Электробаромембранный аппарат рулонного типа
ROLL-TYPE MEMBRANE DEVICE

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов рулонного типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации.
Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в работе Дытнерского Ю.И. «Баромембранные процессы. Теория и расчет». - М.: Химия. 1986 г., с 47. Аппарат рулонного типа, предназначенный для разделения растворов под действием градиента давления, состоит из корпуса, перфорированной раствороотводящей трубки с обернутыми вокруг нее несколькими многослойными листами мембран. Недостатком аппарата является низкая эффективность разделения растворов, в особенности при разделении многокомпонентных смесей электролитов, при отделении электролитов от неэлектролитов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в патенте № RU 2 553 859 C1, 12.03.2014, МПК B01D 61/42. Прототип состоит из корпуса аппарата выполненного из диэлектрического материала, перфорированной трубки служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, коллекторов отвода ретентата, полимерных перфорированных перегородок с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод  и анод, подложки мембран, прикатодные и прианодные мембраны, приклеенные к внутренней части полуцилиндров корпуса аппарата, коллекторов отвода прикатодного и прианодного пермеата, образованных пространством между полуцилиндрами корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерными перфорированными перегородками, расположенных под углами (π/4), и (3π/4), и (-π/4), и (-3π/4) соответственно от горизонтальной оси в месте крепления к корпусу аппарата,  с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндров корпуса аппарата имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеется отверстие с резьбой, в которую вкручен штуцер для отвода ретентата, дренажные сетки - катод  и анод являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстие, полимерной перфорированной перегородки электрическим проводом, который соединен с устройством для подвода электрического тока через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки, торцевые крышки являются целыми для корпуса аппарата и полуцилиндров корпуса аппарата и уплотняют посадочные поверхности через торцевые прокладки при помощи болтов и шайб.
Недостатком аппарата является малая площадь разделения растворов в единице объема аппарата, малая охлаждающая способность пермеата, мала производительность по пермеату, низкое качество разделения растворов, в особенности при выделении ценных веществ из многокомпонентных растворов и сточных вод.
Технический результат выражается увеличением площади и повышением качества разделения растворов, увеличении производительности по пермеату, повышении охлаждающей способности пермеата, за счет изменения конструкции аппарата: корпуса аппарата выполненного из диэлектрического материала, перфорированной трубки служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, коллекторов отвода ретентата, полимерных перфорированных перегородок с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод  и анод, подложки мембран, прикатодные и прианодные мембраны, приклеенные к внутренней части полуцилиндров корпуса аппарата, коллекторов отвода прикатодного и прианодного пермеата, образованных пространством между полуцилиндрами корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерными перфорированными перегородками, расположенных под углами (π/4), и (3π/4), и (-π/4), и (-3π/4) соответственно от горизонтальной оси в месте крепления к корпусу аппарата, дренажные сетки - катод  и анод являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстие полимерной перфорированной перегородки электрическим проводом, который соединен с устройством для подвода электрического тока через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки, торцевые крышки являются целыми для корпуса аппарата и полуцилиндров корпуса аппарата и уплотняют посадочные поверхности через торцевые прокладки при помощи болтов и шайб, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндров корпуса аппарата имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата, отличающийся тем что, с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата не имеется отверстий с резьбой, в которые вкручены штуцера для отвода ретентата, а расположены они с той же стороны, что и штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, при этом с двух противоположных сторон торцевых поверхностей корпуса аппарата 1 расположены торцевые крышки 29 и 35, где размещены штуцера для вывода и ввода ретентата и исходного раствора 12, 3,  штуцера ввода и вывода охлаждающей воды 41, 43, штуцер отвода пермеата второй ступени 49 с отверстием 48 на резьбе, полупроницаемых трубок 50, канала-собирателя пермеата второй ступени 51,  резиновых уплотнителей системы охлаждения 52, полых металлических трубок 40.
На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; фиг. 2 - вид слева; фиг. 3 - вид справа; фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 5 - вид Б увеличенный на фиг. 4.
