Электродиализатор с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора Российский патент 2024 года по МПК B01D61/42 

Изобретение относится к области очистки, разделения и концентрирования растворов электродиализным методом. Применение возможно в химической, нефтегазовой, пищевой, микробиологической, текстильной и других отраслях промышленности.

Аналогом предлагаемой конструкции является многокамерный электродиализатор глубокой деминерализации, представленный в патенте № 2380145 RU, 12.12.2007. Данный электродиализатор состоит из электродных камер, чередующихся катионообменных и анионообменных мембран, образующих камеры обессоливания и концентрирования, в которых расположены гранулы катионообменной и анионообменной смолы, при этом гранулы катионообменной смолы расположены слоем в одно зерно и соприкасаются с катионообменной мембраной, гранулы анионообменной смолы расположены слоем в одно зерно и соприкасаются с анионообменной мембраной, между гранулами катионообменной смолы и гранулами анионообменной смолы расположена сетчатая прокладка из непроводящего материала, нити которой образуют ячейки, причем гранулы катионообменной и анионообменной смолы имеют диаметр, больший размера ячейки сетчатой прокладки и меньший суммарного размера ячейки и диаметра нити сетчатой прокладки. Минусами конструкции являются недостаточная турбулизация разделяемого раствора и отсутствие охлаждения разделяемого раствора, что влечет за собой потерю качества разделяемого раствора и температурную нагрузку на мембраны.

Еще одним аналогом данной конструкции является электродиализатор, приведенный в патенте № 2225746 RU, 28.01.2003 г. В состав электродиализатора входят две прижимные плиты, входные каналы для подачи разделяемого раствора – концентрата, разделяемого раствора – дилюата и растворов для омывания электродов, выходные каналы для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Недостатками так же являются отсутствие охлаждения разделяемого раствора и слабая турбулизация разделяемого раствора, что влечет за собой потерю качества разделяемого раствора и температурную нагрузку на мембраны.

Прототипом данной конструкции является электродиализатор, представленный в патенте RU 2756590 C1, 1.10.2021 г. Электродиализатор с улучшенной производительностью и охлаждением включает в себя две прижимные плиты, входные каналы для подачи разделяемого раствора – концентрата, разделяемого раствора – дилюата и растворов для омывания электродов, выходные каналы для вывода концентрата, дилюата и растворов для омывания электродов, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Главное отличие заключается в том, что в электродиализаторе уменьшена толщина прижимных плит, и введено соосное расположение входных и выходных штуцеров, позволяющие увеличить количество ионообменных мембран и камер разделения, приходящихся на единицу объема аппарата, толщина стенок охлаждающих трубок так же уменьшена для обеспечения большей эффективности охлаждения, а внутрь охлаждающих трубок добавлены спиральные направляющие, обеспечивающие требуемую жесткость трубок и дополнительную турбулизацию охлаждающей жидкости. Недостатками являются сложность изготовления прокладок спейсеров, сложность в обеспечении герметичности камер разделения в местах, соприкасающихся с охлаждающими трубками, повышенное гидродинамическое сопротивление жидкости при движении внутри прижимных плит из-за расположения входных и выходных штуцеров, недостаточная на данный момент эффективность разделения.

Технический результат выражается в повышении производительности электродиализатора в следствие увеличения пропускной способности разделительных прокладок-спейсеров за счет увеличения их толщины и оптимизации свободного пространства внутри них, в повышении эффективности разделения электродиализатора в следствие увеличения общей полезной площади мембран за счет оптимизации свободного пространства внутри прокладок-спейсеров, в увеличении эффективности охлаждения разделяемого раствора и внутренних элементов аппарата в следствие более длительного взаимодействия раствора с охлаждающей жидкостью за счет лабиринтного построения свободного пространства прокладок-спейсеров и поперечного расположения охлаждающих трубок в них относительно направления сборки пакета чередующихся мембран и прокладок-спейсеров, а также в уменьшенных гидродинамических сопротивлении и кавитации при движении разделяемого раствора внутри плит корпуса аппарата за счет уменьшения толщины плит корпуса и расположения входных и выходных каналов для подачи и вывода разделяемого раствора на их торцевой поверхности.

