ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫЙ АППАРАТ РУЛОННОГО ТИПА
SPIRAL-WOUND ELECTRIC BAROMEMBRANE DEVICE

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов рулонного типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации.
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 2326721 С2, 31.07.2006, МПК B01D 61/42. Прототип состоит из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, перфорированной трубки, служащей для подвода исходного раствора, обратноосмотической мембраны, монополярных электродов-турбулизаторов анода и катода, выполненных из графитовой ткани, подложек мембран, устройства для подвода электрического тока, коллекторов отвода ретентата. Недостатком аппарата является малая площадь разделения растворов в единице объема аппарата, невозможность охлаждения электродов катода и анода в результате подвода внешнего постоянного электрического поля, низкая эффективность разделения растворов, в особенности при выделении ценных веществ из многокомпонентных растворов природных и сточных вод.
Технический результат выражается повышением качества и эффективности разделения растворов, увеличении площади мембран в единице объема аппарата и улучшении охлаждения электродов катода и анода, за счет изменения конструкции аппарата: перфорированная трубка выполнена с перфорацией двумя прямоугольными щелями, совпадающими друг относительно друга на всю ширину непористой пленки от одной до другой внутренней части торцевых поверхностей перфорированной трубки, которая опирается на диэлектрические пластины с перфорированными отверстиями в пять рядов по всей длине приклеенных по всему периметру к внутренней части перфорированной трубки, а расстояние между диэлектрическими пластинами с перфорированными отверстиями в пять рядов по всей длине составляет такое же расстояние, которое имеет высота прямоугольной щели перфорированной трубки, герметично уложенная непористая пленка имеет перфорированные отверстия в пять рядов по всей длине совпадающих с перфорированными отверстиями в пять рядов по всей длине на диэлектрических пластинах, и она расположена по обе стороны от сетки-турбулизатора, между которыми с одной стороны находится прикатодная мембрана и прикатодная дренажная сетка, а с другой стороны - прианодная мембрана и прианодная дренажная сетка, которые создают межмембранный канал, торцевые поверхности элементов сетки-турбулизатора и расположенные с обеих сторон от нее прикатодной мембраны, прикатодной дренажной сетки и непористой пленки и прианодной мембраны, прианодной дренажной сетки и непористой пленки залиты клеевой композицией, а на торцевых поверхностях перфорированной трубки с одной и другой стороны под углом π/2 и - π/2 от горизонтальной оси имеются отверстия с штуцерами отвода прианодного и прикатодного пермеата, и расположенными на расстоянии 0,025 м от края кромки торцевой поверхности перфорированной трубки, а также на торцевых поверхностях перфорированной трубки с одной и другой стороны под углом -π/2 и π/2 от горизонтальной оси имеются полимерные заливки с электрическими проводами расположенные на расстоянии 0,025 м от края кромки торцевой поверхности перфорированной трубки, которые присоединены с одной стороны через отверстия в диэлектрических пластинах и отверстия в непористой пленке перфорированных отверстий в пять рядов по всей длине, с прикатодной и прианодной дренажной сеткой, а с другой стороны с клеммами устройства для подвода электрического тока, коллекторы подачи исходного раствора и отвода ретентата образованы пространством между полуцилиндрами корпуса аппарата, и корпусом аппарата в котором имеются проточки прямоугольной формы, при этом на торцевой поверхности первого полуцилиндра корпуса аппарата с одной его стороны под углом -π/2 от горизонтальной оси имеется центральное отверстие, в которой на резьбе вмонтирован штуцер подачи исходного раствора, и с этой же стороны торцевой поверхности второго полуцилиндра корпуса аппарата под углом π/2 от горизонтальной оси имеется центральное отверстие, в которой на резьбе вмонтирован штуцер отвода ретентата, а на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,05 м от края кромки корпуса аппарата, коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата образованы пространством между диэлектрическими пластинами с перфорированными отверстиями в пять рядов по всей длине и внутренней поверхностью перфорированной трубки, в которой расположены электрические провода, сетка-турбулизатор выполнена гофрированной формой вместе с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами, прикатодной, прианодной дренажными сетками и непористыми пленками на всем участке от коллектора подачи исходного раствора до перфорированной трубки и от перфорированной трубки до коллектора отвода ретентата, и сетка-турбулизатор вместе с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами, прикатодной, прианодной дренажными сетками и непористыми пленками не гофрированы на участке, расположенном внутри перфорированной трубки с перфорацией двумя прямоугольными щелями, поверхность которых приклеена вместе с непористой пленкой по всему периметру, а две сетки-турбилизатора охлаждающей воды расположены между непористыми пленками, корпусом аппарата и перфорированной трубкой, которые по форме также являются гофрированными, и все вместе с сеткой-турбулизатором с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами, прикатодной, прианодной дренажными сетками и непористыми пленками обернуты вокруг перфорированной трубки, а в местах соединения с корпусом аппарата, в котором имеются проточки прямоугольной формы, непористые пленки приклеены вокруг проточек прямоугольной формы по всему периметру со стороны коллекторов подачи исходного раствора и отвода ретентата.
