Электробаромембранный аппарат трубчатого типа

Изобретение относится к конструкциям мембранных аппаратов трубчатого типа и может быть использовано для осуществления процессов мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации.

Аналогом данной конструкции является мембранный аппарат, конструкция которогоприведена в работе Дубяги В.П., Перепечкина Л.П., Каталевского Е.Е Полимерные мембраны. М.: Химия, 1981. - С. 166-167. Аппарат изготовлен из корпуса, разделительных элементов состоящих из трубки и мембраны, штуцеров ввода разделяемого раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода пермеата.

Недостатками аппарата является невозможность выделения анионов и катионов растворенных веществ из промышленных растворов и стоков, низкая скорость отвода пермеата, образование застойных зон на пути вывода пермеата. Эти недостатки частично устранены в прототипе.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат трубчатого типа, конструкция которого приведена в патенте №RU 2685091 С1, 16.04.2019, МПК B01D 61/46. Прототип состоит из цилиндрического корпуса с ответными и торцевыми фланцами, монополярных электродов-анодов и катодов, сборников прианодного и прикатодного пермеата, канала прикатодного пермеата, сквозных отверстий под трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, уплотнение трубных решеток через уплотнительные прокладки и прокладки с прижимными решетками и цилиндрическим корпусом с ответными фланцами соответственно осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев и ответных фланцев на цилиндрическом корпусе при помощи болтов, шайб и гаек, которые расположены на торцевых фланцах в их сечении под углами от горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 соответственно и расположены от края торцевых фланцев на расстоянии 15 мм, клемм устройства для подвода электрическоготока, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, щупов правого и левого цилиндрических, прижимных решеток.

Недостатками прототипа являются: низкая площадь мембран для разделения растворов, высокое гидравлическое сопротивление в каналах для отвода прикатодного пермеата, низкое качество и эффективность разделения растворов.

Техническая задача - увеличение площади разделения растворов, снижение гидравлического сопротивления в каналах для отвода прикатодного пермеата, увеличение качества и эффективности разделения растворов, за счет изменения конструкции аппарата, состоящего из цилиндрического корпуса с ответными и торцевыми фланцами, монополярных электродов-анодов и катодов, сборников прианодного и прикатодного пермеата, канала прикатодного пермеата, сквозных отверстий под трубки с расположенными снаружи прианодными и прикатодными мембранами соответственно, уплотнение трубных решеток через уплотнительные прокладки и прокладки с прижимными решетками и цилиндрическим корпусом с ответными фланцами соответственно осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев и ответных фланцев на цилиндрическом корпусе при помощи болтов, шайб и гаек, которые расположены на торцевых фланцах в их сечении под углами от горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 соответственно, расположенные от края торцевых фланцев на расстоянии 15 мм, клемм устройства для подвода электрического тока, штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата, штуцеров вывода прианодного и прикатодного пермеата, прокладок, щупов правого и левого цилиндрических, прижимных решеток, отличающийся тем, что между трубными решетками и прижимными решетками расположен монополярный электрод-анод 5, а между прижимными решетками и торцевыми фланцами расположен монополярный электрод-катод 6, при этом металлические щупы - правые 21, расположены внутри трубок 29 с прикатодными мембранами 27 и соединены с двух торцевых сторон с катодом 6, а металлические щупы - левые 22, расположены внутри трубок 25 с прианодными мембранами 26 и соединены с двух торцевых сторон с анодом 5, причем трубки 29 с прикатодными мембранами 27 выполнены большими в три раза диаметрами, клеммы устройства для подвода электрического тока 9 соединены соответственно с монополярным электродом-анодом 5 и монополярным электродом-катодом 6, сборник прикатодного пермеата 7 образован между прижимной решеткой 4 и монополярным электродом-катодом 6, и в аппарате имеется два штуцера вывода прикатодного пермеата 13, 28, расположенными в сечении аппарата от горизонтальной оси под углами 3π/2 с обеих торцевых сторон электробаромембранного аппарата.