На фиг. 1 изображен электродиализатор с повышенной турбулизацией и охлаждением в собранном состоянии в изометрии; фиг. 2 – вид спереди и вид сзади; фиг. 3 – разрез А-А и вид Б; 4 – электрод и подкладка под электрод в изометрии; фиг. 5 – прианодная и прикатодная прокладки-спейсеры в изометрии; фиг. 6 – прокладки-спейсеры для дилюата и концентрата в изометрии; фиг. 7 – форма ионообменных мембран; фиг. 8 – схема сборки мембранной ячейки.

Электродиализатор с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора состоит из двух плит корпуса 1 и 2 с анодом и катодом соответственно, двух металлических пластин 3 и ряда полных пакетов 4 чередующихся мембран и прокладок-спейсеров, которые скрепляются четырьмя болтами 5, восемью упорными шайбами 6, восемью шайбами 7 и четырьмя гайками 8 (фиг. 1, 2). Ровное расположение мембран относительно торцевой поверхности аппарата обеспечивается двумя тонкими шпильками 9. Плита корпуса 1 с анодом (фиг. 1) включает в себя входные каналы 10 и съемные штуцеры 11 для подачи разделяемого раствора – дилюата, входные каналы 12 и съемные штуцеры 13 для подачи разделяемого раствора – концентрата, входной канал 14 и съемный штуцер 15 для подачи и выходной канал 16 и съемный штуцер 17 для вывода приэлектродного раствора. Подложка 18 и электрод 19 вставляются в паз глубиной 4 мм, повторяющий по форме электрод (фиг. 3, 4). Для подачи электрического тока к ячейке провод 20 вставляют в г-образное цилиндрическое отверстие 21 и соединяют его с продолговатым окончанием электрода 19 с помощью паяного шва 22, при этом все оставшиеся пустоты заполняются изоляционным герметиком 23. Прианодная прокладка-спейсер 24 (фиг. 5) с габаритными размерами 120 х 120 х 2 мм включает в себя четыре прямые трубки 25, два отверстия 26 для протекания разделяемого раствора – дилюата и два отверстия 27 для протекания разделяемого раствора – концентрата. Прикатодная прокладка-спейсер 28 (фиг. 5) с аналогичными габаритными размерами включает в себя четыре прямые трубки 25, два отверстия 29 для протекания разделяемого раствора – дилюата и два отверстия 30 для протекания разделяемого раствора – концентрата. Прокладка-спейсер для дилюата 31 (фиг. 6) по габаритным размерам соответствует прианодной 24 и прикатодной 28 прокладкам-спейсерам, выполняется в виде лабиринта и включает в себя две прямые трубки 25 и две изогнутые по середине трубки 32, две короткие направляющие-держатели 33 с отверстиями под охлаждающие трубки, две длинные направляющие-держатели 34 с отверстиями под охлаждающие трубки, входные 35 и выходные 36 отверстия для протекания разделяемого раствора – дилюата, отверстия 37 для протекания разделяемого раствора – концентрата. Для каждой второй прокладки-спейсера для дилюата 31 входные 35 и выходные 36 отверстия для протекания разделяемого раствора – дилюата меняются местами – входным становится отверстие 36, отверстие 35 – выходным. Прокладка-спейсер для концентрата 38 (фиг. 6) по габаритным размерам так же соответствует прианодной 24 и прикатодной 28 прокладкам-спейсерам, выполняется в виде лабиринта и включает в себя две прямые трубки 25 и две изогнутые по середине трубки 32, две короткие направляющие-держатели 39 с отверстиями под охлаждающие трубки, две длинные направляющие-держатели 40 с отверстиями под охлаждающие трубки, входные 41 и выходные 42 отверстия для протекания разделяемого раствора – концентрата, отверстия 43 для протекания разделяемого раствора – дилюата. Для каждой второй прокладки-спейсера для концентрата 38 входные 41 и выходные 42 отверстия для протекания разделяемого раствора – концентрата меняются местами – входным становится отверстие 42, отверстие 41 – выходным. Все ионообменные мембраны повторяют форму прокладок-спейсеров (фиг. 7). В нечетной анионообменной мембране 44 выполняют два отверстия 45 для протекания разделяемого раствора – дилюата, совпадающих с отверстиями 26 и 35 на прокладках-спейсерах, и четыре отверстия 46 для протекания разделяемого раствора – концентрата, совпадающих с отверстиями 27 и 37 прокладках-спейсерах. В четной анионообменной мембране 47 выполняют два отверстия 48 для протекания разделяемого раствора – дилюата, совпадающих с отверстиями 36 и 43 на прокладках-спейсерах, и четыре отверстия 49 для протекания разделяемого раствора – концентрата, совпадающих с отверстиями 37 и 42 прокладках-спейсерах. В нечетной катионообменной мембране 50 выполняют два отверстия 51 для протекания разделяемого раствора – концентрата, совпадающих с отверстиями 37 и 41 на прокладках-спейсерах, и четыре отверстия 52 для протекания разделяемого раствора – дилюата, совпадающих с отверстиями 26 и 43 прокладках-спейсерах. В четной катионообменной мембране 53 выполняют два отверстия 54 для протекания разделяемого раствора – концентрата, совпадающих с отверстиями 37 и 42 на прокладках-спейсерах, и четыре отверстия 55 для протекания разделяемого раствора – дилюата, совпадающих с отверстиями 35 и 43 прокладках-спейсерах. Последовательно уложенные в порядке «нечетная анионообменная мембрана 44 → первая прокладка-спейсер для дилюата 31 → нечетная катионообменная мембрана 50 → первая прокладка-спейсер для концентрата 38 → четная анионообменная мембрана 47 → вторая прокладка-спейсер для дилюата 31 → четная катионообменная мембрана 53 → вторая прокладка-спейсер для концентрата 38» необходимо рассматривать как один полный пакет чередующихся мембран и прокладок-спейсеров (фиг. 8). В конце последнего полного пакета вторая прокладка-спейсер для концентрата 38 не устанавливается. Вместо нее необходимо установить прикатодную прокладку-спейсер 28. Плита корпуса 2 (фиг. 2) с анодом включает в себя выходные каналы 56 и съемные штуцеры 57 для вывода разделяемого раствора – дилюата, выходные каналы 58 и съемные штуцеры 59 для вывода разделяемого раствора – концентрата, входной канал 60 и съемный штуцер 61 для подачи и выходной канал 62 и съемный штуцер 63 для вывода приэлектродного раствора. Размещение подложки 18 и электрода 19, а также его подключение к источнику тока в плите корпуса 2 с катодом происходит аналогичным образом, как и в плите корпуса 1 с анодом.

