного модуля 13, опорных колец 14, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата 15 и 16, обратных клапанов 17, прианодной и прикатодной дренажных сеток 18 и 32, пористых подложек 19, прианодных и прикатодных мембран 20 и 31, поплавковых уровнемеров 21, прокладок 22, прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата 23 и 24, герметизирующих заливок 25, байонетного кольца 26, клемм устройства для подвода электрического тока — анода 27 и катода 28, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки 35 и 36, проточных окон 29, диэлектрических перегородок 30, монополярных электродов 33 и 34, камер вывода ретентата второй ступени 37, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды 38 и 39, 3-контурных модулей охлаждения 40 типа «труба в трубе», переточных отверстий 41, переточных каналов 42.
Крышки 1, 2, штуцер ввода разделяемого раствора 3, штуцера вывода ретентата второй и первой ступени 4, 5, штуцера вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха 6, 7, корпус плоскокамерного модуля 13, опорные кольца 14, байонетное кольцо 26, диэлектрические перегородки 30, 3-контурный модуль охлаждения 40 выполнены из диэлектрического материала капролон или полиамид-6.
Трубки трубчатого модуля 12 могут быть изготовлены из трубчатого ультрафильтра типа БТУ 05/2.
Прианодные и прикатодные дренажные сетки 18, 32 могут быть выполнены из материала Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, О8Х18Т1.
Пористые подложки 19 могут быть выполнены из листа ватмана.
Прианодные и прикатодные мембраны 20, 31 могут быть выполнены из полотна мембран ОПМН-П, ОПМН-К, ОПМ-К, МГА-95, МГА-100, УАМ-50, УАМ-100.
Прокладки 22 и прокладки с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата 23, 24 могут быть выполнены из паронита.
Герметизирующие заливки 25 из герметизирующих эпоксидных смол.
Монополярные электроды 33, 34 могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под трансмембранным давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 3, фиг. 1, 3, 5, 6, 7, расположенного на крышке 2, подается в первую камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную нижней крышкой 2, прокладкой 22, опорным кольцом 14 и прианодной мембраной 20, далее переходит через проточные окна 29, фиг. 5, 6, 8, всего аппарата, попадая в последнюю камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную верхней крышкой 1, прокладкой 22, опорным кольцом 14 и прикатодной мембраной 31 и выводится в виде ретентата через штуцер вывода ретентата первой ступени 5. Средние камеры разделения образованы межмембранными каналами, расположенными между прианодными и прикатодными мембранами 20 и 31, фиг. 5, 6, 7, при этом разделяемый раствор переходит из одного межмембранного канала в последующие через проточные окна 29 всего аппарата.
При заполнении камер разделения всего аппарата разделяемым раствором на клеммы устройства для подвода электрического тока - анод 27 и катод 28, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки 35 и 36, подается внешнее напряжение, которое устанавливает заданную постоянную плотность тока в растворе.
Растворенные вещества в разделяемом растворе диссоциируют на анионы и катионы.
Под действием электрического тока из первой, третьей и пятой камер разделения, фиг. 5, 6, 7, анионы проникают через прианодную мембрану 20, пористую подложку 19 и по прианодной дренажной сетке 18 через прокладку с каналом для отвода прианодного пермеата 23, далее через круглые сквозные прианодные проточки 36 в цилиндрических шпильках с резьбой, выполняющих функцию клеммы устройства для подвода электрического тока - анода 27, в потоке прианодного пермеата по каналу для отвода прианодного пермеата 15 при открытом обратном клапане 17, заполняет камеру для прианодного пермеата 8 первой ступени, а катионы проникают через прикатодную мембрану 31, пористую подложку 19 и по прикатодной дренажной сетке 32 через прокладку с каналом для отвода прикатодного пермеата 24, далее через круглые сквозные прикатодные проточки 35 в цилиндрических шпильках с резьбой, выполняющих функцию клеммы устройства для подвода электрического тока - катода 28, в потоке прикатодного пермеата по каналу для отвода прикатодного пермеата 16 при открытом обратном клапане 17, заполняет камеру для прикатодного пермеата 9 первой ступени.
При заполнении камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени, фиг. 4, 5, 6, подача разделяемого раствора через штуцер ввода разделяемого раствора 3 в аппарат прекращается и включаются компрессоры, нагнетающие давление в камеры для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени. Обратные клапаны 17, установленные в аппарате препятствуют попаданию из камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени обратно в каналы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 15, 16. Уровень прианодного и прикатодного пермеата в камерах для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени отслеживается посредством поплавковых уровнемеров 21.
Исходный раствор, поступающий по штуцеру ввода разделяемого раствора 3, фиг. 5, 6, 7, и проходящий по проточным окнам 29 всего аппарата переходит из первой, средних и последней камер разделения, очищается от анионов и катинов и выводится из аппарата через штуцер вывода ретентата первой ступени 5, фиг. 1, 2, 5, верхней крышки 1.
Под действием давления, нагнетаемого компрессорами через штуцеры подачи воздуха 7, из камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени, фиг. 4, 5, 6, прианодный и прикатодный пермеат подается в трубки трубчатого модуля 12, где разделяется на ретентат второй ступени, попадающий в камеру вывода ретентата второй ступени 37, и через штуцеры 4 выводятся из аппарата, а пермеаты, образующиеся в результате проникновения через трубки трубчатого модуля 12, проходят через переточные отверстия 41 3-контурного модуля охлаждения 40 типа «труба в трубе», фиг. 9, и отводятся через штуцеры вывода пермеата второй ступени 6.
При опустошении камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени компрессоры выключаются, подача воздуха через штуцера 7 прекращается. В это же время возобновляется подача исходного раствора через штуцер ввода разделяемого раствора 3 и процесс повторяется.
Одновременно с подачей разделяемого раствора через штуцеры ввода охлаждающей воды 38 подается охлаждающий агент, например, водопроводная вода, заполняя через переточные каналы 42 3-контурные модули охлаждения 40 типа «труба в трубе», фиг. 7, 9, 10, расположенные между трубками трубчатого модуля 12 от камер для прианодного и прикатодного пермеата 8 и 9 первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени 37, фиг. 4, отводя избыток тепла от пермеата второй ступени, и выводится через штуцер вывода охлаждающей воды 39, фиг. 9.
Повышение площади разделения раствора на единицу объема плоскокамерного модуля аппарата, повышение качества и эффективности разделения растворов достигается за счет того, что плоскокамерный модуль состоит из первой, третьей и пятой прианодных камер разделения и второй, четвертой и последней прикатодных камер разделения с равной площадью прианодных и прикатодных мембран, фиг. 5, 6, 7, позволяющих поддерживать одинаковую плотность тока в камерах разделения.
Охлаждение пермеата второй ступени достигается за счет того, что между трубками трубчатого модуля от камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени, фиг. 4, расположены 3-контурные модули охлаждения типа «труба в трубе» с переточными отверстиями, переточными каналами, штуцерами ввода и вывода охлаждающей воды, фиг. 7, 9, 10.
Таким образом, разделение раствора происходит в две стадии: на первой стадии разделяемый раствор проходит через первую, средние и последнюю камеры разделения в электромембранном плоскокамерном модуле, а на второй – через два трубчатых мембранных модуля, что обеспечивает высокую степень очистки раствора.