Электробаромембранный аппарат рулонного типа Российский патент 2025 года по МПК B01D63/10 

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 2826576 C1, 12.09.2024, СПК B01D 61/46, B01D 61/18. 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, турбулизирующего модуля типа «улитка» с штуцером 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.

Недостатками прототипа является сложность конструкции и высокая материалоемкость аппарата, повышенная возможность образования застойных явлений, большое гидравлическое сопротивление в каналах для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, малоэффективная турбулизация охлаждающей воды.

Технический результат выражается - упрощением конструкции и снижением материалоемкости аппарата, уменьшением эффекта застойных зон, уменьшением гидравлического сопротивления в каналах для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, улучшением турбулизации охлаждающей воды 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, турбулизирующего модуля типа «улитка» с штуцером 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 турбулизирующий модуль типа «улитка» состоит из крышки и корпуса, исполненного как единое целое с корпусом аппарата, крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки, во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка со скругленными прямоугольными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, в фиксирующей прокладке выполнены трапециевидные отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью трапециями в каждом, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме шестигранники.

На фиг. 1 показан в разрезе электробаромембранный аппарат рулонного типа; на фиг. 2 - вид Р; 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, глухая сторона корпуса аппарата 1 исполнена как единое целое с корпусом турбулизирующего модуля 7 типа «улитка» с штуцером для подачи разделяемого раствора 8, состоящего из крышки и корпуса турбулизирующего модуля 7 типа «улитка», 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 трапециевидные отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью трапециями 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 скругленные прямоугольные 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 под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки 2, на расстоянии от края эллиптической щели до 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 штуцеры 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 шестигранники, 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 под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки 2, 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, штуцеры 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 под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки 2, 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 под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки 2, фиг. 14, активно перемешивается, снижая образование застойных зон в местах расположения эллиптических проточек, по периметру которых расположены полуоэллипсы, выполненные на расстоянии 5 мм друг от друга, фиг. 1, 11, прокачивается через них и 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 трапециевидные отверстия в фиксирующей прокладке 14, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью трапециями в каждом, фиг. 6, 12, затем между перегородкой 15, фиг. 7, внешней и внутренней трубками 3, 16 соответственно и полимерными перфорированными перегородками 17 через скругленные прямоугольные 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 скругленные прямоугольные 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 трапециевидные отверстия в фиксирующей прокладке 14, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью трапециями в каждом, фиг. 6, 12, по продолжающимся коллекторам для отвода прианодного и прикатодного пермеата 11, 12 и выводятся через штуцеры для отвода прианодного и прикатодного пермеата 30, 29, фиг. 4, в виде кислот и оснований соответственно.

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.

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 шестигранники, внешних трубок 3, перфорированной трубки 2 и крышки 4, фиг. 1, 5.

Упрощение конструкции и снижение материалоемкости аппарата, уменьшение эффекта застойных зон, уменьшение гидравлического сопротивления в каналах для отвода ретентата и прианодного, прикатодного пермеата, улучшение турбулизации охлаждающей воды при конструктивном исполнении электробаромембранного аппарата рулонного типа по сравнению с аппаратом прототипом достигается за счет того, что турбулизирующий модуль типа «улитка» состоит из крышки и корпуса, исполненного как единое целое с корпусом аппарата, фиг. 1, 2, 3, крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки, фиг. 5, 11, 14, во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка со скругленными прямоугольными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, в фиксирующей прокладке выполнены трапециевидные отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью трапециями в каждом, фиг. 6, 7, 8, 12, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме шестигранники, фиг. 1, 13.

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. Электробаромембранный аппарат рулонного типа, состоящий из корпуса, турбулизирующего модуля типа «улитка», перфорированной трубки, выполненной с перфорацией в виде эллиптических проточек и разделенной на четыре секции одинакового объема по всей длине крестообразной перегородкой по всей длине перфорированой круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке под углом 45 градусов, сеток-турбулизаторов, подложек мембран, прикатодных и прианодных мембран, дренажных сеток, являющихся катодом и анодом, перфорированных эллиптическими щелями, по периметру которых расположены полуэллипсы, сеток-турбулизаторов охлаждающей воды. Техническим результатом является упрощение конструкции и снижение материалоемкости аппарата, уменьшение эффекта застойных зон, уменьшение гидравлического сопротивления в каналах для отвода ретентата и пермеата, улучшение турбулизации охлаждающей воды. 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, турбулизирующего модуля типа «улитка» со штуцером 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 турбулизирующий модуль типа «улитка» состоит из крышки и корпуса, исполненного как единое целое с корпусом аппарата, крестообразная перегородка по всей длине перфорирована круглыми отверстиями, расположенными в три ряда в шахматном порядке под углом 45 градусов и направленными в одну сторону к внутренней поверхности перфорированной трубки, во внешней трубке имеется полимерная перфорированная перегородка со скругленными прямоугольными отверстиями на всю длину внешней и внутренней трубок, в фиксирующей прокладке выполнены трапециевидные отверстия, исполненные в виде двух полумесяцев с пятью трапециями в каждом, пленки, имеющие насечки, углубленные в половину от ее толщины, составляют по форме шестигранники.