EA040270B1 - DESIGN OF HYDRAULIC MANIFOLDS IN ELECTRODIALYSIS DEVICES - Google Patents

DESIGN OF HYDRAULIC MANIFOLDS IN ELECTRODIALYSIS DEVICES Download PDF

Info

Publication number
EA040270B1
EA040270B1 EA201992533 EA040270B1 EA 040270 B1 EA040270 B1 EA 040270B1 EA 201992533 EA201992533 EA 201992533 EA 040270 B1 EA040270 B1 EA 040270B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
fluid
chambers
fluid flow
intake manifold
manifold
Prior art date
Application number
EA201992533
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Джошуа Гриффис
Саймон Пол Дьюкс
Ли-Шиан Лян
Лейн Уилльям
Крис Ви Лун Лим
Original Assignee
Эвокуа Уотер Текнолоджиз Ллк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эвокуа Уотер Текнолоджиз Ллк filed Critical Эвокуа Уотер Текнолоджиз Ллк
Publication of EA040270B1 publication Critical patent/EA040270B1/en

Links

Description

Родственные заявкиRelated Applications

Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет согласно разделу 35 Свода законов США, § 119(е), по предварительной заявке на патент США № 62/522732, озаглавленной Конструкция гидравлических коллекторов в электродиализных устройствах и поданной 21 июня 2017 г., содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.This patent application claims priority under 35 U.S.C. § 119(e) of U.S. Provisional Application No. 62/522,732 entitled Design of Hydraulic Manifolds in Electrodialysis Devices and filed June 21, 2017, the contents of which are incorporated in their entirety in this application by reference.

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, в целом относятся к электрохимическим мембранным системам и способу их эксплуатации.Aspects and embodiments disclosed herein generally relate to electrochemical membrane systems and their method of operation.

Уровень техникиState of the art

Устройства для очистки текучих сред при помощи электрических полей могут применяться для обработки воды и других жидкостей, содержащих растворенные ионные формы (частицы). Двумя типами устройств, обрабатывающих воду таким способом, являются устройства для электродеионизации и электродиализа. Внутри этих устройств имеются концентрирующие и разбавляющие камеры, разделенные ионоселективными мембранами. Электродиализное устройство, как правило, включает в себя чередующиеся электроактивные полупроницаемые анионо- и катионообменные мембраны. Пространства между мембранами выполнены с возможностью создания камер жидкого потока с впускными и выпускными отверстиями. Внешнее электрическое поле, наложенное при помощи электродов, вызывает образование растворенных ионов, притягиваемых к соответствующим противоэлектродам и мигрирующих через анионо- и катионообменные мембраны. Это обычно приводит к тому, что жидкость в разбавляющей камере обедняется ионами, а жидкость в концентрирующей камере обогащается перенесенными ионами.Devices for cleaning fluids using electric fields can be used to treat water and other liquids containing dissolved ionic forms (particles). Two types of devices that treat water in this way are devices for electrodeionization and electrodialysis. Inside these devices are concentration and dilution chambers separated by ion-selective membranes. An electrodialysis device typically includes alternating electroactive semi-permeable anion and cation exchange membranes. The spaces between the membranes are configured to create liquid flow chambers with inlets and outlets. An external electric field applied by the electrodes causes the formation of dissolved ions, which are attracted to the corresponding counter electrodes and migrate through the anion and cation exchange membranes. This generally results in the liquid in the dilution chamber becoming depleted of ions and the liquid in the concentration chamber enriched in carried ions.

Устройства, аналогичные по конструкции электродиализным устройствам, могут применяться в качестве устройств обращенного электродиализа (УОЭ). В два комплекта камер подают текучие среды с различными концентрациями ионов, разделенными ионоселективными мембранами, например морской водой и речной водой. Разность концентраций и химических потенциалов приводит к возникновению разности напряжений на каждой мембране, которая при суммировании по всему количеству мембран в устройстве приводит к возникновению потенциала, генерируемого на двух электродах, ограничивающих пакет камер и мембран.Devices similar in design to electrodialysis devices can be used as reverse electrodialysis (ROD) devices. The two sets of chambers are fed with fluids with different concentrations of ions separated by ion selective membranes, such as sea water and river water. The difference in concentrations and chemical potentials leads to the appearance of a voltage difference on each membrane, which, when summed over the entire number of membranes in the device, leads to a potential generated on two electrodes that limit the package of chambers and membranes.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

В соответствии с одним или более аспектами система электрохимического разделения может содержать первый электрод, второй электрод, первый модульный блок электрохимического разделения, имеющий первый пакет ячеек, образующий множество чередующихся обедняющих камер и концентрирующих камер, поддерживаемых первой рамой, при этом первый модульный блок электрохимического разделения расположен между первым электродом и вторым электродом и второй модульный блок электрохимического разделения, расположенный рядом и взаимодействующий с первым модульным блоком электрохимического разделения, имеющий второй пакет ячеек, образующий множество чередующихся обедняющих камер и концентрирующих камер, поддерживаемых второй рамой, при этом второй модульный блок электрохимического разделения расположен между первым модульным блоком электрохимического разделения и вторым электродом.In accordance with one or more aspects, the electrochemical separation system may include a first electrode, a second electrode, a first modular electrochemical separation unit having a first cell stack forming a plurality of alternating depletion chambers and concentrating chambers supported by a first frame, wherein the first modular electrochemical separation unit is located between the first electrode and the second electrode and a second modular electrochemical separation unit adjacent to and cooperating with the first modular electrochemical separation unit having a second cell stack forming a plurality of alternating depletion chambers and concentrating chambers supported by the second frame, wherein the second modular electrochemical separation unit is located between the first modular electrochemical separation unit and the second electrode.

В соответствии с одним или более аспектами способ сборки системы электрохимического разделения может включать в себя монтаж первого модульного блока электрохимического разделения, имеющего первый пакет ячеек, окруженный первой рамой, в сосуде между первым электродом и вторым электродом, и монтаж второго модульного блока электрохимического разделения, имеющего второй пакет ячеек, окруженный второй рамой, в сосуде между первым модульным блоком электрохимического разделения и вторым электродом.In accordance with one or more aspects, a method for assembling an electrochemical separation system may include mounting a first modular electrochemical separation unit having a first cell stack surrounded by a first frame in a vessel between the first electrode and the second electrode, and mounting a second modular electrochemical separation unit having a second cell stack, surrounded by a second frame, in a vessel between the first modular electrochemical separation unit and the second electrode.

В соответствии с одним или более аспектами модульный блок электрохимического разделения может содержать пакет ячеек, образующий множество чередующихся обедняющих камер и концентрирующих камер, и раму, окружающую пакет ячеек и включающую в себя систему коллектора, выполненную с возможностью обеспечения потока текучей среды через пакет ячеек.In accordance with one or more aspects, a modular electrochemical separation unit may include a cell stack defining a plurality of alternating depletion chambers and concentrating chambers, and a frame surrounding the cell stack and including a manifold system configured to allow fluid to flow through the cell stack.

В соответствии с одним или более аспектами распределитель потока для электрохимического разделения может содержать множество первых проходов (каналов), ориентированных в первом направлении и выполненных с возможностью доставки подаваемого материала к по меньшей мере одной камере устройства электрохимического разделения, и множество вторых проходов, ориентированных во втором направлении, при этом множество вторых проходов сообщается по текучей среде со множеством первых проходов и с впускным коллектором, связанным с устройством электрохимического разделения.In accordance with one or more aspects, the electrochemical separation flow distributor may comprise a plurality of first passages (channels) oriented in a first direction and configured to deliver feed material to at least one chamber of the electrochemical separation device, and a plurality of second passages oriented in a second direction. direction, wherein the plurality of second passages are in fluid communication with the plurality of first passages and with the intake manifold associated with the electrochemical separation device.

В соответствии с одним или более аспектами система электрохимического разделения может содержать первый электрод, второй электрод, первый модульный блок электрохимического разделения, включающий в себя множество чередующихся обедняющих камер и концентрирующих камер, расположенных между первым и вторым электродами, и второй модульный блок электрохимического разделения, включающий в себя множество чередующихся обедняющих камер и концентрирующих камер, при этом второй модульный блок электрохимического разделения предназначен для совместного функционирования с первым модульным блоком электрохимического разделения и расположен между первым модульным блоком электрохимического разделения и вторым электродом, и распорную деталь, разме- 1 040270 щенную между и рядом с первым и вторым модульными блоками электрохимического разделения, выполненную с возможностью уменьшения токовых потерь в системе.In accordance with one or more aspects, the electrochemical separation system may include a first electrode, a second electrode, a first modular electrochemical separation unit including a plurality of alternating depletion chambers and concentrating chambers located between the first and second electrodes, and a second modular electrochemical separation unit including a plurality of alternating depletion chambers and concentrating chambers, wherein the second modular electrochemical separation unit is designed to co-operate with the first modular electrochemical separation unit and is located between the first modular electrochemical separation unit and the second electrode, and a spacer placed between and next to the first and second modular blocks of electrochemical separation, made with the possibility of reducing current losses in the system.

В соответствии с одним или более вариантами осуществления модульная система электрохимического разделения, которая может также называться устройством или аппаратом электрической очистки, может повышать эффективность или общую гибкость различных процессов обработки. В некоторых вариантах осуществления перекрестноточные устройства электрохимического разделения, такие как перекрестноточные электродиализные устройства (устройства ЭД), могут быть реализованы в качестве привлекательной альтернативы традиционным рамным устройствам. Перекрестноточные устройства раскрыты в US 8627560 В2, US 8741121 В2 и US 20160346737 А1, все из которых полностью включены в настоящую заявку во всех отношениях посредством ссылки. В некоторых вариантах осуществления значения неэффективности тока в перекрестноточных устройствах электрохимического разделения могут быть уменьшены. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления неэффективность тока вследствие протекания тока в обход через впускные и выпускные коллекторы может быть устранена. Потребление энергии и требования к мембранам также могут быть снижены, при этом то и другое может повлиять на расходы за срок службы в различных применениях. В некоторых вариантах осуществления может достигаться по меньшей мере 85% использования мембран. Снижение требований к мембранам может, в свою очередь, привести к уменьшению стоимости изготовления, веса и требований к размерам для устройств электрохимического разделения.In accordance with one or more embodiments, a modular electrochemical separation system, which may also be referred to as an electrical cleaning device or apparatus, can increase the efficiency or overall flexibility of various processing processes. In some embodiments, cross-flow electrochemical separation devices, such as cross-flow electrodialysis devices (ED devices), can be implemented as an attractive alternative to traditional frame devices. Crossflow devices are disclosed in US 8627560 B2, US 8741121 B2 and US 20160346737 A1, all of which are incorporated herein in their entirety in all respects by reference. In some embodiments, current inefficiencies in cross-current electrochemical separation devices can be reduced. In at least some embodiments, current inefficiency due to current bypassing through the intake and exhaust manifolds can be eliminated. Energy consumption and membrane requirements can also be reduced, both of which can affect lifetime costs in various applications. In some embodiments, at least 85% membrane utilization can be achieved. The reduction in membrane requirements may, in turn, lead to reductions in manufacturing cost, weight, and dimensional requirements for electrochemical separation devices.

В некоторых конкретных вариантах осуществления эффективность технологического процесса перекрестноточных электродиализных устройств может быть значительно повышена. В некоторых вариантах осуществления эффективность систем электрохимического разделения может быть повышена для обеспечения обессоливания жесткой воды, морской воды и соляных растворов при газонефтедобыче. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления стоимостная конкурентоспособность электродиализа может быть улучшена по сравнению с обратным осмосом (ОС), который в настоящее время представляет собой ведущую технологию обессоливания.In some specific embodiments, the process efficiency of cross-flow electrodialysis devices can be significantly improved. In some embodiments, the efficiency of electrochemical separation systems can be increased to provide desalination of hard water, sea water, and brines in oil and gas production. In at least some embodiments, the cost competitiveness of electrodialysis can be improved over reverse osmosis (RO), which is currently the leading desalination technology.

Один или более вариантов осуществления, раскрытых в настоящем документе, относятся к устройствам, способным очищать при помощи электричества текучие среды, которые могут содержаться внутри корпуса, а также способам их изготовления и применения. Жидкости или другие текучие среды, подлежащие очистке, поступают в очистное устройство и под воздействием электрического поля обрабатываются для получения обедненной ионами жидкости. Частицы из поступающих жидкостей собирают для получения ионно-концентрированной жидкости.One or more embodiments disclosed herein relate to devices capable of electrically purifying fluids that may be contained within a housing, as well as methods of making and using them. The liquids or other fluids to be treated enter the treatment device and are processed under the influence of an electric field to obtain an ion-depleted fluid. Particles from incoming liquids are collected to obtain an ion-concentrated liquid.

