Электробаромембранный аппарат рулонного типа
ELECTROBAROMEMBRANE DEVICE OF SPIRAL WOUND TYPE

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов рулонного типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электрогиперфильтрации.
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 2487746 С1, 20.07.2013, МПК B01D 61/42. Прототип состоит из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, штуцеров для ввода и вывода охлаждающей воды, перфорированной трубки, непористых пленок, сеток-турбулизаторов, подложек мембран, прикатодных и прианодных мембран, дренажных сеток, являющихся катодом и анодом, устройства для подвода электрического тока, электрических проводов, полимерных перфорированных перегородок с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, штуцеров для отвода ретентата, вертикальной перегородки, коллекторов отвода прианодного и прикатодного пермеата, герметизирующей заливки, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды.
Недостатками аппарата являются нагревание потока пермеата, сложность технического обслуживания и невозможность замены рулонного элемента аппарата.
Технический результат выражается повышением качества, в эффективности разделения растворов, улучшении охлаждения прикатодного, прианодного пермеата, в простоте и удобстве технического обслуживания и замене рулонного элемента аппарата, за счет изменения конструкции аппарата, состоящей из корпуса, штуцеров для ввода и вывода охлаждающей воды, перфорированной трубки, непористых пленок, сеток-турбулизаторов, подложек мембран, прикатодных и прианодных мембран, дренажных сеток, являющихся катодом и анодом, устройства для подвода электрического тока, электрических проводов, полимерных перфорированных перегородок с отверстиями, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, штуцеров для отвода ретентата, вертикальной перегородки, коллекторов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды, отличающегося тем, что корпус аппарата изготовлен в виде цилиндрической обечайки, одна из торцевых поверхностей которого глухая и с внутренней ее стороны в ней имеются несквозные проточки: в центре под перфорированную трубку и под расположенные от горизонтальной оси под углами π/2 и 3π/2 соответственно внешние трубки, а вторая выполнена разъемной,  являющаяся крышкой, имеющей уплотнение с корпусом аппарата в виде шипа-паза, где расположена уплотнительная прокладка, при этом с внутренней ее стороны имеются сквозные проточки в центре под перфорированную трубку и расположенные от горизонтальной оси под углами π/2 и 3π/2 соответственно внешние трубки, перфорированная трубка выполнена с перфорацией в виде эллиптических проточек, а с крышкой уплотняется посадочной прокладкой, с внешней стороны крышки вкручены на резьбе штуцер подачи исходного раствора, а также внешние отводные трубки, которые с торцевой поверхности герметично припаяны к штуцерам для отвода ретентата, таким образом, создавая коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата, в которых расположены электрические провода, далее проходящие через отверстия в фиксирующей прокладке, затем между неперфорированной перегородкой, внешней и внутренней трубками перфорированными эллиптической большой и малой щелью соответственно, и соединенными через отверстия полимерной перфорированной перегородки с дренажными сетками, являющимися анодом и катодом соответственно, а также соединенными через герметизирующую заливку внешней отводной трубки с устройством для подвода электрического тока, коллекторы для отвода прианодного и прикатодного пермеата в сечении ограничены внешней и внутренней трубкой, а также неперфорированной перегородкой и полимерными перфорированными перегородками, расположенными на всю длину внешней и внутренней трубок и расположенных соответственно от горизонтальной оси в сечении под углами 0, 5π/6, 7π/6 и π, π/6, 11π/6 соответственно, а на всю длину эллиптической большой щели на полимерные перфорированные перегородки последовательно уложены дренажные сетки, являющиеся анодом и катодом, подложки мембран, прианодные и прикатодные мембраны, соответственно приклеенные у выделенного участка всего контура эллиптических малых щелей без их пропуска, торцы внешней и внутренней трубок с неперфорированными перегородками и полимерными перфорированными перегородками с одной стороны упираются в фиксирующую прокладку, а с другой стороны - в малую торцевую прокладку, причем коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата, полость внутренней трубки и полость перфорированной трубки, разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, на расстоянии от края эллиптической малой щели до малой торцевой и торцевой прокладки заполнены клеевой композицией, состоящей из эпоксидной смолы или влагостойкого клея, на каждой внешней отводной трубке на расстоянии 15 мм от края ее торца вмонтированы на резьбе штуцера для отвода прикатодного, прианодного пермеата, развернутые друг относительно друга на угол 180 градусов соответственно, пространство, образованное между корпусом аппарата и непористой пленкой, имеющей насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляющие по форме равносторонние треугольники, а также внешние трубки, перфорированная трубка и крышка создают коллектор для протекания охлаждающей воды, между непористыми пленками расположены сетки-турбулизаторы охлаждающей воды, а рулонный элемент аппарата создан навивкой приклеенных к перфорированной трубке по краю перфорации эллиптических проточек по разные стороны от сетки-турбулизатора, прианодных, прикатодных мембран, подложек мембран, дренажных сеток, являющихся анодом и катодом и непористых пленок соответственно вокруг перфорированной трубки, на концах навивки рулонного элемента по всей ширине прианодные и прикатодные мембраны соответственно приклеены у выделенного участка всего контура эллиптических малых щелей без их пропуска внутренней трубки, а непористые пленки приклеены у выделенного участка на всю длину эллиптической большой щели внешней трубки, штуцер для отвода ретентата уплотнен с внешней и внутренней трубкой при помощи фиксирующей прокладки и кольца резинового, крышка с корпусом аппарата уплотнены при помощи ответного прижимного фланца с помощью болтов, гаек и шайб, равномерно расположенных по контуру фланцевого соединения, штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды расположены от горизонтальной оси в сечении под углами π/2 и 3π/2 соответственно, а от торцевых поверхностей корпуса аппарата глухой и разъемной на расстоянии 95 мм от края, торцевая поверхность последовательной навивки рулонного элемента по разные стороны от сетки-турбулизатора прианодных, прикатодных мембран, подложек мембран, дренажных сеток, являющихся анодом и катодом, и непористых пленок соответственно вокруг перфорированной трубки проклеена клеевой композицией, состоящей из эпоксидной смолы или влагостойкого клея, фиксация торцевой поверхности навивки рулонного элемента обеспечена антителескопической решеткой и втулкой, расположенных на перфорированной трубке, резиновая манжета расположена на рулонном элементе в месте упора на корпус аппарата, на штуцере для вывода охлаждающей воды размещена гайка для крепления к трубопроводу установки, а для герметизации крышки с корпусом аппарата также установлена герметизирующая прокладка.
На фиг. 1 показана 3D модель электробаромембранного аппарата рулонного типа; на фиг. 2 в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - вид справа; фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 2; фиг. 6 - вид Б, увеличенный на фиг. 2; фиг. 7 - вид В, увеличенный на фиг. 5, фиг. 8 - ступенчатый разрез Е-Е на фиг. 7; фиг. 9 - вид Г, увеличенный на фиг. 5; фиг. 10 - вид К, увеличенный на фиг. 9; фиг. 11 - вид Д, увеличенный на фиг. 5; фиг. 12 - вид М, выносной элемент на фиг. 2.
Электробаромембранный аппарат состоит из корпуса аппарата, изготовленного в виде цилиндрической обечайки 1, одна из торцевых поверхностей которого глухая и с внутренней ее стороны в ней имеются несквозные проточки в центре под перфорированную трубку 14 и под расположенные от горизонтальной оси под углами π/2 и 3π/2 соответственно внешние трубки 25, а вторая выполнена разъемной, являющаяся крышкой 39, имеющей уплотнение с корпусом аппарата в виде шипа-паза, где расположена уплотнительная прокладка 8, при этом с внутренней ее стороны имеются сквозные проточки в центре под перфорированную трубку 14 и расположенные от горизонтальной оси под углами π/2 и 3π/2 соответственно внешние трубки 25, перфорированная трубка 14 выполнена с перфорацией в виде эллиптических проточек 33, а с крышкой 39 уплотняется посадочной прокладкой 11, с внешней стороны крышки 39 вкручены на резьбе штуцер подачи исходного раствора 10, а также внешние отводные трубки 50, которые с торцевой поверхности герметично припаяны к штуцерам для отвода ретентата 38, таким образом, создавая коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата 44, 45, в которых расположены электрические провода 29, далее проходящие через отверстия 41 в фиксирующей прокладке 40, затем между неперфорированной перегородкой 26, внешней и внутренней трубками 25, 27 перфорированными эллиптической большой и малой щелью 32, 31 соответственно, и соединенными через отверстия 34 полимерной перфорированной перегородки 28 с дренажными сетками, являющимися анодом и катодом 48, 23 соответственно, а также соединенными через герметизирующую заливку 46 внешней отводной трубки 50 с устройством для подвода электрического тока 24, коллекторы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 44, 45 в сечении ограничены внешней и внутренней трубкой 25, 27, а также неперфорированной перегородкой 26 и полимерными перфорированными перегородками 28, расположенными на всю длину внешней и внутренней трубок 25, 27 и расположенных соответственно от горизонтальной оси в сечении под углами 0, 5π/6, 7π/6 и π, π/6, 11π/6 соответственно, а на всю длину эллиптической большой щели 32 на полимерные перфорированные перегородки 28 последовательно уложены дренажные сетки, являющиеся анодом и катодом 48, 23, подложки мембран 21, прианодные и прикатодные мембраны 49, 22, соответственно приклеенные у выделенного участка всего контура эллиптических малых щелей 31 без их пропуска, торцы внешней и внутренней трубок 25, 27 с неперфорированными перегородками 26 и полимерными перфорированными перегородками 28 с одной стороны упираются в фиксирующую прокладку 40, а с другой стороны в малую торцевую прокладку 35, причем коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата 44, 45, полость внутренней трубки 27 и полость перфорированной трубки 14, разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 43, на расстоянии от края эллиптической малой щели 31 до малой торцевой и торцевой прокладки 35, 15 соответственно заполнены клеевой композицией 30, состоящей из эпоксидной смолы или влагостойкого клея, на каждой внешней отводной трубке 50 на расстоянии 15 мм от края ее торца вмонтированы на резьбе штуцера для отвода прикатодного, прианодного пермеата 36, 37, развернутые друг относительно друга на угол 180 градусов соответственно, пространство, образованное между корпусом аппарата 1, изготовленным в виде цилиндрической обечайки, одна из торцевых поверхностей которого глухая, непористой пленкой 19, имеющей насечки, углубленные в половину от ее толщины составляющих по форме равносторонние треугольники, внешних трубок 25, перфорированной трубки 14 и крышки 39 создают коллектор для протекания охлаждающей воды, между непористыми пленками 19 расположены сетки-турбулизаторы охлаждающей воды 47, а рулонный элемент 2 аппарата создан навивкой приклеенных к перфорированной трубке 14 по краю перфорации эллиптических проточек 33 по разные стороны от сетки-турбулизатора 20, прианодных, прикатодных мембран 49, 22, подложек мембран 21, дренажных сеток, являющихся анодом и катодом 48, 23, и непористых пленок 19 соответственно вокруг перфорированной трубки 14 и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 43, на концах навивки рулонного элемента 2 по всей ширине прианодные и прикатодные мембраны 49, 22 соответственно приклеены у выделенного участка всего контура эллиптических малых щелей 31 без их пропуска внутренней трубки 27, а непористые пленки 19 приклеены у выделенного участка на всю длину эллиптической большой щели 32 внешней трубки 25, штуцер для отвода ретентата 38 уплотнен с внешней и внутренней трубкой 25, 27 при помощи фиксирующей прокладки 40 и кольца резинового 42, крышка 39 с корпусом аппарата 1 уплотнены при помощи ответного прижимного фланца 12 с помощью болтов, гаек и шайб 5, 6, 7, равномерно расположенных по контуру фланцевого соединения, штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 4, 13 расположены от горизонтальной оси в сечении под углами π/2 и 3π/2 соответственно, а от торцевых поверхностей корпуса аппарата 1 глухой и разъемной на расстоянии 95 мм от края, торцевая поверхность последовательной навивки рулонного элемента 2 по разные стороны от сетки-турбулизатора 20, прианодных, прикатодных мембран 49, 22, подложек мембран 21, дренажных сеток являющихся анодом и катодом 48, 23 и непористых пленок 19 соответственно вокруг перфорированной трубки 14, разделенной на две секции одинакового объема, по всей длине вертикальной перегородкой 43 проклеена клеевой композицией 30, состоящей из эпоксидной смолы или влагостойкого клея, фиксация торцевой поверхности навивки рулонного элемента 2 обеспечена антителескопической решеткой 16 и втулкой 17 расположенных на перфорированной трубке 14, разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 43, резиновая манжета 3 расположена на рулонном элементе 2 в месте упора на корпус аппарата 1, на штуцере для вывода охлаждающей воды 13 размещена гайка 18 для крепления к трубопроводу установки, а для герметизации крышки 39 с корпусом аппарата 1 также установлена герметизирующая прокладка 9.
Корпус аппарата, изготовленный в виде цилиндрической обечайки 1, штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 4, 13, штуцер подачи исходного раствора 10, ответный прижимной фланец 12, перфорированная трубка 14, антителескопическая решетка 16, втулка 17, внешняя и внутренняя трубка 25, 27, неперфорированная перегородка 26, полимерная перфорированная перегородка 28, штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 36, 37, штуцер для отвода ретентата 38, крышка 39, вертикальная перегородка 43, внешняя отводная трубка 50 могут быть изготовлены из капролона и углепластика. Подложки мембран 21 изготовлены из листа ватмана.
Непористые пленки 21 могут быть изготовлены из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности. Дренажные сетки, являющиеся анодом 48 и катодом 23, могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум».
Прикатодная и прианодная мембраны 22 и 49 могут быть изготовлены в виде ленты из мембран следующих типов в зависимости от прикладываемого градиента давления для обратного осмоса, ультрафильтрации, нанофильтрации и микрофильтрации: 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, УГТМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОГТМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3.
Сетка-турбулизатор охлаждающей воды 47 и сетка-турбулизатор 20 могут быть изготовлены из пластмассы или углепластика, обеспечивают необходимую турбулизацию разделяемого раствора и охлаждающей воды.
Клеевая композиция 30 может быть изготовлена из эпоксидной смолы или вглагостойкого клея.
В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная и дистиллированная вода с температурой от 278 до 288 K.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, подается через штуцер подачи исходного раствора 10, фиг. 2, 4, далее через сквозную проточку в центре крышки 39, фиг. 2 под перфорированную трубку 14, разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 43, прокачивается в ней и через эллиптические проточки 33, фиг. 10 поступает в пространство, где расположена сетка-турбулизатор 20, по разные стороны, от которой расположены прианодные и прикатодные мембраны 49, 22, образующие межмембранный канал, по всей длине которого циркулирует раствор, поступающий по эллиптической малой щели 31, фиг. 2 во внутрь внутренней трубке 27, фиг. 7, 8 далее отводится по внутреннему пространству штуцера для отвода ретентата 38.
В этот же момент времени к дренажным сеткам, являющимся катодом 23 и анодом 48, фиг. 7 включением устройства для подвода электрического тока 24, фиг. 2 через электрические провода 29 соединенными через герметизирующую заливку 46 внешней отводной трубки 50, которые проходят через коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата 44, 45, фиг. 6, далее проходящие через отверстия 41 в фиксирующей прокладке 40, затем между неперфорированной перегородкой 26, фиг. 7 внешней и внутренней трубками 25, 27 соответственно и полимерными перфорированными перегородками 28 через отверстия 34, фиг. 7 к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор, двигаясь турбулизируется при помощи сетки-турбулизатора 20 фиг. 7, 9, 10, 11, установленной в межмембранном канале около поверхности прианодных и прикатодных мембран 49, 22 в зависимости от схемы подключения дренажных сеток, являющихся анодом 48 и катодом 23 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус».
В межмембранном канале фиг. 9, 10, растворенное в исходном растворе вещество диссоциирует на ионы, - анионы и катионы и под действием электрического тока и градиента давления проникают совместно с растворителем сквозь поры прианодных и прикатодных мембран 49, 22 соответственно и подложки мембран 21, попадая в пространства, где расположены дренажные сетки, являющиеся анодом 48 и катодом 23 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус» соответственно.
Полученный таким образом прианодный и прикатодный пермеат самотеком отводится через отверстия 34, фиг. 8 в полимерной перфорированной перегородке 28, на которую уложены концы дренажных сеток, являющихся анодом 48 и катодом 23, фиг. 7 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», попадая в коллекторы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 44, 45 соответственно, далее отводятся через отверстия 41, фиг. 6 фиксирующей прокладки 40 по продолжающимся коллекторам для отвода прианодного и прикатодного пермеата 44, 45 и выводятся через штуцера для отвода прианодного и прикатодного пермеата 37, 36, фиг. 4 в виде кислот и оснований соответственно.
Одновременно с подачей исходного раствора, через штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 4, 13, фиг. 1, 2, расположенные от горизонтальной оси в сечении под углами π/2 и 3π/2 соответственно, а от торцевых поверхностей корпуса аппарата 1, глухой и разъемной на расстоянии 95 мм от края, заполняется коллектор для протекания охлаждающей воды, образованный между корпусом аппарата 1, изготовленным в виде цилиндрической обечайки, одна из торцевых поверхностей которого глухая, непористой пленкой 19, имеющей насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляющих по форме равносторонние треугольники, внешних трубок 25, перфорированной трубки 14 и крышки 39, фиг. 2.
Исходный раствор, протекая по всему межмембранному каналу, где расположена сетка-турбулизатор 20, фиг. 7, 9, 10, 11, очищается от катионов и анионов, попадая через эллиптические малые щели 31, фиг. 7 внутрь внутренней трубки 27 и штуцера для отвода ретентата 38, фиг. 2. 6 и выводится в виде ретентата.
Под повышением качества, эффективности разделения растворов, улучшении охлаждения прикатодного, прианодного пермеата понимается возможность при данном конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа, фиг. 1, 2 совместить электробаромембранное разделение растворов с процессом более интенсивного охлаждения пермеата, чем в патенте № RU 2487746 С1, 20.07.2013, МПК B01D 61/42, за счет изготовления непористой пленки 19, фиг. 12, имеющей насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляющих по форме равносторонние треугольники при интенсивном прокачивании раствора через коллектор для протекания охлаждающей воды - с большей скоростью через штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 4, 13, фиг. 3.
Необходимость охлаждения прикатодного и прианодного пермеата заключается в том, что исходный раствор, прокачиваемый в межмембранном канале аппарата над поверхностью прикатодных и прианодных мембран 22 и 49 соответственно, фиг. 9 и прошедший через их поры с температурой от 293 до 313 K, подложки мембран 21 и попадающий в пространство, где расположены дренажные сетки, являющиеся катодом 23 и анодом 48 и проходящие самотеком через дренажные каналы, образованные пространством между непористыми пленками 19 и подложками мембран 21, охлаждается через теплопередающую стенку, которой является непористая пленка 19, имеющая насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляющие по форме равносторонние треугольники, при помощи охлаждающей воды с температурой от 278 до 288 К.
Простота и удобство технического обслуживания и замены рулонного элемента 2, фиг. 2, 3 электробаромембранного аппарата рулонного типа, достигается за счет выполнения корпуса 1, фиг. 2 в виде цилиндрической обечайки, одна из торцевых поверхностей которого глухая, а вторая выполнена разъемной, являющаяся крышкой 39, имеющей уплотнение с корпусом аппарата в виде шипа-паза, где расположена уплотнительная прокладка 8, в отличии от конструкции представленной в патенте № RU 2487746 С1, 20.07.2013, МПК B01D 61/42.
Рулонный элемент 2, фиг. 2, 5 аппарата создан навивкой приклеенных к перфорированной трубке 14 по краю перфорации эллиптических проточек 33, фиг. 2, 11 по разные стороны от сетки-турбулизатора 20, прианодных, прикатодных мембран 49, 22, подложек мембран 21, дренажных сеток, являющихся анодом и катодом 48, 23 и непористых пленок 19 соответственно вокруг перфорированной трубки 14 и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 43, на концах навивки рулонного элемента 2 по всей ширине прианодные и прикатодные мембраны 49, 22, фиг. 7 соответственно приклеены у выделенного участка всего контура эллиптических малых щелей 31, фиг. 2 без их пропуска внутренней трубки 27, а непористые пленки 19 приклеены у выделенного участка на всю длину эллиптической большой щели 32 внешней трубки 25.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например обратный осмос, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию.