Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа Российский патент 2023 года по МПК B01D61/46 B01D61/18 B01D61/08 

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

Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Обратный осмос и ультрафильтрация». М.: Химия, 1978 стр. 111, 197-200. Он представляет собой однокамерный аппарат, состоящий из пористого анода и катода, прианодной и прикатодной мембран. Недостатками являются: малая площадь разделения при высоких энергозатратах на процесс разделения. Эти недостатки частично устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2791794 C1, 13.03.2023, Бюл. №8. Прототип состоит из диэлектрических фланцев корпуса, металлических пластин, прокладок, отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, болтов, шайб и гаек, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, диэлектрической сетки, фланцевой дренажной сетки, переточного окна, полимерного компаунда, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов, каналов для отвода прикатодного и прианодного пермеата, полимерной композиции, каналов ввода и вывода разделяемого раствора, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной”, выполненных с полостью в виде малой камеры разделения, малых прикатодных и прианодных мембран, малых прокладок, дренажной сетки, монополярно-пористых пластин электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористых пластин электрод-анод и малый электрод-анод, пористой прикатодной подложки из ватмана и малой пористой прикатодной подложки из ватмана, пористой прианодной подложки из ватмана и малой пористой прианодной подложки из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода прианодного и прикатодного ретентата, основных камер разделения, радиаторов охлаждения малых камер разделения, камерных штуцеров ввода и вывода охлаждающей жидкости, прямоугольных пластин вставок, полимерной заливки.

Недостатками прототипа являются: низкая производительность и качество разделения растворов, малоэффективная турбулизация и охлаждение разделяемого (исходного) раствора, высокая концентрационная поляризация и температурная нагрузка на мембраны.

Технический результат выражается повышением производительности и качества разделения растворов, высокоэффективной турбулизацией, охлаждением разделяемого (исходного) раствора, снижением эффекта концентрационной поляризации и температурной нагрузки на мембраны в основных камерах разделения за счет того, что аппарат состоит из диэлектрических фланцев корпуса, металлических пластин, прокладок, отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, болтов, шайб и гаек, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, диэлектрической сетки, фланцевой дренажной сетки, переточного окна, полимерного компаунда, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов, каналов для отвода прикатодного и прианодного пермеата, полимерной композиции, каналов ввода и вывода разделяемого раствора, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной”, выполненных с полостью в виде малой камеры разделения, малых прикатодных и прианодных мембран, малых прокладок, дренажной сетки, монополярно-пористых пластин электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористых пластин электрод-анод и малый электрод-анод, пористой прикатодной подложки из ватмана и малой пористой прикатодной подложки из ватмана, пористой прианодной подложки из ватмана и малой пористой прианодной подложки из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода прианодного и прикатодного ретентата, основных камер разделения, радиаторов охлаждения малых камер разделения, камерных штуцеров ввода и вывода охлаждающей жидкости, прямоугольных пластин вставок, полимерной заливки, отличающийся тем, что по центру каждой основной камеры разделения установлен радиатор охлаждения, представляющий собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, соединенный с штуцером ввода, вывода охлаждающей жидкости, переходной втулкой, установленной в вертикальном канале, проходящем через прокладку и горизонтальным каналом в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” для циркуляции охлаждающей жидкости.

На фиг. 1 изображен электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, продольный разрез; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1; фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 1; фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 1; фиг. 7 - выносной элемент Г увеличенный на фиг. 1, схема разделения в межмембранном канале.