Плиты корпуса 1 и 2, два входных штуцера 11 для подачи разделяемого раствора – дилюата, два входных штуцера 13 для подачи разделяемого раствора – концентрата, два выходных штуцера 57 для вывода разделяемого раствора – дилюата, два выходных штуцера 59 для вывода разделяемого раствора – концентрата, входные 15, 61 и выходные 17, 63 штуцеры для подачи и вывода раствора для приэлектродного раствора могут быть изготовлены из полиэтилена низкого давления, капролона ПА-6, фторопласта Ф-4, текстолита ПТК, стеклотекстолита СТЭФ. В качестве анионообменных 44, 47 могут использоваться мембраны марок МА-40, МА-41, МА-41И, PC Acid, Ralex AM и т.д., а в качестве катионообменных мембран 50, 53 – МК-40, МК-40Л, МК-41ИЛ, MФ-4СК, Ralex CM, Nafion-117 и т.д. Материалом для прокладок-спейсеров 24, 28, 31 и 38 служит поливинилхлорид, полипропилен или литьевой силикон. Подложки могут выполняются в виде крупнозернистой сетки из полиэтилена низкого давления, поливинилхлорида или полипропилена. Два электрода 19 могут изготавливаться из нержавеющей стали или платинированного титана. Охлаждающие трубки 25 и 32 могут быть изготовлены из силикона или поливинилхлорида, а в качестве охлаждающей воды используется водопроводная вода с температурой от 5 до 15°С. Металлические пластины 3 могут изготовляться из стали марок 3, 15, 30, 45. Болты 5, упорные шайбы 6, шайбы 7 и гайки 8 являются стандартизированными изделиями и изготавливаются по действующим ГОСТам.

Работа электродиализатора с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора (фиг. 1) осуществляется следующим образом. Раздельными потоками через два штуцера 11 и два канала 10 для подачи разделяемого раствора – дилюата и через два штуцера 13 и два канала 12 для подачи разделяемого раствора – концентрата в плите корпуса 1 с анодом (фиг. 2, 3) к ряду полных пакетов 4 чередующихся мембран и прокладок-спейсеров подается разделяемый раствор – дилюат и разделяемый раствор – концентрат соответственно.

Далее поток разделяемого раствора – дилюата через два отверстия 26 для протекания разделяемого раствора – дилюата в прианодной прокладке-спейсере 24 (фиг. 5), два отверстия 45 для протекания разделяемого раствора – дилюата в нечетной анионообменной мембране 44 (фиг. 7) и входные отверстия 35 разделяемый раствор – дилюат поступает в первую прокладку-спейсер 31 для дилюата (фиг. 6). Разделяемый раствор – дилюат, двигаясь внутри первой прокладки-спейсера 31 для дилюата по каналу лабиринтного типа, образованного двумя короткими направляющими-держателями 33 с отверстиями под охлаждающие трубки и двумя длинными направляющими-держателями 34 с отверстиями под охлаждающие трубки, одновременно охлаждается и турбулизируется за счет наличия охлаждающих трубок 25 и 32 с проточной водой. После этого через выходные отверстия 36 в первой прокладке-спейсере 31 для дилюата (фиг. 6), два отверстия 52 для протекания разделяемого раствора – дилюата в нечетной катионообменной мембране 50 (фиг. 7) и два отверстия 43 для протекания разделяемого раствора – дилюата в первой прокладке-спейсере 38 для концентрата разделяемый раствор – дилюат выводится во вторую прокладку-спейсер 31 для дилюата, где через выходные отверстия 36, ставшие в каждой второй прокладке-спейсере 31 для дилюата входными, начинает так же двигаться по каналу лабиринтного типа, образованного двумя короткими направляющими-держателями 33 с отверстиями под охлаждающие трубки и двумя длинными направляющими-держателями 34 с отверстиями под охлаждающие трубки. Далее разделяемый раствор – дилюат движется аналогичным образом через все полные пакеты 4 (фиг. 1) чередующихся мембран и прокладок-спейсеров вплоть до прикатодной прокладки-спейсера 28, где проходит через два отверстия 29 для протекания разделяемого раствора – дилюата, два выходных канала 56 и съемных штуцера 57 для вывода разделяемого раствора – дилюата и выводится из аппарата.

Параллельно с потоком разделяемого раствора – дилюата в пакетах 4 чередующихся мембран и прокладок-спейсеров поток разделяемого раствора – концентрата движется через два отверстия 27 для протекания разделяемого раствора – концентрата в прианодной прокладке-спейсере 24 (фиг. 4), два отверстия 46 для протекания разделяемого раствора – концентрата в нечетной анионообменной мембране 44 (фиг. 7), два отверстия 37 для протекания разделяемого раствора – концентрата в первой прокладке-спейсере 31 для дилюата, два отверстия 51 для протекания разделяемого раствора – концентрата в нечетной катионообменной мембране 50 и через входные отверстия 41 разделяемый раствор – концентрат попадает в первую прокладку-спейсер 38 для концентрата. Разделяемый раствор – концентрат, двигаясь внутри первой прокладки-спейсера 38 для концентрата по каналу лабиринтного типа (фиг. 6), образованного двумя короткими направляющими-держателями 39 с отверстиями под охлаждающие трубки и двумя длинными направляющими-держателями 40 с отверстиями под охлаждающие трубки, одновременно охлаждается и турбулизируется за счет наличия охлаждающих трубок 25 и 32 с проточной водой. После этого через выходные отверстия 42 в первой прокладке-спейсере 38 для концентрата, два отверстия 49 для протекания разделяемого раствора – дилюата в четной анионообменной мембране 47 (фиг. 7) и два отверстия 37 для протекания разделяемого раствора – концентрата во второй прокладке-спейсере 31 для дилюата и отверстия 54 протекания разделяемого раствора – концентрата разделяемый раствор – концентрат выводится во вторую прокладку-спейсер 38 для концентрата, где через выходные отверстия 42, ставшие в каждой второй прокладке-спейсере 38 для концентрата входными, начинает так же двигаться по каналу лабиринтного типа, образованного двумя короткими направляющими-держателями 39 с отверстиями под охлаждающие трубки и двумя длинными направляющими-держателями 40 с отверстиями под охлаждающие трубки. Далее разделяемый раствор – концентрат движется аналогичным образом через все полные пакеты 4 чередующихся мембран и прокладок-спейсеров вплоть до прикатодной прокладки-спейсера 28, где проходит через два отверстия 30 для протекания разделяемого раствора – дилюата, два выходных канала 58 и съемных штуцера 59 для вывода разделяемого раствора – дилюата и выводится из аппарата.

Одновременно с потоками разделяемого раствора – дилюата и разделяемого раствора – концентрата через входные каналы 14 и 60 и штуцеры 15 и 61 (фиг. 2) в электродиализатор с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора в приэлектродные камеры поступают анолит и католит соответственно, образующиеся за счет миграции анионов и катионов крайние нечетную анионообменную 44 и четную катионообменную 53 мембраны к электродам 19 (аноду и катоду соответственно). Выводятся анолит и католит из приэлектродных камер электродиализатора с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора через выходные каналы 16 и 62 и штуцеры 17 и 63.

Прямые трубки 25, вставляемые в прианодную прокладку-спейсер 24, прикатодную прокладку-спейсер 28, прокладку-спейсер для дилюата 31, прокладку-спейсер для концентрата 38, имеют внешний диаметр 1 мм и толщину стенки 0,25 мм. В прианодной прокладке-спейсере 24 и прикатодной прокладке-спейсере 28 четыре прямые трубки 25 расположены на расстоянии 16 мм друг от друга и симметрично относительно горизонтальной средней линии прокладок-спейсеров. В прокладке-спейсере для дилюата 31 и прокладке-спейсере для концентрата 38 расположены две прямые трубки 25, проходящие через две короткие направляющие-держатели 33 с отверстиями под охлаждающие трубки, две длинные направляющие-держатели 34 с отверстиями под охлаждающие трубки и две короткие направляющие-держатели 39 с отверстиями под охлаждающие трубки, две длинные направляющие-держатели 40 с отверстиями под охлаждающие трубки соответственно, а вместо двух крайних прямых трубок 25 в прокладках-спейсерах расположены две изогнутые по середине трубки 32 – верхняя изогнута вверх, нижняя – вниз. Изгиб центральной части данных трубок выполняется под углом 43-45°, при этом отогнутая часть трубок располагается в отверстиях в длинных направляющих-держателях 34 и 40. Внешний диаметр и толщина стенок этих трубок аналогична прямым трубкам 25.

Короткие направляющие-держатели 33 с отверстиями под охлаждающие трубки и две длинные направляющие-держатели 34 с отверстиями под охлаждающие трубки в прокладке-спейсере для дилюата 31 и две короткие направляющие-держатели 39 с отверстиями под охлаждающие трубки, две длинные направляющие-держатели 40 с отверстиями под охлаждающие трубки в прокладке-спейсере для концентрата 38 располагаются на расстоянии 22 мм друг от друга и симметрично относительно вертикальной средней линии прокладок-спейсеров.

За счет уменьшения толщины прижимных плит и соосного расположения штуцеров достигнуто увеличение полезной площади разделения растворов и упрощение конструкции аппарата и массы заготовки Сравнение характеристик предлагаемой конструкции и прототипа при использовании 24 анионообменных и 24 катионообменных мембран представлены в таблице ниже.

Таблица. Сравнительные характеристики

Параметр Данная
конструкция Прототип Габариты, см 16х16х20,4 22,6х22,6х19,1 Ширина одной прижимной плиты, см 18 30 Общая ширина пакетов мембран и прокладок, см 122 70 Количество катионообменных мембран, шт. 24 24 Количество анионообменных мембран, шт. 24 24 Суммарная активная площадь
анионообменных мембран, см² 1970,98 1955,23 Суммарная активная площадь
катионообменных мембран, см² 1970,98 1873,77 Количество камер обессоливания, шт. 24 24 Количество камер концентрирования, шт. 23 23 Общий объем камер обессоливания, см³ 394,196 210 Общий объем камер концентрирования, см³ 377,771 201,25 Масса, кг до 4,5 до 5

Изобретение относится к области очистки, разделения и концентрирования растворов электродиализным методом. Применение возможно в химической, нефтегазовой, пищевой, микробиологической, текстильной и других отраслях промышленности. Электродиализатор с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора, включает в себя две плиты корпуса с анодом и катодом, входные каналы для подачи разделяемого раствора (дилюата), разделяемого раствора (концентрата) и приэлектродного раствора для, выходные каналы для вывода разделяемого раствора (дилюата), разделяемого раствора (концентрата) и приэлектродного раствора, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров. Электродиализатор отличается тем, имеет увеличенную толщину разделительных прокладок-спейсеров, увеличенную общую полезную площадь мембран, лабиринтное построение свободного пространства прокладок-спейсеров для дилюата и концентрата с помощью расположения в них двух коротких и двух длинных направляющих-держателей, охлаждение разделяемого раствора за счет расположенных в приэлектродных прокладка-спейсерах поперек направления сборки аппарата четырех прямых охлаждающих трубок на расстоянии 16 мм друг от друга и симметрично относительно горизонтальной средней линии прокладки-спейсера, двух расположенных в прокладках-спейсерах для дилюата и концентрата поперек направления сборки аппарата прямых охлаждающих трубок на расстоянии 12 мм друг от друга и симметрично относительно горизонтальной средней линии прокладки-спейсера и двух изогнутых в центральной части под углом 43-45° трубок (верхняя изогнута вверх, нижняя - вниз), расположенных на расстоянии 8 мм от прямых трубок, уменьшенную толщину плит корпуса с расположением входных и выходных каналов для подачи и вывода разделяемого раствора на их торцевой поверхности. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить производительность электродиализатора. 8 ил., 1 табл.

Электродиализатор с улучшенной турбулизацией и охлаждением разделяемого раствора, включающий две плиты корпуса с анодом и катодом, входные каналы для подачи разделяемого раствора – дилюата, разделяемого раствора – концентрата и приэлектродного раствора для, выходные каналы для вывода разделяемого раствора – дилюата, разделяемого раствора – концентрата и приэлектродного раствора, пакеты чередующихся мембран и прокладок-спейсеров, и отличающийся тем, что имеет утолщенные разделительные прокладки-спейсеры, увеличенную общую полезную площадь мембран, лабиринтное построение свободного пространства прокладок-спейсеров для дилюата и концентрата с помощью расположения в них на расстоянии 22 мм друг от друга и симметрично относительно вертикальной средней линии прокладок-спейсеров двух коротких и двух длинных направляющих-держателей, охлаждение разделяемого раствора за счет расположенных в приэлектродных прокладка-спейсерах поперек направления сборки аппарата четырех прямых охлаждающих трубок на расстоянии 16 мм друг от друга и симметрично относительно горизонтальной средней линии прокладки-спейсера, двух расположенных в прокладках-спейсерах для дилюата и концентрата поперек направления сборки аппарата прямых охлаждающих трубок симметрично относительно горизонтальной средней линии прокладки-спейсера и двух изогнутых в центральной части под углом 43-45° трубок – верхняя изогнута вверх, нижняя – вниз, уменьшенную толщину плит корпуса с расположением входных и выходных каналов для подачи и вывода разделяемого раствора на их торцевой поверхности.