В соответствии с одним или более вариантами осуществления система или устройство электрохимического разделения могут быть модульными. Каждый модульный блок может, как правило, функционировать в качестве субблока общей системы электрохимического разделения. Модульный блок может включать в себя любое требуемое количество пар ячеек. В некоторых вариантах осуществления количество пар ячеек на модульный блок может зависеть от общего количества пар ячеек и проходов в устройстве разделения. Оно может также зависеть от количества пар ячеек, которые могут быть термоскрепленными и герметизированными в раме с приемлемой частотой отказов при испытаниях на перекрестные утечки и другие критерии эффективности функционирования. Количество может быть основано на статистическом анализе производственного процесса и может быть увеличено по мере улучшения управления производственным процессом. В некоторых неограничивающих вариантах осуществления модульный блок может включать в себя от приблизительно 50 до приблизительно 100 пар ячеек. Модульные блоки могут быть собраны в индивидуальном порядке и подвергнуты испытаниям по контролю качества, таким как проверка утечек, показателей разделения и падение давления, перед встраиванием в более крупную систему. В некоторых вариантах осуществления пакет ячеек может быть установлен в раме в качестве модульного блока, который можно испытывать независимо. Множество модульных блоков могут быть собраны вместе для обеспечения общего расчетного количества пар ячеек в устройстве электрохимического разделения. В некоторых вариантах осуществления способ сборки может в общем случае включать в себя помещение первого модульного блока на втором модульном блоке, помещение третьего модульного блока на первом и втором модульных блоках и повторение для получения множества модульных блоков в требуемом количестве. В некоторых вариантах осуществления сборка или отдельные модульные блоки могут быть вставлены в сосуд высокого давления для осуществления эксплуатации. Конфигурации с многопроходным потоком возможны при помещении блокирующих мембран и/или распорных деталей между модульными блоками или внутри модульных блоков. Модульный принцип может улучшать технологичность изготовления с точки зрения экономии времени и затрат. Модульность может также способствовать обслуживанию системы, обеспечивая возможность выявления неисправностей, изолирования, демонтажа и замены отдельных модульных блоков. Отдельные модульные блоки могут включать в себя коллекторные системы и системы распределения потока, способствующие процессу электрохимического разделения. Отдельные модульные блоки могут сообщаться по текучей среде друг с другом, а также с центральной коллекторной и другими системами, связанными с общим процессом электрохимического разделения.According to one or more embodiments, the electrochemical separation system or apparatus may be modular. Each modular unit can typically function as a sub-unit of the overall electrochemical separation system. The modular block may include any desired number of pairs of cells. In some embodiments, the number of cell pairs per module may depend on the total number of cell pairs and passages in the separator. It may also depend on the number of pairs of cells that can be thermally bonded and sealed in a frame with an acceptable failure rate in cross-leak tests and other performance criteria. The quantity may be based on a statistical analysis of the manufacturing process and may be increased as the process control improves. In some non-limiting embodiments, a modular unit may include from about 50 to about 100 pairs of cells. Modular units can be individually assembled and subjected to quality control tests such as leakage, separation performance and pressure drop before being integrated into a larger system. In some embodiments, the cell stack may be installed in a frame as a modular unit that can be independently tested. A plurality of modular units may be assembled together to provide a total design number of cell pairs in an electrochemical separation device. In some embodiments, the assembly method may generally include placing a first modular block on a second modular block, placing a third modular block on the first and second modular blocks, and repeating to obtain a plurality of modular blocks in the desired number. In some embodiments, the assembly or individual modular units may be inserted into the pressure vessel for operation. Multiple flow configurations are possible by placing blocking membranes and/or spacers between the modular units or within the modular units. The modular principle can improve manufacturability in terms of time and cost savings. Modularity can also facilitate system maintenance by providing the ability to troubleshoot, isolate, remove, and replace individual modular units. Individual modular units may include manifold systems and flow distribution systems to aid in the electrochemical separation process. The individual modular units may be in fluid communication with each other, as well as with the central manifold and other systems associated with the overall process of electrochemical separation.

В соответствии с одним или более вариантами осуществления эффективность систем электрохими- 2 040270 ческого разделения может быть повышена. Токовые потери являются одним из потенциальных источников неэффективности. В некоторых вариантах осуществления, таких как варианты, включающие в себя перекрестноточную конструкцию, возможность утечки тока может быть устранена. Эффективность тока может быть определена как процентная доля тока, которая эффективна при перемещении ионов из разбавленного потока в концентрированный поток. В системе электрохимического разделения могут существовать различные источники неэффективности тока. Один потенциальный источник неэффективности может включать в себя ток, проходящий в обход пар ячеек за счет протекания через впускной и выпускной коллекторы разбавленного и концентрированного потоков. Открытые впускной и выпускной коллекторы могут напрямую сообщаться по текучей среде с проточными камерами и могут уменьшать падение давления в каждом пути потока. Часть электрического тока от одного электрода до другого может проходить в обход пакета пар ячеек (шунтироваться), протекая через открытые зоны. Обходной ток (ток шунтирования) уменьшает эффективность тока и увеличивает потребление энергии. Другой потенциальный источник неэффективности может включать в себя ионы, поступающие в разбавленный поток из концентрированного вследствие неидеальной селективной проницаемости ионообменных мембран. В некоторых вариантах осуществления методы, связанные с герметизацией и заливкой мембран и экранов внутри устройства, могут способствовать уменьшению утечки тока.According to one or more embodiments, the efficiency of electrochemical separation systems can be improved. Current losses are one potential source of inefficiency. In some embodiments, such as those incorporating a cross-flow design, the possibility of current leakage can be eliminated. Current efficiency can be defined as the percentage of current that is efficient in moving ions from a dilute stream to a concentrated stream. There can be various sources of current inefficiency in an electrochemical separation system. One potential source of inefficiency may include current bypassing the cell pairs by dilute and concentrated flows through the intake and exhaust manifolds. The open intake and exhaust manifolds can be in direct fluid communication with the flow chambers and can reduce the pressure drop in each flow path. Part of the electric current from one electrode to another can bypass the stack of pairs of cells (shunt), flowing through the open zones. Bypass current (shunt current) reduces current efficiency and increases power consumption. Another potential source of inefficiency may include ions entering a dilute stream from a concentrated one due to the non-ideal selective permeability of ion exchange membranes. In some embodiments, techniques associated with sealing and potting membranes and shields within a device can help reduce current leakage.

В одном или более вариантах осуществления обходным путем через пакет можно манипулировать, способствуя протеканию тока по прямому пути через пакет ячеек, чтобы повысить эффективность тока. В некоторых вариантах осуществления устройство электрохимического разделения может быть выполнено и расположено таким образом, чтобы один или более обходных путей были более извилистыми, чем прямой путь через пакет ячеек. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления устройство электрохимического разделения может быть выполнено и расположено таким образом, чтобы один или более обходных путей представляли собой большее сопротивление, чем прямой путь через пакет ячеек. В некоторых вариантах осуществления, включая модульную систему, отдельные модульные блоки могут быть выполнены с возможностью повышения эффективности тока. Модульные блоки могут быть выполнены и расположены таким образом, чтобы способствовать образованию обходного пути тока, который будет вносить вклад в эффективность тока. В неограничивающих вариантах осуществления модульный блок может включать в себя коллекторную систему и/или систему распределения потока, выполненную с возможностью повышения эффективности тока. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления рама, окружающая пакет ячеек в модульном блоке электрохимического разделения, может быть выполнена и расположена таким образом, чтобы способствовать образованию обходного пути тока. В некоторых вариантах осуществления обеспечение конфигурации с многопроходным потоком внутри устройства электрохимического разделения может способствовать уменьшению утечки тока. В по меньшей мере некоторых неограничивающих вариантах осуществления блокирующие мембраны и/или распорные детали могут быть вставлены между модульными блоками, чтобы направлять разбавленные и/или концентрированные потоки в конфигурации с многопроходным потоком для повышения эффективности тока. В некоторых вариантах осуществления может достигаться эффективность тока, составляющая по меньшей мере 60%. В других вариантах осуществления может достигаться эффективность тока, составляющая по меньшей мере 70%. В еще одних вариантах осуществления может достигаться эффективность тока, составляющая по меньшей мере 80%. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления может достигаться эффективность тока, составляющая по меньшей мере 85%.In one or more embodiments, the bypass path through the stack can be manipulated to allow current to flow in a direct path through the cell stack to improve current efficiency. In some embodiments, the electrochemical separation device may be configured and positioned such that one or more detours are more tortuous than the direct path through the cell stack. In at least some embodiments, the electrochemical separation device may be configured and positioned such that one or more bypass paths present more resistance than a direct path through the cell stack. In some embodiments, including a modular system, individual modular units may be configured to improve current efficiency. The modular units may be designed and positioned to facilitate the formation of a current bypass that will contribute to current efficiency. In non-limiting embodiments, the modular unit may include a collector system and/or a flow distribution system configured to improve current efficiency. In at least some embodiments, a frame surrounding a cell stack in a modular electrochemical separation unit may be configured and positioned to facilitate the formation of a current bypass path. In some embodiments, providing a multi-pass flow configuration within an electrochemical separation device may help reduce current leakage. In at least some non-limiting embodiments, blocking membranes and/or spacers may be inserted between the modular units to direct dilute and/or concentrated flows in a multi-pass flow configuration to improve current efficiency. In some embodiments, a current efficiency of at least 60% can be achieved. In other embodiments, a current efficiency of at least 70% can be achieved. In still other embodiments, a current efficiency of at least 80% can be achieved. In at least some embodiments, a current efficiency of at least 85% can be achieved.

В соответствии с одним или более аспектами аппарат электрохимического разделения может содержать пакет ячеек. Пакет ячеек может дополнительно содержать множество выровненных в одну линию пар ячеек, при этом каждая из множества выровненных в одну линию пар ячеек включает в себя камеру концентрации ионов, выполненную и расположенную таким образом, чтобы обеспечивать поток текучей среды в первом направлении, и камеру обеднения ионами, выполненную и расположенную таким образом, чтобы обеспечивать поток текучей среды во втором направлении, отличном от первого направления.In accordance with one or more aspects, the electrochemical separation apparatus may comprise a stack of cells. The cell stack may further comprise a plurality of aligned cell pairs, wherein each of the plurality of aligned cell pairs includes an ion concentration chamber configured and positioned to provide fluid flow in a first direction and an ion depletion chamber. , configured and positioned to allow fluid to flow in a second direction different from the first direction.

В соответствии с одним или более аспектами предлагается устройство электрохимического разделения. Устройство электрохимического разделения содержит первый электрод, второй электрод, пакет ячеек, включающий в себя чередующиеся обедняющие камеры и концентрирующие камеры, расположенные между первым электродом и вторым электродом, впускной коллектор, выполненный с возможностью ввода текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры, выпускной коллектор и одно или более направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри впускного коллектора и имеющее поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во впускной коллектор, и направления текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры, и второе направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри выпускного коллектора и имеющее поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной в выпускной коллектор через обедняющие камеры или через концентрирующие камеры.According to one or more aspects, an electrochemical separation apparatus is provided. The electrochemical separation device comprises a first electrode, a second electrode, a cell stack including alternating depletion chambers and concentrating chambers located between the first electrode and the second electrode, an inlet manifold configured to introduce fluid into the depletion chambers or into the concentrating chambers, an exhaust manifold and one or more fluid flow guides disposed within the intake manifold and having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the intake manifold and direct the fluid into the lean chambers or the concentrating chambers, and a second guide for fluid flow located inside the exhaust manifold and having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the exhaust manifold through the depletion chambers or through the concentrating chambers.

В некоторых вариантах осуществления путь потока текучей среды через обедняющие камеры перпендикулярен пути потока текучей среды через концентрирующие камеры.In some embodiments, the fluid flow path through the depletion chambers is perpendicular to the fluid flow path through the concentration chambers.

- 3 040270- 3 040270

В некоторых вариантах осуществления направляющее устройство для потока текучей среды расположено внутри впускного коллектора и выполнено с возможностью по меньшей мере частичного блокирования тока шунтирования через впускной коллектор. Направляющее устройство для потока текучей среды может определять путь потока текучей среды через впускной коллектор между различными участками пакета ячеек, имеющего площадь поперечного сечения меньше, чем площадь поперечного сечения впускного коллектора.In some embodiments, the fluid flow guide is located within the intake manifold and configured to at least partially block shunt current through the intake manifold. The fluid flow guide may define a fluid flow path through the intake manifold between different portions of the cell stack having a cross-sectional area smaller than the intake manifold's cross-sectional area.

В некоторых вариантах осуществления пакет ячеек имеет среднюю эффективность тока, составляющую по меньшей мере 85%.In some embodiments, the cell stack has an average current efficiency of at least 85%.

В некоторых вариантах осуществления пакет ячеек включает в себя множество субблоков, а направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя множество наклонных направляющих (рамп), выполненных с возможностью направления текучей среды в различные соответствующие субблоки из множества субблоков. Зазор размером менее 1 мм может быть образован между краями каждой из наклонных направляющих и пакета ячеек.In some embodiments, the cell stack includes a plurality of subassemblies, and the fluid flow guide includes a plurality of ramps configured to direct fluid to various respective subassemblies of the plurality of subassemblies. A gap of less than 1 mm may be formed between the edges of each of the ramps and the cell stack.