Электробаромембранный аппарат состоит из диэлектрических фланцев корпуса 1, металлических пластин 2, прокладок 3, отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока 4, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата 5, 6, болтов 7, шайб 8 и гаек 9, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора 10, 11, диэлектрической сетки 12, фланцевой дренажной сетки 13, переточного окна 14, полимерного компаунда 15, двусторонних отверстий 16 для подвода электрических проводов 17, каналов для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18, 19, полимерной композиции 20, каналов ввода и вывода разделяемого раствора 21, 22, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 выполненных с полостью в виде малой камеры разделения 25 в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз до другую, высотой в три раза больше его толщины, а шириной равной ширине малой прикатодной и прианодной мембран 26, 27 соответственно, под малые прикатодные и прианодные мембраны 26, 27 на уплотнительной поверхности диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки 28 прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран 26, 27 соответственно, в месте установки дренажной сетки 29 с двух противоположных ее концов по плоской поверхности, установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод 30 и малый электрод-катод 31, монополярно-пористые пластины электрод-анод 32 и малый электрод-анод 33 соответственно, пористая прикатодная подложка из ватмана 34 и малая пористая прикатодная подложка из ватмана 35, пористая прианодная подложка из ватмана 36 и малая пористая прианодная подложка из ватмана 37 соответственно, прикатодная мембрана 38 и малая прикатодная мембрана 26, прианодная мембрана 39 и малая прианодная мембрана 27 соответственно, на диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 имеются установленные на передней и задней стенке камерные штуцера ввода исходного раствора 40 и вывода прианодного и прикатодного ретентата 41, 42 соответственно, которые размещены на расстоянии 30 мм и 70 мм и 50 мм и 90 мм соответственно от основания аппарата по центральной вертикальной оси камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 соответственно, основных камер разделения 43, по центру каждой малой камеры разделения 25 установлен радиатор охлаждения 44, представляющий собой изогнутую трубку в четырех местах на угол сто восемьдесят градусов и в местах соединения с камерными штуцерами ввода и вывода охлаждающей жидкости 45 и 46 на угол девяносто градусов, расположенных в одной плоскости, прямоугольных пластин вставок 47, полимерной заливки 48, по центру каждой основной камеры разделения 43 установлен радиатор охлаждения 49, представляющий собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, соединенный с штуцером ввода, вывода охлаждающей жидкости 50, 51, переходной втулкой 52, установленной в вертикальном канале 53, проходящем через прокладку 3 и горизонтальным каналом 54 в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 24 для циркуляции охлаждающей жидкости.

Чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24, диэлектрические фланцы корпуса 1, штуцеры ввода и вывода разделяемого раствора 10, 11, диэлектрическая сетка 12, штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 5, 6, камерные штуцеры ввода исходного раствора 40 и вывода прианодного и прикатодного ретентата 41, 42, радиаторы охлаждения 44 и 49, камерные штуцеры ввода и вывода охлаждающей жидкости 45 и 46, штуцеры ввода и вывода охлаждающей жидкости 50 и 51, переходная втулка 52 могут быть изготовлены из капролона.

Монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод 30 и 31, монополярно-пористые пластины электрод-анод 32 и малый электрод-анод 33 соответственно могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ как и прямоугольные пластины вставки 47.

Полимерная заливка 48, полимерный компаунд 15 и полимерная композиция 20 изготавливаются из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол, пластмассы или клея холодная сварка.

Фланцевая дренажная сетка 13, дренажная сетка 29 могут быть изготовлены из материала Х18Н9Т, Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Т1.

Прокладка 3 и малая прокладка 28 могут быть выполнены из паронита или прокладочной резины.

Металлические пластины 2 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.

В качестве прикатодных, прианодных мембран 38, 39 и малой прикатодной, прианодной мембран 26, 27 соответственно могут применяться изготовленные в виде ленты, полотна мембраны следующих типов МГА-95, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, ESNA, УАМ-150П, УПМ-П, УПМ-ПП, УПМ-50, УПМ-50М, УФМ-100, УФМ-50, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3, ММК, ММПА⁺, МПС, МФФК-Г, ММФ4, ММТ.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 10, расположенный на диэлектрическом фланце корпуса 1, фиг. 1, 2, 3, подается, минуя полимерную композицию 20 по каналу ввода разделяемого раствора 21, в первую основную камеру разделения 43, образованную прикатодной мембраной 38, прокладкой 3 и прианодной мембраной 39, образуя, таким образом, межмембранный канал в тех местах, где расположен радиатор охлаждения 49 и где он отсутствует в прямоугольном переточном окне 14, фиг. 1, 2, 6.

В этот же момент времени к чередующимся диэлектрическим камерам корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24, и диэлектрическим фланцам корпуса 1, фиг. 1, 2, включением устройства для подвода постоянного электрического тока 4 через электрические провода 17, проходящие в отверстиях 16, которые залиты полимерным компаундом 15 и соединенные с дренажными сетками 13 и 29, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.

Раствор, двигаясь, перемешивается за счет расположенного по центру каждой основной камеры разделения 43 радиатора охлаждения 49, представляющего собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, фиг. 6, и поступает к прикатодной и прианодной мембранам 38 и 39 соответственно, фиг. 1, 7, в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.

Из образовавшейся между прикатодными, прианодными мембранами 38, 39, расположенными на диэлектрическом фланце корпуса 1 и диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 24 и прокладкой 3 основной камеры разделения 43, фиг. 1, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 38 и 39, пористые прикатодные и прианодные подложки из ватмана 34 и 36, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод 30 и 32, фланцевые и дренажные сетки 13 и 29, уложенные последовательно друг на друге, проходят в пространстве между диэлектрическим фланцем корпуса 1 и монополярно-пористой пластиной электрод-катод 30 и в пространстве дренажной сетки 29 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 19 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 5 и 6 в виде оснований, кислот и газа в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.

Оставшиеся в основной камере разделения 43 анионы и катионы, движущиеся в ядре потока радиатора охлаждения 49, представляющего собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, фиг. 1, 6, 7, переходят через прямоугольное переточное окно 14, фиг. 1, межмембранного канала увеличенной площади в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 24, в следующую (вторую) основную камеру разделения 43, образованную соединенными между собой диэлектрическими камерами корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 23, фиг. 1, и прикатодными и прианодными мембранами 38 и 39 соответственно в виде кислот, оснований и газа в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, при этом в пространстве прямоугольного переточного окна 14 чередующихся диэлектрических камер корпуcа с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 образован межмембранный канал, который на всю ширину и высоту под прокладкой 3 и от прокладки 3 до прокладки 3 с одной стороны чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 по другую залит полимерной заливкой 48.

Раствор переходит из первой основной камеры разделения 43 во вторую основную камеру разделения 43 и далее по всем основным камерам разделения 43 через прямоугольные переточные окна 14 чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 всего аппарата, фиг. 1, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через прикатодные и прианодные мембраны 38 и 39 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18 и 19 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 5 и 6 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, а ретентат выводится, минуя полимерную композицию 20, по каналу вывода разделяемого раствора 22, фиг. 1.

Одновременно с подачей исходного раствора под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 10, расположенного на диэлектрическом фланце корпуса 1, фиг. 1, 2, 3, также подается исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ через камерные штуцеры ввода исходного раствора 40, фиг. 2, 3, 4, 5, 6, установленные на передней стенке диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 независимо для каждой диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 и поступает в малые камеры разделения 25, где перемешивается за счет установленного по центру каждой малой камеры разделения 25 радиатора охлаждения 44, фиг. 1, 4, 5 представляющего собой изогнутую трубку в четырех местах на угол сто восемьдесят градусов и в местах соединения с камерными штуцерами ввода и вывода охлаждающей жидкости 45 и 46 на угол девяносто градусов, расположенных в одной плоскости, фиг. 4, 5, при этом катионы проникают через малые прикатодные мембраны 26, малые пористые прикатодные подложки из ватмана 35, малые монополярно-пористые пластины электрод-катод 31, а анионы проникают через малые прианодные мембраны 27, малые пористые прианодные подложки из ватмана 37, малые монополярно-пористые пластины электрод-анод 33 соответственно в пространстве дренажной сетки 29 и отводятся самотеком в виде оснований, кислот и газа по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 18, 19 соответственно, предварительно объединяясь с потоками оснований, кислот и газа, образованных при разделении в основных камерах разделения 43 в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”. Отработанные растворы из малых камер разделения 25 каждой диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 23 и 24 в виде прианодного и прикатодного ретентата выводятся через установленные на задней стенке камерные штуцеры вывода прианодного и прикатодного ретентата 41, 42 соответственно, фиг. 2, 3, 4, 5, 6.

Исходный раствор, протекая по всем основным камерам разделения 43 последовательно через весь межмембранный канал от одного диэлектрического фланца корпуса 1 до второго диэлектрического фланца корпуса 1, фиг. 1, очищается от катионов и анионов в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, причем в прикатодном и прианодном пермеате содержатся различные растворенные газы, выделившиеся на монополярно-пористых пластинах электроде-катоде и электроде-аноде 30 и 32 соответственно в результате электрохимических реакций.

Одновременно с подачей разделяемого раствора через камерные штуцеры ввода охлаждающей жидкости 45 и штуцеры ввода охлаждающей жидкости 50 подается охлаждающий агент (например, водопроводная вода), заполняя радиаторы охлаждения 44 во всех малых камерах разделения 25 , фиг. 1, 2, 4, 5, и радиаторы охлаждения 49 первой, третьей и пятой основных камер разделения 43, представляющего собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, фиг. 1, 2, 6 и далее минуя переходную втулку 52, по вертикальному каналу 53, проходящему через прокладку 3 и горизонтальному каналу 54 в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 24 для циркуляции охлаждающей жидкости, минуя переходную втулку 52 подается в радиаторы охлаждения 49 второй, четвертой и последней основных камер разделения 43, в фиг. 1, 2, 6, отводя избыток тепла от разделяемого раствора, снижая при этом температурную нагрузку на малые прианодные и прикатодные мембраны 27, 26 и прикатодные и прианодные мембраны 38 и 39, и далее выводится через камерные штуцеры вывода охлаждающей жидкости 46 и штуцеры вывода охлаждающей жидкости 51, фиг. 4, 5.

Повышение производительности и качества разделения растворов, высокоэффективная турбулизация, охлаждение разделяемого (исходного) раствора, снижение эффекта концентрационной поляризации и температурной нагрузки на мембраны в основных камерах разделения, фиг. 1, 2, 6, достигается за счет того, что по центру каждой основной камеры разделения установлен радиатор охлаждения, представляющий собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, соединенный с штуцером ввода, вывода охлаждающей жидкости, переходной втулкой, установленной в вертикальном канале, проходящем через прокладку и горизонтальным каналом в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” для циркуляции охлаждающей жидкости.

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

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов и может быть использовано в химической, машиностроительной, пищевой промышленности, аграрном секторе. Отличительной особенностью электробаромембранного аппарата является то, что по центру каждой основной камеры разделения установлен радиатор охлаждения, представляющий собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, соединенный со штуцером ввода, вывода охлаждающей жидкости, переходной втулкой, установленной в вертикальном канале, проходящем через прокладку, и горизонтальным каналом в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” для циркуляции охлаждающей жидкости. Техническим результатом является повышение производительности и качества разделения растворов. 7 ил.

Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, состоящий из диэлектрических фланцев корпуса, металлических пластин, прокладок, отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, болтов, шайб и гаек, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, диэлектрической сетки, фланцевой дренажной сетки, переточного окна, полимерного компаунда, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов, каналов для отвода прикатодного и прианодного пермеата, полимерной композиции, каналов ввода и вывода разделяемого раствора, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной”, выполненных с полостью в виде малой камеры разделения, малых прикатодных и прианодных мембран, малых прокладок, дренажной сетки, монополярно-пористых пластин электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористых пластин электрод-анод и малый электрод-анод, пористой прикатодной подложки из ватмана и малой пористой прикатодной подложки из ватмана, пористой прианодной подложки из ватмана и малой пористой прианодной подложки из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода прианодного и прикатодного ретентата, основных камер разделения, радиаторов охлаждения малых камер разделения, камерных штуцеров ввода и вывода охлаждающей жидкости, прямоугольных пластин вставок, полимерной заливки, отличающийся тем, что по центру каждой основной камеры разделения установлен радиатор охлаждения, представляющий собой изогнутую трубку в восьми местах на угол сто восемьдесят градусов, соединенный со штуцером ввода, вывода охлаждающей жидкости, переходной втулкой, установленной в вертикальном канале, проходящем через прокладку и горизонтальным каналом в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” для циркуляции охлаждающей жидкости.