Электробаромембранный аппарат рулонного типа состоит из перфорированной трубки 2, служащей для подвода исходного раствора разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, коллекторы отвода ретентата 10, образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены с одной стороны дренажные сетки - катод 7 и анод 5, подложки мембран 4, прикатодные и прианодные мембраны 26 и 6, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4), (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления прикатодных и прианодных мембран 26 и 6 и подложек мембран 4 с другой стороны дренажных сеток - катод 7 и анод 5 к корпусу аппарата 1, коллектора отвода прикатодного пермеата 24, образованного пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления прикатодных мембран 26 и подложек мембран 4 к корпусу аппарата 1, коллектора отвода прианодного пермеата 25 образованного пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом 3π/4 и (-π/4) от горизонтальной оси в месте крепления прианодных мембран 6 и подложек мембран 4 к корпусу аппарата 1, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 на торцевой крышке 29 имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 на торцевой крышке 35 имеется отверстие с резьбой 27, в которую вкручен штуцер для отвода ретентата 13, торцевые крышки 29 и 35 являются целыми для корпуса аппарата 1 и полуцилиндров корпуса аппарата 20 и уплотняют посадочные поверхности через торцевые прокладки 32 и 33, при помощи болтов 30 и шайб 31, а пространство, образованное между корпусом аппарата 1, прикатодными и прианодными мембранами 26 и 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, создают коллектор для протекания исходного раствора 28, в котором расположены сетки-турбулизаторы 8, в которые вплетены металлические трубки 40, переплетенные каждая между собой по всей длине и ширине, а дуга плетения сетки-турбулизатора 8, соединяющая межузлия переплетения перекинута через одну пару металлических трубок 40 так, что сами металлические трубки 40 не касаются поверхностей прикатодных, прианодных мембран 26 и 6, при этом на торцевых поверхностях корпуса аппарата 1 с одной и другой стороны расположены торцевые крышки 29 и 35, в которых имеются отверстия с резьбой 22, 23 и 42, 44, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода ретентата и исходного раствора 12, 3 соответственно и штуцера ввода и вывода охлаждающей воды 41, 43 соответственно, которые расположены под углом π/2, (-π/2) и (-π/2), π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,12 м и 0,06 м соответственно от края корпуса аппарата 1, а межмембранный канал 34, в котором расположена сетка-турбулизатор 9, образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора 9, прикатодной, прианодной мембран 26 и 6, подложек мембран 4, дренажных сеток - катода 7 и анода 5 и подложек мембран 4, прикатодной, прианодной мембран 26 и 6, которые все вместе проклеены с торцевых поверхностей и с сетками-турбулизаторами 8, в которые вплетены металлические трубки 40 обернуты вокруг перфорированной трубки 2 служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, при этом дренажные сетки – катод 7 и анод 5 расположены между подложками мембран 4 и уложенными на них прикатодными и прианодными мембранами 26 и 6, соответственно, приклеенными в месте перфорации к перфорированной трубке 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно образованы пространством между подложками мембран 4, в которых находится дренажная сетка - катод 7 и анод 5, являющаяся монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстия 19, полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, электрическим проводом 11, проходящим через коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата 24 и 25, который соединен с устройством для подвода электрического тока 14 через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата 20, в которых расположена герметизирующая заливка 16, противоположные концы металлических трубок 40 закреплены жестко кольцевыми уплотнителями 39 в фиксаторах цилиндрической формы 37 по спирали при расстоянии между соседними металлическими трубками 40 в 0,01 м, в фиксаторах цилиндрической формы 37 имеется отверстие, совпадающее с посадочной поверхностью перфорированной трубки 2, служащей для подвода исходного раствора разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, а в местах выступов уплотнительной поверхности фиксаторов цилиндрической формы 37 расположены прокладки 38 и 36 в местах стыковки с корпусом аппарата 1, торцевыми крышками 29 и 35 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, место расположения фиксаторов цилиндрической формы 37 на данной перфорированной трубке 2 служащей для подвода исходного раствора разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21 с одной стороны по длине ее составляет 0,15 м, а с другой стороны 0,05 м, а между фиксаторами цилиндрической формы 37 и торцевыми крышками 29 и 35 соответственно, имеются канал-распределитель 45 и канал-собиратель 46 охлаждающей воды, с резиновыми уплотнителями 47, на фиксаторах цилиндрической формы 37 имеется резьба, в которую вкручены также штуцера вывода и ввода ретентата и исходного раствора 12 и 3 соответственно, штуцера отвода пермеата второй ступени 49 с отверстием 48 на резьбе, полупроницаемых трубок 50, канала-собирателя пермеата второй ступени 51, резиновых уплотнителей системы охлаждения 52, полых металлических трубок 40.