На фиг. 1 показана часть вида и разреза электробаромембранного аппарата трубчатого типа; фиг. 2 - вид слева; фиг. 3 - вид сверху; фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 5 - вид Б увеличенный на фиг. 1; фиг. 6 - вид В увеличенный на фиг. 4.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из цилиндрического корпуса с ответными 1 и торцевыми 2 фланцами, монополярных электродов-анодов 5 и катодов 6, сборников прианодного 8 и прикатодного 7 пермеата, каналов прианодного 23 пермеата, сквозных отверстий под трубки 25 и 29 с расположенными снаружи прианодными 26 и прикатодными 27 мембранами соответственно, уплотнение трубных решеток 3 через уплотнительные прокладки 15 и прокладки 14 с прижимными решетками 4 и цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1 соответственно осуществлено при помощи затяжки торцевых фланцев 2 и ответных фланцев 1 на цилиндрическом корпусе при помощи болтов 16, шайб 17 и гаек 18, которые расположены на торцевых фланцах 2 в их сечении под углами от горизонтальной оси 0, π/3, 2π/3, π, 4π/3 и 5π/3 соответственно и расположены от края торцевых фланцев 2 на расстоянии 15 мм, клемм устройства для подвода электрического тока 9, штуцеров ввода исходного раствора 10 и вывода ретентата 11, штуцеров вывода прианодного пермеата 12 и двух штуцеров прикатодного пермеата 13, 28, между трубными решетками 3 и прижимными решетками 4 расположены монополярный электрод-анод 5, а между прижимными решетками 4 и торцевыми фланцами 2 монополярный электрод-катод 6, при этом металлические щупы - правые 21, расположены внутри трубок 29 с прикатодными мембранами 27 и соединены с двух торцевых сторон с катодом 6, а металлические щупы - левые 22, расположены внутри трубок 25 с прианодными мембранами 26 и соединены с двух торцевых сторон с анодом 5, причем трубки 29 с прикатодными мембранами 27 выполнены большими в три раза диаметрами, клеммы устройства для подвода электрического тока 9 соединены соответственно с монополярным электродом-анодом 5 и монополярным электродом-катодом 6, сборник прикатодного пермеата 7 образован между прижимной решеткой 4 и монополярным электродом-катодом 6, кольцевых прокладок 19, 20, прокладка 24.

Цилиндрический корпус с ответными фланцами 1, торцевые фланцы 2, трубная решетка 3, прижимная решетка 4, штуцера ввода исходного раствора и вывода ретентата 10, 11, штуцера вывода прикатодного пермеата 13, 28, штуцера вывода прианодного пермеата 12, выполнены из диэлектрического материала - капролона или стеклотекстолита.

Трубки 25, 29 могут быть изготовлены из пористого фторопласта.

Монополярный электрод-анод 5, соединены с металлическими щупами левыми 22 с двух торцевых сторон и могут быть изготовлены из материала марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП.

Монополярный электрод-катод 6, соединен с металлическими щупами правыми 21 с двух торцевых сторон и могут быть изготовлены из материала марок Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, также как и клеммы устройства для подвода электрического тока 9.

В качестве прианодных и прикатодных мембран 26, 27 могут применяться мембраны следующих типов МГА-95, МГА-70П, МГА-80П, МГА-90П, МГА-95П-Н, МГА-95ПТ, МГА-100П, УАМ-150П, УАМ-300П, УАМ-500П, УАМ-1000П, ОПМН-П, ОФМНП, ОПМ-К, ESPA, ESNA, мембраны «Таммел».

Уплотнительные прокладки 15 и прокладки 14 могут быть изготовлены из паронита.

Кольцевые прокладки 19, 20 и прокладка 24 могут изготавливаться из паронита, резины.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, фиг. 1, 2, через штуцер ввода исходного раствора 10 подается вовнутреннее пространство цилиндрического корпуса с ответными фланцами 1, где постепенно заполняет весь объем. В этот же момент времени к аппарату подводится внешнее постоянное электрическоеполе вызывающее определенную плотность тока в растворе путем подключения клемм устройства для подвода электрического тока 9, фиг. 1, 2, 3, через монополярные электроды-анод и катод 5, 6, соединены с металлическими щупами правыми 21 и левыми 22 соответственно с двух торцевых сторон. Раствор, протекает в межмембранном пространстве, фиг. 1, между цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1, трубными решетками 3 и прианодными и прикатодными мембранами 26, 27 расположенными на трубках 25 и 29 соответственно двигаясь, перемешивается. В межмембранном пространстве, фиг. 1, 4, 5, 6, вещество, растворенное в жидкости диссоциирует на ионы, под действием электрического тока анионы и катионы проникают через прианодные и прикатодные мембраны 26, 27, соответственно в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», далее сквозь трубки 25, 29 и попадают в зазоры между внутренними частями трубки 25, 29 и щупами металлическими правыми 21 и левыми 22, а затем самотеком с прианодным и прикатодным пермеатами и газами, образующимися на щупах металлических правых 21 и левых 22 в результате электрохимических реакций поступает в сборники прикатодного и прианодного пермеата 7, 8, фиг. 1. Далее прианодный пермеат отводится через каналы прианодного пермеата 23, расположенными в сечении аппарата от горизонтальной оси под углами 3π/2 совпадающими с отверстиями в штуцерах вывода прианодного пермеата 12 вкрученных на резьбе в прижимные решетки 4 в виде кислот и растворенных газов, а прикатодный пермеат отводится из сборника прикатодного пермеата 7, через штуцеры вывода прикатодного пермеата 13, 28, расположенными в сечении аппарата от горизонтальной оси под углами 3π/2 с обеих торцевых сторон электробаромембранного аппарата в виде оснований и растворенных газов в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус».

Таким образом, из раствора последовательно протекающего по всему межмембранному пространству электробаромембранного аппарата трубчатого типа, фиг. 1, образованного между цилиндрическим корпусом с ответными фланцами 1, трубными решетками 3, прианодными и прикатодными мембранами 26, 27, в зависимости от схемы подключения электродов «плюс» или «минус», в виде анионов и катионов удаляются растворенные вещества. Торцевые концы трубок 25, 29 фиг. 1, с прианодными и прикатодными мембранами 26, 27 соответственно закреплены в трубных решетках 3 и прижимных решетках 4 при помощи кольцевых прокладок 19 и 20, вставленных в посадочную поверхность на внутренней стороне трубных решеток 3 и прижимных решеток 4, которые охватывают концы трубок 25, 29 с внешней стороны вместе с прианодными и прикатодными мембранами 26, 27 и препятствуют протеканию разделяемого раствора в сборники прикатодного и прианодного пермеата 7, 8 соответственно.

Увеличение площади мембран для разделения растворов, фиг. 1, 4, 5, 6, обеспечено тем, что трубки 29 с расположенными снаружи прикатодными мембранами 27, выполнены увеличенными диаметрами в три раза, а трубки 25 с прианодными мембранами 26 расположены в камере разделения раствора (межмембранном канале).

Снижение гидравлического сопротивления в каналах для отвода прикатодного пермеата, фиг. 1, 5, обеспечено тем, что трубки 29 с расположенными снаружи прикатодными мембранами 27, выполнены увеличенными диаметрами в три раза и отвод прикатодного пермеата осуществляется через два штуцера вывода прикатодного пермеата 13, 28, что позволяет более свободно циркулировать прикатодному пермеату.

Увеличение качества и эффективности разделения растворов, фиг. 1, 4, 5, 6, осуществляется за счет того, что в камере разделения растворов расположено большее количество трубок 29, 25 с расположенными снаружи прикатодными 27 и прианодными 26 мембранами.

На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос при разделении растворов химических, машиностроительных и пищевых производств.