Электробаромембранный аппарат комбинированного типа Российский патент 2024 года по МПК B01D61/46 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 растворов, невозможность дифференцированного выделения ионов в потоках прикатодного и прианодного пермеата на промежуточной ступени разделения. Частично недостатки устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат комбинированного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2788625 C1, 23.01.2023. Бюл. № 3. Прототип состоит из двух крышек, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора, штуцеров вывода ретентата первой и второй ступени, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха, камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей, трубок трубчатого модуля, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, обратных клапанов, прианодной и прикатодной дренажных сеток, пористых подложек, прианодных и прикатодных мембран, поплавковых уровнемеров, прокладок, прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, байонетного кольца, клемм устройства для подвода электрического тока - анода и катода, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки, диэлектрических перегородок, монополярных электродов, камер вывода ретентата второй ступени, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, 3-х контурных модулей охлаждения типа «труба в трубе», переточных отверстий, переточных каналов.

Недостатками прототипа являются: малая площадь разделения раствора на единицу объема аппарата и наличие концентрационной поляризации, низкое качество и эффективность разделения растворов, малая поверхность охлаждения и высокое гидравлической сопротивление.

Технический результат выражается увеличением площади разделения раствора на единицу объема плоскокамерного модуля аппарата и снижением эффекта концентрационной поляризации, повышением качества и эффективности разделения растворов, увеличением поверхности охлаждения пермеата второй ступени и снижением гидравлического сопротивления за счет того, что аппарат состоит из двух крышек, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора, штуцеров вывода ретентата второй и первой ступени, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха, камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей, трубок трубчатого модуля, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, обратных клапанов, прианодной и прикатодной дренажных сеток, пористых подложек, прианодных и прикатодных мембран, поплавковых уровнемеров, прокладок, прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, байонетного кольца, клемм устройства для подвода электрического тока - анода и катода, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки, диэлектрических перегородок, монополярных электродов, камер вывода ретентата второй ступени, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, 3-х контурных модулей охлаждения типа «труба в трубе», переточных отверстий, переточных каналов, отличающийся тем, что в корпусе плоскокамерного модуля с противоположных сторон выполнены горизонтальные и вертикальные циркуляционные каналы разделяемого раствора, отделенные заглушками и соединяющие соседние камеры разделения, в 3-х контурных модулях охлаждения типа «труба в трубе» распложены на равном расстоянии друг от друга чередующиеся в вертикальной плоскости от камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени переточные отверстия гиперболоидной формы для циркуляции пермеата второй ступени и гиперболоидные переточные каналы для циркуляции охлаждающей воды.

На фиг. 1 изображен основной вид электробаромембранного аппарата комбинированного типа; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вид снизу; на фиг. 4 - горизонтальный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - сложный разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - сложный разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 7 - сложный разрез Г-Г на фиг. 4; на фиг. 8 - выносной элемент фиг. 7, схема миграции катионов, анионов и циркуляции разделяемого раствора в плоскокамерном модуле; на фиг. 9 - выносной элемент фиг. 7, схема циркуляции пермеата второй ступени; на фиг. 10 - выносной элемент фиг. 7, схема циркуляции охлаждающей воды.

Электробаромембранный аппарат комбинированного типа состоит из двух крышек 1 и 2, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора 3, штуцеров вывода ретентата второй и первой ступени 4 и 5, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха 6 и 7, камер для прианодного и прикатодного пермеата 8 и 9 первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей 10 и 11, трубок трубчатого модуля 12, корпуса плоскокамерного модуля 13, опорных колец 14 и 24, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата 15 и 16, обратных клапанов 17, прианодной и прикатодной дренажных сеток 18 и 32, пористых подложек 19, прианодных и прикатодных мембран 20 и 31, поплавковых уровнемеров 21, прокладок 22, прокладок 23 с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, заглушек 25, байонетного кольца 26, клемм устройства для подвода электрического тока - анода 27 и катода 28, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки 35 и 36, горизонтальных и вертикальных циркуляционных каналов 29 разделяемого раствора в корпусе плоскокамерного модуля 13, диэлектрических перегородок 30, монополярных электродов 33 и 34, камер вывода ретентата второй ступени 37, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды 38 и 39, 3-х контурных модулей охлаждения 40 типа «труба в трубе», переточных отверстий 41, переточных каналов 42.

Крышки 1, 2, штуцер ввода разделяемого раствора 3, штуцера вывода ретентата второй и первой ступени 4, 5, штуцеры вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха 6, 7, корпус плоскокамерного модуля 13, опорные кольца 14, 24, байонетное кольцо 26, диэлектрические перегородки 30, 3-х контурный модуль охлаждения 40 выполнены из диэлектрического материала капролон или полиамид-6.

Трубки трубчатого модуля 12 могут быть изготовлены из трубчатого ультрафильтра типа БТУ 05/2.

Прианодные и прикатодные дренажные сетки 18, 32 могут быть выполнены из материала Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, О8Х18Т1.

Пористые подложки 19 могут быть выполнены из листа ватмана.

Прианодные и прикатодные мембраны 20, 31 могут быть выполнены из полотна мембран ОПМН-П, ОПМН-К, ОПМ-К, МГА-95, МГА-100, УАМ-50, УАМ-100.

Прокладки 22 и прокладки 23 с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата могут быть выполнены из паронита.

Монополярные электроды 33, 34 могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор под трансмембранным давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 3, фиг. 1, 3, 5, 6, 7, расположенного на крышке 2, подается в первую камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную нижней крышкой 2, прокладкой 22, опорным кольцом 14 и прианодной мембраной 20, далее переходит через горизонтальные и вертикальный циркуляционные каналы 29 разделяемого раствора в корпусе плоскокамерного модуля 13, отделенные заглушками 25, фиг. 7, 8, всего аппарата, попадая в последнюю камеру разделения плоскокамерного модуля, образованную верхней крышкой 1, прокладкой 22, опорным кольцом 14 и прикатодной мембраной 31 и выводится в виде ретентата через штуцер вывода ретентата первой ступени 5. Средние камеры разделения образованы межмембранными каналами, расположенными между прианодными и прикатодными мембранами 20 и 31, фиг. 5, 6, 7, при этом разделяемый раствор переходит из одного межмембранного канала в последующие через горизонтальные и вертикальные циркуляционные каналы 29 разделяемого раствора в корпусе плоскокамерного модуля 13, фиг. 7, 8, всего аппарата.

При заполнении камер разделения всего аппарата разделяемым раствором на клеммы устройства для подвода электрического тока - анод 27 и катод 28, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки 35 и 36, подается внешнее напряжение, которое устанавливает заданную постоянную плотность тока в растворе.

Растворенные вещества в разделяемом растворе диссоциируют на анионы и катионы, фиг. 8.

Под действием электрического тока из первой, третьей и пятой камер разделения, фиг. 5, 6, 7, анионы проникают через прианодную мембрану 20, пористую подложку 19 и по прианодной дренажной сетке 18 через прокладку 23 с каналом для отвода прианодного пермеата, далее через круглые сквозные прианодные проточки 36 в цилиндрических шпильках с резьбой, выполняющих функцию клеммы устройства для подвода электрического тока - анода 27, в потоке прианодного пермеата по каналу для отвода прианодного пермеата 15 при открытом обратном клапане 17, заполняет камеру для прианодного пермеата 8 первой ступени, а катионы проникают через прикатодную мембрану 31, пористую подложку 19 и по прикатодной дренажной сетке 32 через прокладку 23 с каналом для отвода прикатодного пермеата, далее через круглые сквозные прикатодные проточки 35 в цилиндрических шпильках с резьбой, выполняющих функцию клеммы устройства для подвода электрического тока - катода 28, в потоке прикатодного пермеата по каналу для отвода прикатодного пермеата 16 при открытом обратном клапане 17, заполняет камеру для прикатодного пермеата 9 первой ступени.

При заполнении камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени, фиг. 4, 5, 6, подача разделяемого раствора через штуцер ввода разделяемого раствора 3 в аппарат прекращается и включаются компрессоры, нагнетающие давление в камеры для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени. Обратные клапаны 17, установленные в аппарате препятствуют попаданию из камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени обратно в каналы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 15, 16. Уровень прианодного и прикатодного пермеата в камерах для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени отслеживается посредством поплавковых уровнемеров 21.

Исходный раствор, поступающий по штуцеру ввода разделяемого раствора 3, фиг. 5, 6, 7, и проходящий по горизонтальным и вертикальным циркуляционным каналам 29 разделяемого раствора в корпусе плоскокамерного модуля 13, фиг. 7, всего аппарата переходит из первой, средних и последней камер разделения, очищается от анионов и катинов и выводится из аппарата через штуцер вывода ретентата первой ступени 5, фиг. 1, 2, 5, верхней крышки 1.

Под действием давления, нагнетаемого компрессорами через штуцеры подачи воздуха 7, из камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени, фиг. 4, 5, 6, прианодный и прикатодный пермеат подается в трубки трубчатого модуля 12, где разделяется на ретентат второй ступени, попадающий в камеру вывода ретентата второй ступени 37, и через штуцеры 4 выводятся из аппарата, а пермеаты, образующиеся в результате проникновения через трубки трубчатого модуля 12, проходят через переточные отверстия гиперболоидной формы 41 3-х контурного модуля охлаждения 40 типа «труба в трубе», фиг. 9, и отводятся через штуцеры вывода пермеата второй ступени 6.

При опустошении камер для прианодного и прикатодного пермеата 8, 9 первой ступени компрессоры выключаются, подача воздуха через штуцера 7 прекращается. В это же время возобновляется подача исходного раствора через штуцер ввода разделяемого раствора 3 и процесс повторяется.

Одновременно с подачей разделяемого раствора через штуцеры ввода охлаждающей воды 38 подается охлаждающий агент, например, водопроводная вода, заполняя через гиперболоидные переточные каналы 42 3-х контурные модули охлаждения 40 типа «труба в трубе», фиг. 7, 9, 10, расположенные между трубками трубчатого модуля 12 от камер для прианодного и прикатодного пермеата 8 и 9 первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени 37, фиг. 4, отводя избыток тепла от пермеата второй ступени, и выводится через штуцер вывода охлаждающей воды 39, фиг. 7, 9.

Увеличение площади разделения раствора на единицу объема плоскокамерного модуля аппарата и снижение эффекта концентрационной поляризации, повышение качества и эффективности разделения растворов достигается за счет того, что в корпусе плоскокамерного модуля с противоположных сторон выполнены горизонтальные и вертикальные циркуляционные каналы разделяемого раствора, отделенные заглушками и соединяющие соседние камеры разделения, фиг. 4, 7, 8.

Увеличение поверхности охлаждения пермеата второй ступени и снижение гидравлического сопротивления достигается за счет того, что в 3-х контурных модулях охлаждения типа «труба в трубе» распложены на равном расстоянии друг от друга чередующиеся в вертикальной плоскости от камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени переточные отверстия гиперболоидной формы для циркуляции пермеата второй ступени и гиперболоидные переточные каналы для циркуляции охлаждающей воды, фиг. 7, 9, 10.

Таким образом, разделение раствора происходит в две стадии: на первой стадии разделяемый раствор проходит через первую, средние и последнюю камеры разделения в электромембранном плоскокамерном модуле, а на второй - через два трубчатых мембранных модуля, что обеспечивает высокую степень очистки раствора.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов. Отличительной особенностью электробаромембранного аппарата комбинированного типа является то, что в корпусе плоскокамерного модуля с противоположных сторон выполнены горизонтальные и вертикальные циркуляционные каналы разделяемого раствора, отделенные заглушками и соединяющие соседние камеры разделения. В 3-х контурных модулях охлаждения типа «труба в трубе» расположены на равном расстоянии друг от друга чередующиеся в вертикальной плоскости от камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени переточные отверстия гиперболоидной формы для циркуляции пермеата второй ступени и гиперболоидные переточные каналы для циркуляции охлаждающей воды. Техническим результатом является увеличение площади разделения раствора на единицу объема плоскокамерного модуля аппарата, снижение эффекта концентрационной поляризации, увеличение поверхности охлаждения пермеата второй ступени и снижение гидравлического сопротивления. 10 ил.

Электробаромембранный аппарат комбинированного типа, состоящий из двух крышек, имеющих штуцер ввода разделяемого раствора, штуцеров вывода ретентата второй и первой ступени, штуцеров вывода пермеата второй ступени и подачи воздуха, камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени, выступов для фиксации трубчатых модулей, трубок трубчатого модуля, корпуса плоскокамерного модуля, опорных колец, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, обратных клапанов, прианодной и прикатодной дренажных сеток, пористых подложек, прианодных и прикатодных мембран, поплавковых уровнемеров, прокладок, прокладок с каналом для отвода прианодного и прикатодного пермеата, байонетного кольца, клемм устройства для подвода электрического тока - анода и катода, выполненных в виде цилиндрических шпилек с резьбой, в которых имеются круглые сквозные прикатодные и прианодные проточки, диэлектрических перегородок, монополярных электродов, камер вывода ретентата второй ступени, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, 3-х контурных модулей охлаждения типа «труба в трубе», переточных отверстий, переточных каналов, отличающийся тем, что в корпусе плоскокамерного модуля с противоположных сторон выполнены горизонтальные и вертикальные циркуляционные каналы разделяемого раствора, отделенные заглушками и соединяющие соседние камеры разделения, в 3-х контурных модулях охлаждения типа «труба в трубе» расположены на равном расстоянии друг от друга чередующиеся в вертикальной плоскости от камер для прианодного и прикатодного пермеата первой ступени до камер вывода ретентата второй ступени переточные отверстия гиперболоидной формы для циркуляции пермеата второй ступени и гиперболоидные переточные каналы для циркуляции охлаждающей воды.