В некоторых вариантах осуществления направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя множество каналов, изолированных по текучей среде друг от друга. Каждый из множества каналов может заканчиваться у соответствующей наклонной направляющей из множества наклонных направляющих. Сумма площадей поперечного сечения множества каналов может быть меньше, чем площадь поперечного сечения впускного коллектора.In some embodiments, the fluid flow guide includes a plurality of channels that are fluidly isolated from each other. Each of the plurality of channels may terminate at a respective ramp of the plurality of ramps. The sum of the cross-sectional areas of the plurality of passages may be less than the cross-sectional area of the intake manifold.

В некоторых вариантах осуществления устройство дополнительно содержит второе направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри выпускного коллектора. Второе направляющее устройство для потока текучей среды может быть выполнено с возможностью по меньшей мере частичного блокирования тока шунтирования через выпускной коллектор.In some embodiments, the device further comprises a second fluid flow guide located within the exhaust manifold. The second fluid flow guide may be configured to at least partially block shunt current through the exhaust manifold.

В некоторых вариантах осуществления устройство дополнительно содержит второй пакет ячеек, образующий чередующиеся вторые обедняющие камеры и вторые концентрирующие камеры, расположенные между пакетом ячеек и вторым электродом, второй впускной коллектор, выровненный в одну линию с выпускным коллектором и выполненный с возможностью введения текучей среды из выпускного коллектора во вторые обедняющие камеры или во вторые концентрирующие камеры, третье направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри второго впускного коллектора и имеющее поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во второй впускной коллектор, и направления текучей среды во вторые обедняющие камеры или во вторые концентрирующие камеры, второй выпускной коллектор, расположенный на противоположной стороне второго пакета ячеек относительно второго впускного коллектора, и перегородку, отделяющую впускной коллектор от второго выпускного коллектора по текучей среде.In some embodiments, the apparatus further comprises a second cell stack defining alternating second lean chambers and second concentrating chambers positioned between the cell stack and the second electrode, a second intake manifold aligned with the exhaust manifold and configured to introduce fluid from the exhaust manifold into the second depletion chambers or into the second concentrating chambers, a third fluid flow guiding device located inside the second intake manifold and having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the second intake manifold and direct the fluid into the second depletion chambers or into second concentrating chambers, a second exhaust manifold located on the opposite side of the second cell stack relative to the second intake manifold, and a baffle separating the intake manifold from the second exhaust manifold in fluid e.

В некоторых вариантах осуществления пакет ячеек включает в себя множество субблоков, а направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя множество перегородок, выполненных с возможностью изоляции потока текучей среды в каждый из множества субблоков от потока текучей среды в другие из множества субблоков. Направляющее устройство для потока текучей среды может дополнительно включать в себя концентрические каналы для текучей среды.In some embodiments, the cell stack includes a plurality of subassemblies, and the fluid flow guide includes a plurality of baffles configured to isolate fluid flow to each of the plurality of subassemblies from fluid flow to the other of the plurality of subassemblies. The fluid flow guide may further include concentric fluid channels.

В некоторых вариантах осуществления направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя криволинейный выступ, проходящий внутрь в направлении пакета ячеек от стенки впускного коллектора. Направляющее устройство для потока текучей среды может уменьшать площадь поперечного сечения впускного коллектора на первую величину на конце впускного коллектора и на вторую величину, большую, чем первая величина, в средней точке вдоль длины впускного коллектора. Направляющее устройство для потока текучей среды может быть выполнено с возможностью уменьшения скорости потока текучей среды через камеры в центральной области пакета ячеек.In some embodiments, the fluid flow guide includes a curved protrusion extending inwardly in the direction of the cell stack from the intake manifold wall. The fluid flow guide may reduce the cross-sectional area of the intake manifold by a first amount at an end of the intake manifold and by a second amount greater than the first amount at a midpoint along the length of the intake manifold. The fluid flow guide may be configured to reduce the rate of fluid flow through the chambers in the central region of the cell stack.

В некоторых вариантах осуществления устройство дополнительно содержит второе направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри выпускного коллектора. Второе направляющее устройство для потока текучей среды может иметь площадь поперечного сечения, которая уменьшается вдоль пути потока через выпускной коллектор. Второе направляющее устройство для потока текучей среды может быть выполнено с возможностью уменьшения падения давления текучей среды через устройство.In some embodiments, the device further comprises a second fluid flow guide located within the exhaust manifold. The second fluid flow guide may have a cross-sectional area that decreases along the flow path through the exhaust manifold. The second fluid flow guiding device may be configured to reduce the pressure drop of the fluid through the device.

В некоторых вариантах осуществления устройство дополнительно содержит впускное отверстие для текучей среды, имеющее поперечное сечение, отличное от поперечного сечения впускного коллектора, и гидравлический адаптер, расположенный между впускным отверстием для текучей среды и впускным коллектором. Гидравлический адаптер может включать в себя канал, имеющий первую секцию с направленным внутрь конусом, в которой ширина канала уменьшается по первой оси, и вторую секцию с направленным наружу конусом, в которой ширина канала увеличивается по второй оси, при этом первая секция и вторая секция не перекрываются. Направленный внутрь конус первой секции канала может представлять собой эллиптический конус.In some embodiments, the apparatus further comprises a fluid inlet having a different cross section than the intake manifold and a hydraulic adapter positioned between the fluid inlet and the intake manifold. The hydraulic adapter may include a conduit having a first inward cone section in which the cone width decreases along a first axis, and a second outward cone section in which the cone width increases along a second axis, wherein the first section and second section do not overlap. The inwardly directed cone of the first channel section may be an elliptical cone.

В некоторых вариантах осуществления устройство дополнительно содержит рециркуляционный канал, выполненный с возможностью направления концентрата, прошедшего через концентрирующие камеры, обратно в концентрирующие камеры.In some embodiments, the device further comprises a recirculation channel configured to direct the concentrate that has passed through the concentration chambers back to the concentration chambers.

- 4 040270- 4 040270

В некоторых вариантах осуществления впускной коллектор разделен на изолированные по текучей среде каналы, выполненные с возможностью направлять заданные количества текучей среды к различным участкам пакета ячеек. Изолированные по текучей среде трубки могут иметь площади поперечного сечения, выбранные таким образом, чтобы обусловить скорость потока текучей среды через камеры в центральной области пакета ячеек, меньшую, чем скорость потока текучей среды через камеры в верхней и нижней областях пакета ячеек. Изолированные по текучей среде каналы могут иметь площади поперечного сечения, выбранные таким образом, чтобы обусловить скорость потока текучей среды через камеры в верхней области пакета ячеек, по существу равную скорости потока текучей среды через камеры в нижней области пакета ячеек.In some embodiments, the intake manifold is divided into fluid-isolated channels configured to direct predetermined amounts of fluid to different portions of the cell stack. The fluid insulated tubes may have cross-sectional areas chosen to cause the fluid flow rate through the chambers in the central region of the cell stack to be slower than the fluid flow rate through the chambers in the top and bottom regions of the cell stack. Fluid-isolated channels may have cross-sectional areas selected to cause the fluid flow rate through the chambers in the top region of the cell stack to be substantially equal to the fluid flow rate through the chambers in the lower region of the cell stack.

В соответствии с одним или более аспектами предлагается способ повышения эффективности тока в аппарате электрохимического разделения, включающем в себя пакет ячеек, образующий чередующиеся обедняющие камеры и концентрирующие камеры, расположенные между первым электродом и вторым электродом, при этом путь потока текучей среды через обедняющие камеры перпендикулярен пути потока текучей среды через концентрирующие камеры. Способ включает в себя установку направляющего устройства для потока текучей среды во впускном коллекторе аппарата, при этом направляющее устройство для потока текучей среды имеет поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во впускной коллектор, направления текучей среды в одно из множества обедняющих камер или множества концентрирующих камер и по меньшей мере частичного блокирования тока шунтирования через впускной коллектор.In accordance with one or more aspects, a method is provided for improving current efficiency in an electrochemical separation apparatus including a cell stack forming alternating depletion chambers and concentrating chambers located between a first electrode and a second electrode, wherein the fluid flow path through the depletion chambers is perpendicular to the path fluid flow through the concentrating chambers. The method includes installing a fluid flow guide in an apparatus intake manifold, the fluid flow guide having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the intake manifold, directing the fluid into one of a plurality of depletion chambers or a plurality of concentrating chambers and at least partially blocking shunt current through the intake manifold.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя повышение равномерности потока текучей среды через пакет ячеек посредством установки гидравлического адаптера на впуске впускного коллектора, при этом гидравлический адаптер включает в себя канал, имеющий первую секцию с направленным внутрь конусом, в котором ширина канала уменьшается по первой оси, и вторую секцию с направленным наружу конусом, в котором ширина канала увеличивается по второй оси, при этом первая секция и вторая секция не перекрываются. Первая ось может быть перпендикулярна второй оси.In some embodiments, the method further includes improving the uniformity of fluid flow through the cell stack by installing a hydraulic adapter at the inlet of the intake manifold, wherein the hydraulic adapter includes a conduit having a first section with an inwardly directed cone in which the width of the conduit decreases along the first axis, and a second section with an outwardly directed cone in which the width of the channel increases along the second axis, while the first section and the second section do not overlap. The first axis may be perpendicular to the second axis.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя уменьшение падения давления в аппарате за счет установки конического направляющего устройства для потока текучей среды в выпускном коллекторе аппарата.In some embodiments, the method further includes reducing the pressure drop in the apparatus by providing a conical fluid flow guide in the apparatus outlet manifold.

В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя установку второго направляющего устройства для потока текучей среды в выпускном коллекторе аппарата, при этом второе направляющее устройство для потока текучей среды имеет криволинейную поверхность, которая сужает путь потока через выпускной коллектор на первую величину в средней точке вдоль длины выпускного коллектора и на вторую величину, меньшую, чем первая величина, вблизи от конца выпускного коллектора.In some embodiments, the method further includes installing a second fluid flow guide in the apparatus exhaust manifold, wherein the second fluid flow guide has a curved surface that narrows the flow path through the exhaust manifold by a first amount at a midpoint along the length exhaust manifold and a second amount less than the first amount near the end of the exhaust manifold.

В соответствии с одним или более аспектами предлагается электрохимическое мембранное устройство. Электрохимическое мембранное устройство содержит первый электрод, второй электрод, пакет ячеек, включающий в себя чередующиеся обедняющие камеры и концентрирующие камеры, расположенные между первым электродом и вторым электродом, ионоселективные мембраны, отделяющие обедняющие камеры от концентрирующих камер, впускной коллектор, выполненный с возможностью ввода текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры, выпускной коллектор и одно или более из направляющего устройства для потока текучей среды, расположенного внутри впускного коллектора и имеющего поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во впускной коллектор, и направления текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры, и второго направляющего устройства для потока текучей среды, расположенного внутри выпускного коллектора и имеющего поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной в выпускной коллектор через обедняющие камеры или через концентрирующие камеры.According to one or more aspects, an electrochemical membrane device is provided. The electrochemical membrane device comprises a first electrode, a second electrode, a cell package including alternating depletion chambers and concentrating chambers located between the first electrode and the second electrode, ion-selective membranes separating the depletion chambers from the concentrating chambers, an inlet manifold configured to introduce fluid into the lean chambers or into the concentrating chambers, an exhaust manifold and one or more of a fluid flow guiding device located inside the intake manifold and having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the intake manifold and direct the fluid to the lean chambers or concentrating chambers, and a second fluid flow guiding device located inside the exhaust manifold and having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the exhaust manifold through the lean ne chambers or through concentrating chambers.

В некоторых вариантах осуществления устройство представляет собой электродиализное устройство для очистки текучих сред при помощи электрических полей.In some embodiments, the device is an electrodialysis device for purifying fluids using electric fields.

В некоторых вариантах осуществления устройство представляет собой устройство обращенного электродиализа для генерирования электроэнергии на основе двух или более потоков текучей среды с различными концентрациями ионов.In some embodiments, the device is a reverse electrodialysis device for generating electricity from two or more fluid streams with different ion concentrations.

Также другие аспекты, варианты осуществления и преимущества этих иллюстративных аспектов и вариантов осуществления подробно раскрыты ниже.Also, other aspects, embodiments, and advantages of these illustrative aspects and embodiments are detailed below.

Варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, могут сочетаться с другими вариантами осуществления способом, соответствующим по меньшей мере одному из принципов, раскрытых в настоящем документе, при этом ссылки на вариант осуществления, некоторые варианты осуществления, альтернативный вариант осуществления, различные варианты осуществления, один вариант осуществления и т.п. необязательно являются взаимоисключающими и предназначены для указания на то, что конкретные описанные признак, структура или характеристика могут быть включены в по меньшей мере один вариант осуществления. Необязательно все такие термины, появляющиеся в тексте наThe embodiments disclosed herein may be combined with other embodiments in a manner consistent with at least one of the principles disclosed herein, with reference to an embodiment, some embodiments, an alternative embodiment, various embodiments, one embodiment implementation, etc. are not necessarily mutually exclusive and are intended to indicate that the particular feature, structure, or characteristic described may be included in at least one embodiment. Optionally, all such terms appearing in the text on

- 5 040270 стоящего документа, относятся к одному и тому же варианту осуществления.- 5 040270 of this document refer to the same embodiment.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Приложенные чертежи не предназначены для выполнения в соответствии с масштабом. На чертежах каждый идентичный или почти идентичный компонент, изображенный на различных фигурах, представлен одним и тем же позиционным обозначением. В целях обеспечения ясности не каждый компонент может быть обозначен на каждом чертеже.The attached drawings are not intended to be drawn to scale. In the drawings, each identical or nearly identical component shown in the various figures is represented by the same reference numeral. For the sake of clarity, not every component may be labeled in every drawing.

На фиг. 1А показан пример субблока электродиализного устройства.In FIG. 1A shows an example subunit of an electrodialysis device.

На фиг. 1В показан пакет из четырех субблоков, представленных на фиг. 1А, перед установкой в корпусе.In FIG. 1B shows a package of the four sub-units shown in FIG. 1A, before installation in the housing.

На фиг. 1С показано собранное электродиализное устройство с прозрачным кожухом.In FIG. 1C shows an assembled electrodialysis device with a transparent casing.

На фиг. 1D показано собранное электродиализное устройство с непрозрачным кожухом.In FIG. 1D shows an assembled electrodialysis device with an opaque casing.

На фиг. 1Е показана вычислительная гидродинамическая (ВГД) модель электродиализного устройства из четырех субблоков.In FIG. 1E shows a computational fluid dynamic (CFD) model of an electrodialysis device with four subassemblies.

На фиг. 2А изображена текучая среда, подаваемая в разбавляющие камеры электродиализного устройства по наружной трубе к переходному соединению.In FIG. 2A shows fluid being supplied to the dilution chambers of the electrodialysis device through an outer tube to a transition joint.

На фиг. 2В изображена текучая среда, распределяемая по всем разбавляющим камерам электродиализного устройства параллельно через впускной коллектор.In FIG. 2B shows fluid being distributed to all dilution chambers of an electrodialysis device in parallel through an inlet manifold.

На фиг. 2С изображена однопроходная конфигурация электродиализного устройства.In FIG. 2C shows a single pass configuration of the electrodialysis device.

На фиг. 2D изображена двухпроходная конфигурация электродиализного устройства.In FIG. 2D shows a two-pass configuration of the electrodialysis device.

На фиг. 3 изображен неидеальный электродиализ с неэффективностью и потерей воды.In FIG. 3 depicts a non-ideal electrodialysis with inefficiency and water loss.

На фиг. 4 изображена упрощенная модель для протекания тока в разбавляющей или концентрической ячейке электродиализного устройства.In FIG. 4 shows a simplified model for current flow in a dilution or concentric cell of an electrodialysis device.

На фиг. 5 представлена сетевая модель электрической резистивной схемы для моделирования протекания тока в электродиализном устройстве.In FIG. 5 is a network model of an electrical resistive circuit for simulating the flow of current in an electrodialysis device.

На фиг. 6 изображено вычисление электрического сопротивления току шунтирования для конструкции с треугольными портами.In FIG. 6 shows the calculation of the electrical resistance to shunt current for a triangular port design.

На фиг. 7 представлен график, иллюстрирующий пример изменения эффективности тока в зависимости от местоположения пары ячеек в проходе.In FIG. 7 is a graph illustrating an example of the change in current efficiency depending on the location of a pair of cells in the passage.

На фиг. 8 представлен график, иллюстрирующий пример средней эффективности тока как функции количества пар ячеек в проходе.In FIG. 8 is a graph illustrating an example of average current efficiency as a function of the number of cell pairs in a pass.

На фиг. 9 представлен график, иллюстрирующий пример средней эффективности тока как функции концентрации разбавленного подаваемого материала и соотношения средней концентрации в концентрате/средней концентрации в разбавленном потоке.In FIG. 9 is a graph illustrating an example of average current efficiency as a function of dilute feed concentration and average concentration in concentrate/average concentration in dilute stream.

На фиг. 10А представлено поперечное сечение базовой конструкции электродиализного устройства.In FIG. 10A is a cross-sectional view of the basic design of an electrodialysis device.

На фиг. 10В изображены результаты ВГД-моделирования потока в пакете из четырех субблоков базовой конструкции, показанной на фиг. 10А.In FIG. 10B depicts the results of CHD flow simulations in a package of four sub-blocks of the basic design shown in FIG. 10A.

На фиг. 10С представлен график, иллюстрирующий вертикальное положение в зависимости от расхода потока через пары ячеек в базовой конструкции, показанной на фиг. 10А.In FIG. 10C is a graph illustrating vertical position versus flow rate through cell pairs in the basic design shown in FIG. 10A.

На фиг. 11А изображены результаты ВГД-моделирования потока в самой верхней паре ячеек в базовой конструкции, показанной на фиг. 10А.In FIG. 11A shows the results of CFD simulations of the flow in the topmost pair of cells in the basic design shown in FIG. 10A.

На фиг. 11В изображены результаты ВГД-моделирования потока в центральной паре ячеек в базовой конструкции, показанной на фиг. 10А.In FIG. 11B depicts the results of CFD simulations of the flow in the central pair of cells in the basic design shown in FIG. 10A.

На фиг. 11С изображены результаты ВГД-моделирования потока в самой нижней паре ячеек в базовой конструкции, показанной на фиг. 10А.In FIG. 11C depicts the results of CFD simulations of the flow in the lowest pair of cells in the basic design shown in FIG. 10A.

На фиг. 12А изображены элементы направления потока для электродиализного устройства в виде трубчатых каналов.In FIG. 12A shows flow guiding elements for an electrodialysis device in the form of tubular channels.

На фиг. 12В изображены элементы направления потока для электродиализного устройства в виде концентрических трубчатых каналов с перегородками.In FIG. 12B shows the flow guiding elements for an electrodialysis device in the form of baffled concentric tubular channels.

На фиг. 12С изображены другие элементы направления потока для электродиализного устройства в виде концентрических трубчатых каналов с перегородками.In FIG. 12C shows other flow guiding elements for an electrodialysis device in the form of baffled concentric tubular channels.

На фиг. 12D изображены элементы направления потока для электродиализного устройства в виде параллельных каналов с перегородками и наклонными направляющими.In FIG. 12D shows flow guiding elements for an electrodialysis device in the form of parallel channels with baffles and inclined guides.

На фиг. 12Е изображены другие элементы направления потока для электродиализного устройства в виде параллельных каналов с перегородками и наклонными направляющими.In FIG. 12E shows other flow guiding elements for an electrodialysis device in the form of parallel channels with baffles and slanted guides.

На фиг. 13А изображена конфигурация коллектора в базовой конструкции, показанной на фиг. 10А.In FIG. 13A shows the manifold configuration in the basic design shown in FIG. 10A.

На фиг. 13В изображен модифицированный коллектор, включающий в себя элементы, увеличивающие эффективность тока и улучшающие распределение потока.In FIG. 13B depicts a modified manifold that includes features that increase current efficiency and improve flow distribution.

На фиг. 14 представлена диаграмма, иллюстрирующая пример эффективности тока в зависимости от местоположения пары ячеек в единственном проходе электродиализного устройства с четырьмя гальванически развязанными субблоками.In FIG. 14 is a diagram illustrating an example of current efficiency versus cell pair location in a single pass electrodialysis device with four galvanically isolated subassemblies.

На фиг. 15А изображены виды сбоку, спереди, сверху и в изометрии коллекторной вставки для электродиализного устройства, включающего в себя каналы для текучей среды, образованные перего- 6 040270 родками с линейным профилем и эллиптическими наклонными направляющими.In FIG. 15A are side, front, top and isometric views of a manifold insert for an electrodialysis device including fluid channels formed by linear profile baffles and elliptical ramps.

На фиг. 15В изображена ВГД-модель электродиализного устройства, включающего в себя коллектор, показанный на фиг. 15А.In FIG. 15B is a HDD model of an electrodialysis device including the manifold shown in FIG. 15A.

На фиг. 15С изображено сравнение между коллектором базовой конструкции, показанной на фиг. 10, и коллектором, показанным на фиг. 15А.In FIG. 15C shows a comparison between the manifold of the basic design shown in FIG. 10 and the manifold shown in FIG. 15A.

На фиг. 15D изображены виды однокомпонентной модификации коллекторной вставки, показанной на фиг. 15А, для применения в электродиализных устройствах с восемью субблоками.In FIG. 15D are views of the one-piece modification of the manifold insert shown in FIG. 15A for use in electrodialysis devices with eight subassemblies.

На фиг. 15Е изображены виды двухкомпонентной модификации коллекторной вставки, показанной на фиг. 15А, для применения в электродиализных устройствах с восемью субблоками.In FIG. 15E are views of the two-piece modification of the manifold insert shown in FIG. 15A for use in electrodialysis devices with eight subassemblies.

На фиг. 15F изображено сравнение между коллектором электродиализного устройства из восьми субблоков, имеющего базовую конструкцию, и коллектором электродиализного устройства из восьми субблоков, включающего в себя четыре коллекторные вставки, показанные на фиг. 15D.In FIG. 15F shows a comparison between an eight-sub-unit electrodialysis apparatus manifold having a basic structure and an eight-sub-unit electrodialysis apparatus manifold including four manifold inserts shown in FIG. 15D.

На фиг. 16А изображено ВГД-моделирование составляющей Z скорости через центральные плоскости ZY, а также через верхнюю, среднюю и нижнюю плоскости ZX для базовой и оптимизированной конструкций при расходе потока 4 м3/час.In FIG. 16A shows CHD simulations of the velocity component Z through the central ZY planes and through the top, middle, and bottom ZX planes for the base and optimized designs at a flow rate of 4 m 3 /hr.

На фиг. 16В изображено ВГД-моделирование составляющей Z скорости через центральные плоскости ZY, а также через верхнюю, среднюю и нижнюю плоскости ZX для базовой и оптимизированной конструкций при расходе потока 10 м3/час.In FIG. 16B shows CHD simulations of the velocity component Z through the central ZY planes and through the top, middle, and bottom ZX planes for the base and optimized designs at a flow rate of 10 m 3 /hr.

На фиг. 16С изображено ВГД-моделирование составляющей Z скорости через центральные плоскости ZY для базовой и оптимизированной конструкций, показанных на фиг. 15F.In FIG. 16C shows CHD simulations of the Z velocity component through the ZY center planes for the basic and optimized designs shown in FIG. 15F.

На фиг. 16D изображена эффективность технологического процесса в зависимости от тока (расхода потока текучей среды) для базовой и оптимизированной конструкций, показанных на фиг. 15F.In FIG. 16D depicts process efficiency versus current (fluid flow rate) for the basic and optimized designs shown in FIG. 15F.

На фиг. 17А представлен график результатов ВГД-моделирования величин расхода потока на пару ячеек при различных высотах (положениях на оси Y) для базовой и оптимизированной конструкций электродиализного устройства при расходе потока 4 м3/час.In FIG. 17A is a plot of CHD simulation results of cell pair flow rates at various heights (y-axis positions) for the basic and optimized electrodialysis device designs at a flow rate of 4 m 3 /hr.

На фиг. 17В представлен график результатов ВГД-моделирования величин расхода потока на пару ячеек при различных высотах (положениях на оси Y) для базовой и оптимизированной конструкций электродиализного устройства при расходе 10 м3/час.In FIG. 17B is a plot of CHD simulation results of cell pair flow rates at various heights (y-axis positions) for the basic and optimized electrodialysis device designs at a flow rate of 10 m 3 /hr.

На фиг. 18А представлена тепловая карта распределения падения давления по ячейкам в базовой конструкции электродиализной системы.In FIG. 18A is a heat map of the distribution of pressure drop across cells in a basic design of an electrodialysis system.

На фиг. 18В представлена тепловая карта распределения падения давления по ячейкам в оптимизированной конструкции электродиализной системы.In FIG. 18B is a heat map of pressure drop distribution across cells in an optimized electrodialysis system design.

На фиг. 19А изображены положения измерения для падения давления в зависимости от расхода потока при ВГД-моделировании базовой и оптимизированной конструкций электродиализной системы.In FIG. 19A depicts measurement positions for pressure drop vs. flow rate in HDD simulations of basic and optimized electrodialysis system designs.

На фиг. 19В представлен график результатов ВГД-моделирования падения давления в зависимости от расхода для различных субблоков в базовой конструкции электродиализной системы.In FIG. 19B is a plot of CHD simulation results of pressure drop versus flow rate for various subassemblies in a basic electrodialysis system design.

