ЭЛЕКТРОИОНИТНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК B01D61/48 

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов, используемых для деминерализации растворов и получения солевых концентратов.

Известен электродиализатор, содержащий камеры обессоливания и камеры концентрирования, образованные чередующимися анионо-катионообменными мембранами. Расстояние между мембранами фиксируется с помощью рамок и прокладок из токонепроводящих материалов [1]
Недостатками этого электродиализатора являются сложность монтажа, малая производительность и большой расход электроэнергии при деминерализации слабоминерализованных растворов. Это обусловлено тем, что эти растворы обладают большим сопротивлением и при заполнении ими камер электродиализатора напряжение на электродиализаторе получается очень большим.

Известен также электроионитный аппарат, содержащий камеры обессоливания, заполненные ионообменной смолой, и расположенные между ними камеры концентрирования, заполненные наполнителем. Наполнитель камер концентрирования выполнен из ионообменной смолы [2] Камеры обессоливания и камеры концентрирования образованы чередующимися анионо- и катионообменными мембранами. Поддержание расстояния между мембранами и удержание зерен ионообменной смолы осуществляется с помощью рамок, расположенных между мембранами. В рамках и мембранах выполнены отверстия, которые совмещаются при сборке и образуют тракты концентрирования и обессоливания. Недостатками этого аппарата являются сложность монтажа и невысокая производительность. Сложность монтажа вызвана тем, что необходимо совместить большое количество отверстий, выполненных в рамках мембранах. Поскольку количество мембран и рамок в промышленных аппаратах составляет несколько десятков, то их сборка превращается в очень трудоемкий процесс, требующий больших временных затрат. Кроме того, в процессе сборки необходимо обеспечить равномерное распределение ионообменной смолы по всей площади камеры. Это еще более усложняет процесс сборки. Наличие большого числа рамок, толщина которых должна быть 0,5-1 см приводит к увеличению габаритов аппарата и, следовательно, к уменьшению съема продукции с единицы площади, занимаемой аппаратом.

Наиболее близким техническим решением является электроионитный аппарат [3] в котором наполнитель камер концентрирования выполнен из волокнистого, электрохимически нейтрального материала, обладающего свойством капиллярности, например, стеклоткани. Благодаря тому, что в данном аппарате отсутствуют рамки в камерах концентрирования, уменьшается количество деталей, которые необходимо совмещать друг с другом при монтаже. Кроме того, отпадает необходимость в трудоемком процессе заполнения камер концентрирования ионообменной смолой. Это существенно упрощает и снижает трудоемкость процесса сборки диализатора. Однако и этот аппарат обладает рядом серьезных недостатков. Вследствие несовершенства конструкции рамок камер обессоливания, компактного заполнения их ионообменной смолой можно добиться, только производя эту операцию вручную в процессе последовательной сборки элементов аппарата. При этом процесс сборки аппарата остается весьма трудоемким, что особенно ощутимо при использовании для заполнения камер смеси катионита и анионита, требующей высокой степени однородности смеси. Кроме того, в случае засорения зернистого слоя в процессе промышленной эксплуатации аппарата инородными механическими включениями или утратой смолой ионообменных свойств ее замену невозможно произвести без разборки аппарата с последующей "ручной" заменой смолы и новой сборкой.

Техническим результатом заявляемой электроионитной установки является упрощение монтажа электроионитного аппарата и снижение эксплуатационных расходов за счет обеспечения компактной загрузки смолы в камеры обессоливания предварительно смонтированного аппарата и выгрузки смолы из аппарата без его разборки на элементы.

Поставленная задача решается тем, что электроионитная установка для глубокого обессоливания маломинерализованных растворов и получения солевых концентратов, содержащая электроионитный аппарат, включающий электродные камеры, камеры обессоливания, заполненные ионообменной смолой, и расположенные между ними камеры концентрирования, загруженные наполнителем, а также источники концентрируемого и обессоливаемого растворов, согласно изобретению дополнительно содержит репульпатор, соединенный через шаровой клапан на его выходе с гидроэлеватором, соединенным посредством трубопровода с электроионитным аппаратом и посредством трубопровода с насосом, связанным с источником обессоленной воды.

Целесообразно, чтобы электроионитная установка для глубокого обессоливания маломинерализованных растворов и получения солевых концентратов содержала бы в верхней и нижней стенках рамок камер обессоливания электроионитного аппарата с их внутренней стороны углубления, заполненные электрохимически нейтральным пористым материалом с образованием дренажных каналов, и, кроме того, в соединенных вместе рамках и мембранах камер обессоливания и концентрирования, а также электродных камер выполнены сквозные отверстия, образующие соответственно нижний и верхний распределительные коллекторы для ввода обессоливаемого раствора в нижние дренажные каналы и выводы обессоленного раствора из верхних дренажных каналов, сквозные отверстия, образующие соответственно верхний и нижний каналы для ввода и вывода пульпы смолы, сообщенные с полостями камер обессоливания посредством сквозных отверстий, выполненных в непосредственной близости от дренажных каналов.