На фиг.1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; фиг.2 - вид А слева; фиг.3 - вид Б справа; фиг.4 - сечение В-В на фиг.1; фиг.5 - вид Г увеличенный на фиг.4; фиг.6 - вид Д увеличенный, на фиг.4.
Электробаромембранный аппарат рулонного типа состоит из перфорированной трубки 2, выполненной с перфорацией двумя прямоугольными щелями, совпадающими друг относительно друга на всю ширину непористой пленки 32 от одной до другой внутренней части торцевых поверхностей перфорированной трубки 2, которая опирается на диэлектрические пластины 21 с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине приклеенных по всему периметру к внутренней части перфорированной трубки 2, а расстояние между диэлектрическими пластинами 21 с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине составляет такое же расстояние, которое имеет высота прямоугольной щели перфорированной трубки 2, герметично уложенная непористая пленка 32 имеет перфорированные отверстия 23 в пять рядов по всей длине совпадающих с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине на диэлектрических пластинах 21, и она расположена по обе стороны от сетки-турбулизатора 5, между которыми с одной стороны находится прикатодная мембрана 4 и прикатодная дренажная сетка 27, а с другой стороны прианодная мембрана 3 и прианодная дренажная сетка 28, которые создают межмембранный канал, торцевые поверхности элементов сетки-турбулизатора 5 и расположенные с обеих сторон от нее прикатодной мембраны 4, прикатодной дренажной сетки 27 и непористой пленки 32 и прианодной мембраны 3, прианодной дренажной сетки 28 и непористой пленки 32 залиты клеевой композицией 17, а на торцевых поверхностях перфорированной трубки 2 с одной и другой стороны под углом π/2 и - π/2 от горизонтальной оси имеются отверстия 25 и 24 с штуцерами отвода прианодного и прикатодного пермеата 11 и 12 расположенными на расстоянии 0,025 м от края кромки торцевой поверхности перфорированной трубки 2, а также на торцевых поверхностях перфорированной трубки 2 с одной и другой стороны под углом - π/2 и π/2 от горизонтальной оси имеются полимерные заливки 31 с электрическими проводами 20, расположенные на расстоянии 0,025 м от края кромки торцевой поверхности перфорированной трубки 2, которые присоединены с одной стороны через отверстия 22 в диэлектрических пластинах 21 и отверстия 23 в непористой пленке 32 перфорированных отверстиями в пять рядов по всей длине, с прикатодной и прианодной дренажной сеткой 27 и 28, а с другой стороны с клеммами устройства для подвода электрического тока 6, коллекторы подачи исходного раствора и отвода ретентата 36 и 35 образованы пространством между полуцилиндрами корпуса аппарата 19 и 18 и корпусом аппарата 1, в котором имеются проточки прямоугольной формы 30 и 29, при этом на торцевой поверхности первого полуцилиндра корпуса аппарата 19 с одной его стороны под углом -π/2 от горизонтальной оси имеется центральное отверстие 8, в которой на резьбе вмонтирован штуцер подачи исходного раствора 7, и с этой же стороны торцевой поверхности второго полуцилиндра корпуса аппарата 18 под углом π/2 от горизонтальной оси имеется центральное отверстие 9, в которой на резьбе вмонтирован штуцер отвода ретентата 10, а на торцевых поверхностях корпуса аппарата 1 с одной и другой сторон имеются отверстия с резьбой 16 и 14, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 15 и 13, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,05 м от края кромки корпуса аппарата 1, коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата 33 и 34 образованы пространством между диэлектрическими пластинами 21 с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине и внутренней поверхностью перфорированной трубки 2, в которой расположены электрические провода 20, сетка-турбулизатор 5 выполнена гофрированной формой вместе с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32 на всем участке от коллектора подачи исходного раствора 36 до перфорированной трубки 2 и от перфорированной трубки 2 до коллектора отвода ретентата 35, и сетка-турбулизатор 5 вместе с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32 не гофрированы на участке, расположенном внутри перфорированной трубки 2 с перфорацией двумя прямоугольными щелями, поверхность которых приклеена вместе с непористой пленкой 32 по всему периметру, а две сетки-турбилизатора охлаждающей воды 26 расположены между непористыми пленками 32, корпусом аппарата 1 и перфорированной трубкой 2, которые по форме также являются гофрированными и все вместе с сеткой-турбулизатором 5 с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32 обернуты вокруг перфорированной трубки 2, а в местах соединения с корпусом аппарата 1, в котором имеются проточки прямоугольной формы 30 и 29, непористые пленки 32 приклеены вокруг проточек прямоугольной формы по всему периметру со стороны коллекторов подачи исходного раствора и отвода ретентата 36 и 35
Корпус аппарата 1, перфорированная трубка 2, полуцилиндры корпуса аппарата 19 и 18, диэлектрические пластины 21, штуцер отвода ретентата 10, штуцер подачи исходного раствора 7, штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 15 и 13, штуцерами отвода прианодного и прикатодного пермеата 11 и 12 могут быть изготовлены из капролона, текстолита ПТК.
Непористая пленка 32 может быть изготовлена из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности.
Прикатодная и прианодная дренажные сетки 27 и 28 являются монополярными электродами катодом и анодом соответственно и могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум».
Прикатодная и прианодная мембраны 4 и 3 могут быть изготовлены в виде ленты из мембран типа МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, 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.
Сетка-турбилизатор охлаждающей воды 26 и сетка-турбулизатор 5 могут быть изготовлены из пластмассы или углепластика, которые обеспечивают необходимую скорость движения и турбулизацию раствора и охлаждающей воды.
Полимерная заливка 31 может изготавливаться из углепластика, пластмассы, эпоксидной смолы.
Клеевая композиция 17 может быть выполнена из влагостойкого клея «Момент», эпоксидной смолы.
В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная вода с температурой от 5 до 15°C.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, подается через штуцер подачи исходного раствора 7, фиг.1, 3, который вмонтирован на резьбе в центральное отверстие 8, торцевой поверхности первого полуцилиндра корпуса аппарата 19 с одной его стороны под углом -π/2 от горизонтальной оси и попадает в коллектор подачи исходного раствора 36, фиг.1, образованный пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 19 и корпусом аппарата 1, в котором имеется проточка прямоугольной формы 30, в которой также проходит исходный раствор и попадает в межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор 5 выполненной гофрированной формой вместе с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, фиг.1, 4, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32 на всем участке от коллектора подачи исходного раствора 36 до перфорированной трубки 2 и от перфорированной трубки 2 до коллектора отвода ретентата 35, раствор протекает последовательно по всему межмембранному каналу и через проточку прямоугольной формы 29, имеющейся на корпусе аппарата 1, попадает в коллектор отвода ретентата 35, который образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 18 и корпусом аппарата 1, далее раствор проходит через центральное отверстие 9, фиг.1, 3, торцевой поверхности второго полуцилиндра корпуса аппарата 18, расположенной под углом π/2 от горизонтальной оси, в которой на резьбе вмонтирован штуцер отвода ретентата 10, и выводится из аппарата. Сетка-турбулизатор 5 вместе с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32, фиг.4 не гофрированы на участке расположенном внутри перфорированной трубки 2 с перфорацией двумя прямоугольными щелями, поверхность которых приклеена вместе с непористыми пленками 32 по всему периметру, а раствор также протекает в том же межмембранном канале.
