Электродиализатор с улучшенной производительностью и охлаждением
ELECTRODIALYZER WITH IMPROVED PERFORMANCE AND COOLING

Изобретение относится к области очистки, разделения и концентрирования растворов электродиализным методом. Применение возможно в пищевой, химической, микробиологической, текстильной и других отраслях промышленности.
Аналогом данной конструкции является электродиализатор, приведенный в патенте № 2225746 RU, 28.01.2003 г. В состав электродиализатора входят две прижимные плиты, входные каналы для подачи разделяемого раствора (концентрата), разделяемого раствора (дилюата) и растворов для омывания электродов, выходные каналы для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Недостатками являются отсутствие охлаждения разделяемого раствора, что влечет за собой потерю качества разделяемого раствора и температурную нагрузку на мембраны.
Прототипом данной конструкции является электродиализатор, представленный в патенте RU 2690339 C1, 31.05.2019 г. Электродиализатор с охлаждением разделяемого раствора включает в себя две прижимные плиты, входные каналы для подачи разделяемого раствора (концентрата), разделяемого раствора (дилюата) и растворов для омывания электродов, выходные каналы для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Главное отличие заключается в том, что в электродиализаторе происходит равномерное охлаждение разделяемого раствора (концентрата и дилюата) до его выхода из электродиализатора за счет вставленных сквозь всю конструкцию двенадцати охлаждающих трубок с проточной водой.
Недостатками аппарата являются: низкая полезная площадь и производительность разделения раствора, низкая охлаждающая способность, сложность конструкции аппарата и высокая масса заготовки для изготовления отдельных элементов.
Технический результат выражается увеличением полезной площади и производительности разделения раствора, высокой охлаждающей способности, простоте конструкции аппарата и низкой массе заготовки для изготовления отдельных элементов, за счет изменения конструкции аппарата, состоящего из двух прижимных плит, входных каналов для подачи разделяемого раствора (концентрата), разделяемого раствора (дилюата) и растворов для омывания электродов, выходных каналов для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакетов чередующихся мембран и прокладок-спейсеров, двенадцати охлаждающих трубок, проходящих через отверстия в прижимных плитах, прокладках-спейсерах, катионообменных и анионообменных мембранах, и восемь из которых распределены по торцевой поверхности по кругу ради-усом 75 мм от центра прижимных плит с шагом 45 градусов относительно друг друга, а центры оставшихся четырех трубок образуют равносторонний ромб с диагоналями длиной 30 мм, пересечение которых так же лежит в центре прижимных плит, отличающейся тем, что в аппарате увеличено количество ионообменных мембран и камер разделения, приходящихся на единицу объема аппарата, за счет уменьшения толщины двух прижимных плит и соосного расположения входных и выходных штуцеров, являющихся составными элементами конструкции электродиализатора, уменьшена толщина стенок охлаждающих трубок, а внутрь них добавлены спиральные направляющие, обеспечивающие как требуемую жесткость трубок, так и дополнительную турбулизацию охлаждающей жидкости.
На фиг. 1 изображен электродиализатор с улучшенной производительностью и охлаждением в собранном состоянии в изометрии; фиг. 2 – вид спереди; фиг. 3 – вид слева; фиг. 4 – разрез А-А, указанный на фиг. 2; фиг. 5 – разрез Б-Б, указанный на фиг. 3, и разрез Д-Д; фиг. 6 – вид Г, указанный на фиг. 4; фиг. 7 – форма мембран и прокладок-спейсеров; фиг. 8 – разрез В-В, указанный на фиг. 3, и разрез Е-Е; фиг. 9 – охлаждающая трубка с местным разрезом.
Электродиализатор с улучшенной производительностью и охлаждением состоит из прижимной плиты 1 с четырьмя входными каналами 2 для подачи разделяемого раствора (концентрата), четырьмя входными каналами 3 для подачи разделяемого раствора (дилюата), входным 4 и выходным 5 каналами для раствора для омывания электрода (катода) 6, двенадцатью отверстиями 7 для охлаждающих трубок 8, пазом 9 и отверстием 10 для электрода (катода) 6, отверстием 11 для подключения электрода (катода) 6, четырьмя отверстиями 12 для скрепления конструкции, из десяти пакетов ионообменных мембран и прокладок-спейсеров, включающих в совокупности чередующиеся в определенном порядке две прокладки-спейсера 13 с четырьмя отверстиями 14 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 15 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 16 для охлаждающих трубок 8, десять катионообменных мембран 17 с четырьмя отверстиями 18 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 19 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 20 для охлаждающих трубок 8 со спиральными направляющими 57, десять прокладок-спейсеров 21 с четырьмя отверстиями 22 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями-впадинами 23 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 24 для охлаждающих трубок 8, десять анионообменных мембран 25 с четырьмя отверстиями 26 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 27 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 28 для охлаждающих трубок 8 и девять прокладок-спейсеров 29 с четырьмя отверстиями-впадинами 30 для протекания разделяемого раствора (концентрата), четырьмя отверстиями 31 для протекания разделяемого раствора (дилюата) и двенадцатью отверстиями 32 для охлаждающих трубок 8, из прижимной плиты 33 с четырьмя выходными каналами 34 для вывода разделяемого раствора (концентрата), четырьмя выходными каналами 35 для разделяемого раствора (дилюата), входным 36 и выходным 37 каналами для раствора для омывания электрода (анода) 38, двенадцатью отверстиями 39 для охлаждающих трубок 8, пазом 40 и отверстием 41 для электрода (анода) 38, отверстием 42 для подключения электрода (анода) 38, четырьмя отверстиями 43 для скрепления конструкции, из двух электродов (катода) 6 и (анода) 38, из двенадцати охлаждающих трубок 8, из четырех входных штуцеров 44 для подачи разделяемого раствора (концентрата), четырех входных штуцеров 45 для подачи разделяемого раствора (дилюата), четырех выходных штуцеров 46 для вывода разделяемого раствора (концентрата), четырех выходных штуцеров 47 для вывода разделяемого раствора (дилюата), из входного 48 и выходного 49 штуцерами для подачи и вывода раствора для омывания электрода (катода) 6, из входного 50 и выходного 51 штуцерами для подачи и вывода раствора для омывания электрода (анода) 38, двух металлических пластин 52. Две прижимные плиты электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением вместе с двумя металлическими пластинами 52 скрепляются четырьмя болтами 53, восемью упорными шайбами 54, восемью шайбами 55 и четырьмя гайками 56.
Прижимные плиты 1, 33, входные штуцера 44 для подачи разделяемого раствора (концентрата), входные штуцера 45 для подачи разделяемого раствора (дилюата), выходные штуцера 46 для вывода разделяемого раствора (концентрата), выходные штуцера 47 для вывода разделяемого раствора (дилюата), входной 48 и выходной 49 штуцеры для подачи и вывода раствора для омывания электрода (катода) 6, входной 50 и выходной 51 штуцерами для подачи и вывода раствора для омывания электрода (анода) 38 могут быть изготовлены из полиэтилена низкого давления, капролона ПА-6, фторопласта Ф-4.
В качестве катионообменных мембран 17 могут быть использованы мембраны марок МК-40, МК-40Л, МК-41ИЛ, MФ-4СК, Nafion-117, Ralex CM, а в качестве анионообменных 25 – мембраны марок МА-40, МА-41, МА-41И, PC Acid, Ralex AM. Материалом для прокладок-спейсеров 13, 21 и 29 служит силиконовая резина.
Два электрода 6 (катод) и 38 (анод) изготавливаются из нержавеющей стали и платинированного титана соответственно.
Охлаждающие трубки 8 и спиральные направляющие 57 внутри них могут быть изготовлены из силикона или фторопласта-4, а в качестве охлаждающей воды используется водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С.
Металлические пластины 52 могут изготовляться из стали марок 3, 15, 30, 45. Болты 53, упорные шайбы 54, шайбы 55 и гайки 56 являются стандартизированными изделиями и изготавливаются по действующим ГОСТам.
Работа электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением (фиг. 1-3) осуществляется следующим образом. Раздельными потоками через четыре штуцера 44 и четыре канала 2 (фиг. 4, 5) для подачи разделяемого раствора (концентрата) в прижимной плите 1 электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением и через четыре штуцера 45 и четыре канала 3 (фиг. 4, 5) для подачи разделяемого раствора (дилюата) в прижимной плите 1 электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением к пакетам чередующихся ионообменных мембран и прокладок-спейсеров поступают разделяемый раствор (концентрат) и разделяемого раствора (дилюат) соответственно (фиг. 4, 6).
Далее поток разделяемого раствора (концентрата) через четыре отверстия 14 (фиг. 7)  в прокладках-спейсерах 13, четыре отверстия 18 в катионообменных мембранах 17, четыре отверстия 22 в прокладках-спейсерах 21, четыре отверстия 26 в анионообменных мембранах 25 и четыре отверстия-впадины 30 в прокладках-спейсерах 29 подается к прижимной плите 33 (фиг. 4, 8)  электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением, через четыре выходные канала 34 для вывода разделяемого раствора (концентрата) которой и через четыре выходных штуцера 46 для вывода разделяемого раствора (концентрата) он выводится из электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением для повторной его подачи по этому же пути. При этом часть разделяемого раствора (концентрата) через отверстия-впадины 30 (фиг. 7) прокладки-спейсера 29 попадают в межмембранное пространство, образованное за счет этой прокладки-спейсера 29, куда под действием электрического поля, наложенного с помощью внешнего источника электрического тока через два электрода (катод) 6 и (анод) 38, в ходе электролитической диссоциации компонентов разделяемого раствора из соседних межмембранных пространств поступают катионы и анионы через катионообменные 17 и анионообменные 25 мембраны, образуя тем самым концентрированный поток веществ, из которых состоит разделяемый раствор.
Движение потока разделяемого раствора (дилюата) аналогично движению потока разделяемого раствора (концентрата), но имеет ряд отличий. Так из четырех каналов 3 (фиг. 4, 5) для подачи разделяемого раствора (дилюата) в прижимной плите 1 электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением он через четыре отверстия 15 (фиг. 7)  в прокладках-спейсерах 13, четыре отверстия 19 в катионообменных мембранах 17, четыре отверстия-впадины 23 в прокладках-спейсерах 21, четыре отверстия 27 в анионообменных мембранах 25 и четыре отверстия 31 в прокладках-спейсерах 29 подается к прижимной плите 33 электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением, через четыре выходные канала 35 для вывода разделяемого раствора (дилюата) которой и через четыре выходных штуцера 47 для вывода разделяемого раствора (дилюата) он выводится из электродиализатора с улучшенной производительностью и охлаждением для повторной его подачи по этому же пути. При этом часть разделяемого раствора (дилюата) через отверстия-впадины 23 (фиг. 7)  прокладок-спейсеров 21 попадают в межмембранное пространство, образованное за счет этой прокладки-спейсера 21, откуда под действием электрического поля, наложенного с помощью внешнего источника электрического тока через два электрода (катод) 6 и (анод) 38, в ходе электролитической диссоциации компонентов разделяемого раствора удаляются катионы и анионы через катионообменные 17 и анионообменные 25 мембраны в соседние межмембранные пространства, образуя тем самым обессоленный либо обедненный солями поток жидкости.
Параллельно этим двум потокам через входной 48 и выходной 49 штуцеры (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) и через входной 50 и выходной 51 штуцеры (фиг. 2, 3, 4, 8) в электродиализатор с улучшенной производительностью и охлаждением поступают и выводятся растворы для омывания электрода (катода) 6 и электрода (анода) 38, католит и анолит соответственно, которые образуются за счет миграции катионов и анионов через крайние катионообменную 17 и анионообменную 25 мембраны к электроду (катоду) 6 и электроду (аноду) 38 соответственно.
Охлаждение всех движущихся потоков жидкости в электродиализаторе с улучшенной производительностью и охлаждением происходит непосредственно внутри него за счет проложенных двенадцати охлаждающих трубок 8 со спиральными направляющими 57 (фиг. 1, 2, 4, 9) с проточной водой сквозь всю конструкцию через двенадцать отверстий 7 в прижимной плите 1, двенадцать отверстий 16 (фиг. 7) для охлаждающих трубок 8 в каждой прокладке-спейсере 13, двенадцать отверстий 20 для охлаждающих трубок 8 в каждой катионообменной мембране 17, двенадцать отверстий 24 для охлаждающих трубок 8 в каждой прокладке-спейсере 21, двенадцать отверстий 28 для охлаждающих трубок 8 в каждой анионообменной мембране 25, двенадцать отверстий 32 для охлаждающих трубок 8 в каждой прокладке-спейсере 29 и двенадцать отверстий 39 для охлаждающих трубок 8 в прижимной плите 33.
Герметичность межмембранных каналов обеспечивается выполнением соединения двенадцати охлаждающих трубок 8 с катионообменными мембранами 17 (фиг. 7)  через двенадцать отверстий 20 для охлаждающих трубок 8 в каждой и с анионообменными мембранами 25 через двенадцать отверстий 28 для охлаждающих трубок 8 в каждой в виде соединения с натягом. Отверстия 16 для охлаждающих трубок 8 в прокладках-спейсерах 13, отверстия 24 для охлаждающих трубок 8 в прокладках-спейсерах 21 и отверстия 32 для охлаждающих трубок 8 в прокладках-спейсерах 29 соединения с натягом с охлаждающими трубками 8 не требуют.
Двенадцать отверстий 7, 39, 16, 24, 32, 20 и 28 (фиг. 4, 7) под охлаждающие трубки 8 со спиральными направляющими 57 (фиг. 9) с проточной водой в обеих прижимных плитах 1 и 33, во всех прокладках-спейсерах 13, 21 и 29, катионообменных 17  и анионообменных 25 мембранах соответственно выполнены таким образом, что центры восьми из них распределены по кругу радиусом 75 мм от центра каждых прижимных плит, прокладок-спейсеров, катионообменных и анионообменных мембран и под углом 45 градусов относительно друг друга, а центры оставшихся четырех отверстий образуют равносторонний ромб с диагоналями длиной 30 мм, пересечение которых так же лежит в центре прижимных плит, прокладок-спейсеров, катионообменных и анионообменных мембран. При этом герметичность межмембранных каналов обеспечивается выполнением соединения двенадцати охлаждающих трубок с катионообменными и анионообменными мембранами в виде соединения с натягом.
Добавление спиральных направляющих 57 в охлаждающие трубки 8 (фиг. 1, 2, 4, 9) позволит обеспечить высокую охлаждающую способность для разделяемого раствора и снизить температурную нагрузку на мембраны 17 и 25 (фиг. 5, 7), что, например, в молочном производстве позволит устранить негативный эффект нагревания молока или сыворотки при наложении электрического тока.
За счет уменьшения толщины прижимных плит 1 и 33 (фиг. 3, 4, 5, 8) и соосного расположения штуцеров 44, 45, 46 и 47 (фиг. 5, 8) достигнуто увеличение полезной площади и производительности разделения раствора, упрощена конструкции аппарата и снижена масса заготовки для изготовления отдельных элементов, например, прижимных плит 1 и 33.
Сравнительные характеристики предлагаемой конструкции и прототипа представлены в таблице ниже.
Таблица. Сравнительные характеристики
<b>Параметр</b>
<b>Данная </b><b>конструкция</b>
<b>Прототип</b>
Габариты, см
22,6х22,6х18,9
22,6х22,6х19
Ширина одной прижимной плиты, см
30
50
Общая ширина пакета мембран и прокладок, см
70
31
Количество катионообменных мембран, шт.
23
10
Количество анионообменных мембран, шт.
23
10
Общая активная площадькатионообменных мембран, см<sup>2</sup>
2012,5
875
Общая активная площадьанионообменных мембран, см<sup>2</sup>
2012,5
875
Количество камер обессоливания, шт.
23
10
Количество камер концентрирования, шт.
22
9
Общий объем камер обессоливания, см<sup>3</sup>
201,25
87,5
Общий объем камер концентрирования, см<sup>3</sup>
192,5
78,75
Масса, кг
до 5
до 7