На фиг. 1 изображена технологическая схема заявляемой электроионитной установки для глубокого обессоливания маломинерализованных растворов и получения солевых концентратов; на фиг. 2 электроионитный аппарат; на фиг. 3 общий вид электроионитного аппарата, поперечный разрез.

Электроионитная установка (фиг. 1) содержит электроионитный аппарат 1, бак обессоливаемого раствора 2 с насосом 3, бак концентрата 4 с насосом 5, гидроэлеватор 6, репульпатор 7 с пульпой смолы, шаровым краном 8 и перемешивающей трубой 9, фильтр 10, бак с транспортирующей обессоленной водой 11, насос 12.

Электроионитная установка (фиг. 1) включает баки 11, 4, 2, фильтр 10, репульпатор 7, насосы 12, 5, 3, электроионитный аппарат 1, шаровые краны 8, 13, 14. Базовым элементом установки является электроионитный аппарат (фиг.2 и 3).

Электроионитный аппарат содержит электродные камеры 15 и 16, между которыми расположены камеры обессоливания 17 и камеры концентрирования 18. В электродной камере 15 размещен катод 19, в камере 16 анод 20. Камеры обессоливания и камеры концентрирования образованы чередующимися анионообменными мембранами 21 и катионнообменными мембранами 22. В мембранах имеются сквозные отверстия 23, 24, 25, 26.

Между мембранами, ограничивающими камеры обессоливания, расположены рамки 27 из материала, стойкого в условиях процесса электролиза. В рамках 27 имеются сквозные отверстия 28, 29, 30, 31, 32, 33, а также нижний 34 и верхний 35 дренажные каналы, заполненные свернутой в рулон сеткой 36 и имеющие прямое сообщение соответственно со сквозными отверстиями 28 и 29. Сетка закреплена в каналах с помощью шпилек 37. Кроме того, в рамках 27 имеются нижний 38 и верхний патрубки, соединяющие полость камер обессоливания соответственно со сквозными патрубками 30 и 31. Камеры обессоливания заполнены ионообменной смолой 40.

Камеры концентрирования 18 образованы резиновой прокладкой 41, выполненной в виде рамки со сквозными отверстиями 42, 43, 44, 45, 46, 47. В камерах концентрирования размещены листы, выполненные из гофрированно-перфорированной поливинилхлоридной пленки 48. Кроме того, в прокладках 41 имеются каналы 49 и 50, соединяющие полость камер концентрирования соответственно со сквозными отверстиями 46 и 47.

Электродные камеры 15 и 16 выполнены из рамок 27, в полости которых размещены листы из гофрированно-перфорированной пленки 48 и соответственно электроды 19 и 20. Кроме того, электродные камеры имеют патрубки 51 и 52 соответственно для ввода и вывода циркулирующего электролита. Катодная камера отделена от прижимной плиты 53 сплошной резиновой прокладкой 54, имеющей сквозные отверстия 55 и 56. Анодная камера отделена от прижимной плиты 57 сплошной резиновой прокладкой 58 со сквозными отверстиями 59, 60, 61, 62. Катодная прижимная плита 53 снабжена патрубками 63 для ввода обессоливаемого раствора и 64 для его вывода. В свою очередь анодная прижимная плита снабжена патрубком 65 для ввода пульпы смолы в камеры обессоливания и патрубком 66 для ее вывода, а также патрубками для ввода концентрата 67 и для его вывода 68.