В этот же момент времени к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока путем подключения клемм устройства для подвода электрического тока 6, фиг.1, через электрические провода 20 проходящих через полимерные заливки 31, расположенные на торцевых поверхностях перфорированной трубки 2 с одной и другой стороны под углом - π/2 и π/2 от горизонтальной оси и расположенные на расстоянии 0,025 м от края кромки торцевой поверхности перфорированной трубки 2, которые присоединены через отверстия 22 в диэлектрических пластинах 21 и отверстия 23 в непористой пленке 32 перфорированных отверстиями в пять рядов по всей длине, с прикатодной и прианодной дренажной сеткой 27 и 28.
Раствор, проходя межмембранный канал от коллектора подачи исходного раствора 36, фиг.1, 4, до коллектора отвода ретентата 35, двигаясь, турбулизируется с помощью сетки-турбулизатора 5, и поступает к прикатодным и прианодным мембранам 4 и 3.
В межмембранном канале фиг.5, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 4 и 3, попадают в пространство между непористыми пленками 32 и прикатодными, прианодными мембранами 4 и 3, где расположены прикатодные и прианодные дренажные сетки 27 и 28, которые являются каналами для прикатодного и прианодного пермеата соответсвенно. Далее прикатодный и прианодный пермеат фиг.4, 6, двигаясь самотеком по всем канал для прикатодного и прианодного пермеата, раздельно для каждого случая через перфорированные отверстия 23 в пять рядов по всей длине герметично уложенной непористой пленки 32 совпадающих с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине на диэлектрических пластинах 21 попадают в коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата 33 и 34 соответственно, которые образованы пространством между диэлектрическими пластинами 21 с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине и внутренней поверхностью перфорированной трубки 2, в которой расположены электрические провода 20. Далее прикатодный и прианодный пермеат, фиг.1, выводятся через отверстия 24 и 25, в которые вкручены на резьбе штуцера отвода прикатодного и прианодного пермеата 12 и 11 имеющиеся на торцевых поверхностях перфорированной трубки 2 с одной и другой стороны под углом - π/2 и π/2 от горизонтальной оси, расположенные на расстоянии 0,025 м от края кромки торцевой поверхности перфорированной трубки 2, в виде оснований и кислот и выделившихся различных газов в результате электрохимических реакций.
Одновременно с подачей исходного раствора, через отверстие с резьбой 14 с одной стороны торцевой поверхности корпуса аппарата 1 и вкрученный в нее штуцер для ввода охлаждающей воды 13, расположенный под углом -π/2 от горизонтальной оси и находящийся на расстоянии 0,05 м от края кромки корпуса аппарата 1, заполняется коллектор для протекания охлаждающей воды, фиг.1, 4, в котором находятся две сетки-турбилизатора охлаждающей воды 26, расположенные между непористыми пленками 32, корпусом аппарата 1 и перфорированной трубкой 2, которые по форме также являются гофрированными и все вместе с сеткой-турбулизатором 5 с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32, обернутыми вокруг перфорированной трубки 2. Далее охлаждающая вода выводится через отверстие с резьбой 16, фиг.1, 2 с другой стороны торцевой поверхности корпуса аппарата 1 и вкрученный в нее штуцер для вывода охлаждающей воды 15, расположенный под углом π/2 от горизонтальной оси и находящийся на расстоянии 0,05 м от края кромки корпуса аппарата 1.
Исходный раствор, протекая по всему межмембранному каналу от коллектора подачи исходного раствора 36, фиг.1, 4, до коллектора отвода ретентата 35 последовательно, очищается от катионов и анионов.
Под повышением качества и эффективности разделения растворов, увеличении площади мембран в единице объема аппарата и улучшении охлаждения электродов катода и анода, соответсвенно прикатодной дренажной сетки 27 и прианодной дренажной сетки 28 понимается возможность при данном конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа фиг.1, 4, совместить электробаромембранное разделение растворов с процессом интенсивного охлаждения электродов (прикатодных и прианодных дренажных сеток) за счет наличия в аппарате коллектора для протекания охлаждающей воды, в котором находятся две сетки-турбилизатора охлаждающей воды 26, фиг.4, расположенные между непористыми пленками 32, корпусом аппарата 1 и перфорированной трубкой 2, которые по форме также являются гофрированными и все вместе с сеткой-турбулизатором 5 с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32 обернутыми вокруг перфорированной трубки 2. Исполнение сетки-турбулизатора 5, фиг.4, гофрированной формы с уложенными с обеих сторон от нее прикатодной, прианодной мембранами 4 и 3, прикатодной, прианодной дренажными сетками 27 и 28 и непористыми пленками 32 на всем участке от коллектора подачи исходного раствора 36 до перфорированной трубки 2 и от перфорированной трубки 2 до коллектора отвода ретентата 35, позволит увеличить площадь мембран в единице объема аппарата для разделения растворов.
Площадь мембран с гофрированными элементами в единице объема аппарата рассчитывается по формуле:
ед. аппарата с гофр. элем.
S=n·k·(π·d/2)·b+2·(h·b),
где n - количество гофр мембраны;
k - количество мембран, уложенных с обоих сторон сетки-турбулизатора на всем участке от коллектора подачи исходного раствора до перфорированной трубки и от перфорированной трубки до коллектора отвода ретентата;
(d/2) - радиус одной гофры мембраны;
b - ширина мембраны;
h - длина мембраны проходящей внутри перфорированной трубки.
Площадь мембран с гладкими элементами в единице объема аппарата рассчитывается по формуле:
ед. аппарата с гладк. элем.
S=k·(b·1)+2·(h·b),
где 1 - длина мембраны.
Таблица 1
Площадь мембран в единице объема аппарата
Элемент
1, м
d, м
n
k
b, м
h, м
S, м<sup>2</sup>
гофрированный
-
0,02
75
4
0,4
0,065
3,82
гладкий
1,5
-
-
4
0,4
0,065
2,45
Необходимость охлаждения прикатодных и прианодных дренажных сеток 27 и 28 заключается в том, что раствор, прокачиваемый над поверхностью прикатодных и прианодных мембран 4 и 3 и прошедший через их поры в виде прикатодного и прианодного пермеата с температурой от 20 до 40°C и попадающие в пространство между непористыми пленками 32 и прикатодными, прианодными мембранами 4 и 3, где расположены прикатодные и прианодные дренажные сетки 27 и 28, которые являются каналами для прикатодного и прианодного пермеата соответсвенно, охлаждаются через теплопередающую стенку, которой является непористая пленка 32, при помощи охлаждающей воды с температурой от 5 до 15°C, фиг.4, при интенсивном перемешивании из-за изготовления двух сеток-турбилизаторов охлаждающей воды 26 гофрированнными.
Под герметично уложенными непористыми пленками 32, фиг.1, 4, с перфорированными отверстиями 23 в пять рядов по всей длине совпадающих с перфорированными отверстиями 22 в пять рядов по всей длине на диэлектрических пластинах 21 понимается возможность приклейки данного места непористой пленки 32 по всей длине к диэлектрической пластине 21 с совпадающими в них отверстиями, причем непористые пленки 32 также приклеены по всему периметру перфорированной трубки 2 в местах перфорации прямоугольными щелями и в местах соединения с корпусом аппарата 1, в котором имеются проточки прямоугольной формы 30 и 29, непористые пленки 32 приклеены также по всему периметру со стороны коллекторов подачи исходного раствора и отвода ретентата 36 и 35 вокруг проточек прямоугольной формы, что позволит предотвратить попадание охлаждающей воды в коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата 33 и 34.
Перфорированная трубка 2, фиг.4, выполненная с перфорацией двумя прямоугольными щелями, совпадающими друг относительно друга на всю ширину непористой пленки 32 от одной до другой внутренней части торцевых поверхностей перфорированной трубки 2, данная перфорация позволит пропустит сквозь две прямоугольные щели, совпадающие друг относительно друга на всю ширину непористой пленки 32 от одной до другой внутренней части торцевых поверхностей перфорированной трубки 2, весь мембранный пакет, образованный двумя непористыми пленками 32, прикатодными, прианодными дренажными сетками 27 и 28, прикатодными, прианодными мембранами 4 и 3, между которыми находится сетка-турбулизатор 5.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баро-мембранные процессы, например ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос.