Электробаромембранный аппарат трубчатого типа Российский патент 2024 года по МПК B01D61/46 B01D63/06 

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 мембранный аппарат, приведенный в авторском свидетельстве СССР № SU 799779, кл. B01D 63/06, 1979. Он состоит из цилиндрического корпуса и выполненных на его внутренней поверхности продольных каналов, микропористой подложки, мембраны, торцевых решеток, центральной трубы с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, торцевых крышек. Недостатком данного аппарата является низкая производительность и качество разделения растворов, отсутствие турбулизации и охлаждения разделяемого (исходного) раствора, а также газоотведения в пространствах прикатодного и прианодного пермеата. Этот недостаток частично устранен в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат трубчатого типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2798919 C1, 28.06.2023. Бюл. № 19. Прототип состоит из цилиндрического корпуса с пазами в форме полуокружности, выполненного из диэлектрического материала, с расположенным на его внешней поверхности патрубком для ввода разделяемой жидкости, устройства для подвода электрического напряжения, микропористой подложки, служащей одновременно электродом-анодом, прианодной мембраны, решеток, концентричных фильтрующих элементов различной длины, повернутых друг относительно друга на 180°, с пазами в форме полуокружности, последовательно соединенных камер разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины с расположенной охлаждающей трубкой-турбулизатором по всей длине от штуцера ввода охлаждающей жидкости до штуцера вывода охлаждающей жидкости шириной, равной ширине цилиндрического корпуса от одной прижимной решетки до другой для фиксации охлаждающей трубки-турбулизатора по центру камеры разделения и высотой, равной 1/3 высоты камеры разделения, с переточными отверстиями для циркуляции разделяемого раствора и расположенными на равном расстоянии по всей ее ширине и в местах пазов в форме полуокружности по всей длине, центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом-катодом, прикатодной мембраны, торцевых крышек, в верхней части которых установлены газоотводчики для удаления образующихся в прикатодном и прианодном пространствах газов - кислорода и водорода, и имеющих штуцеры для кислого и щелочного пермеата.

Недостатками прототипа являются: малая площадь разделения раствора на единицу объема аппарата, низкая производительность и качество разделения растворов, сложность изготовления элементов аппарата, малоэффективная турбулизация и охлаждение разделяемого (исходного) раствора, повышенная способность образования застойных зон и высокая концентрационная поляризация.

Технический результат выражается увеличением площади разделения раствора на единицу объема аппарата, повышением производительности и качества разделения растворов, упрощением изготовления элементов аппарата, улучшением турбулизации и охлаждения разделяемого (исходного) раствора, уменьшением застойных явлений и снижением эффекта концентрационной поляризации на пути вывода ретентата и прикатодного, прианодного пермеата за счет того, что аппарат состоит из цилиндрического корпуса с пазами в форме полуокружности, выполненного из диэлектрического материала, с расположенным на его внешней поверхности патрубком для ввода разделяемой жидкости, устройства для подвода электрического напряжения, микропористой подложки, служащей одновременно электродом-анодом, прианодной мембраны, решеток, концентричных фильтрующих элементов различной длины, повернутых друг относительно друга на 180°, с пазами в форме полуокружности, последовательно соединенных камер разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины с расположенной охлаждающей трубкой-турбулизатором по всей длине от штуцера ввода охлаждающей жидкости до штуцера вывода охлаждающей жидкости шириной, равной ширине цилиндрического корпуса от одной прижимной решетки до другой для фиксации охлаждающей трубки-турбулизатора по центру камеры разделения и высотой, равной 1/3 высоты камеры разделения, с переточными отверстиями для циркуляции разделяемого раствора и расположенными на равном расстоянии по всей ее ширине и в местах пазов в форме полуокружности по всей длине, центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом-катодом, прикатодной мембраны, торцевых крышек, в верхней части которых установлены газоотводчики для удаления образующихся в прикатодном и прианодном пространствах газов - кислорода и водорода и имеющих штуцеры для кислого и щелочного пермеата, отличающийся тем, что на внутренних поверхностях корпуса и концентричных фильтрующих элементов различной длины на одинаковом расстоянии друг от друга выполнены пазы в форме полуокружности с уложенными по всей поверхности прианодной, прикатодной дренажной сеткой, соединенной с продольными каналами в решетке, микропористой подложкой, служащей электродом-анодом, электродом-катодом, прианодной, прикатодной мембраной соответственно, в охлаждающей трубке-турбулизаторе имеются переточные отверстия в форме гиперболоида для циркуляции разделяемого раствора и расположенные на равном расстоянии по всей ее ширине и в местах пазов в форме полуокружности по всей длине, штуцеры для кислого и щелочного пермеата расположены в нижней части торцевых крышек, герметично установленный во внутренней поверхности центральной трубы патрубок, служащий для вывода продуктов разделения, выполнен с раструбом.

