Электробаромембранный аппарат рулонного типа
ELECTRICALLY-BAMBOO APPARATUS OF ROLLED 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 2671723 C1, 06.11.2018, СПК B01D 61/46, B01D 63/10. Прототип состоит из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, штуцеров для ввода и вывода охлаждающей воды, перфорированной трубки, пленок, имеющих насечки углубленные в половину от ее толщины, 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, рулонного элемента, резиновой манжеты, уплотнительной прокладки, герметизирующей прокладки, штуцера подачи исходного раствора, посадочных прокладок, ответного прижимного фланца, торцевых прокладок, антителескопической решетки, втулки, внешних трубок, перегородок, внутренних трубок, клеевой композиции, эллиптических щелей, эллиптических проточек, отверстий, торцевых прокладок, крышки, фиксирующих прокладок, отверстий в фиксирующих прокладках, колец резиновых, внешних отводных трубок.
Недостатками аппарата является большое гидравлическое сопротивление в канале для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, низкая производительность и качество разделения растворов, малая площадь прикатодных и прианодных мембран для разделения растворов и высокая концентрационная поляризация.
Технический результат выражается - снижением гидравлического сопротивления в канале для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, увеличением производительности и качества разделения растворов, увеличением площади прикатодных и прианодных мембран для разделения растворов, снижением эффекта концентрационной поляризации, за счет изменения конструкции аппарата: состоящей из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, штуцеров для ввода и вывода охлаждающей воды, перфорированной трубки, пленок, имеющих насечки углубленные в половину от ее толщины, 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, рулонного элемента, резиновой манжеты, уплотнительной прокладки, герметизирующей прокладки, штуцера подачи исходного раствора, посадочных прокладок, ответного прижимного фланца, торцевых прокладок, антителескопической решетки, втулки, внешних трубок, перегородок, внутренних трубок, клеевой композиции, эллиптических щелей, эллиптических проточек, отверстий, торцевых прокладок, крышки, фиксирующих прокладок, отверстий в фиксирующих прокладках, колец резиновых, внешних отводных трубок, отличающийся тем, что перфорированная трубка 14 изготовлена с перфорацией в виде эллиптических проточек 33, по периметру которых расположены полуэллипсы 52 выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, ее толщина уменьшена в два раза, а на внутренней поверхности имеется восемь полуокружностей-проточек 53, проходящих по всей длине образующих и распределенных от горизонтальной оси под углами , , , , , , ,  соответственно, отверстия в фиксирующей прокладке 40 исполнены в виде двух полумесяцев с закругленными краями 41, на внутренней поверхности внутренней трубки 27 имеется восемь полуокружностей-проточек 54, проходящих по всей длине образующих и распределенных от горизонтальной оси под углами , , , , , , ,  соответственно, внешняя и внутренняя трубки 25 и 27 перфорированы эллиптическими щелями 32 и 31, по периметру которых расположены полуэллипсы 52, 51, выполненные на расстоянии 5 мм и 10 мм друг от друга соответственно, в полимерной перфорированной перегородке 28 имеются эллиптические отверстия 34, толщина сетки-турбулизатора 20 увеличена в три раза за счет уменьшения в два раза толщины дренажных сеток, являющихся анодом и катодом 48, 23 соответственно, пленки 19, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме параллелограммы, штуцер для ввода охлаждающей воды 4 смещен к разъемной торцевой поверхности корпуса аппарата 1 на 25 мм, штуцер для вывода охлаждающей воды 13 смещен к глухой торцевой поверхности корпуса аппарата 1 на 25 мм, высота втулки 17 уменьшена на 15 мм, а ширина набора пленок 19, сетки-турбулизатора охлаждающей воды 47, сетки-турбулизатора 20, прианодных, прикатодных мембран 49, 22, подложек мембран 21, дренажных сеток являющихся анодом и катодом 48, 23 увеличена на 50 мм.
На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; на фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - вид Н; фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 6 - вид Б увеличенный на фиг. 1; 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 - сечение Ж-Ж на фиг. 6; фиг. 13 - вид М выносной элемент на фиг. 1.
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  и  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  и  соответственно внешние трубки 25, перфорированная трубку 14 изготовлена с перфорацией в виде эллиптических проточек 33 по периметру которых расположены полуэллипсы 52, выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, 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 исполненные в виде двух полумесяцев с закругленными краями 41, затем между перегородкой 26, внешней и внутренней трубками 25, 27 перфорированными эллиптической щелью 32, 31, по периметру которых расположены полуэллипсы 52, 51, выполненные на расстоянии 5 мм и 10 мм друг от друга соответственно и соединенными через эллиптические 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 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, ,  и , ,  соответственно, а на всю длину эллиптической 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 щелей 31 без их пропуска, торцы внешней и внутренней трубок 25, 27 с перегородками 26 и полимерными перфорированными перегородками 28 с одной стороны упираются в фиксирующую прокладку 40, а с другой стороны в 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 щели 31 до 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, пленкой 19 имеющей насечки углубленные в половину от ее толщины составляющих по форме параллелограммы, внешних трубок 25, перфорированной трубки 14 и крышки 39 создают коллектор для протекания охлаждающей воды, между 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 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 щелей 31 без их пропуска внутренней трубки 27, а пленки 19 приклеены у выделенного участка на всю длину эллиптической 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  и 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 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, на внутренней поверхности трубки 14 имеется восемь полуокружностей-проточек 53, проходящих по всей длине образующих и распределенных от горизонтальной оси под углами , , , , , , ,  соответственно, 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, 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.
Пленки 19 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» или плетеной сетки выполненной из титана.
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, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-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 влагостойкого клея.
В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная и дистиллированная вода с температурой от 278 до 288 К.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, подается через штуцер подачи исходного раствора 10, фиг. 1, 2, 4, далее через сквозную проточку в центре крышки 39, фиг. 1 под перфорированную трубку 14 разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 43 прокачивается в ней и через эллиптические проточки 33 по периметру которых расположены полуоэллипсы 52, выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, фиг. 1, 11 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 щели 31, фиг. 2 во внутрь внутренней трубке 27, фиг. 7, 8 далее отводится по внутреннему пространству штуцера для отвода ретентата 38, фиг. 1.
В этот же момент времени к дренажным сеткам, являющимся катодом 23 и анодом 48, фиг. 7 включением устройства для подвода электрического тока 24, фиг. 1 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. 7 далее проходящие через отверстия 41 в фиксирующей прокладке 40 исполненные в виде равносторонних треугольников, фиг. 6, 12 затем между перегородкой 26, фиг. 7, внешней и внутренней трубками 25, 27 соответственно и полимерными перфорированными перегородками 28 через эллиптические отверстия 34, фиг. 7, 8 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 эллиптические 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 в фиксирующей прокладке 40 исполненные в виде равносторонних треугольников фиг. 6, 12 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, 3 расположенные от горизонтальной оси в сечении под углами  и 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, пленкой 19 имеющей насечки углубленные в половину от ее толщины, составляющих по форме параллелограммы, внешних трубок 25, перфорированной трубки 14 и крышки 39, фиг. 1, 5.
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 щели 31, фиг. 7 внутрь внутренней трубки 27 и штуцера для отвода ретентата 38, фиг. 1. 6 и выводится в виде ретентата.
Снижение гидравлического сопротивления в канале для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата и увеличение производительности и качества разделения растворов, увеличение площади прикатодных и прианодных мембран для разделения растворов, снижение эффекта концентрационной поляризации при конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа, фиг. 1, по сравнению с аппаратом прототипом достигается, за счет исполнения перфорированной трубки 14 с перфорацией в виде эллиптических проточек 33 по периметру которых расположены полуэллипсы 52, выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, толщина стенок трубки 14 уменьшена в два раза, на внутренней поверхности трубки 14 имеется восемь полуокружностей-проточек 53, проходящих по всей длине образующих и распределенных от горизонтальной оси под углами , , , , , , ,  соответственно, отверстия 41 в фиксирующей прокладке 40 исполнены в виде двух полумесяцев с закругленными краями 41, фиг. 6, на внутренней поверхности внутренней трубки 27 имеется восемь полуокружностей-проточек 54, проходящих по всей длине образующих и распределенных от горизонтальной оси под углами , , , , , , ,  соответственно, внешняя и внутренняя трубки 25, 27 перфорированы эллиптической щелью 31, 32 соответственно, по периметру которых расположены полуоэллипсы 52, 51, выполненные на расстоянии 5 мм и 10 мм друг от друга, фиг. 1 соответственно, пленки 19, фиг. 13, имеющие насечки углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме параллелограммы, толщина сетки-турбулизатора 20, фиг. 9, 10 увеличена в три раза за счет уменьшения в два раза толщины дренажных сеток, являющимися анодом и катодом 48, 23 соответственно, штуцер для ввода охлаждающей воды 4, фиг. 1, 2 смещен к разъемной торцевой поверхности корпуса аппарата 1 на 25 мм, штуцер для вывода охлаждающей воды 13 смещен к глухой торцевой поверхности корпуса аппарата 1 на 25 мм, высота втулки 17 уменьшена на 15 мм, а ширина набора пленок 19, сетки-турбулизатора охлаждающей воды 47, сетки-турбулизатора 20, прианодных, прикатодных мембран 49, 22, подложек мембран 21, дренажных сеток являющихся анодом и катодом 48, 23 увеличена на 50 мм. За счет такого конструктивного исполнения и расположения элементов в аппарате происходит увеличение межмембранного канала в три раза на пути потока разделяемого раствора, что приводит к снижению гидравлического сопротивления в канале для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата и увеличению производительности и качества разделения растворов, а также приводит к увеличению общей площади мембран в аппарате и площади прикатодных и прианодных мембран для разделения растворов и снижается эффект концентрационной поляризации.
Результаты расчета площади разделения растворов в электробаромембранных аппаратах (представленный в данной работе и прототипа) представлены в таблице.
Параметры
<i>a</i>, м
<i>b</i>, м
<i>n</i><sup><i>-</i></sup><i>, шт.</i>
<i>n</i><sup><i>+</i></sup><i>, шт.</i>
<i>n</i>, шт.
<maths num="54"><img file="00000019.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths><i>, м</i><sup><i>2</i></sup>
<maths num="55"><img file="00000020.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, м<sup>2</sup>
<maths num="56"><img file="00000021.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, м<sup>2</sup>
Аппарат рулонного типа (прототип):
0,6
0,4
2
2
4
0,48
0,48
0,96
Аппарат рулонного типа (представленный в данной работе):
0,6
0,45
2
2
4
0,54
0,54
1,08
a
b
n
n
n
-
+
2
2
2
где  - длина мембраны, м;  - ширина мембраны, м;  - количество прикатодных мембран, шт.;  - количество прианодных мембран, шт.;  - общее количество мембран, шт.;  - общая площадь прикатодных мембран, м;  - общая площадь прианодных мембран, м;  - общая площадь разделения растворов, м.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например, обратный осмос, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию.