Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа Российский патент 2024 года по МПК B01D61/42 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, 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 сторонечно устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2689617 C1, 28.05.2019, Бюл. № 16. Известный аппарат состоит из чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом”, 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, сетки-турбулизатора, монополярно-пористых пластин электрод-катод и малый электрод-катод, прикатодной мембраны и малой прикатодной мембраны, пористой подложки из ватмана и малой пористой прикатодной подложки из ватмана, фланцевой дренажной сетки, малой камеры разделения, переточного окна, полимерной заливки, полимерного компаунда, диэлектрической сетки, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов, дренажной сетки, прианодной мембраны и малой прианодной мембраны, полимерной композиции, монополярно-пористых пластин электрод-анод и малый электрод-анод, пористой подложки из ватмана и малой пористой прианодной подложки из ватмана, каналов ввода и вывода разделяемого раствора, прямоугольных пластин вставок, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата, малой прокладки.

Недостатками являются: низкая производительность и качество разделения растворов, отсутствие турбулизации, высокая концентрационная поляризация, сложность изготовления, неравномерная механическая нагрузка на болтовое соединение.

Технический результат выражается повышением производительности и качества разделения растворов, турбулизацией потока разделяемого раствора и снижением концентрационной поляризации в малых камерах разделения, упрощением изготовления элементов аппарата, равномерным распределением механической нагрузки на болтовое соединение за счет того, что аппарат состоит из чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом”, 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, сетки-турбулизатора, монополярно-пористых пластин электрод-катод и малый электрод-катод, прикатодной мембраны и малой прикатодной мембраны, пористой подложки из ватмана и малой пористой прикатодной подложки из ватмана, фланцевой дренажной сетки, малой камеры разделения, переточного окна, полимерной заливки, полимерного компаунда, диэлектрической сетки, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов, дренажной сетки, прианодной мембраны и малой прианодной мембраны, полимерной композиции, монополярно-пористых пластин электрод-анод и малый электрод-анод, пористой подложки из ватмана и малой пористой прианодной подложки из ватмана, каналов ввода и вывода разделяемого раствора, прямоугольных пластин вставок, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата, малой прокладки, отличающийся тем, что камерные штуцеры ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата с каналами в диэлектрических камерах корпуса с “впадиной” и с “выступом” расположены под углом тридцать градусов относительно горизонтальной оси, диэлектрические камеры корпуса с “впадиной” и с “выступом”, диэлектрические фланцы корпуса, металлические пластины выполнены круглой формы с расположенными под одинаковым углом шестьдесят градусов относительно друг друга отверстиями под болты и повернутые на угол тринадцать градусов относительно вертикальной оси.

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 - вид А (2:1) увеличенный на фиг. 1, схема разделения в межмембранном канале.

Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа состоит из чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом” 1 и 2, диэлектрических фланцев корпуса 3, металлических пластин 4, прокладок 5, отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока 6, штуцеров для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 29, болтов 8, шайб 9 и гаек 10, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора 11 и 12, сетки-турбулизатора 13, монополярно-пористых пластин электрод-катод 14 и малый электрод-катод 45, прикатодной мембраны 15 и малой прикатодной мембраны 44, пористой подложки из ватмана 16 и малой пористой прикатодной подложки из ватмана 43, фланцевой дренажной сетки 17, малой камеры разделения 18, переточного окна 19, полимерной заливки 20, полимерного компаунда 21, диэлектрической сетки 22, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата 23 и 34, двусторонних отверстий 24 для подвода электрических проводов 26, дренажной сетки 25, прианодной мембраны 27 и малой прианодной мембраны 41, полимерной композиции 28, монополярно-пористых пластин электрод-анод 30 и малый электрод-анод 42, пористой подложки из ватмана 31 и малой пористой прианодной подложки из ватмана 40, каналов ввода и вывода разделяемого раствора 32 и 33, прямоугольных пластин вставок 35, камерных штуцеров ввода исходного раствора 36 и вывода прикатодного и прианодного ретентата 37 и 38, малой прокладки 39, чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 выполнены с полостью в виде малой камеры разделения 18 в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз до другой, высотой в три раза больше его толщины, а шириной равной ширине малой прикатодной и прианодной мембран 44, 41 соответственно, под малые прикатодные и прианодные мембраны 44, 41 на уплотнительной поверхности диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки 39 прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран 44, 41 соответственно, в месте установки дренажной сетки 25 с двух противоположных ее концов по плоской поверхности, установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод 14 и малый электрод-катод 45, монополярно-пористые пластины электрод-анод 30 и малый электрод-анод 42 соответственно, пористая подложка из ватмана 16 и малая пористая прикатодная подложка из ватмана 43, пористая подложка из ватмана 31 и малая пористая прианодная подложка из ватмана 40 соответственно, прикатодная мембрана 15 и малая прикатодная мембрана 44, прианодная мембрана 27 и малая прианодная мембрана 41 соответственно, на диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 имеются установленные с противоположных сторон камерные штуцеры ввода исходного раствора 36 и вывода прианодного и прикатодного ретентата 38, 37 соответственно, сетка-турбулизатор 13 представляет собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран.

Чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1, диэлектрические фланцы корпуса 3, штуцеры ввода и вывода разделяемого раствора 11 и 12, диэлектрическая сетка 22, штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 29, камерные штуцеры ввода исходного раствора 36 и вывода прианодного и прикатодного ретентата 38 и 37 могут быть изготовлены из капролона.

Монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод 14 и 45, монополярно-пористые пластины электрод-анод 30 и малый электрод-анод 42 могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ как и прямоугольные пластины вставки 35.

Сетки-турбулизаторы 13 - из нарезок катионообменных и анионообменных мембран марок МК-40, МА-40, МК-40Л, МА-41И, МА-ИЛ, МБ-1, МБ-2.

Полимерная заливка 20, полимерный компаунд 21 и полимерная композиция 28 изготавливаются из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол, пластмассы или клея холодная сварка.

Фланцевая дренажная сетка 17, дренажная сетка 25 могут быть изготовлены из материала Х18Н9Т, Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Т1.

Прокладка 5 и малая прокладка 39 могут быть выполнены из паронита или прокладочной резины.

Металлические пластины 4 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.

В качестве прикатодных и прианодных мембран 15 и 27, малой прикатодных и прианодных мембран 44 и 41 могут применятся 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 11, расположенного на диэлектрическом фланце корпуса 3, фиг. 1, 2, 3, подается, минуя полимерную композицию 28 по каналу ввода разделяемого раствора 32, фиг. 1 в первую камеру разделения, образованную прикатодной мембраной 15, прокладкой 5 по внутреннему периметру которой расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их стороне по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладки 5 вставлены концы сетки-турбулизатора 13, представляющей собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран соответственно, и прианодной мембраны 27, образуя, таким образом, межмембранный канал в тех местах, где расположена сетка-турбулизатор 13 и где она отсутствует в прямоугольном переточном окне 19.

В этот же момент времени к чередующимся диэлектрическим камерам корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 и диэлектрическим фланцам корпуса 3, фиг. 1, включением устройства для подвода постоянного электрического тока 6 через электрические провода 26, проходящих в отверстиях 24, которые залиты полимерным компаундом 21 и соединенных с дренажными сетками 17 и 25, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.

Раствор, двигаясь, перемешивается при помощи сетки-турбулизатора 13, фиг. 1, 4, и поступает к прикатодной и прианодной мембранам 15 и 27 соответственно, фиг. 1, 4, в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.

Из образовавшейся между прикатодными, прианодными мембранами 15, 27, расположенными на диэлектрическом фланце корпуса 3 и диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 1 и прокладкой 5 камеры разделения, фиг. 1, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 15 и 27, пористые подложки из ватмана 16 и 31, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод 14 и 30, фланцевые и дренажные сетки 17 и 25, уложенные последовательно друг на друге, проходят в пространстве между диэлектрическим фланцем корпуса 3 и монополярно-пористой пластиной электрод-катод 14 и в пространстве дренажной сетки 26 по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34 и 23 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 29 в виде оснований, кислот и газа в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.

Оставшиеся в камере разделения анионы и катионы, движущиеся в ядре потока сетки-турбулизатора 13, фиг. 1, переходят через прямоугольное переточное окно 19, фиг. 1, межмембранного канала увеличенной площади в диэлектрической камере корпуса с “впадиной” 1, в следующую (вторую) камеру разделения, образованную соединенными между собой диэлектрическими камерами корпуса с “впадиной” и с “выступом” 1 и 2, фиг. 1, и прианодными и прикатодными мембранами 27 и 15 соответственно в виде кислот, оснований и газа в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, при этом в пространстве прямоугольного переточного окна 19 чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 образован межмембранный канал который на всю ширину и высоту под прокладкой 5 и от прокладки 5 до прокладки 5 с одной стороны чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 по другую залит полимерной заливкой 20.

Раствор переходит из первой камеры разделения во вторую камеру разделения и далее по всем камерам разделения через прямоугольные переточные окна 19 чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом” 2 и 1 всего аппарата, фиг. 1, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через прикатодные и прианодные мембраны 15 и 27 и по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34 и 23 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодного пермеата 7 и 29 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, а ретентат выводится минуя полимерную композицию 28, фиг. 1, по каналу вывода разделяемого раствора 33, фиг. 1.

Одновременно с подачей исходного раствора под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 11, расположенного на диэлектрическом фланце корпуса 3, фиг. 1, 4, также подается исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через камерные штуцера ввода исходного раствора 36, установленные на боковой стороне диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 независимо для каждой диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 и по каналам, расположенным под углом тридцать градусов относительно горизонтальной оси, поступает в малые камеры разделения 18 при этом происходит закручивание потока и его турбулизация, катионы проникают через малые прикатодные мембраны 44, малые пористые прикатодные подложки из ватмана 43, малые монополярно-пористые пластины электрод-катод 45, а анионы проникают через малые прианодные мембраны 41, малые пористые прианодные подложки из ватмана 40, малые монополярно-пористые пластины электрод-анод 42 соответственно в пространстве дренажной сетки 25 и отводятся самотеком в виде оснований, кислот и газа по каналам для отвода прикатодного и прианодного пермеата 34, 23 соответственно предварительно объединяясь с потоками оснований, кислот и газа, образовавшихся при разделении в основных камерах разделения в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”. Отработанные растворы из малых камер разделения 18 каждой диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1 в виде прианодного и прикатодного ретентата выводятся по каналам также расположенным под углом тридцать градусов относительно горизонтальной оси через установленные на противоположной боковой стороне камерные штуцеры вывода прианодного и прикатодного ретентата 38, 37 соответственно.

Исходный раствор, протекая по всем камерам разделения последовательно через весь межмембранный канал от одного диэлектрического фланца корпуса 3 до второго диэлектрического фланца корпуса 3, 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 14 и 30 соответственно в результате электрохимических реакций.

Повышение производительности и качества разделения растворов, турбулизация потока разделяемого раствора и снижение концентрационной поляризации в малых камерах разделения достигается за счет того, что камерные штуцеры ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата с каналами в диэлектрических камерах корпуса с “впадиной” и с “выступом” расположены под углом тридцать градусов относительно горизонтальной оси.

Упрощение изготовления элементов аппарата, равномерное распределение механической нагрузки при действии трансмембранного давления на болтовое соединение достигается за счет того, что диэлектрические камеры корпуса с “впадиной” и с “выступом”, диэлектрические фланцы корпуса, металлические пластины выполнены круглой формы с расположенными под одинаковым углом шестьдесят градусов относительно друг друга отверстиями под болты и повернутые на угол тринадцать градусов относительно вертикальной оси.

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 методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации. Изобретение касается электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа из чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и “выступом” и фланцев корпуса, металлических пластин, прокладок, отрицательной и положительной клемм устройства подвода электрического тока, штуцеров отвода прикатодного и прианодного пермеата, болтов, шайб и гаек, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, сетки-турбулизатора, монополярно-пористых пластин электрод-катод, малый электрод-катод, электрод-анод и малый электрод-анод, прикатодной, малой прикатодной, прианодной и малой прианодной мембран, пористой и малой пористой прикатодной и прианодной подложек из ватмана, фланцевой дренажной сетки, малой камеры разделения, переточного окна, полимерной заливки, полимерного компаунда, диэлектрической сетки, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, двусторонних отверстий для электрических проводов, дренажной сетки, полимерной композиции, каналов ввода и вывода раствора, прямоугольных пластин вставок, малой прокладки, при этом камерные штуцеры ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата расположены под углом тридцать градусов относительно горизонтальной оси, камеры корпуса, фланцы корпуса, металлические пластины выполнены круглой формы с расположенными под одинаковым углом шестьдесят градусов относительно друг друга отверстиями под болты и на тринадцать градусов относительно вертикальной оси. Технический результат – повышение производительности и качества разделения растворов, турбулизация потока разделяемого раствора и снижение концентрационной поляризации в малых камерах разделения, упрощение изготовления элементов аппарата, равномерное распределение механической нагрузки на болтовое соединение. 6 ил.

Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа состоит из чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом”, 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, сетки-турбулизатора, монополярно-пористых пластин электрод-катод и малый электрод-катод, прикатодной мембраны и малой прикатодной мембраны, пористой подложки из ватмана и малой пористой прикатодной подложки из ватмана, фланцевой дренажной сетки, малой камеры разделения, переточного окна, полимерной заливки, полимерного компаунда, диэлектрической сетки, каналов для отвода прианодного и прикатодного пермеата, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов, дренажной сетки, прианодной мембраны и малой прианодной мембраны, полимерной композиции, монополярно-пористых пластин электрод-анод и малый электрод-анод, пористой подложки из ватмана и малой пористой прианодной подложки из ватмана, каналов ввода и вывода разделяемого раствора, прямоугольных пластин вставок, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата, малой прокладки, отличающийся тем, что камерные штуцеры ввода исходного раствора и вывода прикатодного и прианодного ретентата с каналами в диэлектрических камерах корпуса с “впадиной” и с “выступом” расположены под углом тридцать градусов относительно горизонтальной оси, диэлектрические камеры корпуса с “впадиной” и с “выступом”, диэлектрические фланцы корпуса, металлические пластины выполнены круглой формы с расположенными под одинаковым углом шестьдесят градусов относительно друг друга отверстиями под болты и повернутые на угол тринадцать градусов относительно вертикальной оси.