Электробаромембранный аппарат трубчатого типа Российский патент 2019 года по МПК B01D61/46 B01D63/06 

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов трубчатого типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации.

Аналогом данной конструкции является мембранный аппарат, конструкция которого приведена в работе Дубяги В.П., Перепечкина Л.П., Каталевского Е.Е Полимерные мембраны. М.: Химия, 1981. С. 166-167. Аппарат изготовлен из корпуса, разделительных элементов состоящих из трубки и мембраны, штуцеров ввода разделяемого раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода пермеата. Недостатками аппарата является невозможность выделения анионов и катионов растворенных веществ из промышленных растворов и стоков, высокое гидравлическое сопротивление, высокая концентрационная поляризация, низкое качество и эффективность разделения растворов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат трубчатого типа, представленный в патенте №2625669 RU, 18.07.2017 г. Аппарат состоит из цилиндрического корпуса с ответными фланцами, торцевых фланцев, выполненных в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, клемм устройства для подвода электрического тока, прижимных решеток, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, уплотнительных прокладок, трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, кольцевых прокладок, монополярных электродов - анода и катода соответственно, болтов, шайб и гаек. Недостатками аппарата является высокое гидравлическое сопротивление, высокая концентрационная поляризация, низкое качество и эффективность разделения растворов, малая способность для разделения коллоидных растворов.

Технический результат выражается в снижении гидравлического сопротивления, снижении концентрационной поляризации, увеличении качества и эффективности разделения растворов, увеличении способности для разделения коллоидных растворов, за счет изменения конструкции аппарата состоящего из: цилиндрического корпуса с ответными фланцами, торцевых фланцев, выполненных в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, клемм устройства для подвода электрического тока, прижимных решеток, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, уплотнительных прокладок, трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, кольцевых прокладок, монополярных электродов - анода и катода соответственно, болтов, гаек и шайб, отличающийся тем, что в аппарате имеются металлические стержни и, соединенных по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой и металлической сеткой соответственно, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и соответственно, металлическая сетка выполнена в виде свернутого цилиндра такой же длины как цилиндрический корпус с ответными фланцами и расположена между ним и цилиндрической обечайкой, торцевые фланцы, выполненные в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, одно из которых под клемму устройства для подвода электрического тока -анода, а второе под штуцер вывода прианодного пермеата соответственно и смещенные от центра отверстия с резьбой, расположенные под углом ноль и сто восемьдесят градусов от горизонтальной оси, под штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата соответственно, в прижимных решетках, также как и в торцевых фланцах, расположены отверстия, в которых расположены штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата соответственно и совпадающее отверстие прижимной решетки с внутренним диаметров штуцера вывода прианодного пермеата, камера разделения образована между прианодными и прикатодными мембранами, прижимными решетками, цилиндрической обечайкой, и центральной трубкой, трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно, равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределены по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, которые размещены под углом девяносто градусов относительно друг-друга и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайки и центральной трубке и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок, уплотнение центральной трубки, цилиндрической обечайки и цилиндрического корпуса с ответными фланцами по торцевой поверхности с прижимными решетками и произведено при помощи прокладок соответственно, а уплотнение торцевых фланцев с прижимными решетками произведено при помощи уплотнительных прокладок, на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответными фланцами имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами.

На фиг. 1 изображен в разрезе электробаромембранный аппарат трубчатого типа; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - вид снизу; фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 1; фиг. 6 - разрез Б-Б на фиг. 1; фиг. 7 - вид В (увеличенный) на фиг. 1.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из: металлических стержней 23 и 29, соединенных по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой 30 и металлической сеткой 4 соответственно, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 17 и 25 соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18 и 24 соответственно, металлическая сетка 4 выполнена в виде свернутого цилиндра такой же длины как цилиндрический корпус с ответными фланцами 1 и расположена между ним и цилиндрической обечайкой 15, торцевые фланцы 2 и 3, выполненные в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, одно из которых под клемму устройства для подвода электрического тока 10 - анода, а второе под штуцер вывода прианодного пермеата 11 соответственно и смещенные от центра отверстия с резьбой, расположенные под углом ноль и сто восемьдесят градусов от горизонтальной оси, под штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 5, 6 соответственно, в прижимных решетках 8 и 9 также как и в торцевых фланцах 2 и 3 имеются отверстия с резьбой совпадающие друг с другой, в которых расположены штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 5, 6 соответственно и совпадающее отверстие прижимной решетки 8 с внутренним диаметров штуцера вывода прианодного пермеата 11, камера разделения 28 образована между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 75, и центральной трубкой 22, трубки 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18, 24 и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 17 и 25 соответственно, равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределены по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, которые размещены под углом девяносто градусов относительно друг-друга и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайки 15 и центральной трубке 22 и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 26, уплотнение центральной трубки 22, цилиндрической обечайки 75 и цилиндрического корпуса с ответными фланцами 7 по торцевой поверхности с прижимными решетками 8 и 9 произведено при помощи прокладок 27, 14 и 13 соответственно, а уплотнение торцевых фланцев 2 и 3 с прижимными решетками 8 и 9 произведено при помощи уплотнительных прокладок 12, на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1 имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата 7, расположенного на расстоянии сорока миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока 10 - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1, болтов, гаек и шайб 19, 20, 21.

Цилиндрический корпус с ответными фланцами 1, торцевые фланцы 2, 3, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 5, 6, штуцера вывода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 11, прижимные решетки 8, 9, цилиндрическая обечайка 15, центральная трубка 22 выполнены из диэлектрического материала - капролона.

Металлическая сетка 4 изготавливается из материала типа Х18Н9Т, Х18Н10Т, Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП. Клеммы устройства для подвода электрического тока 10 могут быть изготовлены из материала марок Х18Н15-ПМ,Х18Н15-МП.

Прокладки 13, 14, и 27, уплотнительная прокладка 12 могут быть выполнены из паронита, а кольцевая прокладка 26 из резины. Трубки 16 могут быть изготовлены из пористого фторопласта.

Монополярные электроды - аноды и катоды 17 и 25 соответственно, выполнены в виде трубок и могут быть изготовлены из микропористого проката марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т с пористостью 20-45%.

В качестве прианодных и прикатодных мембран 18 и 24 могут применяться изготовленные в виде ленты мембраны следующих типов МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA 1, ESNA, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН-П, ОФАМ-К.

Металлические стержни 23, 29 и металлическая шпилька 30 могут быть изготовлены из материалов Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т или из полимерного композита с наполнителем до 60% металлических порошков.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода исходного раствора 5, фиг. 1, 3, 4, поступает в камеру разделения 28, фиг. 1, 5, 6, 7, которая образована между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15 и центральной трубкой 22. В камере разделения 28 вещества, растворенные в растворе, диссоциируют на ионы (катионы и анионы). После заполнения раствором всей камеры разделения 28, фиг. 1, на клеммы устройства для подвода электрического тока 10 - «плюс» и «минус» соответственно, через металлические стержни 23 и 29, соединенные по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой 30 и металлической сеткой 4 соответственно, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 17 и 25 соответственно, выполненных в виде трубок такой же длины, как и трубки 16, подводится внешнее постоянное электрическое поле, вызывающее определенную плотность тока в растворе.

Под действием электрического тока анионы и катионы проникают через прианодные и прикатодные мембраны 18 и 24, через трубки 16 и монополярные электроды - аноды и катоды 17 и 25 соответственно, фиг. 1, 5, 6, 7 и выдавливаются в виде анионов, катионов и газов, образующихся на электродах в результате электрохимических реакций, в пространство между монополярными электродами - анодами и катодами 17 и 25 и металлическими стержнями 23 и 29 соответственно. Далее анионы, катионы и газы, образующиеся на электродах в результате электрохимических реакций в виде кислот, оснований и растворенных газов соответственно, фиг. 1, попадают в пространство, где расположена металлическая шпилька 30 и металлическая сетка 4 и выводятся из аппарата по штуцеру вывода прианодного пермеата 11, фиг. 1, 3, 4 и штуцеру вывода прикатодного пермеата 7, фиг. 1, 3 соответственно. Часть раствора с анионами и катионами, не проникшими через прианодные и прикатодные мембраны 18 и 24 соответственно, в виде ретентата выводится из камеры разделения 28, фиг. 1, 7, через штуцер вывода ретентата 6, фиг. 1, 2, 3.

Таким образом, разделяемый раствор циркулирует по всей камере разделения 28, фиг. 1, в пространстве между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15 и центральной трубкой 22, от штуцера ввода исходного раствора 5 и до штуцера вывода ретентата 6, фиг. 1, последовательно очищается от анионов и катионов соответственно.

Снижение гидравлического сопротивления и концентрационной поляризации, увеличение качества, эффективности разделения растворов и увеличении способности для разделения коллоидных растворов в аппарате по сравнению с аппаратом аналогом достигается за счет того, что проходное сечение для циркуляции разделяемого раствора, камера разделения 28, фиг. 1, является более свободным, трубки 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18, 24 работают сразу по всей длине, так как расположены перпендикулярно направлению движения раствора и предотвращается преждевременная отработка начальных участков поверхности прианодных и прикатодных мембран 18, 24.

Изобретение может быть использовано в мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода исходного раствора 5 поступает в камеру разделения 28, которая образована между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15 и центральной трубкой 22. После заполнения раствором всей камеры разделения 28, на клеммы устройства для подвода электрического тока 10 – «плюс» и «минус» соответственно, через металлические стержни 23 и 29, соединенные с металлический шпилькой 30 и металлической сеткой 4, а с другой стороны – с торцевыми глухими поверхностями монополярных электродов-анодов 17 и катодов 25, подается внешнее постоянное электрическое поле. Под действием электрического тока анионы и катионы проникают через прианодные и прикатодные мембраны 18 и 24, через трубки 16 и монополярные электроды-аноды 17 и катоды 25 в пространство между монополярными электродами и металлическими стержнями 23 и 29, и выводятся из аппарата по штуцеру вывода прианодного пермеата 11 и штуцеру вывода прикатодного пермеата 7. Часть раствора с анионами и катионами, не проникшими через прианодные и прикатодные мембраны 18 и 24 соответственно, выводят из камеры разделения 28 через штуцер вывода ретентата 6. Предложенный электробаромембранный аппарат обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и концентрационной поляризации, увеличение качества и эффективности разделения растворов, а также повышение разделения коллоидных растворов. 7 ил.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа, состоящий из цилиндрического корпуса с ответными фланцами, торцевых фланцев, выполненных в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, клемм устройства для подвода электрического тока, прижимных решеток, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, уплотнительных прокладок, трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, кольцевых прокладок, монополярных электродов - анода и катода соответственно, болтов, гаек и шайб, отличающийся тем, что в аппарате имеются металлические стержни 23 и 29, соединенные по торцевой поверхности с одной стороны, с металлической шпилькой 30 и металлической сеткой 4 соответственно, а с другой стороны, с торцевыми глухими поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 17 и 25 соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18 и 24 соответственно, металлическая сетка 4 выполнена в виде свернутого цилиндра такой же длины, как цилиндрический корпус с ответными фланцами 1, и расположена между ним и цилиндрической обечайкой 15, торцевые фланцы 2 и 3 выполнены в виде плоских круглых крышек, с внешней стороны которых в центре имеются сквозные отверстия с резьбой, одно из которых под клемму устройства для подвода электрического тока 10 - анода, а второе - под штуцер вывода прианодного пермеата 11 соответственно, и смещены от центра отверстия с резьбой, расположены под углом ноль и сто восемьдесят градусов от горизонтальной оси, под штуцеры ввода исходного раствора и вывода ретентата 5, 6 соответственно, в прижимных решетках 8 и 9 также, как и в торцевых фланцах 2 и 3, расположены отверстия, в которых расположены штуцеры ввода исходного раствора и вывода ретентата 5, 6 соответственно и совпадающее отверстие прижимной решетки 8 с внутренним диаметром штуцера вывода прианодного пермеата 11, камера разделения 28 образована между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15, и центральной трубкой 22, трубки 16 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 18, 24 и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 17 и 25 соответственно, равномерно, с шагом в пятьдесят миллиметров, распределены по высоте аппарата в семи узлах по четыре штуки, которые размещены под углом девяносто градусов относительно друг друга и расположены перпендикулярно цилиндрической обечайке 15 и центральной трубке 22 и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 26, уплотнение центральной трубки 22, цилиндрической обечайки 15 и цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1 по торцевой поверхности с прижимными решетками 8 и 9 произведено при помощи прокладок 27, 14 и 13 соответственно, а уплотнение торцевых фланцев 2 и 3 с прижимными решетками 8 и 9 произведено при помощи уплотнительных прокладок 12, на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1 имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата 7 и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока 10 - катода, расположенное в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1.