Электробаромембранный аппарат комбинированного типа Российский патент 2023 года по МПК B01D61/18 

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, машиностроительной, пищевой промышленности, агропромышленном комплексе и т.п.

Аналогом данной конструкции является плоскокамерный мембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2.», М.: Химия, 1995, стр. 347-348, представляющий собой набор эллиптических мембранных элементов, находящихся между круглыми фланцами, и трубчатый мембранный модуль для фильтрации жидкости, конструкция которого приведена в патенте RU 2156645 С1, 27.09.2000. Недостатками аналога являются: низкое качество и эффективность разделения и очистки растворов, невозможность дифференцированного выделения ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на конечной ступени разделения. Эти недостатки частично устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат комбинированного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2776315 C1, 18.07.2022. Бюл. № 20. Прототип состоит из двух крышек, имеющих штуцеры ввода разделяемого раствора, вывода ретентата, отвода пермеата и подачи воздуха для нагнетания давления в камеру для пермеата первой ступени, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода пермеата от плоских мембранных элементов, обратных клапанов, дренажных сеток, пористых подложек, мембран, поплавкового уровнемера, трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из чередующихся прикатодных и прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток, соединенных с пластинами электрод-катодом и электрод-анодом, контактирующих с клеммами для подвода постоянного электрического тока - катодом и анодом, выполненных в виде цилиндрических шпилек, прикатодных и прианодных камер для пермеата второй ступени, разделенных диэлектрической перегородкой, штуцеров для отвода прикатодного, прианодного пермеата второй ступени, уплотнителя трубчатого мембранного модуля, заглушек, манжет, прокладок, герметизирующих заливок, байонетного кольца.

Недостатками прототипа являются: малая площадь разделения в единице объема аппарата, низкое качество и эффективность разделения растворов, высокое гидравлическое сопротивление в каналах для отвода пермеата первой ступени плоскокамерного модуля.

Технический результат выражается увеличением площади разделения плоскокамерного модуля первой ступени и трубчатого модуля второй ступени разделения, повышением качества и эффективности разделения растворов, снижением гидравлического сопротивления в каналах для отвода пермеата первой ступени плоскокамерного модуля, за счет того, что аппарат состоит из двух крышек, имеющих штуцеры ввода разделяемого раствора, вывода ретентата, отвода пермеата и подачи воздуха для нагнетания давления в камеру для пермеата первой ступени, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода пермеата от плоских мембранных элементов, обратных клапанов, дренажных сеток, пористых подложек, мембран, поплавкового уровнемера, трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из чередующихся прикатодных и прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток, соединенных с пластинами электрод-катодом и электрод-анодом, контактирующих с клеммами для подвода постоянного электрического тока - катодом и анодом, выполненных в виде цилиндрических шпилек, прикатодных и прианодных камер для пермеата второй ступени, разделенных диэлектрической перегородкой, штуцеров для отвода прикатодного, прианодного пермеата второй ступени, уплотнителя трубчатого мембранного модуля, заглушек, манжет, прокладок, герметизирующей заливки, байонетного кольца, отличающийся тем, что плоскокамерный модуль включает семь камер разделения, при этом высота корпуса плоскокамерного модуля равна высоте корпуса трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из верхней и нижней крышек, трубчатый мембранный модуль второй ступени состоит из чередующихся в горизонтальной плоскости двадцати прикатодных и двадцати прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток соответственно, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, с каждой камеры разделения пермеат отводится по каналу для отвода пермеата от плоских мембранных элементов в корпусе плоскокамерного модуля, в камеру для пермеата первой ступени.

На фиг. 1 изображен главный вид электробаромембранного аппарата комбинированного типа; на фиг. 2 - вид слева; на фиг. 3 - вид сверху; на фиг. 4 - вид снизу; на фиг. 5 - горизонтальный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 6 - сложный разрез Б-Б на фиг. 5; на фиг.7 - сложный разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 8 - выносной элемент Г (увеличено) на фиг. 6, схема миграции анионов и катионов; на фиг. 9 - выносной элемент Д (увеличено) на фиг. 5, схема фиксации трубчатого модуля и миграции анионов и катионов с местным разрезом со стороны прикатодной камеры для пермеата второй ступени; на фиг. 10 - выносной элемент Е (увеличено) на фиг. 5, схема фиксации трубчатого модуля и миграции анионов и катионов с местным разрезом со стороны прианодной камеры для пермеата второй ступени.

Электробаромембранный аппарат комбинированного типа состоит из двух крышек 1 и 2, имеющих штуцеры ввода разделяемого раствора 3, вывода ретентата первой и второй ступени 4, 5, отвода прикатодного и прианодного пермеата 6, 7 и подачи воздуха 8 для нагнетания давления в камеру для пермеата первой ступени 9, трубчатого мембранного модуля 10, имеющего изогнутую форму, корпуса плоскокамерного модуля 11, опорных колец 12 и 13, каналов 14 для отвода пермеата от плоских мембранных элементов, обратных клапанов 15, препятствующих попаданию пермеата обратно в каналы, жесткой дренажной сетки 16, пористой подложки 17, мембран 18, поплавкового уровнемера 19, отслеживающего уровень пермеата в камере для пермеата первой ступени, прокладок 20 и 21, герметизирующей заливки 22, байонетного кольца 23 для соединения крышек аппарата, проточного окна 24, соединяющего камеры разделения плоскокамерного модуля, клемм для подвода постоянного электрического тока - катода 25 и анода 26, выполненных в виде цилиндрических шпилек, контактирующих с пластинами электрод-катодом 27 и электрод-анодом 28, прикатодного и прианодного канала 29, 30 трубчатого мембранного модуля 10, прикатодной и прианодной мембран второй ступени 31, 32, трубчатой пористой подложки 33, прикатодной и прианодной дренажной сетки 34, 35, прикатодной и прианодной камер для пермеата второй ступени 36, 37, диэлектрической перегородки 38, уплотнителей 39 трубчатого мембранного модуля 10, заглушек 40, манжет 41.

Крышки 1 и 2, штуцеры ввода разделяемого раствора 3, вывода ретентата первой и второй ступени 4, 5, отвода прикатодного и прианодного пермеата 6, 7, подачи воздуха 8, корпус плоскокамерного модуля 11, опорные кольца 12 и 13, байонетное кольцо 23, диэлектрическая перегородка 38, заглушка 40 выполнены из диэлектрического материала капролон (полиамид-6).

Трубки трубчатого мембранного модуля 10 могут быть изготовлены из трубчатого ультрафильтра типа БТУ 05/2.

Прикатодные и прианодные дренажные сетки 34, 35 могут быть выполнены из материала Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, О8Х18Т1.

Пористые подложки 17 и трубчатые пористые подложки 33 могут быть выполнены из листа ватмана.

Мембраны 18 могут быть выполнены из полотна мембран ОПМН-П, ОПМН-К, ОПМ-К, МГА-95, МГА-100, УАМ-50, УАМ-100.

Прокладки 20 и 21, уплотнители 39, манжеты 41 могут быть выполнены из паронита.

Герметизирующие заливки 22 могут быть выполнены из герметизирующих эпоксидных смол.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор под трансмембранным давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 3, фиг. 1, 2, 4, 6, 7, подается в первую камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную нижней крышкой 2, прокладкой 20, опорным кольцом 12 и мембраной 18, фиг. 6, 7. Из первой камеры разделения получаемый пермеат отводится в канал 14 для отвода пермеата от плоских мембранных элементов в корпусе плоскокамерного модуля 11, а оставшийся раствор переходит через проточное окно 24 в следующую камеру разделения, фиг. 5, 6, 7.

Раствор переходит из одной камеры разделения в другую камеру разделения по проточным окнам 24 всего плоскокамерного модуля, попадая в последнюю камеру разделения, образованную верхней крышкой 1, прокладкой 20, опорным кольцом 12 и мембраной 18, фиг. 6, 7. Средние камеры разделения образованы межмембранными каналами, расположенными между мембранами 18 и опорным кольцом 13. Образующийся при этом пермеат по каналу 14 для отвода пермеата от плоских мембранных элементов в корпусе плоскокамерного модуля 11, отводится в камеру для пермеата первой ступени 9 и заполняет пространство между чередующимися в горизонтальной плоскости двадцатью прикатодными и двадцатью прианодными мембранами 31 и 32, трубчатыми пористыми подложками 33, прикатодными и прианодными дренажными сетками 34 и 35 соответственно, а ретентат выводится из аппарата через штуцер вывода ретентата первой ступени 4 в верхней крышке 1, фиг. 1, 2, 3, 6, 7.

При заполнении камеры для пермеата первой ступени 9 подача разделяемого раствора в плоскокамерный модуль прекращается и включается компрессор, через штуцер подачи воздуха 8 нагнетается давление в камеру для пермеата первой ступени 9, фиг. 1, 2, 3, 6, 7 . Обратные клапаны 15, установленные на корпусе плоскокамерного модуля 11, препятствует попаданию пермеата из камеры для пермеата первой ступени 9 обратно в каналы 14, фиг. 6, 7. Уровень пермеата в камере для пермеата первой ступени 9 отслеживается посредством поплавкового уровнемера 19, фиг. 1, 2, 3, 5, 7.

Одновременно с включением компрессора на клеммы для подвода постоянного электрического тока - катод 25 и анод 26, выполненных в виде цилиндрических шпилек, контактирующих с пластинами электрод-катодом 27 и электрод-анодом 28, фиг. 1, 2, 3, 5, 6, 7, соединенными с прикатодными и прианодными дренажными сетками 34, 35 трубчатого мембранного модуля 10 соответственно, фиг. 5, 8, 9, 10, подается внешнее напряжение, которое устанавливает заданную постоянную плотность тока в пермеате первой ступени.

Растворенные вещества в пермеате первой ступени диссоциируют на ионы (анионы и катионы), фиг. 8, 9, 10.

Под действием давления, нагнетаемого компрессором через штуцер подачи воздуха 8, пермеат первой ступени подается в трубчатый мембранный модуль 10, фиг. 5, 6, 7.

Под действием электрического тока из камеры разделения трубчатого мембранного модуля 10 анионы и катионы проникают через прикатодные и прианодные мембраны второй ступени 31, 32 соответственно, трубчатые пористые подложки 33, и по прикатодным и прианодным дренажным сеткам 34, 35, в потоках прикатодного и прианодного пермеата по прикатодным и прианодным каналам 29, 30 трубчатого мембранного модуля 10 собираются в прикатодной и прианодной камерах для пермеата второй ступени 36, 37, разделенных диэлектрической перегородкой 38, фиг. 5, 8, 9, 10, и через штуцеры отвода прикатодного и прианодного пермеата 6, 7 выводятся из аппарата, при этом образовавшийся ретентат второй ступени через штуцер вывода ретентата второй ступени 5 также выводится из аппарата, фиг. 2, 4, 6, 7.

При опустошении камеры разделения для пермеата первой ступени компрессор выключается, подача воздуха через штуцер подачи воздуха 8 прекращается, при этом с клемм для подвода постоянного электрического тока - катода 25 и анода 26 напряжение снимается, подача исходного раствора в плоскокамерный модуль через штуцер ввода разделяемого раствора 3 возобновляется и процесс повторяется.

Дифференцированное выделение ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата второй ступени разделения раствора позволяет получать растворы, обогащенные катионами и анионами, в виде оснований, кислот и растворенных газов, соответственно, фиг. 5, 8, 9, 10.

Увеличение площади разделения плоскокамерного модуля первой ступени и трубчатого модуля второй ступени разделения, повышение качества и эффективности разделения растворов, достигается тем, что плоскокамерный модуль включает семь камер разделения, при этом высота корпуса плоскокамерного модуля равна высоте корпуса трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из верхней и нижней крышек, фиг. 1, 2, 6, 7, трубчатый мембранный модуль второй ступени состоит из чередующихся в горизонтальной плоскости двадцати прикатодных и двадцати прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток соответственно, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, фиг. 5, 6, 7.

Снижение гидравлического сопротивления в каналах для отвода пермеата первой ступени плоскокамерного модуля осуществляется за счет того, что с каждой камеры разделения пермеат отводится по каналу для отвода пермеата от плоских мембранных элементов в корпусе плоскокамерного модуля, в камеру для пермеата первой ступени, фиг. 6, 7.

Таким образом, разделение раствора происходит в две стадии: на первой стадии раствор проходит через плоскокамерный модуль, а на второй - через трубчатый модуль, что обеспечивает высокую степень очистки раствора.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации. Плоскокамерный модуль включает семь камер разделения, при этом высота корпуса плоскокамерного модуля равна высоте корпуса трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из верхней и нижней крышек, трубчатый мембранный модуль второй ступени состоит из чередующихся в горизонтальной плоскости двадцати прикатодных и двадцати прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток соответственно, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, с каждой камеры разделения пермеат отводится по каналу для отвода пермеата от плоских мембранных элементов в корпусе плоскокамерного модуля, в камеру для пермеата первой ступени. Технический результат - увеличение площади разделения плоскокамерного модуля первой ступени и трубчатого модуля второй ступени разделения, повышение качества и эффективности разделения растворов, снижение гидравлического сопротивления в каналах для отвода пермеата первой ступени плоскокамерного модуля. 10 ил.

Электробаромембранный аппарат комбинированного типа состоит из двух крышек, имеющих штуцеры ввода разделяемого раствора, вывода ретентата, отвода пермеата и подачи воздуха для нагнетания давления в камеру для пермеата первой ступени, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода пермеата от плоских мембранных элементов, обратных клапанов, дренажных сеток, пористых подложек, мембран, поплавкового уровнемера, трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из чередующихся прикатодных и прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток, соединенных с пластинами электрод-катодом и электрод-анодом, контактирующих с клеммами для подвода постоянного электрического тока - катодом и анодом, выполненных в виде цилиндрических шпилек, прикатодных и прианодных камер для пермеата второй ступени, разделенных диэлектрической перегородкой, штуцеров для отвода прикатодного, прианодного пермеата второй ступени, уплотнителя трубчатого мембранного модуля, заглушек, манжет, прокладок, герметизирующей заливки, байонетного кольца, отличающийся тем, что плоскокамерный модуль включает семь камер разделения, при этом высота корпуса плоскокамерного модуля равна высоте корпуса трубчатого мембранного модуля второй ступени, состоящего из верхней и нижней крышек, трубчатый мембранный модуль второй ступени состоит из чередующихся в горизонтальной плоскости двадцати прикатодных и двадцати прианодных мембран, трубчатых пористых подложек, прикатодных и прианодных дренажных сеток соответственно, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, с каждой камеры разделения пермеат отводится по каналу для отвода пермеата от плоских мембранных элементов в корпусе плоскокамерного модуля, в камеру для пермеата первой ступени.