ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ТРУБЧАТОГО ТИПА
ELECTRIC BAROMEMBRANE DEVICE OF TUBULAR TYPE

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, приведенный в авторском свидетельстве СССР № 799779, кл. В01D 13/00, 1979. Он состоит из цилиндрического корпуса с патрубком для подвода разделяемой жидкости; концентричных фильтрующих элементов; мембран; торцевых крышек, имеющих патрубки для вывода фильтрата; центральной трубы с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения. Недостатком данного аппарата является низкая эффективность разделения. Этот недостаток частично устранен в прототипе.
Прототипом данной конструкции является мембранный аппарат трубчатого типа, конструкция которого приведена в авторском свидетельстве СССР №  1681926 А1, кл. В01D 61/14, В01D 61/42, 1991. Прототип состоит из цилиндрического корпуса, выполненного из диэлектрического материала с расположенным на его внешней поверхности патрубком для ввода разделяемой жидкости и на внутренней поверхности продольных каналов; устройства для подвода электрического тока; микропористой подложки, служащей одновременно электродом-анодом; прианодной мембраны; последовательно соединенных камер разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами с переточными каналами; центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала; внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом-катодом; прикатодной мембраны; торцевых крышек, имеющих патрубки для вывода анионов и катионов с пермеатом. Недостатками прототипа являются: невысокое качество и эффективность разделения растворов, связанные с высоким сопротивлением раствора в зазоре между фильтрующими элементами с мембранами при наложении на систему мембрана - раствор электрического тока, малой площадью разделения и невысокой турбулизацией потока раствора в камерах разделения.
Технический результат выражается повышением качества и эффективности разделения растворов и уменьшением сопротивления раствора в зазоре между концентрическими трубчатыми фильтрующими элементами с мембранами, то есть в камере разделения при наложении на систему мембрана - раствор электрического тока, увеличенной площадью разделения и повышенной турбулизацией потока раствора в камерах разделения за счет изменения конструкции аппарата: трубчатые фильтрующие элементы выполнены в виде концентрических фильтрующих элементов различной площади поверхности фильтрации и различных диаметров, на которые уложены микропористые подложки и мембраны концентрически с имеющимися тремя выступами на микропористой подложке увеличенного диаметра прямоугольной формы в разрезе с такой периодичностью, что соседние элементы большего и меньшего концентрических трубчатых фильтрующих элементов с микропористыми подложками и мембранами такой же формы смещены друг относительно друга на ширину одного выступа, а расстояние между мембранами соседних концентрических трубчатых фильтрующих элементов с микропористыми подложками является минимальным от 3 до 5 мм, микропористая подложка электрод-анод, расположенная на цилиндрическом корпусе, выполненном из диэлектрического материала, имеет такую же форму, как и остальные микропористые подложки и мембраны концентрически с имеющимися выступами увеличенного диаметра с такой же периодичностью и смещенностью относительно следующего концентрического трубчатого фильтрующего элемента с микропористыми подложками и мембранами с внутренней и внешней стороны концентрических трубчатых фильтрующих элементов, камеры разделения в аппарате образованы соседними концентрическими трубчатыми фильтрующими элементами с микропористыми подложками и мембранами концентрически с имеющимися выступами увеличенного диаметра с такой же периодичностью и смещенностью относительно следующего концентрического трубчатого фильтрующего элемента с микропористыми подложками и мембраной и переточными каналами, расположенными на нечетных и четных концентрических трубчатых фильтрующих элементах с микропористыми подложками и мембранами с правой и левой стороны аппарата, расположенного во фронтальной плоскости, начиная с центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала, и отступающих от края внутренней поверхности торцевых крышек на расстояние 45 мм, переточные каналы на ширину 5 мм залиты герметизирующей композицией, предотвращающей смешивание разделяемых компонентов раствора в местах, уложенных на концентрические трубчатые фильтрующие элементы с обеих их сторон микропористых подложек и мембран, внутренняя поверхность центральной трубы не имеет микропористой подложки и мембраны, внутренние поверхности торцевых крышек имеют кольцевые пазы различного диаметра, на которых приклеены паронитовые или резиновые прокладки, совпадающие с трубчатыми концентрическими фильтрующими элементами различной площади поверхности фильтрации и различных диаметров по их торцевой поверхности вместе с микропористыми подложками, мембранами и уплотняющими их, а ширина камеры разделения между соседними элементами в месте уплотнения трубчатых концентрических фильтрующих элементов различной площади поверхности фильтрации и различных диаметров с микропористыми подложками и мембранами задана кольцевыми выступами на торцевой крышке, в которой имеются каналы, соединенные с продольными каналами трубчатых концентрических фильтрующих элементов, с внешней стороны торцевой поверхности центральной трубы, с правой ее стороны имеется кольцевой элемент с прямоугольным выступом, расположенным под углом (π/2) и через отверстие соединенным с микропористой подложкой, служащей электродом-катодом с устройством для подвода электрического тока, этот кольцевой элемент уплотняет паронитовая или резиновая прокладка, приклеенная на внутреннюю поверхность торцевой крышки, в которой имеется кольцевой паз, а с внешней стороны торцевой поверхности центральной трубы, с левой ее стороны также расположена прокладка ,приклеенная на внутреннюю поверхность торцевой крышки, в которой имеется кольцевой паз.
На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат трубчатого типа; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1; фиг. 5 - вид I, увеличенный на фиг. 1.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из цилиндрического корпуса 1, который выполнен из диэлектрического материала с расположенным на его внешней поверхности патрубком 2 для ввода разделяемой жидкости (раствора) и на внутренней поверхности продольных каналов 4, устройства (клеммы устройства) для подвода электрического тока 3, микропористой подложки, служащей одновременно электродом-анодом 5,  прианодной мембраны 6, переточных каналов 9, расположенных на нечетных и четных концентрических трубчатых фильтрующих элементах 8 с микропористыми подложками - катод и анод 14 и 5 соответственно и прикатодными, прианодными мембранами 15, 6 с правой и левой стороны аппарата, расположенного во фронтальной плоскости, начиная с центральной трубы 11, выполненной из диэлектрического материала, и отступающих от края внутренней поверхности торцевых крышек 16, имеющих патрубки 17 и 18 для вывода анионов и катионов с пермеатом, на расстояние 45 мм, переточные каналы 9 на ширину 5 мм залиты герметизирующей композицией 7, последовательно соединенных камер разделения 10 через переточные каналы 9, кольцевого элемента 19 с прямоугольным выступом, расположенным под углом (π/2), герметично установленного во внутренней поверхности центральной трубы 11 патрубка 13, который служит для вывода продуктов разделения, каналов 12 в торцевых крышках 16, соединенных с продольными каналами 4 трубчатых концентрических фильтрующих элементов 8, центральной трубы 11 и цилиндрического корпуса 1 через кольцевые полости 26, накидных фланцев 20, кольцевых прокладок 21 и 22, комплекта шпилек 23, шайб 24 и гаек 25.
Цилиндрический корпус 1, центральная труба 11, торцевые крышки 16 выполнены из диэлектрического материала - капролона, текстолита, стеклотекстолита.
Трубчатые концентрические фильтрующие элементы 8 представляют собой трубки с продольными каналами на внешней и внутренней стороне, которые могут быть изготовлены из материала марок Х18Н9Т, Х18Н10Т.
Кольцевой элемент 19 с прямоугольным выступом, расположенным под углом (π/2), может быть изготовлен из проката марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т.
Внешняя поверхность микропористой подложки 14 служит электродом-катодом, а внутренняя поверхность микропористой подложки 5 служит одновременно электродом-анодом, которые могут быть изготовлены из микропористого проката марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т с порозностью 20-45%.
Патрубок 13, который служит для вывода продуктов разделения, патрубок 2 для ввода разделяемой жидкости и патрубки 17, 18 для вывода анионов и катионов с пермеатом могут быть изготовлены из материала марок Х18Н9Т, Х18Н10Т или из капролона, текстолита, стеклотекстолита.
В качестве прикатодных и прианодных мембран 15 и 6 могут применяться изготовленные в виде ленты мембраны следующих типов: МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA1, ESNA, 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.
Кольцевые прокладки 21 и 22 могут быть изготовлены из паронита или резины.
Герметизирующая композиция 7 может быть выполнена из герметика, клея или эпоксидных смол.
Накидные фланцы 20 могут быть изготовлены из материала: стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.
Электробаромембранный аппарат трубчатого типа, показанный на фиг.1, работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через патрубок 2 для ввода разделяемой жидкости поступает в ближайшую к цилиндрическому корпусу 1 камеру разделения 10.
После заполнения аппарата раствором на устройство для подвода электрического тока 3 (клеммы устройства) подводится внешнее постоянное электрическое поле, вызывающее определенную плотность тока в растворе. В камере разделения 10, фиг. 1, 5, под действием электрического тока вещество, растворенное в растворе, распадается на ионы, при этом анионы стремятся через прианодную мембрану 6 к внутренней поверхности микропористой подложки 5, служащей электродом-анодом и расположенной на цилиндрическом корпусе 1, а катионы через прикатодную мембрану 15 стремятся к ближайшей внешней поверхности микропористой подложки 14, служащей электродом-катодом и расположенной на трубчатом концентрическом фильтрующем элементе 8, являющемся биполярным электродом.
В это же время под действием рабочего давления пермеат протекает через прианодную и прикатодную мембраны 6, 15, фиг. 1, 5, и выдавливает анионы, катионы и газ, образующиеся на электродах в результате электрохимических реакций, через внутреннюю поверхность микропористой подложки 5 и внешнюю поверхность микропористой подложки 14 трубчатого концентрического фильтрующего элемента 8, являющегося биполярным электродом, по соответствующим продольным каналам 4 через кольцевые полости 26 и каналы 12 в торцевых крышках 16 через патрубки 17 и 18 для вывода анионов и катионов с пермеатом из аппарата. Далее разделяемый раствор через переточный канал 9 трубчатого концентрического фильтрующего элемента 8, являющегося биполярным электродом с внешней и внутренней микропористыми подложками - катодом, анодом 14, 5 соответственно и прикатодными,  прианодными мембранами 15, 6, поступает в следующую камеру разделения 10, расположенную ближе к центру аппарата, где происходят аналогичные описанным процессы.
Таким образом, из раствора, последовательно протекающего по всем камерам разделения 10, фиг. 1, всего аппарата в виде анионов и катионов, удаляются растворенные вещества, а обедненный раствор после разделения отводится через переточный канал 9 в центральной трубе 11, на поверхность которого последовательно уложены внешняя поверхность микропористой подложки 14 и прикатодная мембрана 15, через герметично установленный во внутренней поверхности патрубок 13, фиг. 1, 2, служащий для вывода продуктов разделения.
Схематичный элемент мембраны концентрической формы с выступами с одной стороны трубчатого концентрического фильтрующего элемента (фиг. 6):
1
R - радиус большой окружности мембраны с выступами,
2
R - радиус малой окружности мембраны,
L - длина трубчатого концентрического фильтрующего элемента,
b - ширина выступа мембраны,
n - количество выступов на элементе мембраны.
Общая площадь мембраны концентрической формы без выступов находится по формуле:
2
S=2π·R·L.
Общая площадь мембраны концентрической формы с выступами находится по формуле:
.
Приращение площади мембраны концентрической формы за счет выступов рассчитывается по формуле:
Увеличение площади мембраны концентрической формы с выступами в отличие от площади мембраны концентрической формы без выступов составляет 1,2 раза.
Трубчатые концентрические фильтрующие элементы 8, фиг. 1, 3, 4, 5, представляют собой трубки, являющиеся биполярными электродами с продольными каналами 4, на внешней и внутренней поверхности которых расположены внешняя поверхность микропористой подложки 14, служащая электродом-катодом, и внутренняя поверхность микропористой подложки 5, служащая одновременно электродом-анодом. На всей внешней и внутренней поверхности микропористых подложек 14 и 5 расположены мембраны, соответственно на электроде-катоде биполярного электрода, являющегося трубчатым концентрическим фильтрующим элементом 8, располагается прикатодная мембрана 15, а на аноде - прианодная мембрана 6.
Под повышением качества и эффективности разделения растворов и уменьшением сопротивления раствора в зазоре между концентрическими трубчатыми фильтрующими элементами 8, фиг. 1, с микропористыми подложками электродами - катодом и анодом 14, 5 и прикатодными, прианодными мембранами 15, 6, цилиндрическим корпусом 1, центральной трубой 11, в камере разделения 10 при наложении на систему мембрана - раствор электрического тока, при увеличенной площади разделения и повышенной турбулизации потока раствора в камерах разделения 10 понимается увеличение эффективной площади разделения в единице объема аппарата из-за дополнения прикатодных, прианодных мембран 15, 6 концентрической формы с имеющимися тремя выступами на микропористой подложке увеличенного диаметра прямоугольной формы в разрезе, электрода - катода и анода 14, 5 с такой периодичностью, что соседние элементы большего и меньшего диаметров концентрических трубчатых фильтрующих элементов 8 с микропористыми подложками 14, 5 и мембранами прикатодными, прианодными 15, 6 такой же формы смещены друг относительно друга на ширину одного выступа, а расстояние между мембранами прикатодными, прианодными 15, 6 соседних концентрических трубчатых фильтрующих элементов 8 с микропористыми подложками 14, 5 является минимальным от 3 до 5 мм. Таким образом, использование в камере разделения 10, фиг. 1, прикатодных, прианодных мембран 15, 6 с тремя выступами на микропористой подложке 14, 5 увеличенного диаметра прямоугольной формы в разрезе и минимального расстояния между этими мембранами позволит уменьшить сопротивление раствора при прохождении через пего электрического тока с определенной плотностью и дополнительно повысить турбулизацию потока раствора в камерах разделения 10, что позволит снизить концентрационную поляризацию без использования инертных сеток-турбулизаторов раствора.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос.