Электробаромембранный аппарат рулонного 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, аграрном секторе и т. п.

Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в работе Дытнерского Ю.И. «Баромембранные процессы. Теория и расчет». - М.: Химия. 1986 г., с 47. Аппарат рулонного типа, предназначенный для разделения растворов под действием градиента давления, состоит из корпуса, перфорированной раствороотводящей трубки с обернутыми вокруг нее несколькими многослойными листами мембран. Недостатком аппарата является низкая эффективность разделения растворов, в особенности при разделении многокомпонентных смесей электролитов, при отделении электролитов от неэлектролитов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат рулонного типа, конструкция которого приведена в патенте № RU 2782940 C1, 07.11.2022, СПК B01D 61/46. Прототип состоит из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, рулонных элементов, резиновой манжеты, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, болтов, гаек, шайб, уплотнительной прокладки, герметизирующей прокладки, штуцера подачи исходного раствора, посадочных прокладок, ответного прижимного фланца, перфорированной трубки, торцевых прокладок, антителескопической решетки, втулки, пленок, имеющих насечки углубленные в половину от ее толщины, сеток-турбулизаторов, подложек мембран, прикатодных и прианодных мембран, дренажных сеток, являющихся катодом и анодом, устройства для подвода электрического тока, внешних и внутренних трубок, перегородок, полимерных перфорированных перегородок, электрических проводов, клеевой композиции, эллиптических щелей, эллиптических проточек, эллиптических отверстий, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, штуцеров для отвода ретентата, крышки, фиксирующих прокладок, отверстий в фиксирующих прокладках, резиновых колец, коллекторов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, герметизирующей заливки, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды, внешних отводных трубок, полуэллипсов.

Недостатками прототипа является малоэффективная гидродинамика потока, высокая концентрационная поляризация, большое гидравлическое сопротивление в каналах для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, низкая производительность и качество разделения растворов.

Технический результат выражается - улучшением гидродинамики потока, уменьшением эффекта концентрационной поляризации, снижением гидравлического сопротивления в каналах для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, повышением производительности и качества разделения растворов, за счет изменения конструкции аппарата: состоящий из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, рулонных элементов, резиновой манжеты, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, болтов, гаек, шайб, уплотнительной прокладки, герметизирующей прокладки, штуцера подачи исходного раствора, посадочных прокладок, ответного прижимного фланца, перфорированной трубки, выполненной с перфорацией в виде эллиптических проточек, по периметру которых расположены полуэллипсы, торцевых прокладок, антителескопической решетки, втулки, пленок, имеющих насечки, углубленные в половину от ее толщины, сеток-турбулизаторов, подложек мембран, прикатодных и прианодных мембран, дренажных сеток, являющихся катодом и анодом, устройства для подвода электрического тока, внешних и внутренних трубок, перфорированных эллиптическими щелями, по периметру которых расположены полуэллипсы, перегородок, полимерных перфорированных перегородок, электрических проводов, клеевой композиции, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, штуцеров для отвода ретентата, крышки, фиксирующих прокладок с отверстиями, резиновых колец, коллекторов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, герметизирующей заливки, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды, внешних отводных трубок, отличающийся тем, что на глухой торцевой поверхности цилиндрической обечайки корпуса имеется сквозное отверстие, с установленным в него на резьбе турбулизирующим модулем типа «улитка» и штуцером для подачи разделяемого раствора, крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка с расположенными под углом 90 градусов овальными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, в фиксирующей прокладке выполнены отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме квадраты.

На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; на фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - вид Н; фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 6 - вид Б увеличенный на фиг. 1; фиг. 7 - вид В увеличенный на фиг. 5, фиг. 8 - ступенчатый разрез Е-Е на фиг. 7; фиг. 9 - вид Г увеличенный на фиг. 5; фиг. 10 - вид К увеличенный на фиг. 9; фиг. 11 - вид Д увеличенный на фиг. 5; фиг. 12 - сечение Ж-Ж на фиг. 6; фиг. 13 - вид М выносной элемент на фиг. 1., фиг. 14 - крестообразная перегородка.

