Электродилизатор для реакцийдВОйНОгО ОбМЕНА Советский патент 1981 года по МПК B01D13/02 

1

Изобретение относится к конструкциям многокамерных электродиализаторов с ионоселективными мембранами, а более конкретно к электродиализным аппаратам, обеспечивающим одновременную деминерализацию растворов двух различных электролитов с получением в результате обмена ионами сконцентрированных растворов двух HOBbix электролитов. Известен электродиализатор для реакций двойного обмена, включающий катионообменные и анионообменные мембраны, разделенные прокладками, образующие камеры концентрирования и деминерализации 1.

В данном электродиализаторе подвод и отвод растворов осуществляется посредством трубок, введенных извне в полость каждой камеры. Такая распределительная система сложна, не позволяет обеспечить равномерность гидродинамических условий в камерах и недостаточно надежна.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности работы электродиализатора.

Указанная цель достигается тем, что прокладки в камерах концентрирования выполнень рамочной конструкп;йй, а в камерах деминерализации - безрамочной, т. е. в единой сборке объедиияются две системы распределения потоков в камерах электродиализатора с внутренними и с внещними коллекторами.

На фиг. 1 показана схема распределения потоков в рабочих камерах электродиализаторов; на фиг. 2 - внешний вид прокладок и меморан и их взаимное расположение.

Пакет электродиализатора (фиг. 1) состоит из чередующихся катионо- и анионообменных 1УГем&ран (К и А), образующих четыре гидравлических независимых серии камер - две серии кайер деминерализации (КД-1 и КД-2) и две серии камер концентрирования (КК-1 и КК-2). Камеры, принадлежащие к каждой серии, гидравлически соединены параллельно.

Последовательность сборки определяющих элементов конструкции электродиализатора ясна из фиг. 2, где 1, 5, 9 и 3, 7 - соответственно анионо- и катионообменные мембраны; 2, 6 и 4, 8 - соответственно прокладки рамочного и безрамочного типов, 10 - эластичные уплотняющие полосы прокладок, И - соосные отверстия распределения потоков в камерах концентрирования, 12 - распределительные каналы ввода и вывода растворов камер концентрирования.

Прокладка рамочного типа, используемая в камерах концентрирования (КК-1 и

КК-2), где равномерность гидродинамического режима по всей площади камеры не столь существенна, представляет собой сетку прямоугольной формы, ограниченную со всех сторон уплотняющими полосами, образующими рамку, на которой расположены отверстия системы распределения потоков, причем отверстия ввода и вывода раствора, имеющие канал, связывающий их с сеткой, расположены по одной диагонали прямоугольника, а отверстия, не имеющие выхода в сетку, по другой.

Прокладка безрамочного типа, используемая в камерах деминерализации (КД-1 и КД-2), представляет собой сетку, ограниченную с двух противоположных сторон уплотняющими полосами, имеющими на концах отверстия, расположение и размер которых так же, как и щирина уплотняющих полос, форма и внещние размеры прокладки, повторяют соответствующие параметры прокладки рамочного типа.

Используемые катионо- и анионообменные мембраны формой, размерами, а также расположением и формой отверстий по углам повторяют соответствующие параметры прокладок. Ориентация прокладок такова, что направления уплотняющих полос прокладок безрамочного типа взаимно перпендикулярны, а отверстия ввода и вывода растворов в прокладках рамочного типа находятся на различных диагоналях прямоугольника.

Пример. Количество камер в электродиализаторе 48, в том числе двенадцать камер деминерализации по одному исходному компоненту (КД-1) и двенадцать по другому (КД-2). Соответственно количество камер концентрирования по каждому из полученных компонентов (КК-1 и КК-2) также равнялось двенадцати. Были использованы отечественные ионообменные мембраны типа МА-40 и МК-40. Размер мембран 1, 3, 5, 7 и 9 и прокладок 2, 4, 6, 8 составлял 195x195 мм. Прокладки изготавливали из капроновых сит 8К (ОСТ 17-46-71), определяющих межмембранное расстояние 0,4 мм. Ширина полос 10 уплотнения составляла 35 мм, диаметр отверстий И равнялся 10 мм, средняя щирина каналов 12 составляла 10 мм. Внешние коллекторы камер деминерализации изготавливали в виде крышек из винипласта толщиной 12 мм.

Для проведения реакции двойного обмена на изготовленном аппарате использовались растворы нитрата натрия и сульфата калия, поскольку эта реакция может иметь практическое значение при промышленном производстве калийной селитры способом электродиализа:

2NaNO3 + KaSO NajSOi -f 2KNO,

Модельные водные растворы нитрата натрия и сульфата калия подавали в камеры деминерализации (КД-1 и КД-2) электродиализатора с объемной скоростью 250 л/час, режим в камерах циркуляционный. Камеры концентрирования (КК-1 и КК-2) электродиализатора промывали в циркуляционном режиме дистиллированной водой с объемной скоростью 5 л/час. Процесс вели в потенциостатическом режиме при напряжении на электродах 50 В. При

проведении экспериментов концентрация исходных солей в камерах деминерализации падала, а в камерах концентрирования возрастала концентрация синтезированных солей. Показателем совершенства конструкции электродиализатора при работе в циркуляционном режиме может быть отношение концентраций электролитов в камерах концентрирования к концентрациям электролитов в камерах деминерализации

при снижении эффективности процесса (уменьшение выхода по току). В проведенной серии экспериментов эта величина имела порядок 10 а выход по току менялся от 90% в начале каждого опыта до

20% в конце. В камерах концентрирования были получены растворы калийной селитры и сульфата натрия с содержанием примесей около 5%. Конечная концентрация синтезированных в камерах концентрирования солей (8-10 г/л) была в 5-6 раз выше начальной концентрации исходных солей, что определялось отношением объемов растворов, циркулирующих через камеры деминерализации и концентрирования. Конечное солесодержание растворов в камерах деминерализации составляло 5 иг/л, что свидетельствовало об отсутствии утечек раствора из камер концентрирования в камеры деминерализации и высокой деполяризующей эффективности использованных в камерах деминерализации турбулизующих прокладок. Энергозатраты на проведение реакции двойного обмена способом электродиализа в пересчете на

1 кг полученной в камерах концентрированной калийной селитры составили 0,3- 0,5 кВт-час. Обшая энергоемкость процесса с учетом затрат энергии на прокачивание растворов через камеры аппарата не

превышала 1 кВт-час на каждый килограмм полученной калийной селитры.

Предложенный электродиализатор позволяет проводить процессы, принципиально не осуществимые при использовании

обычных конструкций электродиализаторов, существенно расширяя области применения электродиализа в химической технологии и в препаративном синтезе.

Формула изобретения

Электродиализатор для реакций двойного обмена, включающий катионообменные и анионообменные мембраны, разделенные 65 прокладками, образующие камеры конЦентрирования и деминерализации, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности работы электродиализатора, прокладки в камерах концентрирования выполнены раМе АгMe, А 2мочной конструкции, а в камерах деминерализации - безрамочной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 2835632, кл. 204-180, 1958 (прототип).

АКАКАКАКА К А К А К

1

Ме

Mf

Не,

/t; 1 А-,

Мег

Hef

1

Ли - /

кл-t

КЛ-2

кл-г