При монтаже аппарата патрубок 63 совмещают с отверстиями 55, 28, 23, 42, а патрубок 64 с отверстиями 56, 29, 24, 43 и образуют соответственно трубопроводы для подачи и вывода обессоливаемого раствора. Патрубок 67 совмещают с отверстиями 62, 32, 25, патрубок 28 совмещают с отверстиями 59, 33, 26, образуя соответственно трубопроводы ввода и вывода концентрата. Патрубок 65 совмещают с отверстиями 61, 31, 69, 45; патрубок 66 совмещают с отверстиями 60, 30, 70, 44, образуя соответственно трубопроводы ввода и вывода пульпы. При этом вначале производят сборку электроионитного аппарата из составляющих его элементов, исключая загрузку ионообменных смол. Затем в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1, производят сборку электроионитной установки в целом и приступают к подготовке электроионитного аппарата к работе. Для этого в репульпатор 7 при закрытых вентилях 71, 72, 73 и открытом вентиле 74 с помощью насоса 12 из бака 11 через трубу 9 заливают обессоленную воду в требуемом количестве. При этом шаровой кран 8 закрыт. В репульпатор загружают ионообменные смолы КУ-2 и АВ-17 в заданном соотношении для обеспечения возможности получения в репульпаторе пульпы смол с высокой степенью однородности по объему. Заполнение камер обессоливания электроионитного аппарата смесью смол осуществляют следующим образом. Открывают вентиль 75 при закрытых вентилях 72, 73, 76, 77. Закрывают шаровой кран 14 и вентиль 78, открывают шаровой кран 13 и вентиль 79. Бак 4 заполняют концентрированным раствором целевого компонента. Открывают вентиль 71 и шаровой кран 8 и одновременно включают насосы 12 и 5 для обеспечения равного давления в камерах обессоливания и камерах концентрирования. При этом часть потока обессоленной воды из бака 11 подают в гидроэлеватор 6 для транспортировки пульпы ионообменных смол в камеры обессоливания электроионитного аппарата, а другую часть обессоленной воды направляют в репульпатор через трубу 9 для интенсивного перемешивания смолы по объему репульпатора с целью получения однородной по объему пульпы. Пульпа смолы через входной патрубок 65 поступает в пульпопровод электроионитного аппарата и далее в камеры обессоливания. В камерах обессоливания за счет дренажа водной фазы через дренажные патроны 34 происходит разделение жидкой и твердой фазы с постепенным компактным заполнением камер обессоливания смесью смол. Причем за счет рециркуляции водной фазы в системе камеры обессоливания электроионитного аппарата репульпатор, благодаря высокой пропускной способности предлагаемой дренажной системы в электроионитном аппарате обеспечивается возможность поддерживать высокие скорости пропускания пульпы через пульпопровод и камеры обессоливания, что позволяет, во-первых, добиться высокой компактности слоя смолы в камерах, во-вторых, избежать опасности расслоения смолы КУ-2 и АВ-17, имеющих существенно разную плотность. Кроме того в процессе загрузки происходит одновременная отмывка смолы от некондиции (мелкодисперсная фаза смолы, механические примеси) восходящим потоком жидкости в репульпаторе. При этом восходящий поток, содержащий "отмытые" взвеси через патрон 80 освобождается от примесей на фильтре 10. Процесс загрузки смолы считают законченным, когда в репульпаторе будет полное отсутствие дисперсной фазы ионообменных смолы. После окончания процесса загрузки смолы насосы 12 и 5 отключают и закрывают краны 8, 13 и вентиль 75. Для перевода электроионитного аппарата в режим работы по прямому назначению (обессоливание, концентрирование) открывают вентили 76 и 77 и одновременно включают насосы 5 и 3. При этом исходный обессоливаемый раствор поступает через входной патрубок 63 в нижние дренажные патроны аппарата и далее в направлении снизу-вверх проходит зернистый слой смеси ионообменных смол в камерах обессоливания. Такое направление движения потока по сечению позволяет добиться максимальной степени равномерности его распределения и обеспечить максимальный коэффициент полезного использования мембран. При этом все камеры обессоливания работают параллельно, питаясь от водного трубопровода (фиг. 2), образованного совмещением отверстий 55, 28, 23, 42. Под действием электрического поля ионы веществ, находящиеся в растворе, проходят через ионообменные мембраны в камеры концентрирования 18. Обессоленная жидкость выводится из камер обессоливания через выводной трубопровод, образованный совмещением отверстий 56, 24, 29, 43, и выходной патрубок 64, и сливается в бак 2, циркулируя в системе бак 2 - камеры обессоливания электроионитного аппарата. Вывод раствора заданной степени обессоливания осуществляют с помощью регулирующего вентиля 81. Циркуляция жидкости в камерах концентрирования осуществляется сверху вниз, то есть противотоком по отношению к направлению потока в камерах концентрирования, обеспечивая тем самым максимально возможный градиент концентраций целевого компонента по всей высоте аппарата и добиваясь тем самым более глубокого обессоливания, с одной стороны, и более глубокого концентрирования, с другой. Ввод концентрированного раствора в камеры концентрирования 18 осуществляют через патрубок 67 и вводный трубопровод, образованный совмещением отверстий 62, 32, 25, 46 посредством каналов 49, а вывод через каналы 50, выводной трубопровод, образованный совмещением отверстий 33, 26, 47, 59 и патрубок 68. Вывод раствора заданной степени концентрирования осуществляют с помощью вентиля 78. В аппарате (фиг. 2) предусмотрена возможность циркуляции части концентрированного раствора в система камеры концентрирования бак концентрируемого раствора. При этом раствор вводят через патрубок 67, а выводят через патрубок 68.

Конструкция установки предусматривает промывку дренажных патроном электроионитного аппарата, которые могут терять пропускную способность по мере "налипания" на их поверхность тонкодисперсной фазы смолы и других механических примесей. Промывку осуществляют гидроимпульсом от насоса 12 при остановленных насосах 5 и 3, открытых вентилях 76 и 77. В случае, если промывка не дает желаемого результата, либо смола по каким-либо причинам вышла из строя, осуществляют выгрузку смолы из камер концентрирования обратно в репульпатор. Для этой цели открывают шаровой кран 14 (шаровые краны 8 и 13 закрыты), вентили 72, 74, 77, 82 (вентили 71, 75, 76, 77 закрыты), и включают насос 12. Обессоленная вода, поступая в камеры обессоливания электроионитного аппарата, вытесняет смолу, которая перетекает через патрубок 66 по пульпопроводу 83 в репульпатор 7. Поскольку вентиль 74 открыт, основной поток, подаваемый насосом 12, обессоленной воды через трубу 9 поступает в нижнюю часть репульпатора и обеспечивает отмывку смолы от мелкодисперсной некондиционной фракции и механических примесей. Промывная вода движется по репульпатору в направлении снизу вверх, удаляется из последнего через переливной патрубок 80 и поступает на фильтр 10, где происходит удаления из нее дисперсной фазы примесей. Очищенная вода сливается в приемный бак 11. В случае необходимости, задавая регулирующим вентилем 74 соответствующую скорость восходящего потока жидкости, можно добиться разделения смол КУ-2 и АВ-17, существенно различающихся по плотности, путем их гидравлической классификации по принципу: более легкая смола АВ-17 выносится из репульпатора и отделяется на фильтре, а более тяжелая смола КУ-2 остается в репульпаторе.

Отличительные признаки электроионитной установки существенны, поскольку только при их совокупности обеспечивается проявление нового свойства объекта
возможность заполнения и опорожнения камер обессоливания смесью ионообменных смол без демонтажа аппарата и его разборки на элементы.

Источники информации.

1. Деминерализация методом электродиализа (Под ред. Вильсона. М. 1963, гл. VI.)
2. Патент США N 3291713, кл. 204-180, опубл. 13.12.66.

3. Авторское свидетельство СССР N 701655, кл. B OI D 13/02, опубл. 05.12.79, бюл. N 45 (прототип).

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов, используемых для деминерализации растворов и получения солевых концентратов. Технически результатом изобретения является упрощение монтажа и снижение эксплуатационных расходов за счет компактной загрузки смолы в камеры обессоливания предварительно смонтированного аппарата и выгрузки смолы из аппарата без его разборки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электроионитная установка для глубокого обессоливания маломинерализованных растворов и получения солевых концентратов, содержащая электроионитный аппарат, включающий электродные камеры, заполненные ионообменной смолой, камеры обессоливания, образованные рамками, установленными между катионо- и анионообменными мембранами, и расположенный между камерами обессоливания электрохимически нейтральный насадочный материал, камеры концентрирования, образованные рамками, зажатыми между катионо- и анионообменными мембранами, причем камеры обессоливания н камеры концентрирования расположены поочередно и соединены посредством трубопровода и арматуры с емкостями концентрируемого и обессоливаемого растворов, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит репульпатор, соединенный через шаровой клапан на его входе с гидроэлеватором, соединенным посредством трубопровода с электроионитным аппаратом и посредством трубопровода с насосом, связанным с емкостью обессоленной воды. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в верхней и нижней стенках рамок камер обессоливания электроионитного аппарата с внутренней стороны выполнены углубления, заполненные электрохимически нейтральным пористым материалом с образованием дренажных каналов, и, кроме того, в соединенных вместе рамках и мембранных камерах обессоливания н концентрирования, а также в электродных камерах выполнены четыре сквозных отверстия так, что два из них образуют соответственно нижний и верхний распределительные коллекторы для ввода обессоливаемого раствора в нижние дренажные каналы и вывода обессоленного раствора из верхних дренажных каналов, а два других сквозных отверстия образуют соответственно верхний и нижний коллекторы для ввода и вывода пульпы смолы, сообщающиеся с полостями камер обессоливания посредством каналов, выполненных в рамках камер обессоливания в непосредственной близости от дренажных каналов.