ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫЙ АППАРАТ РУЛОННОГО ТИПА Российский патент 2013 года по МПК B01D61/42 

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, 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 и улучшении охлаждения электродов катода и анода, за счет изменения конструкции аппарата: перфорированная трубка, служащая для подвода исходного раствора разделена на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, коллекторы отвода ретентата образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод и анод, подложки мембран, прикатодные и прианодные мембраны, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата и полуцилиндром корпуса аппарата, коллектор отвода прикатодного пермеата образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата, коллектор отвода прианодного пермеата образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом 3π/4 и (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеется отверстие с резьбой, в которую вкручен штуцер для отвода ретентата, пространство, образованное между корпусом аппарата, непористой пленкой и перфорированной трубкой, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, создают коллектор для протекания охлаждающей воды, в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды, при этом на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны имеется отверстие 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 0,06 м от края корпуса аппарата, а межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор, образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора, прикатодной и прианодной мембран, подложек мембран, дренажных сеток - катода и анода и непористой пленки, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине и проклеены с торцевых поверхностей, при этом непористая пленка, дренажные сетки - катод и анод, подложка мембран, прикатодная и прианодная мембраны приклеены в месте перфорации к перфорированной трубке, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, а в коллекторе отвода ретентата, дренажные сетки - катод и анод, подложки мембран, прикатодная и прианодная мембраны последовательно уложены на полимерные перфорированные перегородки с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине и приклеены к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата, дренажные сетки - катод и анод являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстие, полимерной перфорированной перегородки с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, электрическим проводом, который соединен с устройством для подвода электрического тока через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположена герметизирующая заливка, а дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно образованы пространством между непористыми пленками, и подложками мембран, в которых находится дренажная сетка - катод и анод.

На фиг.1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; фиг.2 - вид слева; фиг.3 - вид справа; фиг.4 - сечение А-А на фиг.1; фиг.5 - вид Б увеличенный на фиг.4; фиг.6 - вид В увеличенный, схема разделения в межмембранном канале на фиг.5.

Электробаромембранный аппарат рулонного типа состоит из перфорированной трубки 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, коллекторы отвода ретентата 10, образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодные и прианодные мембраны 4 и 28 приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1 и полуцилиндром корпуса аппарата 20, коллектора отвода прикатодного пермеата 24, образованного пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1, коллектора отвода прианодного пермеата 25, образованного пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом 3π/4 и (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 имеется отверстие 27 с резьбой, в которую вкручен штуцер 13 для отвода ретентата, пространство, образованное между корпусом аппарата 1, непористой пленкой 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, создают коллектор для протекания охлаждающей воды, в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8, при этом на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны имеется отверстие 22 и 23 с резьбой, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 12 и 3, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,06 м от края корпуса аппарата 1, а межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор 9, образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора 9, прикатодной и прианодной мембран 4 и 28, подложек мембран 5, дренажных сеток - катода 7 и анода 26 и непористой пленки 6, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки 2 служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине и проклеены с торцевых поверхностей, при этом непористая пленка 6, дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложка мембран 5 и прикатодная и прианодная мембраны 4 и 28 приклеены в месте перфорации к перфорированной трубке 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21, а в коллекторе отвода ретентата 10, дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодная и прианодная мембраны 4 и 28 последовательно уложены на полимерные перфорированные перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и приклеены к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, дренажные сетки - катод 7 и анод 26 являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстие 19, полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, электрическим проводом 11, который соединен с устройством для подвода электрического тока 14 через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки 16, а дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно образованы пространством между непористыми пленками 6 и подложками мембран 5, в которых находится дренажная сетка - катод 7 и анод 26.

Корпус аппарата 1, перфорированная трубка 2, полуцилиндр корпуса аппарата 20, полимерные перфорированные перегородки 15, вертикальная перегородка 21, штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, штуцер 13 для отвода ретентата, штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 12 и 3, могут быть изготовлены из капролона, текстолита ПТК.

Подложка мембран 5 изготовлена из листа ватмана.

Непористая пленка 6 может быть изготовлена из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности.

Дренажные сетки - катод 7 и анод 26 являются монополярными электродами катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус» и могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум».

