СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННУЮ И НИЗКОКОНЦЕНТРИРОВАННУЮ ФРАКЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF SEPARATING AQUEOUS SOLUTIONS INTO HIGH- AND LOW-CONCENTRATION FRACTIONS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области обессоливания водных растворов и может быть использовано для обессоливания ионных водных растворов в энергетической, химической, металлургической отраслях промышленности, а также при подготовке питьевой воды.
Известны способы обессоливания воды в электродиализаторе (например, патент РФ № 2230036, C02F 1/469, B01D 61/44, 2003), с периодическим изменением полярности электродов и одновременным с ним переключением потоков камер обессоливания и концентрирования.
К недостатку известного способа можно отнести:
- относительно низкую производительность;
- сложность конструкции;
- невозможность осуществления поточного процесса;
- высокую себестоимость обессоливания за счет капитальных и эксплуатационных расходов при низкой производительности.
Известен способ и устройство для электродиализного обессоливания раствора электролита (патент РФ № 2245848, C02F 1/469, B01D 61/44, 2003), в которых также как и в заявляемом способе и устройстве раствор электролита подают в коллектор и подвергают воздействию электрического тока.
К недостаткам указанных способа и устройства можно отнести невозможность использования в проточном процессе, что связано с необходимостью поддерживать определенные значения электрических параметров за счет рециркуляции раствора, что снижает его производительность.
Наиболее близким к заявляемому способу является известный способ обработки электролита электрическим и магнитным полем, включающий воздействие на электролит взаимно перпендикулярных переменных и синхронно изменяющихся движущихся электрического и магнитного полей, причем мгновенные скорости движения электрического и магнитного полей поддерживают равными по величине и направлению (патент РФ № 2229446, МПК C02F 1/48, C02F 103:34, 2002 г.). В известном способе также как и в заявляемом раствор электролита подают в коллектор и подвергают воздействию электрического тока.
К недостаткам указанного способа можно отнести сложность конструкции устройства, необходимого для реализации способа, а также относительно низкую эффективность, что связано с высокой себестоимостью обессоливания и низкой производительностью в условиях поточного процесса.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании эффективного способа разделения водных растворов на высококонцентрированную и низкоконцентрированную фракции в поточном процессе и устройства для его реализации, имеющего простую конструкцию, с большим сроком эксплуатации.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении производительности способа и реализующего его устройства, а также в упрощении и удешевлении конструкции устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе разделения водных растворов на высококонцентрированную и низкоконцентрированную фракции, включающем подачу раствора в разделительный коллектор и воздействие на него электрического поля, раствор подают в разделительный коллектор, состоящий из двух труб, изготовленных из диэлектрического химически стойкого материала, размещенных одна в другой, при этом внутренняя труба имеет перфорированные стенки, а внешняя - сплошные, по всему внутреннему диаметру внутренней трубы в ее начале и по всему внутреннему диаметру внешней трубы в ее конце по ходу раствора установлены электроды из химически стойкого материала, на которые подают напряжение от 400 В до 1000 В с частотой более 1 кГц.
Также задача, на решение которой направлено изобретение, решается, а технический результат достигается за счет того, что в устройстве для разделения водных растворов на высококонцентрированную и низкоконцентрированную фракции, включающем разделительный коллектор и электроды, разделительный коллектор, состоит из двух труб, изготовленных из диэлектрического химически стойкого материала, размещенных одна в другой, при этом внутренняя труба имеет перфорированные стенки, а внешняя - сплошные, электроды из химически стойкого материала установлены в начале внутренней и в конце внешней трубы по ходу раствора, причем электроды установлены по всему внутреннему диаметру внутренней трубы в ее начале и по всему внутреннему диаметру внешней трубы в ее конце. Соотношение внутренних диаметров внешней и внутренней труб выбирают в соответствии с необходимым уровнем обессоливания раствора, т.е. соотношением концентрации солей во внешнем и внутреннем потоках. При этом электроды могут быть выполнены либо в виде спирали, либо в виде сетки. Внутренняя труба дополнительно снабжена заслонками, предназначенными для изменения количества перфорационных отверстий и их диаметра.