На фиг. 1 изображен электробаромембранный аппарат трубчатого типа, продольный разрез, фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1., фиг. 3 - выносной элемент Б на фиг. 2, схема миграции анионов и катионов в камере разделения.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из цилиндрического корпуса 1 с пазами в форме полуокружности, патрубка 2 для ввода разделяемой жидкости, устройства 3 для подвода электрического напряжения, продольных каналов 4, прианодной дренажной сетки 5, микропористой подложки 6, служащей одновременно электродом-анодом, прианодной мембраны 7, решеток 8, концентричных фильтрующих элементов 9 различной длины с пазами в форме полуокружности и переточными каналами 10, последовательно соединенных камер разделения 11, центральной трубы 12 с отверстием 13, патрубка 14 с раструбом, прикатодной дренажной сетки 15, внешней поверхности микропористой подложки 16, служащей электродом-катодом, прикатодной мембраны 17, торцевых крышек 18, имеющих штуцеры 19 и 20 для кислого и щелочного пермеата соответственно, газоотводчиков 21, охлаждающей трубки-турбулизатора 22 с переточными отверстиями 23 в форме гиперболоида для циркуляции разделяемого раствора, штуцеров 24 и 25 для ввода и вывода охлаждающей жидкости соответственно, прижимных решеток 26.

Электробаромембранный аппарат работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через патрубок 2 поступает в ближайшую к корпусу 1 камеру разделения 11, фиг. 1, 2, 3. Двигаясь по всем камерам разделения 11, фиг. 2, 3, раствор перемешивается, циркулируя по переточным отверстиям 23 в форме гиперболоида, фиг. 3, охлаждающей трубки-турбулизатора 22, расположенной внутри камеры разделения 11. После заполнения аппарата жидкостью на клеммы 3 подается постоянное электрическое напряжение, фиг. 1, 2, вызывающее определенную плотность тока в растворе. Под действием электрического поля анионы транспортируются через прианодную мембрану 7 к микропористой подложке 6, служащей одновременно электродом-анодом, расположенным на корпусе 1, фиг. 2, 3. Катионы транспортируются через прикатодную мембрану 17 к поверхности ближайшей микропористой подложки 16, служащей электродом-катодом. В результате электрохимических реакций в прикатодном и прианодном пространствах образуются, соответственно, щелочь и кислота, а также выделяются различные газы. Щелочь и кислота вымываются пермеатом, продавливаемым под действием перепада давления через мембраны, а выделившиеся газы - кислород и водород, через газототводчики 21, фиг. 1, удаляются в специальные емкости. Далее пермеат перемещается по прианодной и прикатодной дренажным сеткам 5 и 15, соответствующим продольным каналам 4 и выводится из аппарата через штуцеры 19 и 20 для кислого и щелочного пермеата, расположенные в нижней части торцевых крышек, фиг. 1. Разделяемая жидкость через переточный канал 10 в концентричном фильтрующем элементе 9 различной длины поступает в следующую камеру разделения 11, расположенную ближе к центру аппарата, где происходят аналогичные описанным выше процессы, фиг. 1, 2.

Таким образом, из раствора, последовательно протекающего по всем камерам аппарата в форме анионов и катионов, удаляются растворенные вещества. Обедненный раствор отводится через отверстие 13 в центральную трубу 12, а далее через патрубок 14 с раструбом, выводится из аппарата, фиг. 1.

Одновременно с подачей разделяемого раствора через штуцер ввода охлаждающей жидкости 24 подается охлаждающий агент (например, водопроводная вода), заполняя всю охлаждающую трубку-турбулизатор 22 с переточными отверстиями 23 в форме гиперболоида, фиг. 3, во всех камерах разделения 11 шириной от одной прижимной решетки 26 до другой, фиг. 1, отводя избыток тепла от разделяемого раствора, и выводится через штуцер вывода охлаждающей жидкости 25, фиг. 2.

Увеличение площади разделения раствора на единицу объема аппарата, повышение производительности и качества разделения растворов, упрощение изготовления элементов аппарата, фиг. 1, 2, достигается за счет того, что на внутренних поверхностях корпуса и концентричных фильтрующих элементов различной длины на одинаковом расстоянии друг от друга выполнены пазы в форме полуокружности с уложенными по всей поверхности прианодной, прикатодной дренажной сеткой, соединенной с продольными каналами в решетке, микропористой подложкой, служащей электродом-анодом, электродом-катодом, прианодной, прикатодной мембраной соответственно.

Результаты расчета общей площади разделения растворов в электробаромембранных аппаратах (представленный в данной работе и прототипа) представлены в таблице.