На фиг. 19С представлен график результатов ВГД-моделирования падения давления в зависимости от расхода для различных субблоков в оптимизированной конструкции электродиализной системы. На фиг. 19С представлен график результатов ВГД-моделирования падения давления на всем модуле устройства ЭДИ как в базовой, так и в оптимизированной конструкциях электродиализной системы.In FIG. 19C is a plot of CHD simulation results of pressure drop versus flow rate for various subassemblies in an optimized electrodialysis system design. In FIG. 19C is a graph of the results of the CHD simulation of the pressure drop across the entire EDI device module in both the basic and optimized electrodialysis system designs.

На фиг. 20А изображено поперечное сечение первоначальной конструкции коллектора электродиализного устройства.In FIG. 20A is a cross-sectional view of the original design of the electrodialysis device manifold.

На фиг. 20В изображено поперечное сечение альтернативной конструкции коллектора электродиализного устройства.In FIG. 20B is a cross-sectional view of an alternative electrodialysis device manifold design.

На фиг. 20С изображено поперечное сечение альтернативной конструкции коллектора электродиализного устройства.In FIG. 20C is a cross-sectional view of an alternative electrodialysis device manifold design.

На фиг. 20D изображено поперечное сечение альтернативной конструкции коллектора электродиализного устройства.In FIG. 20D is a cross-sectional view of an alternative electrodialysis device manifold design.

На фиг. 21 показаны моделируемые эффективности процесса для конструкций коллектора, представленных на фиг. 20А-20С.In FIG. 21 shows simulated process efficiencies for the manifold designs shown in FIG. 20A-20C.

На фиг. 22 изображены результаты ВГД-моделирования электродиализного устройства, представленного на фиг. 20 в ячейках наверху, в средней части и внизу пакета ячеек электродиализного устройства.In FIG. 22 shows the results of a CHD simulation of the electrodialysis device shown in FIG. 20 in the cells at the top, middle and bottom of the cell stack of the electrodialysis device.

На фиг. 23А представлено поперечное сечение электродиализного модуля с четырьмя субблоками в двухпроходной конфигурации.In FIG. 23A is a cross-sectional view of an electrodialysis module with four subassemblies in a two-pass configuration.

На фиг. 23В представлено поперечное сечение электродиализного модуля с четырьмя субблоками в двухпроходной конфигурации с криволинейными выступающими вставками, установленными в коллекторах.In FIG. 23B is a cross-sectional view of an electrodialysis module with four subassemblies in a two-pass configuration with curved protruding inserts mounted in manifolds.

На фиг. 24А изображены результаты моделирования распределения давления через центр всего модуля, представленного на фиг. 23А.In FIG. 24A shows simulation results of pressure distribution across the center of the entire module shown in FIG. 23A.

На фиг. 24В изображены результаты моделирования распределения давления через центр всего модуля, представленного на фиг. 23В.In FIG. 24B shows simulation results of pressure distribution across the center of the entire module shown in FIG. 23V.

- 7 040270- 7 040270

На фиг. 25 изображены результаты моделирования распределения скорости через центр всего модуля, представленного на фиг. 23В.In FIG. 25 shows the simulation results of the velocity distribution through the center of the entire module shown in FIG. 23V.

На фиг. 26 изображены результаты моделирования профилей массового потока (на пару ячеек) через модули, представленные на фиг. 23А и фиг. 23В.In FIG. 26 shows simulation results of mass flow profiles (per cell pair) through the modules shown in FIG. 23A and FIG. 23V.

На фиг. 27 изображены несколько примеров возможных выпускных коллекторных вставок.In FIG. 27 shows several examples of possible exhaust manifold inserts.

На фиг. 28 представлено поперечное сечение первого прохода электродиализного модуля с четырьмя субблоками в двухпроходной конфигурации с криволинейной выступающей вставкой, установленной во впускном коллекторе, и прямой конусной вставкой в выпускном коллекторе.In FIG. 28 is a cross-sectional view of the first passage of a four-sub-assembly electrodialysis module in a two-pass configuration with a curved protruding insert mounted in the intake manifold and a straight conical insert in the exhaust manifold.

На фиг. 29 изображены результаты моделирования профилей массового потока (на пару ячеек) через модули, представленные на фиг. 28 с выпускной коллекторной вставкой и без нее.In FIG. 29 shows simulation results of mass flow profiles (per cell pair) through the modules shown in FIG. 28 with and without exhaust manifold insert.

На фиг. 30 представлен график эффективности процесса в зависимости от соотношения средних концентраций в концентрате и разведенном растворе в электродиализном устройстве, изображенном на фиг. 20В, и электродиализном устройстве, изображенном на фиг. 23В.In FIG. 30 is a plot of process efficiency vs. ratio of average concentrations in concentrate and diluted solution in the electrodialysis device shown in FIG. 20B and the electrodialysis device shown in FIG. 23V.

На фиг. 31А изображен поток текучей среды через выпускной коллектор электродиализного устройства без выпускной коллекторной вставки.In FIG. 31A depicts fluid flow through the outlet manifold of an electrodialysis device without an outlet manifold insert.

На фиг. 31В изображен поток текучей среды через выпускной коллектор электродиализного устройства с наклонной выпускной коллекторной вставкой.In FIG. 31B depicts fluid flow through the outlet manifold of an electrodialysis device with an inclined outlet manifold insert.

На фиг. 32А представлена таблица, иллюстрирующая воздействие наклонной профильной выпускной вставки на падение давления на электродиализном модуле в первом примере.In FIG. 32A is a table illustrating the effect of the inclined shaped outlet insert on pressure drop across the electrodialysis module in the first example.

На фиг. 32В представлена таблица, иллюстрирующая воздействие наклонной профильной коллекторной вставки на падение давления на электродиализном модуле во втором примере.In FIG. 32B is a table illustrating the effect of the inclined shaped manifold insert on pressure drop across the electrodialysis module in the second example.

На фиг. 33 представлено поперечное сечение электродиализного устройства, имеющего гидравлический адаптер, расположенный между впускным коллектором и наружным трубопроводом.In FIG. 33 is a cross-sectional view of an electrodialysis device having a hydraulic adapter located between the inlet manifold and the external piping.

На фиг. 34А представлен вид в изометрии базового варианта осуществления неоптимизированного гидравлического адаптера электродиализного устройства.In FIG. 34A is an isometric view of a basic embodiment of a non-optimized hydraulic adapter for an electrodialysis device.

На фиг. 34В представлен частично прозрачный вид гидравлического адаптера, показанного на фиг. 34А.In FIG. 34B is a partially transparent view of the hydraulic adapter shown in FIG. 34A.

На фиг. 34С представлен вид сверху вниз гидравлического адаптера, показанного на фиг. 34А.In FIG. 34C is a top down view of the hydraulic adapter shown in FIG. 34A.

На фиг. 34D представлен вид снизу вверх гидравлического адаптера, показанного на фиг. 34А.In FIG. 34D is a bottom-up view of the hydraulic adapter shown in FIG. 34A.

На фиг. 34Е представлено поперечное сечение через первую ось гидравлического адаптера, показанного на фиг. 34 А.In FIG. 34E is a cross section through the first axis of the hydraulic adapter shown in FIG. 34 A.

На фиг. 34F представлено поперечное сечение через вторую ось гидравлического адаптера, показанного на фиг. 34 А.In FIG. 34F is a cross section through the second axis of the hydraulic adapter shown in FIG. 34 A.

На фиг. 35А представлен вид в изометрии варианта осуществления усовершенствованного гидравлического адаптера для электродиализного устройства.In FIG. 35A is a perspective view of an embodiment of an improved hydraulic adapter for an electrodialysis device.

На фиг. 35В представлен частично прозрачный вид гидравлического адаптера, показанного на фиг. 35А.In FIG. 35B is a partially transparent view of the hydraulic adapter shown in FIG. 35A.

На фиг. 35С представлено поперечное сечение через первую ось гидравлического адаптера, показанного на фиг. 36 А.In FIG. 35C is a cross section through the first axis of the hydraulic adapter shown in FIG. 36 A.

На фиг. 35D представлено поперечное сечение через вторую ось гидравлического адаптера, показанного на фиг. 35 А.In FIG. 35D is a cross section through the second axis of the hydraulic adapter shown in FIG. 35 A.

На фиг. 36А изображены результаты моделирования потока текучей среды через впускной коллектор электродиализного устройства, включающего в себя гидравлический адаптер, показанный на фиг. 34А.In FIG. 36A depicts simulation results of fluid flow through an inlet manifold of an electrodialysis device including the hydraulic adapter shown in FIG. 34A.

На фиг. 36В изображены результаты моделирования потока текучей среды через впускной коллектор электродиализного устройства, включающего в себя гидравлический адаптер, показанный на фиг. 35А.In FIG. 36B depicts simulation results of fluid flow through an inlet manifold of an electrodialysis device including the hydraulic adapter shown in FIG. 35A.

На фиг. 37А изображены результаты моделирования распределения составляющей Z скорости распределения текучей среды через ячейки электродиализного устройства, включающего в себя гидравлический адаптер, показанный на фиг. 34А.In FIG. 37A depicts simulation results of the distribution of the Z component of the fluid distribution rate through the cells of an electrodialysis device including the hydraulic adapter shown in FIG. 34A.

На фиг. 37В изображены результаты моделирования распределения составляющей Z скорости распределения текучей среды через ячейки электродиализного устройства, включающего в себя гидравлический адаптер, показанный на фиг. 35А.In FIG. 37B depicts simulation results of the distribution of the Z component of the fluid distribution rate through the cells of an electrodialysis device including the hydraulic adapter shown in FIG. 35A.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, не ограничены деталями конструкции и расположением компонентов, представленными в нижеследующем описании или изображенными на приложенных чертежах. Аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, выполнены с возможностью принятия других вариантов осуществления и их применения на практике или реализации различными путями.The aspects and embodiments disclosed herein are not limited to the details of construction and arrangement of components presented in the following description or shown in the accompanying drawings. The aspects and embodiments disclosed herein are subject to other embodiments being taken and practiced or implemented in various ways.

Электродеионизация (ЭДИ) представляет собой процесс, устраняющий одну или более ионизированных или ионизируемых частиц (или, по меньшей мере, уменьшающий их количество) из воды с использованием электрически активной среды и разности электрических потенциалов для воздействия на перенос ионов. Электрически активная среда, как правило, служит для поочередного улавливания и удаления ионных и/или ионизируемых частиц и в некоторых случаях содействия переносу ионов, которыйElectrodeionization (EDI) is a process that eliminates (or at least reduces the number of) one or more ionized or ionizable species from water using an electrically active medium and an electrical potential difference to influence ion transport. The electrically active medium generally serves to alternately trap and remove ionic and/or ionizable species and in some cases promote ion transport, which

- 8 040270 может происходить непрерывно при помощи ионных или электронных механизмов замещения. Устройства ЭДИ могут содержать электрохимически активную среду с постоянным или временным зарядом и работать с порциями периодически, непрерывно и/или даже в режимах с изменением полярности. Устройства ЭДИ могут работать, активизируя одну или более электрохимических реакций, специально рассчитанных на достижение или улучшение эксплуатационных характеристик. Кроме того, такие электрохимические устройства могут содержать электрически активные мембраны, такие как полупроницаемые или избирательно проницаемые ионообменные или биполярные мембраны. Устройства непрерывной электродеионизации (НЭДИ) представляют собой устройства электродеионизации (ЭДИ), известные специалистам в данной области техники, работающие способом, при котором очистка воды может происходить непрерывно, в то время как ионообменный материал непрерывно повторно перезаряжается. Методы НЭДИ могут включать в себя такие процессы, как непрерывная деионизация, электродиализ в наполненных ячейках или электродиарез. В условиях управляемых напряжения и солености молекулы воды в системах НЭДИ могут расщепляться, образуя ионы или частицы водорода или гидроксония и ионы или частицы гидроксида или гидроксила, которые могут регенерировать ионообменную среду в устройстве и тем самым облегчать высвобождение из нее захваченных частиц. Таким образом, поток воды, подлежащей обработке, можно непрерывно очищать без необходимости в химической перезарядке ионообменной смолы.- 8 040270 can occur continuously using ionic or electronic substitution mechanisms. EDI devices can contain an electrochemically active medium with a constant or temporary charge and operate with portions periodically, continuously and/or even in polarity reversal modes. EDI devices may operate by activating one or more electrochemical reactions specifically designed to achieve or improve performance. In addition, such electrochemical devices may contain electrically active membranes such as semipermeable or selectively permeable ion exchange or bipolar membranes. Continuous electrodeionization devices (CEDIs) are electrodeionization devices (EDIs) known to those skilled in the art that operate in a manner in which water purification can occur continuously while the ion exchange material is continuously recharged. NEDI techniques may include processes such as continuous deionization, filled cell electrodialysis, or electrodialysis. Under conditions of controlled stress and salinity, water molecules in NEDI systems can split to form hydrogen or hydronium ions or particles and hydroxide or hydroxyl ions or particles, which can regenerate the ion exchange medium in the device and thereby facilitate the release of trapped particles from it. Thus, the stream of water to be treated can be continuously purified without the need for chemical recharging of the ion exchange resin.

Устройства электродиализа (ЭД) работают на основе принципа, аналогичного НЭДИ, за исключением того, что устройства ЭД, как правило, не содержат электроактивной среды между мембранами. Ввиду отсутствия электроактивной среды подаваемые воды низкой солености могут затруднять операцию электродиализа из-за повышенного электрического сопротивления. Кроме того, поскольку операция электродиализа на подаваемых водах высокой солености может приводить к повышенному потреблению электрического тока, электродиализные аппараты наиболее эффективно применяются на исходных водах промежуточной солености. Поскольку в системах на основе электродиализа отсутствует электроактивная среда, расщепление воды неэффективно и работы в этом режиме обычно избегают.Electrodialysis (ED) devices operate on a similar principle to NEDI, except that ED devices generally do not contain an electroactive medium between the membranes. Due to the absence of an electrically active medium, low salinity feed waters can hamper the electrodialysis operation due to increased electrical resistance. In addition, since the operation of electrodialysis on high salinity feed waters can lead to increased consumption of electric current, electrodialysis apparatuses are most effectively used on intermediate salinity feed waters. Since there is no electroactive medium in electrodialysis based systems, water splitting is inefficient and operation in this mode is generally avoided.

В устройствах НЭДИ и ЭД множество соседних ячеек или камер, как правило, разделены избирательно проницаемыми мембранами, которые обеспечивают возможность прохождения либо положительно, либо отрицательно заряженных частиц, но, как правило, не обоих видов. В таких устройствах камеры разбавления или обеднения, как правило, отделены промежутками от концентрирующих камер или камер концентрирования. В некоторых вариантах осуществления выражение пара ячеек может относиться к паре соседних концентрирующей и разбавляющей камер. По мере того как вода протекает через камеры обеднения, ионные и другие заряженные частицы, как правило, втягиваются в концентрирующие камеры под действием электрического поля, такого как поле постоянного тока. Положительно заряженные частицы притягиваются к катоду, как правило, находящемуся на одном конце пакета из множества камер обеднения и концентрирования, а отрицательно заряженные частицы аналогичным образом притягиваются к аноду таких устройств, как правило, находящемуся на противоположном конце пакета камер. Электроды, как правило, заключены в электролитных камерах, которые обычно частично изолированы от сообщения по текучей среде с камерами обеднения и/или концентрирования. Как только они оказываются в камере концентрирования, заряженные частицы, как правило, захватываются барьером из избирательно проницаемой мембраны, по меньшей мере частично ограничивающим камеру концентрирования. Например, в типичном случае предотвращается миграция анионов далее к катоду из камеры концентрирования посредством катионоселективной мембраны. Будучи уловленными в концентрирующей камере, захваченные заряженные частицы могут быть удалены в потоке концентрата.In NEDI and ED devices, a plurality of adjacent cells or chambers are usually separated by selectively permeable membranes that allow the passage of either positively or negatively charged particles, but usually not both. In such devices, the dilution or depletion chambers are typically spaced apart from the concentration chambers or concentration chambers. In some embodiments, the cell pair expression may refer to a pair of adjacent concentration and dilution chambers. As water flows through the depletion chambers, ionic and other charged species are typically drawn into the concentrating chambers by an electric field, such as a DC field. Positively charged particles are attracted to the cathode, typically located at one end of a stack of multiple depletion and concentration chambers, and negatively charged particles are similarly attracted to the anode of such devices, typically located at the opposite end of the stack of chambers. The electrodes are typically enclosed in electrolyte chambers, which are usually partially isolated from fluid communication with the depletion and/or concentration chambers. Once they are in the concentration chamber, the charged particles are typically trapped in a selectively permeable membrane barrier at least partially delimiting the concentration chamber. For example, anions are typically prevented from migrating further to the cathode from the concentration chamber by means of a cation selective membrane. Once trapped in the concentration chamber, the trapped charged particles can be removed in the concentrate stream.

В устройствах НЭДИ и ЭД к ячейкам, как правило, прикладывается поле постоянного тока от источника напряжения и электрического тока, подаваемых на электроды (анод или положительный электрод и катод или отрицательный электрод). Питание самого источника напряжения и тока (собирательно именуемого источником питания) можно осуществлять с помощью множества различных средств, таких как источник питания переменного тока или, например, источник питания, получаемый от энергии солнца, ветра или волн. На границах раздела электрод/жидкость происходят электрохимические реакции в полуячейке, инициирующие и/или облегчающие перенос ионов через мембраны и камеры. Специфическими электрохимическими реакциями, которые происходят на границах раздела электрод/жидкость, можно до некоторой степени управлять при помощи концентрации солей в специализированных камерах, где заключены электродные узлы. Например, материал, подаваемый в анодные электролитные камеры, имеющий высокую концентрацию хлорида натрия, будет проявлять тенденцию к образованию газообразного хлора и водород-ионов, при этом такой материал, подаваемый в катодную электролитную камеру, будет проявлять тенденцию к образованию газообразного водорода и гидроксид-ионов. Вообще говоря, водород-ионы, образующиеся в анодной камере, будут ассоциироваться со свободными анионами, такими как хлорид-ионы, сохраняя нейтральность заряда и создавая раствор соляной кислоты, и аналогичным образом гидроксид-ионы, образующиеся в катодной камере, будут ассоциироваться со свободными катионами, такими как ионы натрия, сохраняя нейтральность заряда и создавая раствор гидроксида натрия. Продукты реакции электродных камер, такие как образующиеся газообразный хлор и гидроксид натрия, можно использовать в процессе по мере необходимости в целях дезинфекции, в целяхIn NEDI and ED devices, as a rule, a DC field is applied to the cells from a voltage source and electric current supplied to the electrodes (anode or positive electrode and cathode or negative electrode). The voltage and current source itself (collectively referred to as the power source) can be powered by a variety of different means, such as an AC power source or, for example, a power source derived from solar, wind or wave energy. At the electrode/liquid interfaces, electrochemical reactions occur in the half-cell, initiating and/or facilitating the transport of ions through membranes and chambers. The specific electrochemical reactions that occur at the electrode/liquid interfaces can be controlled to some extent by salt concentration in specialized chambers containing the electrode assemblies. For example, a material fed into the anode electrolyte chambers having a high concentration of sodium chloride will tend to produce chlorine gas and hydrogen ions, while such a material fed into the cathode electrolyte chamber will tend to produce hydrogen gas and hydroxide ions. . Generally speaking, hydrogen ions formed in the anode chamber will associate with free anions such as chloride ions, maintaining charge neutrality and creating a hydrochloric acid solution, and similarly, hydroxide ions formed in the cathode chamber will associate with free cations. , such as sodium ions, maintaining charge neutrality and creating a sodium hydroxide solution. The reaction products of the electrode chambers, such as the generated chlorine gas and sodium hydroxide, can be used in the process as needed for disinfection purposes, for

- 9 040270 очистки и прочистки мембран, а также в целях регулирования рН.- 9 040270 cleaning and cleaning of membranes, as well as in order to regulate the pH.

Для различных типов устройств электрохимической деионизации, включая, но не ограничиваясь ими, устройства электродиализа (ЭД) и электродеионизации (ЭДИ), применяются пластинчато-рамная и спирально-навитая конструкции. Имеющиеся в продаже устройства ЭД, как правило, имеют пластинчато-рамную конструкцию, а устройства ЭДИ выпускаются и в пластинчато-рамной, и в спиральной конфигурациях.For various types of electrochemical deionization devices, including but not limited to electrodialysis (ED) and electrodeionization (EDI) devices, plate frame and spiral wound designs are used. Commercially available ED devices typically have a plate-and-frame design, and EDI devices are available in both plate-and-frame and helical configurations.

В предшествующих патентах были раскрыты перекрестноточные устройства электродиализа (ЭД) с разбавленными и концентрированными потоками, протекающими в перпендикулярных направлениях. Пакет пар ячеек в устройстве может быть собран из одного или более модульных блоков, называемых субблоками. На фиг. 1А показан пример субблока. На фиг. 1В показан пакет из четырех субблоков перед установкой в корпусе. Используемый в настоящем документе термин пакет ячеек относится к единственному субблоку или к пакету из множества субблоков. На фиг. 1С показано собранное электродиализное устройство с прозрачным кожухом. На фиг. 1D показано собранное электродиализное устройство с непрозрачным кожухом. На фиг. 1Е показана вычислительная гидродинамическая (ВГД) модель электродиализного устройства из четырех субблоков.Prior patents have disclosed cross-flow electrodialysis (ED) devices with dilute and concentrated flows flowing in perpendicular directions. A cell pair package in a device may be assembled from one or more modular units called subunits. In FIG. 1A shows an example of a subunit. In FIG. 1B shows a package of four subassemblies before being installed in the case. As used herein, the term cell pack refers to a single sub-unit or a pack of multiple sub-blocks. In FIG. 1C shows an assembled electrodialysis device with a transparent casing. In FIG. 1D shows an assembled electrodialysis device with an opaque casing. In FIG. 1E shows a computational fluid dynamic (CFD) model of an electrodialysis device with four subassemblies.

Текучая среда может подаваться в разбавляющие камеры электродиализного устройства по наружной трубе к переходному соединению, как показано на фиг. 2А. Текучая среда затем распределяется по всем разбавляющим камерам параллельно через впускной коллектор, как изображено на фиг. 2В. Аналогичным образом продукт из всех разбавляющих камер может быть собран в выпускном коллекторе и доставлен по переходному соединению к наружной трубе. Втекание и вытекание потока из концентрирующих камер может быть организовано аналогично этому. Эту конфигурацию потока, как правило, называют однопроходной. Однопроходная конфигурация электродиализного устройства изображена на фиг. 2С.Fluid may be supplied to the dilution chambers of the electrodialysis device through an outer tube to a transition joint as shown in FIG. 2A. The fluid is then distributed to all dilution chambers in parallel through the intake manifold as shown in FIG. 2B. Similarly, the product from all dilution chambers can be collected in the outlet manifold and delivered through the adapter to the outer pipe. The inflow and outflow of the flow from the concentrating chambers can be organized similarly to this. This flow configuration is generally referred to as single pass. The single pass configuration of the electrodialysis device is shown in FIG. 2C.

Протекание потока через разбавляющие и концентрирующие камеры может быть организовано змейкой при помощи перегородок. На фиг. 2D показана двухпроходная организация протекания для разбавляющего потока, например, за счет добавления перегородок, при этом может достигаться большее количество проходов. Несколько проходов в устройстве увеличивают длину пути потока, время пребывания, перенос ионов и удаление ионов, по-прежнему поддерживая скорость в оптимальном технологическом диапазоне.The flow through the dilution and concentration chambers can be arranged in a serpentine manner using baffles. In FIG. 2D shows a two-pass flow arrangement for the dilution stream, for example by adding baffles, where more passes can be achieved. Multiple passes in the device increase flow path length, residence time, ion transport and ion removal while still maintaining the speed in the optimum process range.

Эффективность тока для пары ячеек в электродиализном устройстве может определяться следующим образом:The current efficiency for a pair of cells in an electrodialysis device can be determined as follows:

где qdl - расход потока на камеру разбавления на впуске, qdo - расход потока на камеру разбавления на выпуске, d - концентрация ионов I, η, - эффективность тока, |zi| - абсолютная величина валентности иона I (например, zi-1 для Na+),where q dl is the flow rate to the dilution chamber at the inlet, qdo is the flow rate to the dilution chamber at the outlet, d is the concentration of ions I, η, is the current efficiency, |zi| - the absolute value of the valency of the ion I (for example, zi-1 for Na + ),

F - постоянная Фарадея=96 485 кулон/эквивалент,F - Faraday's constant = 96 485 pendant / equivalent,

I - ток, нижние индексы In - на входе, out - на входе.I - current, subscripts In - at the input, out - at the input.

В идеальном электродиализном устройстве весь подаваемый ток протекает через каждую пару ячеек последовательно, ионообменные мембраны являются идеально селективными, механические перекрестные утечки между разбавленным потоком и концентратом отсутствуют и нет внешних утечек. Поэтому эффективность тока, определяемая уравнением 1, равна 100%.In an ideal electrodialysis device, all of the supplied current flows through each pair of cells in series, the ion exchange membranes are ideally selective, there are no mechanical cross-leaks between the dilute stream and the concentrate, and there are no external leaks. Therefore, the current efficiency given by Equation 1 is 100%.

