Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа
FLAT CHAMBER ELECTROBAROMEMBRANE DEVICE

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, машиностроительной, пищевой, автомобилестроительной промышленности, аграрном секторе и т. п.
Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Обратный осмос и ультрафильтрация». М.: Химия, 1978 стр. 111, 197-200. Он представляет собой однокамерный аппарат, состоящий из пористого анода и катода, прианодной и прикатодной мембран. Недостатками являются: малая площадь разделения при высоких энергозатратах на процесс разделения. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2718402 C1, 02.04.2020 Бюл. № 10. Известный аппарат состоит из двух фланцев, каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, диэлектрических камер корпуса, дренажных сеток, монополярно-пористых пластин электрода-катода и электрода-анода, пористых подложек из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, соответственно до внешнего периметра, прокладок, по внутреннему периметру которых расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладок вставлены концы сеток-турбулизаторов, представляющих собой набор переплетенных под углом 90° в одной плоскости нарезок катионообменных и анионообменных мембран, внутренние поверхности диэлектрических фланцев корпуса снабжены уложенными последовательно друг на друга дренажными сетками, монополярно-пористыми пластинами электродом-катодом, пористыми подложками из ватмана, прикатодными мембранами соответственно, на диэлектрических камерах корпуса имеются отверстия для подвода электрических проводов, залитые полимерным компаундом от отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, соединенные с дренажными сетками, на диэлектрических фланцах корпуса имеется отверстие для подвода электрического провода от отрицательной клеммы устройства для подвода постоянного электрического тока к дренажной сетке и канал для отвода прикатодного пермеата с диэлектрической сеткой по всей площади, расположенные в тех же местах, что и на диэлектрических камерах корпуса, на которых расположены каналы для отвода прикатодного и прианодного пермеата и отверстия для подвода электрических проводов в зависимости от схемы подключения электродов «минус» или «плюс», диэлектрические камеры корпуса выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью по другую, под малые прикатодные и прианодные мембраны на уплотнительной поверхности диэлектрических камер корпуса имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран соответственно, в месте установки дренажной сетки с двух противоположных ее концов по плоской поверхности установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористые пластины электрод-анод и малый электрод-анод соответственно, пористая подложка из ватмана и малая пористая прикатодная подложка из ватмана, пористая подложка из ватмана и малая пористая прианодная подложка из ватмана соответственно, прикатодная мембрана и малая прикатодная мембрана, прианодная мембрана и малая прианодная мембрана соответственно, диэлектрические камеры корпуса имеют переточные каналы соединяющие камеры разделения и малые камеры разделения соответственно, в прокладках выполнены вертикальные цилиндрические отверстия, а в диэлектрических камерах корпуса выполнены горизонтальные цилиндрические отверстия, переточный канал соединен с вертикальным цилиндрическим отверстием в прокладке и с горизонтальным цилиндрическим отверстием в диэлектрических камерах корпуса, между которыми размещены прокладки с отверстиями под переточной канал, на диэлектрических камерах корпуса имеются установленные на задней и передней стенке камерный штуцер ввода исходного раствора и вывода ретентата, которые размещены на расстоянии 30 и 90 мм соответственно от основания аппарата по центральной вертикальной оси, малая камера разделения имеет высоту, равную высоте прикатодной, прианодной мембран, а шириной равной ширине малой прикатодной, прианодной мембран.
Недостатками являются: высокое гидравлическое сопротивление в каналах для отвода прикатодного, прианодного пермеата, низкая унификация узлов и элементов аппарата, сложность изготовления и замены элементов аппарата.
Технический результат выражается снижением гидравлического сопротивления в каналах для отвода прикатодного, прианодного пермеата соответственно, повышение унификации узлов и элементов аппарата, уменьшение степени сложности изготовления и замены элементов аппарата за счет того, что аппарат состоит из двух фланцев, каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, диэлектрических камер корпуса, дренажных сеток, монополярно-пористых пластин электрода-катода и электрода-анода, пористых подложек из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, соответственно до внешнего периметра, прокладок, по внутреннему периметру которых расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладок вставлены концы сеток-турбулизаторов, представляющих собой набор переплетенных под углом девяносто градусов в одной плоскости нарезок катионообменных и анионообменных мембран, внутренние поверхности диэлектрических фланцев корпуса снабжены уложенными последовательно друг на друга дренажными сетками, монополярно-пористыми пластинами электродом-катодом, пористыми подложками из ватмана, прикатодными мембранами соответственно, на диэлектрических камерах корпуса имеются отверстия для подвода электрических проводов, залитые полимерным компаундом от отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, соединенные с дренажными сетками, на диэлектрических фланцах корпуса имеется отверстие для подвода электрического провода от отрицательной клеммы устройства для подвода постоянного электрического тока к дренажной сетке и канал для отвода прикатодного пермеата с диэлектрической сеткой по всей площади, расположенные в тех же местах, что и на диэлектрических камерах корпуса, на которых расположены каналы для отвода прикатодного и прианодного пермеата и отверстия для подвода электрических проводов в зависимости от схемы подключения электродов «минус» или «плюс», диэлектрические камеры корпуса выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью по другую, под малые прикатодные и прианодные мембраны на уплотнительной поверхности диэлектрических камер корпуса имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран соответственно, в месте установки дренажной сетки с двух противоположных ее концов по плоской поверхности установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористые пластины электрод-анод и малый электрод-анод соответственно, пористая подложка из ватмана и малая пористая прикатодная подложка из ватмана, пористая подложка из ватмана и малая пористая прианодная подложка из ватмана соответственно, прикатодная мембрана и малая прикатодная мембрана, прианодная мембрана и малая прианодная мембрана соответственно, диэлектрические камеры корпуса имеют переточные каналы соединяющие камеры разделения и малые камеры разделения соответственно, в прокладках выполнены вертикальные цилиндрические отверстия, а в диэлектрических камерах корпуса выполнены горизонтальные цилиндрические отверстия, переточный канал соединен с вертикальным цилиндрическим отверстием в прокладке и с горизонтальным цилиндрическим отверстием в диэлектрических камерах корпуса, между которыми размещены прокладки с отверстиями под переточной канал, на диэлектрических камерах корпуса имеются установленные на задней и передней стенке камерный штуцер ввода исходного раствора и вывода ретентата, которые размещены на расстоянии 30 и 90 мм соответственно от основания аппарата по центральной вертикальной оси, малая камера разделения имеет высоту, равную высоте прикатодной, прианодной мембран, а шириной равной ширине малой прикатодной, прианодной мембран, отличающийся тем, что все узлы сетки-турбулизатора 20, в местах касания катионообменных и анионообменных мембран, имеют скрутки на угол сто восемьдесят градусов, соседние диэлектрические камеры корпуса 16 и фланцы 9 с камерами корпуса 16 соединены между собой по гладкой уплотнительной поверхности, штуцера, каналы для отвода прикатодного и прианодного пермеата 32, 14 и 33, 15 соответственно расположены на диэлектрических камерах 16, фланцах корпуса аппарата 9 и направлены в противоположные стороны относительно друг друга.
На фиг. 1 изображен электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, продольный разрез; фиг. 2 - вид слева; фиг. 3 - вид сверху; фиг. 4 - вид А (2:1), схема разделения в межмембранном канале основной (большой) камеры разделения на фиг. 1; фиг. 5 - вид Б (2:1), схема разделения в межмембранном канале вспомогательной (малой) камеры разделения на фиг. 1; фиг. 6 - вид В увеличенный повернутый, пространственная модель межмембранного канала на фиг. 4; фиг. 7 - разрез Г-Г вспомогательной (малой) камеры разделения на фиг. 2; фиг. 8 - разрез Д-Д основной (большой) камеры разделения на фиг. 2.
Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа состоит из двух фланцев 9, каналов ввода, вывода разделяемого раствора 24, 6 и отвода прикатодного, прианодного пермеата 33, 15, штуцеров ввода, вывода разделяемого раствора 23, 5, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата 32, 14, устройства для подвода постоянного электрического тока 8, диэлектрических камер корпуса 16, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов 11, прикатодных, прианодных дренажных сеток 28, 37, монополярно-пористых пластин электрода-катода, электрода-анода 27, 38, малых монополярно-пористых пластин электрод-катод, электрод-анод 29, 36, прикатодной, прианодной пористых подложек из ватмана 26, 39, малой прикатодной, прианодной пористых подложек из ватмана 30, 35 прикатодных, прианодных мембран 25, 40, малой прикатодной, прианодной мембран 31, 34, металлических пластин 1, болтов 2, шайб 3 и гаек 4, переточных каналов 13 и 19, соединяющих основные (большие) камеры разделения 21 и вспомогательные (малые) камеры разделения 22 соответственно, полимерной композиции 7, камерных штуцеров ввода разделяемого раствора и вывода ретентата 41, 42, полимерного компаунда 10, прокладок 12, прокладок 18 с отверстиями под переточной канал 13, малых прокладок 17 прямоугольной формы, уплотняющих периметр малой прикатодной и прианодной мембран 31, 34 соответственно, горизонтальных и вертикальных цилиндрических отверстий 43, 44, сетки-турбулизатора 20, все узлы которой, в местах касания катионообменных и анионообменных мембран, имеют скрутки на угол сто восемьдесят градусов.
Диэлектрические камеры и фланцы корпуса 16, 9, штуцеры ввода, вывода разделяемого раствора 23, 5, штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 32, 14, камерные штуцеры ввода разделяемого раствора и вывода ретентата 41,42 могут быть изготовлены из капролона.
Монополярно-пористые и малые монополярно-пористые пластины электрод-катод 27, 29, монополярно-пористые и малые монополярно-пористые пластины электрод-анод 38, 36 соответственно могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ.
Сетки-турбулизаторы 20, представляющие собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран марок МК-40, МА-40, МК-40Л, МА-41И, МА-ИЛ, МБ-1, МБ-2, все узлы которых, в местах касания катионообменных и анионообменных мембран, имеют скрутки на угол сто восемьдесят градусов.
Полимерный компаунд и композиция 10, 7 соответственно, изготавливаются из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол, пластмассы или клея холодная сварка.
Прикатодные, прианодные дренажные сетки 28, 37 могут быть изготовлены из материала Х18Н9Т, Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Т1.
Прокладка 12, прокладка 18 с отверстиями под переточной канал 13 и малая прокладка 17 могут быть выполнены из паронита или прокладочной резины.
Металлические пластины 1 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.
+
В качестве прикатодных, прианодных мембран 25, 40 и малых прикатодных, прианодных мембран 31, 34 соответственно, могут применяться изготовленные в виде ленты, полотна мембраны следующих типов МГА-95, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, ESNA, УАМ-150П, УПМ-П, УПМ-ПП, УПМ-50, УПМ-50М, УФМ-100, УФМ-50, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3, ММК, ММПА,МПС, МФФК-Г, ММФ4, ММТ.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 23, расположенный на фланце 9, фиг. 1, 2, 3, подается, минуя полимерную композицию 7 по каналу ввода разделяемого раствора 24, фиг. 1 в первую основную (большую) камеру разделения 21, образованную прикатодной мембраной 25, прокладкой 12 по внутреннему периметру которой расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладки 12 вставлены концы сетки-турбулизатора 20 представляющей собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран соответственно, и прианодной мембраной 40, образуя, таким образом, межмембранный канал в тех местах, где расположена сетка-турбулизатор 20.
В этот же момент времени к диэлектрическим камерам корпуса 16 и фланцам 9, фиг. 1, 2 включением устройства для подвода постоянного электрического тока 8 через электрические провода 11 проходящих в отверстиях, которые залиты полимерным компаундом 10 и соединенных с прикатодными и прианодными дренажными сетками 28, 37, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор, двигаясь, перемешивается при помощи сетки-турбулизатора 20, фиг. 1, 4, 6, 8, и поступает к прикатодной и прианодной мембранам 25, 40 соответственно, фиг. 1, 4, 5, в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс».
Из образовавшейся между прикатодными, прианодными мембранами 25, 40 расположенными на фланце 9 и диэлектрической камере корпуса 16 и прокладкой 12 основной (большой) камеры разделения 21, фиг. 1, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 25, 40, прикатодные и прианодные пористые подложки из ватмана 26, 39, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод 27, 36, прикатодные, прианодные дренажные сетки 28, 37, уложенные последовательно друг на друге, проходят в пространстве между фланцем 9 и монополярно-пористой пластиной электрод-анод 36 в пространстве прианодной дренажной сетки 37 и диэлектрической камерой корпуса 16 и монополярно-пористой пластиной электрод-катод 27 в пространстве прикатодной дренажной сетки 28 соответственно, и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 33, 15 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 32, 14 в виде оснований, кислот и газа в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс».
Оставшиеся в основной (большой) камере разделения 21 анионы и катионы, движущиеся в ядре потока сетки-турбулизатора 20, фиг.1, 4, 8, поступают по вертикальным цилиндрическим отверстиям 44, в прокладках 12 по переточному каналу 13, в следующую (вторую) основную (большую) камеру разделения 21, образованную соединенными между собой диэлектрическими камерами корпуса 16, фиг. 1, 2 и прианодными и прикатодными мембранами 25, 40 соответственно в виде кислот, оснований и газа в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс».
Раствор переходит из первой основной (большой) камеры разделения 21 во вторую основную (большую) камеру разделения 21 и далее по всем основным (большим) камерам разделения 21 по вертикальным цилиндрическим отверстиям 44 в прокладках 12 по переточным каналам 13 диэлектрических камер корпуса 16, всего аппарата фиг. 1, 2, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через прикатодные и прианодные мембраны 25, 40 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 33, 15, отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 32, 14 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс», а ретентат выводится минуя полимерную композицию 7, по каналу вывода разделяемого раствора 6.
Одновременно с подачей исходного раствора под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 23 расположенного на фланце 9, фиг. 1, 2, 3, также подается исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через камерный штуцер ввода разделяемого раствора 41 установленный на передней стенке первой диэлектрической камеры корпуса 16 и поступает во вспомогательную (малую) камеру разделения 22, фиг. 1, 2, 5, 7, где катионы проникают через малые прикатодные мембраны 31, малые прикатодные пористые подложки из ватмана 30, малые монополярно-пористые пластины электрод-катод 29, а анионы проникают через малые прианодные мембраны 34, малые прианодные пористые подложки из ватмана 35, малые монополярно-пористые пластины электрод-анод 36 соответственно в пространстве прикатодных и прианодных дренажных сеток 28, 37 и отводятся самотеком в виде оснований, кислот и газа по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 33, 15 соответственно, предварительно объединяясь с потоками оснований, кислот и газа, образованных при разделении в основных (больших) камерах разделения 21 в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс».
Оставшиеся во вспомогательной (малой) камере разделения 22 анионы и катионы, движущиеся в ядре потока, фиг. 1, 2, 7, поступают по горизонтальным цилиндрическим отверстиям 43 по переточному каналу 19 в диэлектрических камерах корпуса 16, через отверстия в прокладках 18, в следующую (вторую) вспомогательную (малую) камеру разделения 22.
Раствор переходит из первой вспомогательной (малой) камеры разделения 22 во вторую вспомогательную (малую) камеру разделения 22 и далее по всем вспомогательным (малым) камерам разделения 22 по горизонтальным цилиндрическим отверстиям 43, по переточным каналам 19 диэлектрических камер корпуса 16 всего аппарата фиг. 1, 2, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через малые прикатодные и прианодные мембраны 31, 34 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 33, 15 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 32, 14 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс», а ретентат выводится через камерный штуцер вывода ретентата 42.
Исходный раствор, протекая по всем основным (большим) камерам разделения 21 последовательно от одного фланца 9 до второго фланца 9, фиг. 1, 2 очищается от катионов и анионов в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс», причем в прикатодном и прианодном пермеате содержатся различные растворенные газы, выделившиеся на монополярно-пористых пластинах электроде-катоде и электроде-аноде 27, 38 соответственно в результате электрохимических реакций.
Исходный раствор, протекая по всем вспомогательным (малым) камерам разделения 22 последовательно от камерного штуцера ввода разделяемого раствора 41 до камерного штуцера вывода ретентата 42, фиг. 2, 3, очищается от катионов и анионов в зависимости от схемы подключения «минус» или «плюс», причем прикатодный и прианодный пермеат, полученный таким образом, объединяется с прикатодным и прианодным пермеатом, полученных из основных (больших) камер разделения 21, где содержатся различные растворенные газы, выделившиеся на монополярно-пористых пластинах электрод-катод и электрод-анод 27, 38 и малых монополярно-пористых пластинах электрод-катод и электрод-анод 29, 36 соответственно в результате электрохимических реакций.
Снижение гидравлического сопротивления в каналах для отвода прикатодного, прианодного пермеата достигается за счет того, что каналы для отвода прикатодного, прианодного пермеата расположены горизонтально и выведены в разные стороны, таким образом пермеат сливается с одной дренажной сетки в один канал, при этом отсутствует эффект застойных зон при слиянии двух потоков и изменения направления течения пермеата, фиг. 1.
Повышение унификации узлов и элементов аппарата, уменьшение степени сложности изготовления и замены элементов аппарата достигается за счет того, что диэлектрические камеры корпуса выполнены одинаковыми, фиг. 1, 2, при этом нет необходимости перенастраивать оборудование для изготовления диэлектрических камер корпуса.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например, обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и микрофильтрацию.