Электробаромембранный аппарат состоит из корпуса аппарата 1, изготовленного в виде цилиндрической обечайки, одна из торцевых поверхностей которого глухая с отверстием в центре под перфорированную трубку 2 и с внутренней ее стороны в ней имеются несквозные проточки под расположенные от горизонтальной оси под углами 0, π/2, π, 3π/2 соответственно внешние трубки 3, а вторая выполнена разъемной являющаяся крышкой 4, имеющей уплотнение с корпусом аппарата в виде шипа-паза где расположена уплотнительная прокладка 5, при этом с внутренней ее стороны имеются сквозные проточки, расположенные от горизонтальной оси под углами 0, π/2, π, 3π/2 соответственно под внешние трубки 3, перфорированная трубка 2 изготовлена с перфорацией в виде эллиптических проточек, по периметру которых расположены полуэллипсы, выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, а с крышкой 4 уплотняется посадочной прокладкой 6, с глухой стороны корпуса аппарата 1 вкручен на резьбе турбулизирующий модуль 7 типа «улитка» с штуцером для подачи разделяемого раствора 8, а с внешней стороны крышки 4 установлены внешние отводные трубки 9, которые с торцевой поверхности герметично припаяны к штуцерам для отвода ретентата 10, таким образом, создавая коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата 11, 12, в которых расположены электрические провода 13, далее проходящие через отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом в фиксирующей прокладке 14, затем между перегородкой 15, внешней и внутренней трубками 3, 16 перфорированными эллиптической щелью, по периметру которых расположены полуэллипсы, выполненные на расстоянии 5 мм и 10 мм друг от друга соответственно и соединенными через расположенные под углом 90 градусов овальные отверстия на всю длину внешней и внутренней трубок, полимерной перфорированной перегородки 17 с дренажными сетками, являющимися анодом и катодом 18, 19 соответственно, а также соединенными через герметизирующую заливку 20 внешней отводной трубки 9 с устройством для подвода электрического тока 21, коллекторы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 11, 12 в сечении ограничены внешней и внутренней трубкой 3, 16, а также перегородкой 15 и полимерными перфорированными перегородками 17, расположенными на всю длину внешней и внутренней трубок 3, 16 и расположенных соответственно от горизонтальной оси в сечении под углами 0, 5π/6, 7π/6; π/2, 4π/3, 5π/3; π, π/6, 11π/6; 3π/2, π/3, 2π/3 соответственно, а на всю длину эллиптической щели на полимерные перфорированные перегородки 17 последовательно уложены дренажные сетки, являющиеся анодом и катодом 18, 19, подложки мембран 22, прианодные и прикатодные мембраны 23, 24 соответственно приклеенные у выделенного участка всего контура эллиптических щелей без их пропуска, торцы внешней и внутренней трубок 3, 16 с перегородками 15 и полимерными перфорированными перегородками 17 с одной стороны упираются в фиксирующую прокладку 14, а с другой стороны в торцевую прокладку 25, причем коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата 11, 12, полость внутренней трубки 16 и полость перфорированной трубки 2, разделенной на четыре секции одинакового объема по всей длине крестообразной перегородкой 26 с перфорацией круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, на расстоянии от края эллиптической щели до торцевой и торцевой прокладки 25, 27 соответственно заполнены клеевой композицией 28 состоящей из эпоксидной смолы или влагостойкого клея, на каждой внешней отводной трубке 9 на расстоянии 15 мм от края ее торца вмонтированы на резьбе штуцера для отвода прикатодного, прианодного пермеата 29, 30 развернутые друг относительно друга на угол 180 градусов соответственно, пространство, образованное между корпусом аппарата 1 изготовленным в виде цилиндрической обечайки одна из торцевых поверхностей которого глухая, пленкой 31 имеющей насечки углубленные в половину от ее толщины, составляющих по форме квадраты, внешних трубок 3, перфорированной трубки 2 и крышки 4 создают коллектор для протекания охлаждающей воды, между пленками 31 расположены сетки-турбулизаторы охлаждающей воды 32, а рулонные элементы 33 аппарата созданы навивкой приклеенных к перфорированной трубке 2 по краю перфорации эллиптических проточек по разные стороны от сетки-турбулизатора 34, прианодных, прикатодных мембран 23, 24, подложек мембран 22, дренажных сеток, являющихся анодом и катодом 18, 19 и пленок 31 соответственно вокруг перфорированной трубки 2 и разделенной на четыре секции одинакового объема по всей длине крестообразной перегородкой 26 с перфорацией круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, на концах навивки рулонных элементов 33 по всей ширине прианодные и прикатодные мембраны 23, 24 соответственно приклеены у выделенного участка всего контура эллиптических щелей без их пропуска внутренней трубки 16, а пленки 31 приклеены у выделенного участка на всю длину эллиптической щели внешней трубки 3, штуцер для отвода ретентата 10 уплотнен с внешней и внутренней трубкой 3, 16 при помощи фиксирующей прокладки 14 и резинового кольца 35, крышка 4 с корпусом аппарата 1 уплотнены при помощи ответного прижимного фланца 36 с помощью болтов, гаек и шайб 37, 38, 39 равномерно расположенных по контуру фланцевого соединения, штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды 40, 41 расположены от горизонтальной оси в сечении под углами π/2 и 3π/2 соответственно, а от торцевых поверхностей корпуса аппарата 1 глухой и разъемной на расстоянии 95 мм от края, торцевая поверхность последовательной навивки рулонных элементов 33 по разные стороны от сетки-турбулизатора 34, прианодных, прикатодных мембран 23, 24, подложек мембран 22, дренажных сеток, являющихся анодом и катодом 18, 19 и пленок 31 соответственно вокруг перфорированной трубки 2, разделенной на четыре секции одинакового объема по всей длине крестообразной перегородкой 26 с перфорацией круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, проклеена клеевой композицией 28, состоящей из эпоксидной смолы или влагостойкого клея, на внутренней поверхности перфорированной трубки 2 и внутренней трубки 16 имеются четыре полуэллиптические канавки, проходящие по всей длине образующих и распределенные от горизонтальной оси под углами π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4 соответственно, фиксация торцевой поверхности навивки рулонных элементов 33 обеспечена антителескопической решеткой 42 и втулкой 43, расположенных на перфорированной трубке 2, резиновая манжета 44 расположена на рулонных элементах 33 в месте упора на корпус аппарата 1, на штуцере для вывода охлаждающей воды 41 размещена гайка 45 для крепления к трубопроводу установки, а для герметизации крышки 4 с корпусом аппарата 1 также установлена герметизирующая прокладка 46.

Корпус аппарата 1, изготовленный в виде цилиндрической обечайки, турбулизирующий модуль 7 типа «улитка», штуцеры для ввода и вывода охлаждающей воды 40, 41, штуцер подачи исходного раствора 8, ответный прижимной фланец 36, перфорированная трубка 2, антителескопическая решетка 42, втулка 43, внешняя и внутренняя трубка 3, 16, перегородка 15, полимерная перфорированная перегородка 17, штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 29, 30, штуцер для отвода ретентата 10, крышка 4, крестообразная перегородка 26, внешняя отводная трубка 9 могут быть изготовлены из капролона или углепластика.

Подложки мембран 22 изготовлены из листа ватмана.

Пленки 31 могут быть изготовлены из полиэтилена и полиэтилена высокой плотности.

Дренажные сетки, являющиеся анодом 18 и катодом 19, могут быть выполнены из графитовой ткани типа «Вискум» или плетеной сетки, выполненной из титана.

Прикатодная и прианодная мембраны 24 и 23 могут быть изготовлены в виде ленты из мембран следующих типов в зависимости от прикладываемого градиента давления для обратного осмоса, ультрафильтрации, нанофильтрации и микрофильтрации: МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, УПМ-200, УПМ-П, УПМ-ПП, УФМ-100, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3.

Сетка-турбулизатор охлаждающей воды 32 и сетка-турбулизатор 34 могут быть изготовлены из пластмассы или углепластика, обеспечивают необходимую турбулизацию разделяемого раствора и охлаждающей воды.

Клеевая композиция 28 может быть изготовлена из эпоксидной смолы или влагостойкого клея.

В качестве охлаждающей воды может использоваться водопроводная или дистиллированная вода с температурой от 278 до 288 К.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, подается через штуцер подачи исходного раствора 8 в турбулизирующий модуль 7 типа «улитка», при этом происходит закручивание потока от наружного края внутренней полости турбулизирующего модуля к его центру, фиг. 1, 2, 4, далее через сквозное отверстие в центре глухой торцевой поверхности корпуса 1, фиг. 1 под перфорированную трубку 2, разделенную на четыре секции одинакового объема по всей длине крестообразной перегородкой 26 с перфорацией круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, фиг. 14, активно перемешивается, прокачивается и через эллиптические проточки, по периметру которых расположены полуоэллипсы, выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, фиг. 1, 11, поступает в пространство, где расположена сетка-турбулизатор 34, по разные стороны от которой расположены прианодные и прикатодные мембраны 23, 24, образующие межмембранный канал, по всей длине которого циркулирует раствор, поступающий по эллиптической щели, фиг. 2, во внутрь внутренней трубки 16, фиг. 7, 8, далее отводится по внутреннему пространству штуцера для отвода ретентата 10, фиг. 1.

В этот же момент времени к дренажным сеткам, являющимися катодом 19 и анодом 18, фиг. 7, включением устройства для подвода электрического тока 21, фиг. 1, через электрические провода 13, соединенными через герметизирующую заливку 20 внешней отводной трубки 9, которые проходят через коллекторы для отвода прианодного, прикатодного пермеата 11, 12, фиг. 7, далее проходящие через отверстия в фиксирующей прокладке 14, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом, фиг. 6, 12, затем между перегородкой 15, фиг. 7, внешней и внутренней трубками 3, 16 соответственно и полимерными перфорированными перегородками 17 через расположенные под углом 90 градусов овальные отверстия на всю длину внешней и внутренней трубок, фиг. 7, 8, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.

Раствор, двигаясь турбулизируется при помощи сетки-турбулизатора 34 фиг. 7, 9, 10, 11, установленной в межмембранном канале около поверхности прианодных и прикатодных мембран 23, 24 в зависимости от схемы подключения дренажных сеток, являющихся анодом 18 и катодом 19 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус».

В межмембранном канале, фиг. 9, 10, растворенное в исходном растворе вещество диссоциирует на ионы - анионы и катионы и под действием электрического тока и градиента давления проникают совместно с растворителем сквозь поры прианодных и прикатодных мембран 23, 24 соответственно и подложки мембран 22 попадая в пространства, где расположены дренажные сетки, являющиеся анодом 18 и катодом 19 в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус» соответственно.

Полученный таким образом прианодный и прикатодный пермеат самотеком отводится через расположенные под углом 90 градусов овальные отверстия на всю длину внешней и внутренней трубок, фиг. 8, в полимерной перфорированной перегородке 17, на которую уложены концы дренажных сеток, являющихся анодом 18 и катодом 19, фиг. 7, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус» попадая в коллекторы для отвода прианодного и прикатодного пермеата 11, 12 соответственно, далее отводятся через отверстия в фиксирующей прокладке 14, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом, фиг. 6, 12, по продолжающимся коллекторам для отвода прианодного и прикатодного пермеата 11, 12 и выводятся через штуцера для отвода прианодного и прикатодного пермеата 30, 29, фиг. 4, в виде кислот и оснований соответственно.

Одновременно с подачей исходного раствора, через штуцеры для ввода и вывода охлаждающей воды 40, 41, фиг. 1, 3, расположенные от горизонтальной оси в сечении под углами 0 и π соответственно, а от торцевых поверхностей корпуса аппарата 1 глухой и разъемной на расстоянии 95 мм от края, заполняется коллектор для протекания охлаждающей воды, образованный между корпусом аппарата 1, изготовленным в виде цилиндрической обечайки одна из торцевых поверхностей которого глухая, пленкой 31, имеющей насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляющих по форме квадраты, внешних трубок 3, перфорированной трубки 2 и крышки 4, фиг. 1, 5.

Исходный раствор, протекая по всему межмембранному каналу, где расположена сетка-турбулизатор 34, фиг. 7, 9, 10, 11, очищается от катионов и анионов, попадая через эллиптические щели, фиг. 7, внутрь внутренней трубки 16 и штуцера для отвода ретентата 10, фиг. 1, 6, и выводится в виде ретентата.

Улучшение гидродинамики потока, уменьшение эффекта концентрационной поляризации, снижение гидравлического сопротивления в каналах для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, повышение производительности и качества разделения растворов при конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа, фиг. 1, 2, 3, 8, 12, 13, 14, по сравнению с аппаратом прототипом достигается, за счет того, что на глухой торцевой поверхности цилиндрической обечайки корпуса имеется сквозное отверстие, с установленным в него на резьбе турбулизирующим модулем типа «улитка» и штуцером для подачи разделяемого раствора, крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка с расположенными под углом 90 градусов овальными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, в фиксирующей прокладке выполнены отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме квадраты.

На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата рулонного 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. Отличительной особенностью электробаромембранного аппарата является то, что на глухой торцевой поверхности цилиндрической обечайки корпуса имеется сквозное отверстие с установленным в него на резьбе турбулизирующим модулем типа «улитка» и штуцером для подачи разделяемого раствора, а крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке. При этом во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка с расположенными под углом 90 градусов овальными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, а в фиксирующей прокладке выполнены отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом. Кроме того, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме квадраты. Техническим результатом является улучшение гидродинамики потока, уменьшение эффекта концентрационной поляризации и снижение гидравлического сопротивления. 14 ил.

Электробаромембранный аппарат рулонного типа, состоящий из корпуса, выполненного из диэлектрического материала, рулонных элементов, резиновой манжеты, штуцеров ввода и вывода охлаждающей воды, болтов, гаек, шайб, уплотнительной прокладки, герметизирующей прокладки, штуцера подачи исходного раствора, посадочных прокладок, ответного прижимного фланца, перфорированной трубки, выполненной с перфорацией в виде эллиптических проточек, по периметру которых расположены полуэллипсы, и разделенной на четыре секции одинакового объема по всей длине крестообразной перегородкой, торцевых прокладок, антителескопической решетки, втулки, пленок, имеющих насечки, углубленные в половину от ее толщины, сеток-турбулизаторов, подложек мембран, прикатодных и прианодных мембран, дренажных сеток, являющихся катодом и анодом и соединенных через электрические провода и герметизирующую заливку внешних отводных трубок с устройством для подвода электрического тока, внешних и внутренних трубок, перфорированных эллиптическими щелями, по периметру которых расположены полуэллипсы, перегородок, полимерных перфорированных перегородок, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата, штуцеров для отвода ретентата, крышки, фиксирующих прокладок с отверстиями, резиновых колец, коллекторов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды, отличающийся тем, что на глухой торцевой поверхности цилиндрической обечайки корпуса имеется сквозное отверстие с установленным в него на резьбе турбулизирующим модулем типа «улитка» и штуцером для подачи разделяемого раствора, крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке, во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка с расположенными под углом 90 градусов овальными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, в фиксирующей прокладке выполнены отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью окружностями в каждом, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме квадраты.