Параметры a, м d, м F _к,
м² F _кфэ,
м² F _цт,
м² F _об,
м² Аппарат трубчатого типа (прототип): 1,0 0,4 0,4699 2,8777 0,2278 3,5754 Аппарат трубчатого типа (представленный в данной работе): 1,0 0,4 0,5310 2,8918 0,1904 3,6130

где a и d - длина и диаметр корпуса аппарата, м;

- площадь мембраны корпуса, м²;

- общая площадь мембран концентричных фильтрующих элементов, м²;

- площадь мембраны центральной трубы, м²;

- общая площадь разделения растворов аппарата, м².

Улучшение турбулизации и охлаждения разделяемого (исходного) раствора, фиг. 1, 2, 3, достигается за счет того, что в охлаждающей трубке-турбулизаторе имеются переточные отверстия в форме гиперболоида для циркуляции разделяемого раствора и расположенные на равном расстоянии по всей ее ширине и в местах пазов в форме полуокружности по всей длине.

Уменьшение застойных явлений и снижение эффекта концентрационной поляризации на пути вывода ретентата и прикатодного, прианодного пермеата, фиг. 1, достигается за счет того, что штуцеры для кислого и щелочного пермеата расположены в нижней части торцевых крышек, герметично установленный во внутренней поверхности центральной трубы патрубок, служащий для вывода продуктов разделения, выполнен с раструбом.

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

Изобретение относится к разделению, концентрированию и очистке растворов и может быть использовано в химической, машиностроительной, пищевой промышленности, аграрном секторе. Отличительной особенностью электробаромембранного аппарата трубчатого типа является то, что на внутренних поверхностях корпуса и концентричных фильтрующих элементов выполнены пазы в форме полуокружности с уложенными по всей поверхности прианодной, прикатодной дренажной сеткой, соединенной с продольными каналами в решетке, микропористой подложкой, служащей электродом-анодом, электродом-катодом, прианодной, прикатодной мембраной соответственно. Переточные отверстия выполнены в форме гиперболоида для циркуляции разделяемого раствора. В нижней части торцевых крышек расположены штуцеры для кислого и щелочного пермеата. Патрубок, служащий для вывода продуктов разделения, герметично установлен во внутренней поверхности центральной трубы и выполнен с раструбом. Техническим результатом является увеличение площади разделения раствора на единицу объема аппарата, повышение производительности и качества разделения растворов, улучшение турбулизации и охлаждения разделяемого раствора, снижение эффекта концентрационной поляризации на пути вывода ретентата и прикатодного, прианодного пермеата. 3 ил., 1 табл.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа, состоящий из цилиндрического корпуса с пазами в форме полуокружности, выполненного из диэлектрического материала, с расположенным на его внешней поверхности патрубком для ввода разделяемой жидкости, устройства для подвода электрического напряжения, микропористой подложки, служащей одновременно электродом-анодом, прианодной мембраны, решеток, концентричных фильтрующих элементов различной длины, повернутых друг относительно друга на 180°, с пазами в форме полуокружности, последовательно соединенных камер разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины с расположенной охлаждающей трубкой-турбулизатором по всей длине от штуцера ввода охлаждающей жидкости до штуцера вывода охлаждающей жидкости шириной, равной ширине цилиндрического корпуса от одной прижимной решетки до другой для фиксации охлаждающей трубки-турбулизатора по центру камеры разделения и высотой, равной 1/3 высоты камеры разделения, с переточными отверстиями для циркуляции разделяемого раствора и расположенными на равном расстоянии по всей ее ширине и в местах пазов в форме полуокружности по всей длине, центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом-катодом, прикатодной мембраны, торцевых крышек, в верхней части которых установлены газоотводчики для удаления образующихся в прикатодном и прианодном пространствах газов - кислорода и водорода и имеющих штуцеры для кислого и щелочного пермеата, отличающийся тем, что на внутренних поверхностях корпуса и концентричных фильтрующих элементов различной длины на одинаковом расстоянии друг от друга выполнены пазы в форме полуокружности с уложенными по всей поверхности прианодной, прикатодной дренажной сеткой, соединенной с продольными каналами в решетке, микропористой подложкой, служащей электродом-анодом, электродом-катодом, прианодной, прикатодной мембраной соответственно, в охлаждающей трубке-турбулизаторе имеются переточные отверстия в форме гиперболоида для циркуляции разделяемого раствора и расположенные на равном расстоянии по всей ее ширине и в местах пазов в форме полуокружности по всей длине, штуцеры для кислого и щелочного пермеата расположены в нижней части торцевых крышек, герметично установленный во внутренней поверхности центральной трубы патрубок, служащий для вывода продуктов разделения, выполнен с раструбом.