Электробаромембранный аппарат с плоскими охлаждающими камерами Российский патент 2017 года по МПК B01D61/42 B01D61/08 

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электрогиперфильтрации, электромикрофильтрации, электроультрафильтрации и электронанофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, целлюлозно-бумажной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.

Аналогом данной конструкции является мембранный аппарат, конструкция которого приведена в авторском свидетельстве СССР № SU 1745284 А1, кл. В01D 63/08, 1989. Аналог состоит из двух фланцев с каналами ввода и вывода разделяемого раствора и каналами для отвода пермеата, отверстиями для стяжки болтами, устройством для подвода электрического тока, пористыми подложками, которые одновременно служат электродами и дренажем для отвода пермеата, и мембранами, между которыми расположены биполярные электроды. Недостатком аналога является: низкая эффективность разделения при низкой площади мембран и нагревание раствора при прохождении электрического тока, влияющее на рабочие и технологические параметры аппарата. Недостатки частично устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат, который приведен в патенте РФ № RU 2532813 С1, B01D 61/42, B01D 63/08, 07.05.2013. Аппарат состоит из последовательно расположенных фланцев корпуса различной конфигурации, между которыми зажимаются пористые электроды, мембраны и охлаждающие камеры, состоящие из резиновых прокладок и полимерных перегородок. В межмембранном канале установлены ионообменные спейсеры, подвод электрического тока осуществляется параллельно. Недостатками прототипа являются: сложность изготовления аппарата, вызванная необходимостью изготовления множества фланцев корпуса различной конфигурации; сложность сборки аппарата, вызванная необходимостью ручной центровки прокладок между фланцами корпуса; снижение эффективной площади мембран за счет отсутствия электробаромембранного процесса в камерах, прилегающих к первому и последнему фланцам корпуса, в которых отсутствует вторая мембрана и второй электрод.