Прикатодная и прианодная мембраны 4 и 28 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, 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-турбулизатор охлаждающей воды 8 и сетка-турбулизатор 9 могут быть изготовлены из пластмассы или углепластика обеспечивают необходимую скорость движения и турбулизацию раствора и охлаждающей воды.

Герметизирующая заливка 16 может быть изготовлена из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол или клея холодная сварка.

В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор под давлением превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через перфорированную трубку 2 разделенную на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21 фиг.1, 4, подается в межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор 9, образованный последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора 9, прикатодной и прианодной мембран 4 и 28, подложек мембран 5, дренажных сеток - катода 7 и анода 26 и непористой пленки 6, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки 2 и проклеены с торцевых поверхностей.

В этот же момент времени к дренажным сеткам - катоду 7 и аноду 26, фиг.4, включением устройства для подвода электрического тока 14 через электрические провода 11, которые проходят через отверстие 19 полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки 16, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.

Раствор, двигаясь турбулизируется с помощью сетки-турбулизатора 9 фиг.5, и поступает к прикатодным и прианодным мембранам 4 и 28 в зависимости от схемы подключения катода 7 и анода 26.

В межмембранном канале фиг.6, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 4 и 28, подложки мембран 5, попадают в дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно, образованные пространством между непористыми пленками 6 и подложками мембран 5, в которых находится дренажная сетка - катод 7 и анод 26, далее прикатодный и прианодный пермеат фиг.4, попадает в коллекторы отвода прикатодного пермеата 24 и прианодного пермеата 25, образованные пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20, корпусом аппарата 1 и полимерной перфорированной перегородкой 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и (-π/4) и 3π/4 и (-3π/4) соответственно, от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1, затем прикатодный и прианодный пермеат отводятся через отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, фиг.2, расположенные на торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20 в виде оснований или кислот.

Одновременно с подачей исходного раствора, через отверстие 22 и 23 с резьбой фиг.1, в которую вкручены штуцера для вывода и ввода охлаждающей воды 12 и 3 находящиеся на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны фиг.1, 2, 3, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,06 м от края корпуса аппарата 1, заполняется коллектор для протекания охлаждающей воды фиг.1, 4 в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8, образованный пространством между корпусом аппарата 1, непористой пленкой 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21.

Исходный раствор, протекая по межмембранному каналу фиг.4, очищается от катионов и анионов и попадает в коллекторы отвода ретентата 10, образованные пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодные и прианодные мембраны 4 и 28 приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1 и полуцилиндром корпуса аппарата 20, и выводится через отверстия 27 с резьбой фиг.1, в которую вкручены штуцера 13 для отвода ретентата расположенные на торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата 20.

Под повышением качества и эффективности разделения растворов и улучшении охлаждения электродов катода 7 и анода 26 понимается возможность при данном конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа фиг.1, совместить электробаромембранное разделение с процессом охлаждения электродов (дренажных сеток) - катода 7 и анода 26 за счет наличия в аппарате коллектора для протекания охлаждающей воды в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды 8, образованный пространством между корпусом аппарата 1, непористой пленкой 6 и перфорированной трубкой 2, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой 21 и независимом расположении друг относительно друга дренажных каналов прикатодного и прианодного пермеата соответственно, соединенных с коллекторами отвода прикатодного и прианодного пермеата 24 и 25 фиг.4, через отверстие 19 полимерной перфорированной перегородки 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине и коллекторов отвода ретентата 10.

Дренажные сетки - катод 7 и анод 26, фиг.1, 4 являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», реализующие возможную функцию периодической переполюсовки электродов.

Необходимость охлаждения дренажных сеток - катода 7 и анода 26 заключается в том, что исходный раствор, прокачиваемый над поверхностью прикатодных и прианодных мембран 4 и 28 и прошедший через их поры в виде прикатодного и прианодного пермеата с температурой от 20 до 40°С и проходящий самотеком через дренажные каналы, образованные пространством между непористыми пленками 6 и подложками мембран 5, охлаждается через теплопередающую стенку, которой является непористая пленка 6, при помощи охлаждающей воды с температурой от 5 до 15°С, фиг.1, 4.

Отверстия, находящиеся по длине полуцилиндров корпуса аппарата в середине их образующих, в которых расположены герметизирующие заливки 16, размещенные под углом 30 градусов фиг.4, препятствуют протеканию прикатодного и прианодного пермеата из коллекторов отвода прикатодного пермеата 24 и прианодного пермеата 25 минуя штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 17, фиг.2.

Коллекторы отвода ретентата 10, образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками 15 с перфорацией в три ряда отверстиями 19 в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод 7 и анод 26, подложки мембран 5, прикатодные и прианодные мембраны 4 и 28, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата 20, расположенными под углом π/4, 3π/4 для первого коллектора и (-π/4, -3π/4) для второго коллектора, от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок 6 к корпусу аппарата 1 и полуцилиндром корпуса аппарата 20, то есть коллекторы отвода ретентата 10 образованы пространством между полуцилиндром корпуса аппарата 20 и прикатодными и прианодными мембранами 4 и 28, фиг.4.

На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например ультрафильтрацию, нанофильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос.

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов рулонного типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации. Электробаромембранный аппарат рулонного типа 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 и коллекторов отвода ретентата. Изобретение обеспечивает повышение качества и эффективности разделения растворов и улучшение охлаждения электродов катода и анода. 6 ил.

Электробаромембранный аппарат рулонного типа, состоящий 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, отличающийся тем, что перфорированная трубка, служащая для подвода исходного раствора, разделена на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, коллекторы отвода ретентата образованы пространством между полимерными перфорированными перегородками с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, на которые последовательно уложены дренажные сетки - катод и анод, подложки мембран, прикатодные и прианодные мембраны, приклеенные к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата, расположенными под углом π/4, 3π/4 и (-π/4, -3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата и полуцилиндром корпуса аппарата, коллектор отвода прикатодного пермеата образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом π/4 и
(-π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата, коллектор отвода прианодного пермеата образован пространством между полуцилиндром корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине, расположенной под углом 3π/4 и (-3π/4) от горизонтальной оси в месте крепления непористых пленок к корпусу аппарата, с одной стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата, а с другой стороны торцевой поверхности полуцилиндра корпуса аппарата имеется отверстие с резьбой, в которую вкручен штуцер для отвода ретентата, пространство, образованное между корпусом аппарата, непористой пленкой и перфорированной трубкой, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, создают коллектор для протекания охлаждающей воды, в котором расположена сетка-турбулизатор охлаждающей воды, при этом на торцевых поверхностях корпуса аппарата с одной и другой стороны имеется отверстие с резьбой, в которую вкручены штуцеры для вывода и ввода охлаждающей воды, которые расположены под углами π/2 и -π/2 от горизонтальной оси и находятся на расстоянии 0,06 м от края корпуса аппарата, а межмембранный канал, в котором расположена сетка-турбулизатор, образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора прикатодной и прианодной мембранами, подложками мембран, дренажными сетками - катода и анода и непористой пленки, которые все вместе обернуты вокруг перфорированной трубки, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине, и проклеены с торцевых поверхностей, при этом непористая пленка, дренажные сетки - катод и анод, подложка мембран, прикатодная и прианодная мембраны приклеены в месте перфорации к перфорированной трубке, служащей для подвода исходного раствора и разделенной на две секции одинакового объема по всей длине вертикальной перегородкой, а в коллекторе отвода ретентата, дренажные сетки - катод и анод, подложки мембран, прикатодная и прианодная мембраны последовательно уложены на полимерные перфорированные перегородки с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине и приклеены к внутренней части полуцилиндра корпуса аппарата, дренажные сетки - катод и анод являются монополярными электродами из графитовой ткани - катодом и анодом или анодом и катодом, в зависимости от схемы подключения «плюс» или «минус», и соединены через отверстия полимерной перфорированной перегородки с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине электрическим проводом, который соединен с устройством для подвода электрического тока через отверстия в полуцилиндрах корпуса аппарата, в которых расположены герметизирующие заливки, а дренажные каналы прикатодного и прианодного пермеата соответственно образованы пространством между непористыми пленками и подложками мембран, в которых находится дренажная сетка - катод и анод.