Корпус аппарата 1, перфорированная трубка 2, полуцилиндры корпуса аппарата 20, полимерные перфорированные перегородки 15, вертикальная перегородка 21, штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, штуцера для вывода и ввода ретентата и исходного раствора 12, 3, штуцера для отвода ретентата 13, штуцера ввода и вывода охлаждающей воды 41, 43 , торцевые крышки 29, 35, штуцер отвода пермеата второй ступени 49 могут быть изготовлены из капролона.
Подложка мембран 4 изготовлена из листа ватмана.
Дренажные сетки - катод 7 и анод 5 являются монополярными электродами катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус» и могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум».
Прикатодная и прианодная мембраны 26 и 6 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, 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-0,МФФК-3.
Сетки-турбулизаторы 8 и 9 могут быть изготовлены из пластмассы или углепластика обеспечивают необходимую скорость движения и турбулизацию раствора.
Фиксаторы цилиндрической формы 37 могут быть изготовлены из материалов Х18Н9Т, Х18Н10Т.
Полые металлические трубки 40 могут быть изготовлены из материалов Х18Н9Т, Х18Н10Т.
Полупроницаемые трубки 50 могут быть изготовлены из фторопласта с 50-80% пористостью.
Кольцевые уплотнители 39 могут быть изготовлены из резины, пластмассы.
Герметизирующая заливка 16 может быть изготовлена из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол или клея холодная сварка.
В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ одновременно подается в перфорированную трубку 2, фиг. 1, 2 разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21 и штуцер для ввода исходного раствора 3, фиг. 3 образующие два контура разделения растворов.
Для первого контура разделения, исходный раствор через перфорированную трубку 2 разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, фиг.1, 4, попадает в межмембранный канал 34, в котором расположена сетка-турбулизатор 9, образованный последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора 9, прикатодными, прианодными мембранами 26, 6, подложками мембран 4, дренажными сетками - катодом 7 и анодом 5 и подложками мембран 4, прикатодными, прианодными мембранами 26, 6, которые все вместе проклеены с торцевых поверхностей.
Для второго контура разделения, исходный раствор через штуцер для ввода исходного раствора 3, попадает в пространство, образованное между корпусом аппарата 1, фиг. 1, 4, прикатодными и прианодными мембранами 26 и 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, создающее коллектор для протекания исходного раствора 28, в котором расположены сетки-турбулизаторы 8, в которые вплетены полупроницаемые трубки 50, содержащие охлаждающие металлические трубки 40, переплетенные каждая между собой по всей длине и ширине, а дуга плетения сетки-турбулизатора 8, соединяющая межузлия переплетения перекинута через одну пару полупроницаемых трубок 50 так, что сами полупроницаемые трубки 50 не касаются поверхностей прикатодных, прианодных мембран 26 и 6. Верхний и нижний торцы металлических трубок 40 изолирован диэлектрическими уплотнителями 52, которые также предотвращают смешение охлаждающей жидкости и пермеата. Пермеат из полупроницаемых трубок 50 накапливается в канал-собиратель пермеата 51 и отводится через штуцер 49 размещенный на отверстии 48 с резьбой.
В этот же момент времени к дренажным сеткам - катоду 7 и аноду 5, фиг. 4, включением устройства для подвода электрического тока 14 через электрические провода 11, которые проходят через отверстие 19 полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и через коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата 24, 25 и отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата 20, в которых расположены герметизирующие заливки 16, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор в первом контуре разделения, двигаясь турбулизируется с помощью сетки-турбулизатора 9 фиг. 1, 4 и поступает к прикатодным и прианодным мембранам 26 и 6, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус» дренажной сетки - катода 7 и анода 5. Раствор во втором контуре разделения, двигаясь турбулизируется при помощи сетки-турбулизаторы 8 фиг. 1, 4, 5 в которые вплетены металлические трубки 40, переплетенные каждая между собой по всей длине и ширине, а дуга плетения сетки-турбулизатора 8, соединяющая межузлия переплетения перекинута через одну пару металлических трубок 40 так, что сами металлические трубки 40 не касаются поверхностей прикатодных, прианодных мембран 26, 6 и поступает к прикатодным и прианодным мембранам 26 и 6 в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус» дренажной сетки - катода 7 и анода 5.
В межмембранном канале 34, фиг. 5, катионы и анионы, проникающие через прикатодные и прианодные мембраны 26 и 6, подложки мембран 4, попадают с одной стороны в дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно, образованные пространством между подложками мембран 4, в которых находится дренажная сетка - катод 7 и анод 5, являющиеся монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус». А из коллектора для протекания исходного раствора 28, фиг. 5, катионы и анионы, проникающие через прикатодные и прианодные мембраны 26 и 6, подложки мембран 4, попадают с другой стороны в эти же дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно. Далее прикатодный и прианодный пермеат, фиг. 4 попадает самотеком в коллекторы отвода прикатодного пермеата 24 и прианодного пермеата 25, образованные пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-3π/4) и 3π/4 и (-π/4) соответственно, от горизонтальной оси в месте крепления прикатодных, прианодных мембран 26, 6 и подложек мембран 4 к корпусу аппарата 1, затем прикатодный и прианодный пермеат и выделившиеся в результате электрохимических реакций газы, фиг. 1, отводятся через отверстия с резьбой в торцевой крышке 29, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17 в виде оснований и кислот.
Одновременно с подачей исходного раствора, фиг. 1, через отверстие с резьбой 42 и штуцер ввода охлаждающей воды 41 расположенным на торцевой крышке 29 подается охлаждающая вода в канал-распределитель 45 охлаждающей воды, где рассредоточивается по всем полым металлическим трубкам 40 и протекает в канал-собиратель 46 охлаждающей воды, загерметизированный резиновыми уплотнителями 47, а затем через отверстие с резьбой 44 и штуцер вывода охлаждающей воды 43 расположенным на торцевой крышке 35 отводится из аппарата.
Исходный раствор, протекая по межмембранному каналу 34, фиг.1, 4, очищается от катионов и анионов и попадает в коллекторы отвода ретентата 10, образованные пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены с одной стороны дренажные сетки - катод 7 и анод 5, подложки мембран 4, прикатодные и прианодные мембраны 26 и 6, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4), (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления прикатодных и прианодных мембран 26 и 6 и подложек мембран 4 с другой стороны дренажных сеток – катода 7 и анода 5 к корпусу аппарата 1 и выводится через отверстие с резьбой 27 на торцевой крышке 35, в которую вкручен штуцер для отвода ретентата 13. А исходный раствор, подаваемый через отверстия с резьбой 23 в торцевой крышке 35 и фиксаторе цилиндрической формы 37 в которую вкручен штуцер для ввода исходного раствора 3, очищается от катионов и анионов в коллекторе для протекания исходного раствора 28, фиг 1, 4 и выводится через отверстия с резьбой 22 в фиксаторе цилиндрической формы 37 и торцевой крышке 29, в которую вкручен штуцер для вывода ретентата 12.
Исходный раствор, протекая по всему межмембранному каналу 34 и коллектору для протекания исходного раствора 28, фиг. 1, 4, последовательно очищается от катионов и анионов.
Под увеличением площади и повышением качества разделения растворов, увеличении производительности по пермеату, повышении охлаждающей способности пермеата понимается возможность при данном конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа фиг. 1-5, совместить процесс электробаромембранного разделение с процессом более интенсивного разделения и охлаждения пермеата.
Подтверждение этих технических результатов фиг. 1-5 возможно из-за того, что с одной из сторон торцевых поверхностей полуцилиндра корпуса аппарата не имеется отверстий с резьбой, в которые вкручены штуцера для отвода ретентата, а расположены они с той же стороны, что и штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, при этом с двух противоположных сторон торцевых поверхностей корпуса аппарата 1 расположены торцевые крышки 29 и 35, где размещены штуцера для вывода и ввода ретентата и исходного раствора 12, 3,  штуцера ввода и вывода охлаждающей воды 41, 43, штуцер отвода пермеата второй ступени 49 с отверстием 48 на резьбе. Полупроницаемые трубки 50, канал-собиратель пермеата второй ступени 51, резиновые уплотнители системы охлаждения 52, полые металлические трубки 40, позволяют проводить разделение раствора по второму контуру, это увеличивает площадь и повышает качество разделения растворов, увеличивает производительность и охлаждающую способность по пермеату.
Необходимость охлаждения пермеата, фиг. 1, 4, заключается в том, что исходный раствор нагревается, в результате наложения внешнего электрического поля.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос.