Электробаромембранный аппарат комбинированного типа
ELECTROBAROMEMBRANE DEVICE OF COMBINED TYPE

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, микробиологической, медицинской, пищевой и других областях промышленности.
Аналогом данной конструкции является плоскокамерный мембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. "Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2.", М.: Химия, 1995, стр. 347-348, представляющий собой набор эллиптических мембранных элементов, находящихся между круглыми фланцами, и трубчатый мембранный модуль для фильтрации жидкости, конструкция которого приведена в патенте RU 2156645 С1, 27.09.2000.
Недостатками аналога являются: низкое качество и эффективность разделения растворов, невозможность дифференцированного выделения ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на промежуточной ступени разделения. Частично недостатки устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является мембранный аппарат комбинированного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2496560 С1, 27.10.2013, состоящий из двух крышек, имеющих штуцеры для ввода разделяемого раствора, отвода пермеата, ретентата и подачи воздуха для нагнетания давления в камеру для пермеата первой ступени, выступы для фиксации трубчатых модулей, корпуса плоскокамерного модуля, имеющего впадину для установки опорных колец, канала для отвода пермеата от плоских мембранных элементов, обратный клапан, дренажной сетки, пористой подложки, мембран, поплавкового уровнемера, двух трубчатых мембранных модулей, прокладок, герметизирующих заливок, байонетного кольца.
Недостатками прототипа являются: невозможность дифференцированного выделения ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на промежуточной ступени разделения, высокое гидравлическое сопротивление в единице объема аппарата, низкое качество и эффективность разделения растворов.
Техническая задача-осуществление дифференцированного выделения ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на первой ступени разделения, снижение гидравлического сопротивления в единице объема аппарата, повышение качества и эффективности разделения растворов, за счет того, что агрегат состоит: из крышек, имеющих штуцеры для ввода разделяемого раствора, отвода пермеата, ретентата и подачи воздуха для нагнетания давления в камеру для пермеата первой ступени, выступы для фиксации трубчатых модулей, корпуса плоскокамерного модуля, имеющего впадину для установки опорных колец, канала для отвода пермеата от плоских мембранных элементов, обратный клапан, дренажной сетки, пористой подложки, мембран, поплавкового уровнемера, двух трубчатых мембранных модулей, прокладок, герметизирующих заливок, байонетного кольца, отличающийся тем, что в агрегате имеются два штуцера вывода ретентата второй ступени, два штуцера вывода пермеата второй ступени и два штуцера подачи воздуха, камеры для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени отделены диэлектрической перегородкой от камер вывода ретентата второй ступени, трубки трубчатого модуля, каналы для отвода прианодного и прикатодного пермеата, два обратных клапана, прианодные и прикатодные дренажные сетки, прианодные и прикатодные мембраны, два поплавковых уровнемера, прокладки с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, клеммы устройства для подвода электрического тока-анода и катода, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки, проточные окна, монополярные электроды.
На фиг. 1 изображен главный вид электробаромембранного аппарата комбинированного типа; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вид снизу; на фиг. 4-горизонтальный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - сложный разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - сложный разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 7 - выносной элемент фиг. 5.
Электробаромембранный аппарат комбинированного типа состоит из двух крышек 1 и 2; имеющих штуцер ввода разделяемого раствора 3; штуцеров вывода ретентата второй и первой ступени 4 и 5; штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха 6 и 7; камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени 8 и 9; выступов для фиксации трубчатых модулей 10 и 11; трубок трубчатого модуля 12; корпуса плоскокамерного модуля 13; опорных колец 14; каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата 15 и 16; обратных клапанов 17; прианодной и прикатодной дренажных сеток 18 и 32; пористых подложек 19; прианодных и прикатодных мембран 20 и 31; поплавковых уровнемеров 21; прокладок 22; прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата 23 и 24; герметизирующих заливок 25; байонетного кольца 26; клемм устройства для подвода электрического тока-анода 27 и катода 28, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки 35 и 36; проточных окон 29; диэлектрических перегородок 30; монополярных электродов 33 и 34; камер вывода ретентата второй ступени 37.
Крышки 1, 2, штуцер ввода разделяемого раствора 3, штуцера вывода ретентата второй и первой ступени 4, 5, штуцера вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха 6, 7, корпус плоскокамерного модуля 13, опорные кольца 14, байонетное кольцо 26, диэлектрические перегородки 30, выполнены из диэлектрического материала капролон или полиамид-6.
Трубки трубчатого модуля 12 могут быть изготовлены из трубчатого ультрафильтра типа БТУ 05/2.
Прианодные и прикатодные дренажные сетки 18, 32 могут быть выполнены из материала Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, О8Х18Т1.
Пористые подложки 19 могут быть выполнены из листа ватмана.
Прианодные и прикатодные мембраны 20, 31 могут быть выполнены из полотна мембран ОПМН-П, ОПМН-К, ОПМ-К, МГА-95, МГА-100, УАМ-50, УАМ-100.
Прокладки 22 и прокладки с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата 23, 24 могут быть выполнены из паронита.
Герметизирующие заливки 25 из герметизирующих эпоксидных смол.
Монополярные электроды 33, 34 могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ.
Аппарат работает следующим образом. Исходный раствор под трансмембранным давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 3, фиг. 1, 3, расположенного на крышке 2 подается в первую камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную нижней крышкой 2, прокладкой 22, корпусом плоскокамерного модуля 13 и прианодной мембраной 20 далее переходит через проточные окна 29, фиг. 4, 5, 7, всего аппарата, попадая в последнюю камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную верхней крышкой 1, прокладкой 22, корпусом плоскокамерного модуля 13 и прианодной мембраной 20 и выводится в виде ретентата через штуцер вывода ретентата первой ступени 5. Средние камеры разделения образованы межмембранными каналами, расположенными между прианодными и прикатодными мембранами 20 и 31, фиг. 5, 6, при этом разделяемый раствор переходит из одного межмембранного канала в последующие через проточные окна 29 всего аппарата.
При заполнении камер разделения всего аппарата разделяемым раствором на клеммы устройства для подвода электрического тока-анода 27 и катода 28, выполненные в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки 35 и 36, подается внешнее напряжение, которое устанавливает заданную постоянную плотность тока в растворе.
Растворенные вещества в разделяемом растворе диссоциируют на ионы (анионы и катионы).
Под действием электрического тока из первой, средней и последней камер разделения, фиг. 5, 6, анионы проникают через прианодную мембрану 20, пористую подложку 19 и по прианодной дренажной сетке 18 через прокладку с каналом для отвода прианодного пермеата 23, далее через круглые сквозные прианодные проточки 36 в цилиндрических шпильках с резьбой, выполняющих функцию клеммы устройства для подвода электрического тока-анода 27, в потоке прианодного пермеата по каналу для отвода прианодного пермеата 15 при открытом обратном клапане 17, заполняет камеру для прианодного пермеата первой ступени 8. А катионы проникают через прикатодную мембрану 31, пористую подложку 19 и по прикатодной дренажной сетке 32 через прокладку с каналом для отвода прикатодного пермеата 24, далее через круглые сквозные прикатодные проточки 35 в цилиндрических шпильках с резьбой, выполняющих функцию клеммы устройства для подвода электрического тока-катода 28, в потоке прикатодного пермеата по каналу для отвода прикатодного пермеата 16 при открытом обратном клапане 17, заполняет камеру для прикатодного пермеата первой ступени 9.
При заполнении камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9, фиг. 5, 6 подача разделяемого раствора через штуцер ввода разделяемого раствора 3 в аппарат прекращается и включаются компрессоры, нагнетающие давление в камеры для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени. Обратные клапаны 17, установленные в аппарате препятствуют попаданию прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 из камер для пермеата первой ступени обратно в каналы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 15, 16. Уровень прианодного и прикатодного пермеата в камерах для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени 8, 9 отслеживается посредством поплавковых уровнемеров 21.
Исходный раствор, поступающий по штуцеру ввода разделяемого раствора 3, фиг. 5, 6, и проходящий по проточным окнам 29 всего аппарата переходит из первой, средней и последней камер разделения, очищается от анионов и катинов и выводится из аппарата через штуцер вывода ретентата первой ступени 5, фиг. 1, 2, 5, 6, верхней крышки 1.
Под действием давления, нагнетаемого компрессорами через штуцеры подачи воздуха 7, из камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени 8, 9, фиг. 4, 5, 6, прианодный и прикатодный пермеат подается в трубки трубчатого модуля 12, где разделяется на ретентат второй ступени,  попадающий в камеру вывода ретентата второй ступени 37, и через штуцеры 4 выводятся из аппарата, а пермеаты, образующиеся в результате проникновения через трубки трубчатого модуля 12, отводятся через штуцеры вывода пермеата второй ступени 6.
При опустошении камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени 8, 9 компрессоры выключаются, подача воздуха через штуцера 7 прекращается. В это же время возобновляется подача исходного раствора через штуцер ввода разделяемого раствора 3 и процесс повторяется.
Дифференцированное выделение ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на первой ступени разделения раствора позволяет получать растворы, обогащенные катионами и анионами, в виде оснований, кислот и растворенных газов, соответственно.
Снижение гидравлического сопротивления в единице объема аппарата осуществляется за счет того, что камеры для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени 8, 9, фиг. 4, отделены диэлектрической перегородкой 30 от камеры вывода ретентата второй ступени 37 и прианодный и прикатодный пермеат перекачивается только по одному набору трубок трубчатого модуля 12.
Повышение качества и эффективности разделения растворов достигается тем, что снижена технологическая нагрузка на трубки трубчатого модуля 12, так как в них поступает прикатодный и прианодный пермеат первой ступени, который легче разделяется.
Таким образом, разделение раствора происходит в две стадии: на первой стадии разделяемый раствор проходит через первую, средние и последнюю камеры разделения в плоскокамерном модуле, а на второй - через два трубчатых модуля, что обеспечивает высокую степень очистки раствора.