Электробаромембранный аппарат трубчатого типа Российский патент 2023 года по МПК B01D61/18 B01D61/46 B01D63/06 

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

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 №2700333 C1 RU, 16.09.2019 г., Бюл. №26.

Аппарат состоит из металлических стержней, 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 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 имеются отверстия с резьбой совпадающие друг с другом, 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 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, расположенного на расстоянии сорока миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами, болтов, гаек и шайб.

Недостатками аппарата является: низкая площадь прианодных мембран, неравномерная площадь разделения раствора между прикатодными и прианодными мембранами, низкое качество и эффективность разделения раствора, низкая турбулизация и перемешивание раствора, высокая концентрационная поляризация, сложность монтажа аппарата к трубопроводной арматуре.

Технический результат выражается в увеличении площади прианодных мембран, обеспечении равномерной площади разделения раствора между прикатодными и прианодными мембранами, увеличении качества и эффективности разделения раствора, увеличении турбулизации и перемешивания раствора, снижении концентрационной поляризации, упрощении монтажа аппарата к трубопроводной арматуре за счет изменения конструкции аппарата состоящего из металлических стержней, 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 соответственно и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайке и центральной трубке и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок, 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 имеются отверстия с резьбой совпадающие друг с другом, 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, уплотнение центральной трубки, цилиндрической обечайки и цилиндрического корпуса с ответными фланцами по торцевой поверхности с прижимными решетками 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, расположенного на расстоянии сорока миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами, болтов, гаек и шайб, отличающийся тем, что трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно, равномерно, с шагом в сорок пять миллиметров, распределены по высоте аппарата в восьми узлах по четыре штуки, которые размещены под углом тридцать градусов относительно друг друга, а между каждым соседним узлом трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами размещена плоская горизонтальная сетка-турбулизатор, штуцера ввода исходного раствора, вывода ретентата, прианодного пермеата и прикатодного пермеата с наружной стороны выполнены с метрической резьбой и на их плоской уплотнительной торцевой поверхности посередине имеется кольцевое углубление шириной и высотой равной три миллиметра соответственно.

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

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из: металлических стержней 25 и 14, соединенных по торцевой поверхности с одной стороны с металлической шпилькой 23 и металлической сеткой 26 соответственно, а с другой стороны с торцевыми глухими поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 28 и 3 соответственно, которые выполнены в виде трубок такой же длины, как и трубки 15 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 29 и 4 соответственно и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайке 27 и центральной трубке 13 и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок 12, металлическая сетка 26 выполнена в виде свернутого цилиндра такой же длины как цилиндрический корпус с ответными фланцами 24 и расположена между ним и цилиндрической обечайкой 27, торцевые фланцы 2 и 22, 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 5 - анода, а второе под штуцер вывода прианодного пермеата 20 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 21, 6 соответственно, в прижимных решетках 18 и 7 также как и в торцевых фланцах 22 и 2 имеются отверстия с резьбой совпадающие друг с другом, в которых расположены штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 21, 6 соответственно и совпадающее отверстие прижимной решетки 18 с внутренним диаметров штуцера вывода прианодного пермеата 20, камера разделения 11 образована между прианодными и прикатодными мембранами 29, 4, прижимными решетками 18 и 7, цилиндрической обечайкой 27, и центральной трубкой 13, уплотнение центральной трубки 13, цилиндрической обечайки 27 и цилиндрического корпуса с ответными фланцами 24 по торцевой поверхности с прижимными решетками 18 и 7 произведено при помощи прокладок 19, 17 и 30 соответственно, а уплотнение торцевых фланцев 22 и 2 с прижимными решетками 18 и 7 произведено при помощи уплотнительных прокладок 1, на внешней стороне цилиндрического корпуса с ответными фланцами 24 имеется отверстие под штуцер вывода прикатодного пермеата 16, расположенного на расстоянии сорока миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока 5 -катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами 24, болтов 8, гаек 9 и шайб 10, трубки 15 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 29, 4 и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 28 и 3 соответственно, равномерно, с шагом в сорок пять миллиметров, распределены по высоте аппарата в восьми узлах по четыре штуки, которые размещены под углом тридцать градусов относительно друг друга, а между каждым соседним узлом трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 29, 4 размещена плоская горизонтальная сетка-турбулизатор 31, штуцера ввода исходного раствора 21, вывода ретентата 6, прианодного пермеата 20 и прикатодного пермеата 16 с наружной стороны выполнены с метрической резьбой и на их плоской уплотнительной торцевой поверхности посередине имеется кольцевое углубление шириной и высотой равной три миллиметра соответственно.

Цилиндрический корпус с ответными фланцами 24, торцевые фланцы 2, 22, штуцера ввода исходного раствора 21, вывода ретентата 6, прианодного пермеата 20 и прикатодного пермеата 16, прижимные решетки 18, 7, цилиндрическая обечайка 27 и центральная трубка 13 выполнены из диэлектрического материала - ПА 6 (капролон).

Металлическая сетка 26 изготавливается из материала типа Х18Н9Т, Х18Н10Т, Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП. Клеммы устройства для подвода электрического тока 5 могут быть изготовлены из материала марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП.

Прокладки 17, 19, 30, уплотнительная прокладка 1 могут быть выполнены из паронита, а кольцевая прокладка 12 из резины. Трубки 15 могут быть изготовлены из пористого фторопласта.

Монополярные электроды - аноды и катоды 18 и 3 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 29, 4 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-500П, УАМ-1000П, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН-П, ОФАМ-К.

Металлические стержни 25, 14 и металлическая шпилька 23 могут быть изготовлены из материалов Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Х18Н9Т, Х18Н10Т или из полимерного композита с наполнителем до 60% металлических порошков.

Плоская горизонтальная сетка-турбулизатор 31 может быть выполнена из диэлектрических материалов - пластмассы или ПА 6 (капролона).

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода исходного раствора 21, фиг. 1, 2, поступает в камеру разделения 11, фиг. 1, 3, 4, 6, которая образована между прианодными и прикатодными мембранами 29, 4, прижимными решетками 18 и 7, цилиндрической обечайкой 27 и центральной трубкой 13. В камере разделения 11 вещества, растворенные в растворе, диссоциируют на ионы (катионы и анионы). После заполнения раствором всей камеры разделения 11, фиг. 1, на клеммы устройства для подвода электрического тока 5 - анод «плюс» и катод «минус» соответственно, через металлические стержни 25 и 14, соединенные по торцевой поверхности, с одной стороны, с металлической шпилькой 23 и металлической сеткой 26 соответственно, а, с другой стороны, с торцевыми, глухими, поверхностями монополярных электродов - анодов и катодов 28 и 3 соответственно, выполненных в виде трубок такой же длины, как и трубки 15, подводится внешнее постоянное электрическое поле, вызывающее определенную плотность тока в растворе.

Под действием электрического тока анионы и катионы проникают через прианодные и прикатодные мембраны 29 и 4, через трубки 15 и монополярные электроды - аноды и катоды 28 и 3 соответственно, фиг. 1, 3, 4, 6 и выдавливаются в виде анионов, катионов и газов, образующихся на электродах в результате электрохимических реакций, в пространство между монополярными электродами - анодами и катодами 28, 3 и металлическими стержнями 25 и 14 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 23 и металлическая сетка 26 и выводятся из аппарата по штуцеру вывода прианодного пермеата 20, фиг. 1, и штуцеру вывода прикатодного пермеата 16, фиг. 1, 2 соответственно. Часть раствора с анионами и катионами, не проникшими через прианодные и прикатодные мембраны 29, 4 соответственно, в виде ретентата выводится из камеры разделения 11, фиг. 1, 3, 4, 6 через штуцер вывода ретентата 6, фиг. 1, 2, 5.

Таким образом, разделяемый раствор циркулирует по всей камере разделения 11, фиг. 1, в пространстве между прианодными и прикатодными мембранами 29, 4, прижимными решетками 18, 7, цилиндрической обечайкой 27 и центральной трубкой 13, от штуцера ввода исходного раствора 21 и до штуцера вывода ретентата 6, фиг. 1, последовательно очищается от анионов и катионов соответственно.

Увеличение площади прианодных мембран, обеспечении равномерной площади разделения раствора между прикатодными и прианодными мембранами, увеличении качества и эффективности разделения раствора, увеличении турбулизации и перемешивания раствора, снижении концентрационной поляризации, упрощении монтажа аппарата к трубопроводной арматуре по сравнению с аппаратом прототипом достигается за счет того, что трубки 15 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 29, 4, фиг. 1, 6, и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 28 и 3 соответственно, равномерно, с шагом в сорок пять миллиметров, распределены по высоте аппарата в восьми узлах по четыре штуки, которые размещены под углом тридцать градусов относительно друг друга, а между каждым соседним узлом трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 29, 4 размещена плоская горизонтальная сетка-турбулизатор 31, штуцера ввода исходного раствора 21, вывода ретентата 6, прианодного пермеата 20 и прикатодного пермеата 16 с наружной стороны выполнены с метрической резьбой и на их плоской уплотнительной торцевой поверхности посередине имеется кольцевое углубление шириной и высотой равной три миллиметра соответственно.

Таким образом, увеличение площади прианодных мембран, обеспечение равномерной площади разделения раствора между прикатодными и прианодными мембранами, увеличении качества и эффективности разделения раствора достигется за счет того, что количество трубок 15 с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами 29, 4, фиг. 1, 6, и внутри монополярными электродами - анодами и катодами 28 и 3 увеличивается на четыре штуки и становится равным общему количеству прикатодных трубок, то есть обеспечивается равномерная площадь разделения раствора и как следствие увеличивается эффективность и качество разделения.

Без наложения на электробаромембранный аппарат трубчатого типа внешнего электрического поля можно проводить процессы баромембранного разделения (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, гиперфильтрация (обратный осмос)) растворов и сточных вод машиностроительных, химических, биохимических, сельскохозяйственных и пищевых производств.

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов трубчатого типа и может быть использовано для разделения растворов. Отличительной особенностью электробаромембранного аппарата трубчатого типа является то, что трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно, равномерно, с шагом в сорок пять миллиметров, распределены по высоте аппарата в восьми узлах по четыре штуки, которые размещены под углом тридцать градусов относительно друг друга. Между каждым соседним узлом трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами размещена плоская горизонтальная сетка-турбулизатор. Штуцера ввода исходного раствора, вывода ретентата, прианодного пермеата и прикатодного пермеата с наружной стороны выполнены с метрической резьбой и на их плоской уплотнительной торцевой поверхности посередине имеется кольцевое углубление шириной и высотой, равной три миллиметра соответственно. Техническим результатом является повышение качества и эффективности разделения растворов. 6 ил.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа, состоящий из: металлических стержней, 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 соответственно, и расположенные перпендикулярно цилиндрической обечайке и центральной трубке и зафиксированы в них при помощи кольцевых прокладок, 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 так же, как и в торцевых фланцах, имеются отверстия с резьбой, совпадающие друг с другом, в которых расположены штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата соответственно и совпадающее отверстие прижимной решетки с внутренним диаметром штуцера вывода прианодного пермеата, камера разделения образована между прианодными и прикатодными мембранами, прижимными решетками, цилиндрической обечайкой и центральной трубкой, уплотнение центральной трубки, цилиндрической обечайки и цилиндрического корпуса с ответными фланцами по торцевой поверхности с прижимными решетками 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, расположенного на расстоянии сорока миллиметров по образующей от края торцевой поверхности и отверстие под клемму устройства для подвода электрического тока - катода, расположенного в середине образующей цилиндрического корпуса с ответными фланцами, отличающийся тем, что трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами и внутри монополярными электродами - анодами и катодами соответственно, равномерно, с шагом в сорок пять миллиметров, распределены по высоте аппарата в восьми узлах по четыре штуки, которые размещены под углом тридцать градусов относительно друг друга, а между каждым соседним узлом трубок с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами размещена плоская горизонтальная сетка-турбулизатор, штуцера ввода исходного раствора, вывода ретентата, прианодного пермеата и прикатодного пермеата с наружной стороны выполнены с метрической резьбой и на их плоской уплотнительной торцевой поверхности посередине имеется кольцевое углубление шириной и высотой, равной три миллиметра соответственно.