Водный раствор является электролитом, в котором при воздействии на него переменного тока с частотой более 1 кГц возникает скин-эффект, в результате которого происходит перераспределение концентрации ионов в растворе, что приводит к увеличению концентрации солей в пограничном слое жидкости и соответственно к уменьшению концентрации в средней части потока. Отверстия в стенке внутренней трубы позволяют локализовать часть раствора с повышенной концентрацией солей в межтрубном пространстве для ее дальнейшей отводки в соответствующую емкость.
Предложенное расположение электродов позволяет обеспечить перераспределение солей по диаметру сепаратора по всей длине сепаратора.
Конструкция электродов обусловлена необходимостью создания условия для прохождения переменного электрического тока высокой частоты со смещением носителей электрических зарядов (ионов) за счет скин-эффекта на периферию потока по всей длине сепаратора.
Регулирующие вентили позволяют:
- Вентиль на входе позволяет изменять общую производительность сепаратора, а значит и скорость потока в нем, что является одним из способов подбора взаимного соответствия производительности, напряжения и частоты переменного тока для качественного перераспределения солей по диаметру сепаратора.
- Вентили на выходе минимизируют возможность вторичного перераспределения солей (ионов) за счет механического перемешивания в пограничном слое между центральным и периферийным (обогащенном) потоками.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема заявленного устройства.
Устройство состоит из внутренней перфорированной трубы 1, внешней сплошной трубы 2, изготовленных из диэлектрического химически стойкого материала, например пластика. В начале и в конце внутренней трубы 1 по ходу раствора, расположены электроды 3, изготовленные из химически стойкого материала, например платинированный титан, платина, графит, выполненные, например, в виде спиралей. Причем в конце внутренней трубы 1 спираль устанавливается по всему внутреннему диаметру внешней трубы 2, а в начале - по всему внутреннему диаметру внутренней трубы 1. На входе потока и на выходе центрального и периферийного по диаметру потока установлены регулирующие вентили 4 и 5 соответственно.
Критерием выбора соотношения диаметров труб (свободных сечений сегмента внешней трубы 2 и полного сечения внутренней трубы 1) является качество сепарации, т.е. гарантированное попадание и отдельный выход внешнего слоя концентрированного раствора, включая часть пограничного слоя, зависящего от соотношения дебита по внешнему сегменту к внутреннему равному соотношению желаемой концентрации солей во внешнем и внутреннем потоках.
Количество и диаметр перфорационных отверстий во внутренней трубе 1 выбирают таким образом, чтобы обеспечить минимальное сопротивление переходу сепарируемой фракции в межтрубное пространство и не допустить механическое перемешивание потоков в пограничной зоне. Длина зоны перфорации должна соответствовать участку перераспределения потоков, то есть расстоянию, на котором этот процесс завершен.
Количество перфорационных отверстий и их диаметр могут регулироваться с помощью заслонок (на чертеже не показаны). Регулирование количества перфорационных отверстий заслонками содействует исключению обратного перемешивания потока вследствие поточного соответствия гидродинамического сопротивления всей системы.
Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.
Раствор подают в устройство во внутреннюю трубу 1. Вентилем 4 регулируют расход потока. На электроды 3 подают напряжение в диапазоне от 400-1000 В с частотой λ>1 кГц. Значения напряжения и частоты электрического поля, при которых обеспечивается максимальная степень разделения раствора на высококонцентрированную и низкоконцентрированную части, подбирают экспериментальным путем для каждого раствора. При этом в электролите, которым является раствор, возникает скин-эффект, в результате чего в нем происходит перераспределение концентрации ионов, что приводит к увеличению концентрации солей в пограничном слое жидкости и соответственно к уменьшению концентрации в средней части потока. Часть раствора с повышенной концентрацией солей локализуется в межтрубном пространстве, из которого поступает в соответствующую емкость (на чертеже не показана), часть раствора с пониженной концентрацией солей из внутренней трубы 1 также поступает в соответствующую емкость (на чертеже не показана).