Технический результат - увеличение эффективной площади мембран, упрощение изготовления и упрощение сборки за счет изменения конструкции аппарата, первый и промежуточные фланцы корпуса которого 1, 2 и 9, которые выполнены с выступом и впадиной, соответственно, по плоской уплотнительной поверхности, в которых имеются каналы 3 для ввода и вывода раствора, выполненные в виде цилиндрических каналов под углом 90° по центру снизу первого фланца корпуса аппарата 1, сверху и снизу в промежуточных фланцах корпуса аппарата 2 и последнего фланца корпуса 9, при этом нижний цилиндрический канал 3 первого фланца корпуса 1 соединен со штуцером 17 ввода разделяемого раствора, плоская уплотнительная поверхность первого фланца корпуса 1 опирается на универсальную паронитовую прокладку 4, на которую уложен промежуточный фланец корпуса 2, причем внутренний вырез паронитовой прокладки 4 соответствует по размеру выступам фланцев корпуса 1 и 2, обеспечивая совпадение отверстий 5 паронитовой прокладки с цилиндрическими каналами 3 фланцев корпуса 1, 2 и 9, на плоской уплотнительной поверхности первого фланца корпуса 1 уложены последовательно монополярный пористый электрод 6 анод, мембрана 7 прианодная, резиновая прокладка 8 с отверстиями 10 диаметром 5 мм по центру снизу и сверху, мембрана 7 прикатодная и монополярный пористый электрод 6 катод, образующие вместе первую разделительную камеру с расположенными внутри камеры ионообменными спейсерами 11, сверху и снизу по центру фланцев корпуса 1, 2 и 9 расположены отверстия диаметром 5 мм, совпадающие с цилиндрическими каналами 12 для отвода пермеата, расположенными под углом 90° к боковой поверхности аппарата, на которые установлены штуцеры 20 отвода пермеата, а плоская уплотнительная поверхность промежуточного фланца корпуса 2 опирается на универсальную паронитовую прокладку 4, на которую уложен следующий промежуточный фланец корпуса 2, при этом универсальная паронитовая прокладка 4 ориентирована отверстием 5 вверх, обеспечивая соединение верхних цилиндрических каналов 3 промежуточных фланцев корпуса 2 и перекрывая нижние цилиндрические каналы 3 промежуточных фланцев корпуса 2, а между уплотнительными поверхностями двух промежуточных фланцев корпуса 2 зажаты последовательно полимерная диэлектрическая перегородка 13, резиновая прокладка 14 и полимерная диэлектрическая перегородка 13, образующие плоскую охлаждающую камеру, в боковой поверхности которой просверлены сверху и снизу отверстия 15 диаметром 8 мм для ввода и вывода охлаждающего агента, на которые установлены штуцеры 18 ввода и 19 вывода охлаждающего агента, а на поверхность второго промежуточного фланца корпуса 2 укладывается универсальная паронитовая прокладка 4 и третий промежуточный фланец корпуса 2, при этом отверстие 5 универсальной паронитовой прокладки 4 ориентирована таким образом, чтобы обеспечить переток раствора из разделительной камеры, образованной первым фланцем корпуса 1 и промежуточным фланцем корпуса 2, в разделительную камеру, образованную вторым и третьим промежуточными фланцами корпуса 2, а после необходимого числа чередующихся разделительных и охлаждающих камер на уплотнительную поверхность крайнего промежуточного фланца корпуса 2 уложена универсальная паронитовая прокладка 4, на которую опирается последний фланец корпуса 9, а отверстие 5 универсальной паронитовой прокладки 4 совмещено с цилиндрическим каналом 3 последнего фланца корпуса 9, а между промежуточным фланцем корпуса 2 и последним фланцем корпуса 9 зажаты последовательно монополярный пористый электрод 6 анод, мембрана 7 прианодная, резиновая прокладка 8 с отверстиями 10 по центру снизу и сверху, мембрана 7 прикатодная и монополярный пористый электрод 6 катод, образующие вместе последнюю разделительную камеру, при этом отверстие 10 резиновой прокладки 8 совмещено с цилиндрическим каналом 3 последнего фланца корпуса 9, на котором установлен штуцер вывода разделяемого раствора 16, а все фланцы корпуса стянуты металлическими шпильками 21 и гайками 23 с шайбами 22, а прочность конструкции усилена боковыми металлическими пластинами 24, а через проточки 25 с залитыми герметизирующей композицией электрическими проводами монополярные пористые электроды 6 подключены параллельно к источнику тока 26.

На фиг. 1 изображен фронтальный разрез и боковой вид электробаромембранного аппарата с плоскими охлаждающими камерами; фиг. 2 – фронтальный вид и боковой разрез первого фланца корпуса; фиг. 3 – фронтальный вид и боковой разрез промежуточного фланца корпуса; фиг. 4 – фронтальный вид и боковой разрез последнего фланца корпуса; фиг. 5 – фронтальный вид и боковой разрез универсальной паронитовой прокладки; фиг.6 – фронтальный вид и боковой разрез резиновой прокладки разделительной камеры; фиг. 7 – фронтальный вид и боковой разрез резиновой прокладки охлаждающей камеры.

Электробаромембранный аппарат с плоскими охлаждающими камерами состоит из первого и промежуточных фланцев корпуса 1, 2 и 9, которые выполнены с выступом и впадиной, соответственно, по плоской уплотнительной поверхности, в которых имеются каналы 3 для ввода и вывода раствора, выполненные в виде цилиндрических каналов под углом 90° по центру снизу первого фланца корпуса аппарата 1, сверху и снизу в промежуточных фланцах корпуса аппарата 2 и последнего фланца корпуса 9, при этом нижний цилиндрический канал 3 первого фланца корпуса 1 соединен со штуцером 17 ввода разделяемого раствора, плоская уплотнительная поверхность первого фланца корпуса 1 опирается на универсальную паронитовую прокладку 4, на которую уложен промежуточный фланец корпуса 2, причем внутренний вырез паронитовой прокладки 4 соответствует по размеру выступам фланцев корпуса 1 и 2, обеспечивая совпадение отверстий 5 паронитовой прокладки с цилиндрическими каналами 3 фланцев корпуса 1, 2 и 9, на плоской уплотнительной поверхности первого фланца корпуса 1 уложены последовательно монополярный пористый электрод 6 анод, мембрана 7 прианодная, резиновая прокладка 8 с отверстиями 10 диаметром 5 мм по центру снизу и сверху, мембрана 7 прикатодная и монополярный пористый электрод 6 катод, образующие вместе первую разделительную камеру с расположенными внутри камеры ионообменными спейсерами 11, сверху и снизу по центру фланцев корпуса 1, 2 и 9 расположены отверстия диаметром 5 мм, совпадающие с цилиндрическими каналами 12 для отвода пермеата, расположенными под углом 90° к боковой поверхности аппарата, на которые установлены штуцеры 20 отвода пермеата, а плоская уплотнительная поверхность промежуточного фланца корпуса 2 опирается на универсальную паронитовую прокладку 4, на которую уложен следующий промежуточный фланец корпуса 2, при этом универсальная паронитовая прокладка 4 ориентирована отверстием 5 вверх, обеспечивая соединение верхних цилиндрических каналов 3 промежуточных фланцев корпуса 2 и перекрывая нижние цилиндрические каналы 3 промежуточных фланцев корпуса 2, а между уплотнительными поверхностями двух промежуточных фланцев корпуса 2 зажаты последовательно полимерная диэлектрическая перегородка 13, резиновая прокладка 14 и полимерная диэлектрическая перегородка 13, образующие плоскую охлаждающую камеру, в боковой поверхности которой просверлены сверху и снизу отверстия 15 диаметром 8 мм для ввода и вывода охлаждающего агента, на которые установлены штуцеры 18 ввода и 19 вывода охлаждающего агента, а на поверхность второго промежуточного фланца корпуса 2 укладывается универсальная паронитовая прокладка 4 и третий промежуточный фланец корпуса 2, при этом отверстие 5 универсальной паронитовой прокладки 4 ориентировано таким образом, чтобы обеспечить переток раствора из разделительной камеры, образованной первым фланцем корпуса 1 и промежуточным фланцем корпуса 2, в разделительную камеру, образованную вторым и третьим промежуточными фланцами корпуса 2, а после необходимого числа чередующихся разделительных и охлаждающих камер на уплотнительную поверхность крайнего промежуточного фланца корпуса 2 уложена универсальная паронитовая прокладка 4, на которую опирается последний фланец корпуса 9, а отверстие 5 универсальной паронитовой прокладки 4 совмещено с цилиндрическим каналом 3 последнего фланца корпуса 9, а между промежуточным фланцем корпуса 2 и последним фланцем корпуса 9 зажаты последовательно монополярный пористый электрод 6 анод, мембрана 7 прианодная, резиновая прокладка 8 с отверстиями 10 по центру снизу и сверху, мембрана 7 прикатодная и монополярный пористый электрод 6 катод, образующие вместе последнюю разделительную камеру, при этом отверстие 10 резиновой прокладки 8 совмещено с цилиндрическим каналом 3 последнего фланца корпуса 9, на котором установлен штуцер вывода разделяемого раствора 16, а все фланцы корпуса стянуты металлическими шпильками 21 и гайками 23 с шайбами 22, а прочность конструкции усилена боковыми металлическими пластинами 24, а через проточки 25 с залитыми герметизирующей композицией электрическими проводами монополярные пористые электроды 6 подключены параллельно к источнику тока 26.

Фланцы корпуса аппарата 1, 2 и 9 могут быть изготовлены из капролона.

Металлические шпильки 21, болты 23 и шайбы 22 могут быть изготовлены из стали 25.

Герметизирующая композиция в проточках 25 может быть выполнена из эпоксидных смол.

Металлические пластины 24 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.

Прокладки 4 могут быть изготовлены из паронита, прокладки 8 и 14 – из резины.

Диэлектрические пластины 13 могут быть изготовлены из полиэтилентерефталата (ПЭТ), керамики.

Мембраны 7 могут быть типов УАМ-150, УАМ-300П, УАМ-1000П, УПМ-ПП, УПМ-200, УПМ-П, УФМ-П, УФМ-100, МФФК-3, ОПМ-К, ОПМН-П, ESPA1, ESNA, МГА-80П, МГА-95, МГА-100.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор поступает через штуцер 17, фиг.1 ввода разделяемого раствора в цилиндрический канал 3 в первом фланце корпуса 1, проходит через отверстие 5 в универсальной паронитовой прокладке 4 и попадает в цилиндрический канал 3 первого промежуточного фланца корпуса 2, откуда сквозь отверстие 10 внизу по центру резиновой прокладки 8 поступает в первую разделительную камеру, образованную зажатыми между первым фланцем корпуса 1 и первым промежуточным фланцем корпуса 2 монополярным пористым электродом 6 – анодом, прианодной мембраной 7, резиновой прокладкой 8, прикатодной мембраной 7 и монополярным пористым электродом 6 – катодом. В каждой разделительной камере расположены ионообменные спейсеры 11, состоящие из ионообменной сетки и гранул. Ток раствора по нижнему цилиндрическому каналу 3 первого промежуточного фланца корпуса 2 во второй промежуточный фланец корпуса преграждает универсальная паронитовая прокладка 4. После заполнения первой разделительной камеры исходный раствор через отверстие 10 вверху по центру резиновой прокладки 8 поступает в цилиндрический канал 3 первого промежуточного фланца корпуса 2, откуда проходит сквозь отверстия 5 в универсальной паронитовой прокладке 4 в цилиндрические каналы 3 второго и третьего промежуточных фланцев корпуса 2. Дальнейший ток по верхнему цилиндрическому каналу 3 прегражден универсальной паронитовой прокладкой 4, и раствор заполняет через отверстие 10 вверху по центру резиновой прокладки 8 вторую разделительную камеру, образованную зажатыми между вторым и третьим промежуточными фланцами корпуса 2 монополярным пористым электродом 6 – анодом, прианодной мембраной 7, резиновой прокладкой 8, прикатодной мембраной 7 и монополярным пористым электродом 6 – катодом. Далее аналогичным образом исходный раствор заполняет все разделительные камеры и через отверстие 10 вверху по центру резиновой прокладки 8 крайней разделительной камеры поступает в цилиндрический канал 3 вверху последнего фланца корпуса 9, откуда выводится через штуцер 16 вывода раствора. В этот же момент времени к аппарату от источника тока 26 подводится внешнее постоянное электрическое поле с определенной плотностью тока. Под действием электрического тока и приложенного давления анионы, проникающие через прианодную мембрану 7, и пористый монополярный электрод 6 отводятся с прианодным пермеатом по каналу 12 в виде кислот через штуцер 20 прианодного пермеата. Прианодный пермеат соприкасается с диэлектрической пластиной 13, которая вместе с резиновой прокладкой 14 образует охлаждающую камеру и является ее стенкой, отводя избыток тепла, образующегося при нагревании монополярных пористых электродов, от прианодного пермеата. Катионы, проникающие через прикатодную мембрану 7, и пористый монополярный электрод 6 отводятся с прикатодным пермеатом по каналу 12 в виде оснований через штуцер 20 прикатодного пермеата. Прикатодный пермеат соприкасается с диэлектрической пластиной 13, которая является стенкой охлаждающей камеры, отводя избыток тепла, образующегося при нагревании монополярных пористых электродов, от прикатодного пермеата. Газы, образованные в результате электрохимических реакций в аппарате, также отводятся через штуцер 20. Одновременно с заполнением аппарата исходным раствором охлаждающий агент подается через штуцеры 18 и по каналам 15 заполняет охлаждающие камеры, отводя избыток тепла от пермеата, и выводится через отверстия 15 и штуцеры вывода охлаждающего агента 19.

Контакт прикатодного и прианодного пермеата с диэлектрическими пластинами 13 охлаждающей камеры выполняется с целью отвода избытка тепла от пермеата, т.к. с увеличением времени работы аппарата с наложением электрического поля возрастает температура поверхности электродов и мембран, негативно влияя на рабочие характеристики мембран. Кроме того, высокая температура способствует брожению биологически активных растворов, делая невозможным применение аппарата для их концентрирования.

В качестве охлаждающего агента используется вода с температурой 278 К-288 К.

Отверстия 15 представляют собой проточки цилиндрической формы, выполненные в соответствующих камерах корпуса.

Цилиндрический канал 3, расположенный под углом 90° во фланцах корпуса и камерах корпуса, представляет собой два канала цилиндрической формы, соединенные друг с другом и расположенные перпендикулярно друг к другу, фиг.1.

На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата с плоскими фильтрующими элементами можно проводить баромембранные процессы без наложения электрического поля. В частности, на разработанной конструкции электробаромембранного аппарата с плоскими фильтрующими элементами можно проводить мембранные процессы с разряжением под вакуумом.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электрогиперфильтрации, электромикрофильтрации, электроультрафильтрации и электронанофильтрации. Предложен электробаромембранный аппарат с плоскими охлаждающими камерами, в котором первый и последний фланцы корпуса аппарата выполнены с выступом и впадиной соответственно по плоской уплотнительной поверхности, в которых установлены монополярные пористые электроды и уложены мембраны, а между первым и последним фланцами имеются унифицированные промежуточные фланцы корпуса с каналами для циркуляции раствора и прокладки, в которых также имеются отверстия для циркуляции раствора. Между первым и вторым, третьим и четвертым, пятым и шестым, седьмым и восьмым промежуточными фланцами корпуса расположены с обеих сторон от резиновых прокладок диэлектрические пластины, которые в паре образуют охлаждающую камеру. На соответствующих промежуточных фланцах корпуса расположены штуцера для ввода и вывода охлаждающего агента, а на первом и последнем фланцах корпуса имеются каналы и штуцера для ввода и вывода разделяемого раствора. В аппарате чередуются камеры разделения раствора и камеры охлаждения прикатодного и прианодного пермеата. На всех фланцах корпуса имеются штуцера для отвода прикатодного и прианодного пермеата в зависимости от того, через какой монополярный пористый электрод и мембрану проходит пермеат. Для предотвращения утечек исходного и концентрированного раствора, а также для обеспечения необходимой траектории циркуляции раствора в аппарате, на внешней уплотнительной поверхности фланцев корпуса имеются унифицированные внешние паронитовые прокладки, размер внутреннего выреза которых, в целях упрощения совмещения цилиндрических каналов фланцев и отверстий прокладки при сборке, соответствует размерам выступа фланцев корпуса. Для обеспечения циркуляции разделяемого раствора в межмембранном пространстве установлены резиновые прокладки с отверстиями, совмещенными с цилиндрическими каналами промежуточных фланцев корпуса. У поверхности мембран расположены ионообменные спейсеры, состоящие из гранул ионообменного вещества и сетки. Подвод электрического тока к монополярным пористым электродам осуществлен от источника питания постоянного тока через электрические провода и отверстия, расположенные в промежуточных фланцах корпуса и на последнем фланце корпуса, и заполненные герметизирующей композицией. Для обеспечения прочности и жесткости конструкции электробаромембранного аппарата с плоскими охлаждающими камерами установлены металлические пластины на внешней поверхности первого и последнего фланцев корпуса. Технический результат – увеличение эффективной площади мембран, упрощение изготовления и упрощение сборки за счет изменения конструкции аппарата. 7 ил.

Электробаромембранный аппарат с плоскими охлаждающими камерами, состоящий из фланцев корпуса трех типов с каналами ввода и вывода разделяемого раствора и каналами для отвода прикатодного и прианодного пермеата, отверстиями для шпилек, устройством для подвода постоянного электрического тока к камерам аппарата, прикатодных и прианодных мембран, переточных отверстий, шпилек, прокладок, ионообменных спейсеров, отличающийся тем, что первый и промежуточные фланцы корпуса выполнены с выступом и впадиной соответственно по плоской уплотнительной поверхности, в которых имеются каналы для ввода и вывода раствора, выполненные в виде цилиндрических каналов под углом 90° по центру снизу первого фланца корпуса аппарата, сверху и снизу в промежуточных фланцах корпуса аппарата и последнего фланца корпуса, при этом нижний цилиндрический канал первого фланца корпуса соединен со штуцером ввода разделяемого раствора, плоская уплотнительная поверхность первого фланца корпуса опирается на универсальную паронитовую прокладку, на которую уложен промежуточный фланец корпуса, причем внутренний вырез паронитовой прокладки соответствует по размеру выступам фланцев корпуса, обеспечивая совпадение отверстий паронитовой прокладки с цилиндрическими каналами фланцев корпуса, на плоской уплотнительной поверхности первого фланца корпуса уложены последовательно монополярный пористый электрод анод, мембрана прианодная, резиновая прокладка с отверстиями диаметром 5 мм по центру снизу и сверху, мембрана прикатодная и монополярный пористый электрод катод, образующие вместе первую разделительную камеру, с расположенными внутри камеры ионообменными спейсерами, сверху и снизу по центру фланцев корпуса расположены отверстия диаметром 5 мм, совпадающие с цилиндрическими каналами для отвода пермеата, расположенными под углом 90° к боковой поверхности аппарата, на которые установлены штуцеры отвода пермеата, а плоская уплотнительная поверхность промежуточного фланца корпуса опирается на универсальную паронитовую прокладку, на которую уложен следующий промежуточный фланец корпуса, при этом универсальная паронитовая прокладка ориентирована отверстием вверх, обеспечивая соединение верхних цилиндрических каналов промежуточных фланцев корпуса и перекрывая нижние цилиндрические каналы промежуточных фланцев корпуса, а между уплотнительными поверхностями двух промежуточных фланцев корпуса зажаты последовательно полимерная диэлектрическая перегородка, резиновая прокладка и полимерная диэлектрическая перегородка, образующие плоскую охлаждающую камеру, в боковой поверхности которой просверлены сверху и снизу отверстия диаметром 8 мм для ввода и вывода охлаждающего агента, на которые установлены штуцеры ввода и вывода охлаждающего агента, а на поверхность второго промежуточного фланца корпуса укладывается универсальная паронитовая прокладка и третий промежуточный фланец корпуса, при этом отверстие универсальной паронитовой прокладки ориентировано таким образом, чтобы обеспечить переток раствора из разделительной камеры, образованной первым фланцем корпуса и промежуточным фланцем корпуса, в разделительную камеру, образованную вторым и третьим промежуточными фланцами корпуса, а после необходимого числа чередующихся разделительных и охлаждающих камер на уплотнительную поверхность крайнего промежуточного фланца корпуса уложена универсальная паронитовая прокладка, на которую опирается последний фланец корпуса, а отверстие универсальной паронитовой прокладки 4 совмещено с цилиндрическим каналом 3 последнего фланца корпуса, а между промежуточным фланцем корпуса и последним фланцем корпуса зажаты последовательно монополярный пористый электрод анод, мембрана прианодная, резиновая прокладка с отверстиями по центру снизу и сверху, мембрана прикатодная и монополярный пористый электрод катод, образующие вместе последнюю разделительную камеру, при этом отверстие резиновой прокладки совмещено с цилиндрическим каналом последнего фланца корпуса, на котором установлен штуцер вывода разделяемого раствора, а все фланцы корпуса стянуты металлическими шпильками и гайками с шайбами, а прочность конструкции усилена боковыми металлическими пластинами, а через проточки с залитыми герметизирующей композицией электрическими проводами монополярные пористые электроды подключены параллельно к источнику тока.