В реальном электродиализном устройстве эффективность тока не составляла бы 100%, поскольку мембраны не являются идеально селективными. Катионообменная мембрана с селективностью 98%, например, обеспечивала бы приблизительно 98% тока, переносимого катионами, передаваемыми из разбавленного потока в концентрат, и 2% тока, переносимого анионами, передаваемыми обратно в разбавленный поток из концентрата. Эффективность тока поэтому уменьшилась бы приблизительно на 2%. Механические перекрестные утечки из концентрата в разбавленный поток также уменьшили бы результирующий коэффициент переноса ионов из разбавленного потока и, таким образом, общую эффективность тока. Кроме того, поскольку растворы, втекающие и вытекающие из пары ячеек через впускной и выпускной коллекторы, являются проводящими, часть тока будет проходить в обход пары ячеек, протекая через коллекторы; она не участвовала бы в переносе ионов, и эффективность тока снизилась бы соответственно. На фиг. 3 показан неидеальный электродиализ с местами обходного пути тока, указанными пунктирными овалами.In a real electrodialysis device, the current efficiency would not be 100% because the membranes are not perfectly selective. A cation exchange membrane with a selectivity of 98%, for example, would provide approximately 98% of the current carried by cations transferred from the dilute stream to the concentrate and 2% of the current carried by anions transferred back to the dilute stream from the concentrate. The current efficiency would therefore decrease by about 2%. Mechanical cross-leakage from the concentrate to the dilute stream would also reduce the resulting ion transfer coefficient from the dilute stream and thus the overall current efficiency. Also, since the solutions flowing in and out of the cell pair through the intake and exhaust manifolds are conductive, some of the current will bypass the cell pair as it flows through the manifolds; it would not participate in the transport of ions, and the efficiency of the current would decrease accordingly. In FIG. 3 shows a non-ideal electrodialysis with current bypass locations indicated by dotted ovals.

Модель резистивной схемы была разработана для моделирования обходного пути тока и оценки эффективности тока при различных условиях работы в электродиализном устройстве. Модель упрощен- 10 040270 но предполагала, что поток тока в ячейке разбавленного потока или концентрата таков, как показано на фиг. 4, причем стрелки указывают протекание тока. Модель электрической схемы для пары ячеек показана на фиг. 5. Источники напряжения VDP представляют потенциалы Доннана на мембранах, которые должны быть включены в падение напряжения на паре ячеек.A resistive circuit model was developed to simulate the bypass current path and evaluate the current efficiency under various operating conditions in an electrodialysis device. The model is simplified but assumed that the current flow in the dilute flow or concentrate cell is as shown in FIG. 4, with the arrows indicating the flow of current. An electrical circuit model for a pair of cells is shown in FIG. 5. The VDP voltage sources represent the Donnan potentials across the membranes, which must be included in the voltage drop across the cell pair.

Электрическое сопротивление в канале электродиализного устройства может быть вычислено при помощи уравнения 2 на фиг. 6. Сопротивление возрастает по мере уменьшения ширины канала, увеличения расстояния между коллекторами и активной площадью мембраны, уменьшения проводимости жидкости и/или уменьшения толщины канала. Электрическое сопротивление в слое коллектора, соответствующем паре ячеек, может быть вычислено при помощи уравнения 3 на фиг. 6. Сопротивление возрастает по мере уменьшения площади поперечного сечения коллектора, уменьшения проводимости жидкости и/или возрастания толщины слоя коллектора.The electrical resistance in the channel of the electrodialysis device can be calculated using Equation 2 in FIG. 6. Resistance increases as the channel width decreases, the distance between the collectors and the active area of the membrane increases, the fluid conductivity decreases, and/or the channel thickness decreases. The electrical resistance in the collector layer corresponding to a cell pair can be calculated using Equation 3 in FIG. 6. Resistance increases as the cross-sectional area of the collector decreases, the conductivity of the liquid decreases, and/or the thickness of the collector layer increases.

По мере возрастания электрических сопротивлений каналов и/или коллекторов ток, проходящий в обход каждой пары ячеек, уменьшается, при этом большая доля полного тока будет предпочтительно протекать через активную площадь мембраны, тем самым становясь эффективной при переносе ионов.As the electrical resistances of the channels and/or collectors increase, the current bypassing each pair of cells decreases, with a greater proportion of the total current flowing preferentially through the active area of the membrane, thereby becoming efficient at transporting ions.

Были выполнены имитационные модели, которые указывают на то, что наибольшая эффективность тока достигается в единственном субблоке в проходе. Эффективность тока изменяется внутри прохода и является наибольшей в паре ячеек на концах и наименьшей в паре ячеек посредине (см. фиг. 7). Средняя эффективность тока уменьшается по мере увеличения количества пар ячеек в проходе (см. фиг. 7 и 8). Эффективность тока является функцией подаваемого тока, значений расхода разбавленного потока и концентрата, концентраций разбавляемого потока и концентрата на впуске и температуры (см. фиг. 8). Эффективность тока уменьшается линейно по мере увеличения отношения средней концентрации концентрата к средней концентрации разбавляемого потока (см. фиг. 9). Средняя концентрация представляет собой математическое среднее концентраций на впуске и выпуске соответственно.Simulation models have been run which indicate that the highest current efficiency is achieved in a single subunit in the passage. The current efficiency varies within the passage and is greatest in a pair of cells at the ends and least in a pair of cells in the middle (see Fig. 7). The average current efficiency decreases as the number of cell pairs per pass increases (see FIGS. 7 and 8). The current efficiency is a function of the applied current, dilute and concentrate flow rates, inlet dilution and concentrate concentrations, and temperature (see FIG. 8). The current efficiency decreases linearly as the ratio of the average concentrate concentration to the average dilution stream concentration increases (see FIG. 9). The average concentration is the mathematical average of the inlet and outlet concentrations, respectively.

ВГД-модель была разработана для раскрытого выше однопроходного перекрестноточного электродиализного устройства из четырех субблоков, изображенного на фиг. 2А и 2В. Эта модель будет по существу рассматриваться в качестве базовой конструкции.The IOP model was developed for the four-sub-assembly single-pass cross-flow electrodialysis device disclosed above, shown in FIG. 2A and 2B. This model will essentially be considered as a basic design.

На фиг. 10А показано центральное поперечное сечение базовой конструкции. Для упрощения вычислений каждый субблок из 100 пар ячеек был разделен на 10 секций; каждая секция представляет 10 пар ячеек. Моделирование потока выполнялось затем на основе этой геометрии. Как видно из графика, изображенного на фиг. 10В, составляющая Z скорости потока через каждую ячейку в плоскости ZY является неравномерной, что приводит к изменению расхода потока на пару ячеек, как показано на фиг. 10С, при этом расход потока является наименьшим в верхних ячейках возле входа текучей среды в коллектор.In FIG. 10A shows a central cross section of the base structure. To simplify calculations, each subblock of 100 pairs of cells was divided into 10 sections; each section represents 10 pairs of cells. Flow modeling was then performed based on this geometry. As can be seen from the graph shown in Fig. 10B, the Z component of the flow rate through each cell in the ZY plane is non-uniform, resulting in a change in the flow rate per cell pair as shown in FIG. 10C, with the flow rate being lowest in the upper cells near the fluid inlet to the manifold.

Распределение скорости по оси Z было дополнительно охарактеризовано с использованием плоскостей сечения ZX, проходящих через верхнюю, среднюю и нижнюю часть пакета (фиг. 11А-11С), при этом суммарная скорость по оси Z в верхнем сечении составляет приблизительно половину скорости в нижней части.The z-velocity distribution was further characterized using ZX sectional planes passing through the top, middle, and bottom of the stack (FIGS. 11A-11C), with the total z-velocity in the top section being approximately half the speed at the bottom.

Как показано на фиг. 7, эффективность тока и тем самым доля тока, протекающая через мембраны, является наибольшей в парах ячеек на верхнем и нижнем концах прохода. Более высокая плотность тока будет увеличивать риск как ограничения, так и масштабирования тока в зонах с низкой скоростью потока. Кроме того, более низкий расход потока через начальные разбавляющие ячейки прохода будет предотвращать работу этих ячеек при их наибольшей эффективности тока для удаления солей. Поэтому было бы предпочтительно обеспечить, чтобы все пары ячеек были оптимизированы по потоку.As shown in FIG. 7, the current efficiency and thus the proportion of current flowing through the membranes is greatest in the pairs of cells at the upper and lower ends of the passage. A higher current density will increase the risk of both clipping and current scaling in low flow areas. In addition, the lower flow rate through the initial dilution passage cells will prevent these cells from operating at their highest current efficiency to remove salts. Therefore, it would be preferable to ensure that all pairs of cells are stream optimized.

Как описано выше, долю подаваемого тока, проходящего в обход пакета пар ячеек через коллекторы, можно уменьшить путем увеличения электрического сопротивления в каналах и коллекторах. Были предложены предшествующие конструкции, которые уменьшают протекание тока в обход (байпасирование) путем уменьшения площади поперечного сечения впускного и выпускного коллекторов. Хотя эти изменения эффективны при повышении эффективности тока, они приводят к увеличению падения давления в коллекторах и на электродиализном устройстве.As described above, the fraction of the injected current that bypasses the cell pair stack through the collectors can be reduced by increasing the electrical resistance in the channels and collectors. Prior designs have been proposed that reduce current bypass (bypass) by reducing the cross-sectional area of the intake and exhaust manifolds. While these changes are effective in increasing current efficiency, they result in increased pressure drop across the manifolds and across the electrodialysis device.

На фиг. 7 и 8 показано, что эффективность тока уменьшается при увеличении количества пар ячеек, имеющих электрическую связь с общим комплектом коллекторов.In FIG. 7 and 8 show that the current efficiency decreases as the number of pairs of cells electrically coupled to a common set of collectors increases.

В идеальной конструкции гидравлического коллектора значения сопротивления текучей среды будут сведены к минимуму, в то время как электрическое сопротивление току шунтирования будет максимально увеличено. Этого можно достичь, управляя субблоками, соединенными параллельно по текучей среде, но электрически изолированными друг от друга за исключением связи через пары ячеек.In an ideal hydraulic manifold design, fluid resistance values will be minimized while electrical resistance to shunt current will be maximized. This can be achieved by driving subassemblies fluidly connected in parallel but electrically isolated from each other except for communication through cell pairs.

Технические проблемы состоят, таким образом, в уменьшении протекания тока в обход внутри отдельного субблока, уменьшении протекания тока в обход через гидравлические коллекторы между субблоками, обеспечении достаточного потока к первым парам ячеек в проходе, улучшении распределения потока по всем парам ячеек в проходе и уменьшении до минимума давления, необходимого для управления таким электродиализным устройством. Аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, включают в себя структуры и способы для решения этих проблем.The technical problems are thus to reduce the bypass current flow within an individual subunit, reduce the bypass current through hydraulic manifolds between subunits, provide sufficient flow to the first cell pairs in a passage, improve flow distribution across all cell pairs in a passage, and reduce to the minimum pressure required to operate such an electrodialysis device. Aspects and embodiments disclosed herein include structures and methods for solving these problems.

Аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, включают в себя элементы направления потока, которые могут быть расположены внутри гидравлических коллекторов электродиа- 11 040270 лизных устройств, чтобы максимально увеличить эффективность тока, нормализовать распределение потока и свести к минимуму падение давления.Aspects and embodiments disclosed herein include flow guiding elements that can be located within the hydraulic manifolds of electrodialysis devices to maximize current efficiency, normalize flow distribution, and minimize pressure drop.

В качестве термина, используемого в настоящем документе, элемент направления потока или направляющее устройство для потока текучей среды может включать в себя или состоять из любых из каналов, желобков, наклонных направляющих, труб, трубок, перегородок, лопаток или других вариантов осуществления. Профиль этих элементов может представлять собой математическую функцию, например линейную, полиномиальную, тригонометрическую, логарифмическую, коническое сечение, или быть свободно порожденным.As the term is used herein, a flow guiding element or fluid flow guiding device may include or consist of any of channels, grooves, ramps, tubes, tubes, baffles, vanes, or other embodiments. The profile of these elements can be a mathematical function such as linear, polynomial, trigonometric, logarithmic, conic, or freely generated.

Конструкции гидравлических элементов могут состоять из вышеназванных элементов, образующих один или более каналов, направленных к одному или более субблокам, где поток внутри каждого канала может быть дополнительно подразделен путем использования дополнительных элементов направления потока.Hydraulic element designs may consist of the above elements forming one or more channels directed to one or more subassemblies, where the flow within each channel can be further subdivided by using additional flow direction elements.

Изготовление этих элементов может осуществляться при помощи любого из ряда методов, включая без ограничения 3D-печать, обработку на станке с ЧПУ или литьевое формование.These elements can be manufactured using any of a number of methods, including, but not limited to, 3D printing, CNC machining, or injection molding.

Примеры направляющего устройства для потока текучей среды могут включать в себя трубчатые каналы для текучей среды (фиг. 12А), концентрические трубчатые каналы 1215 для текучей среды с перегородками 1205 (фиг. 12В и 12С) и параллельные каналы 1225 со стенками 1220 и наклонными направляющими 1230 (фиг. 12D и 12Е).Examples of fluid flow guiding devices may include tubular fluid channels (FIG. 12A), concentric tubular fluid channels 1215 with baffles 1205 (FIGS. 12B and 12C), and parallel channels 1225 with walls 1220 and ramps 1230 (FIGS. 12D and 12E).

Как показано на фиг. 12А, пары перегородок 1205 могут определять различные области 1210 подачи текучей среды вдоль длины направляющего устройства для потока текучей среды. В других вариантах осуществления, например, как показано на фиг. 12В, в единственную область 1210 подачи текучей среды могут быть включены несколько перегородок 1205. Каждый из концентрических трубчатых каналов 1215 (которые в других вариантах осуществления могут иметь поперечные сечения, отличные от круговых) может подавать текучую среду к другой области 1210 подачи текучей среды. В некоторых вариантах осуществления самая нижняя область 1210L подачи текучей среды может не включать в себя канал 1215 для текучей среды. Каждая область 1210 подачи текучей среды может подавать текучую среду к единственному субмодулю или субблоку (SB1, SB2, SB3, SB4 на фиг. 13А и 13В) пакета ячеек. Размеры, например диаметры, концентрических трубчатых каналов 1215 и зазоры между соседними концентрическими трубчатыми каналами 1215 могут быть выбраны для подачи заданных количеств текучей среды к различным субблокам или различным областям пакета ячеек. В некоторых вариантах осуществления размеры концентрических трубчатых каналов 1215 выбирают таким образом, чтобы одинаковая или по существу одинаковая величина потока текучей среды или скорости потока текучей среды была обеспечена для различных субблоков или различных областей пакета ячеек. В других вариантах осуществления размеры концентрических трубчатых каналов 1215 выбирают таким образом, чтобы одинаковая или по существу одинаковая величина потока текучей среды или скорости потока текучей среды была обеспечена для субнабора, например, субблоков или областей в верхней и нижней областях пакета ячеек, в то время как другая, например, меньшая величина потока текучей среды или скорости потока текучей среды обеспечивается для других субблоков или областей в пакете ячеек, например субблоков или областей в центральной области пакета ячеек.As shown in FIG. 12A, pairs of baffles 1205 may define different fluid delivery areas 1210 along the length of the fluid flow guide. In other embodiments, for example as shown in FIG. 12B, multiple baffles 1205 may be included in a single fluid supply region 1210. Each of the concentric tubular channels 1215 (which may have non-circular cross sections in other embodiments) may supply fluid to a different fluid supply region 1210. In some embodiments, the lowermost fluid supply region 1210L may not include a fluid channel 1215. Each fluid supply area 1210 may supply fluid to a single submodule or subunit (SB1, SB2, SB3, SB4 in FIGS. 13A and 13B) of the cell stack. Dimensions, such as diameters, of the concentric tubular channels 1215 and gaps between adjacent concentric tubular channels 1215 can be selected to deliver predetermined amounts of fluid to different subassemblies or different regions of the cell stack. In some embodiments, the dimensions of the concentric tubular channels 1215 are chosen such that the same or substantially the same amount of fluid flow or fluid flow rate is provided to different subassemblies or different regions of the cell stack. In other embodiments, the dimensions of the concentric tubular channels 1215 are chosen such that the same or substantially the same amount of fluid flow or fluid flow rate is provided for a subset, such as sub-blocks or areas in the top and bottom regions of the cell stack, while a different, eg, lower amount of fluid flow or fluid flow rate is provided for other sub-units or regions in the cell stack, such as sub-units or regions in the central region of the cell stack.

Как показано на фиг. 12D, варианты осуществления направляющего устройства для потока текучей среды могут включать в себя наклонные направляющие 1230, расположенные на нижних концах каналов 1225, ограниченных стенками 1220. Каналы 1225 могут завершаться на наклонных направляющих 1230. Наклонные направляющие 1230 могут быть образованы областями стенок 1220, ограничивающих каналы 1225, которые искривляются в направлении пакета ячеек с осью кривизны со стороны стенок 1220, ближней к пакету ячеек (фиг. 12D), или с осью кривизны со стороны стенок 1220, противоположной относительно пакета ячеек (фиг. 12Е). В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 13В, наклонные направляющие 1230 могут представлять собой горизонтально расположенные пластины, которые стыкуются со стенками 1220 под углами 90°. В других вариантах осуществления, например, как показано на фиг. 15А, стенки 1220 могут образовывать наклонные направляющие 1230 путем искривления вдоль всей или по существу всей своей длины. Как также показано на фиг. 15А, дополнительная стенка 1220 может разделять области 1210 подачи текучей среды, ограниченные наклонными направляющими 1230, на два или более участков.As shown in FIG. 12D, embodiments of a fluid flow guide may include ramps 1230 located at lower ends of channels 1225 defined by walls 1220. Channels 1225 may terminate on ramps 1230. Ramps 1230 may be formed by areas of walls 1220 defining channels. 1225 that curve in the direction of the cell stack with the axis of curvature on the side of the walls 1220 closest to the cell stack (FIG. 12D) or with the axis of curvature on the side of the walls 1220 opposite of the cell stack (FIG. 12E). In some embodiments, as shown in FIG. 13B, ramps 1230 may be horizontal plates that meet walls 1220 at 90° angles. In other embodiments, for example as shown in FIG. 15A, walls 1220 may form ramps 1230 by curving along all or substantially all of their length. As also shown in FIG. 15A, an additional wall 1220 may divide the fluid delivery areas 1210 defined by the ramps 1230 into two or more sections.

Размеры, например длина, ширина и/или площади, поперечного сечения каналов 1225 могут быть выбраны для подачи заданных количеств текучей среды к различным субблоками или различным областям пакета ячеек. В некоторых вариантах осуществления размеры каналов 1225 выбирают таким образом, чтобы одинаковая или по существу одинаковая величина потока текучей среды или скорости потока текучей среды была обеспечена для различных субблоков или различных областей пакета ячеек. В других вариантах осуществления размеры каналов 1215 выбирают таким образом, чтобы одинаковая или по существу одинаковая величина потока текучей среды или скорости потока текучей среды была обеспечена для субнабора, например, субблоков или областей в верхней и нижней областях пакета ячеек, в то время как другая, например, меньшая величина потока текучей среды или скорости потока текучей среды обеспечивается для других субблоков или областей в пакете ячеек, например субблоков или областейDimensions, such as length, width and/or cross-sectional area of channels 1225 can be selected to deliver given amounts of fluid to different sub-units or different regions of the cell stack. In some embodiments, channels 1225 are sized such that the same or substantially the same amount of fluid flow or fluid flow rate is provided to different sub-units or different regions of the cell stack. In other embodiments, the channels 1215 are sized such that the same or substantially the same amount of fluid flow or fluid flow rate is provided for a subset, such as subblocks or areas in the top and bottom regions of the cell stack, while the other, for example, a lower amount of fluid flow or fluid flow rate is provided to other sub-units or regions in the cell stack, such as sub-units or regions

- 12 040270 в центральной области пакета ячеек.- 12 040270 in the central region of the cell package.

В базовой конструкции, изображенной на фиг. 10А, впускной коллектор имеет начальную площадь Aj поперечного сечения и высоту Hi пакета (фиг. 13А). В варианте осуществления, изображенном на фиг. 13В, коллектор потока разделен на четыре канала 1225 с площадями поперечного сечения А1, А2, A3 и А4. Каналы образованы внутренними перегородками или стенками 1220, изгибающимися на дне, образуя наклонные направляющие 1230, которые могут контактировать со стыками между субблоками SB1, SB2, SB3 и SB4. Каждый канал 1225, таким образом, сообщается по текучей среде только с одним субблоком. Каналы 1225 на любой из фиг. 12С, 12D или 13В или каналы, образованные между или внутри различных концентрических трубок 1215 на фиг. 12А и 12В, могут быть изолированы по текучей среде друг от друга. Сумма площадей поперечного сечения каналов 1225 на любых фиг. 12С, 12D или 13В или каналов, образованных между или внутри различных концентрических труб 1215 на фиг. 12А и 12В, может быть меньше, чем площадь поперечного сечения коллектора потока.In the basic design shown in Fig. 10A, the intake manifold has an initial cross-sectional area Aj and a stack height Hi (FIG. 13A). In the embodiment depicted in FIG. 13B, the flow manifold is divided into four channels 1225 with cross-sectional areas A1, A 2 , A3 and A 4 . The channels are formed by internal baffles or walls 1220 curving at the bottom to form ramps 1230 that can contact the joints between sub-blocks SB1, SB2, SB3 and SB4. Each channel 1225 is thus in fluid communication with only one subunit. Channels 1225 in any of FIGS. 12C, 12D, or 13B, or channels formed between or within the various concentric tubes 1215 in FIG. 12A and 12B may be fluidly isolated from each other. The sum of the cross-sectional areas of the channels 1225 in any of the FIGS. 12C, 12D or 13B or channels formed between or within the various concentric tubes 1215 in FIG. 12A and 12B may be less than the cross-sectional area of the flow manifold.

В других вариантах осуществления наклонные направляющие 1230 направляющего устройства для потока текучей среды могут не проходить полностью до пакета ячеек, а заканчиваться на некотором расстоянии, например, между 0,5 и 2 мм, меньше чем 2 мм (или около 2 мм), меньше чем 1 мм (или около 1 мм), меньше чем 0,5 мм (или около 0,5 мм) от пакета ячеек и образовывать зазоры, имеющие такие размеры, между наклонными направляющими 1230 и пакетом ячеек. Зазоры могут способствовать установке или извлечению направляющих устройств для потока текучей среды из коллекторов потока. Направляющее устройство для потока текучей среды может, таким образом, определять пути потока текучей среды через коллектор потока между различными участками пакета ячеек, имеющими площади поперечного сечения меньшие, чем площадь поперечного сечения коллектора потока.In other embodiments, the fluid guide ramps 1230 may not extend all the way to the cell stack, but end at some distance, such as between 0.5 and 2 mm, less than 2 mm (or about 2 mm), less than 1 mm (or about 1 mm), less than 0.5 mm (or about 0.5 mm) from the cell pack and form gaps having such dimensions between the ramps 1230 and the cell pack. The gaps may facilitate the installation or removal of fluid flow guides from the flow manifolds. The fluid flow guide can thus define fluid flow paths through the flow manifold between different portions of the cell stack having cross-sectional areas smaller than the cross-sectional area of the flow manifold.

В конфигурации, изображенной на фиг. 13В, в дальнейшем именуемой оптимальной конструкцией, протекание тока от одного субблока к другому по коллекторам ограничено. Внутри каждого субблока ток может по-прежнему проходить в обход пакета через секцию коллекторов, сообщающихся с ним по текучей среде. Для вычисления эффективности тока каждый субблок можно поэтому моделировать так, как если бы он представлял собой электродиализное устройство только с одним субблоком. На фиг. 14 показаны результаты вычисления эффективности тока для устройства с четырьмя субблоками; средняя эффективность тока равна эффективности единственного субблока на фиг. 7.In the configuration shown in FIG. 13B, hereinafter referred to as the optimal design, the flow of current from one subunit to another through the collectors is limited. Within each subunit, current may still bypass the stack through a section of collectors in fluid communication with it. To calculate the current efficiency, each subunit can therefore be modeled as if it were an electrodialysis device with only one subunit. In FIG. 14 shows the results of calculating the current efficiency for a device with four subunits; the average current efficiency is equal to the efficiency of the single subunit in FIG. 7.

В различных вариантах осуществления электродиализное устройство, раскрытое в настоящем документе, может включать в себя одно или более из направляющего устройства для потока текучей среды, расположенного внутри впускного коллектора и имеющего поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во впускной коллектор, и направления текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры, и второго направляющего устройства для потока текучей среды, расположенного внутри выпускного коллектора и имеющего поверхность, выполненную с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной в выпускной коллектор через обедняющие камеры или через концентрирующие камеры.In various embodiments, the electrodialysis device disclosed herein may include one or more of a fluid flow guide disposed within an intake manifold and having a surface configured to change the flow path of fluid introduced into the intake manifold, and directing the fluid into the depletion chambers or concentrating chambers, and a second fluid flow guiding device located inside the exhaust manifold and having a surface configured to change the flow path of the fluid introduced into the exhaust manifold through the depletion chambers or through the concentrating chambers.

На фиг. 15А показан один неограничивающий вариант осуществления оптимизированной конструкции, состоящей из каналов для текучей среды, образованных перегородками с линейным профилем и эллиптическими наклонными направляющими. Конструкция, включающая в себя перегородки и наклонные направляющие, изображенные на фиг. 15А, может быть выполнена в виде вставки, которая может быть установлена с возможностью съема в коллектор базовой конструкции. На фиг. 15В показана оптимизированная конструкция, встроенная в ВГД-модель. На фиг. 15С изображено сравнение центрального поперечного сечения электродиализного устройства для базовой и оптимизированной конструкций. В оптимизированной конструкции каналы электрически изолированы и гидравлически параллельны.In FIG. 15A shows one non-limiting embodiment of an optimized design consisting of fluid channels formed by baffles with a linear profile and elliptical ramps. The structure including baffles and ramps shown in FIG. 15A may be provided as an insert that may be removably installed in the manifold of the base structure. In FIG. 15B shows the optimized design embedded in the HDD model. In FIG. 15C shows a comparison of the central cross section of the electrodialysis device for the basic and optimized designs. In an optimized design, the channels are electrically isolated and hydraulically parallel.

Оптимизированная конструкция на фиг. 15А может быть расширена для применения в электродиализных модулях, имеющих больше четырех субблоков, изображенных на фиг. 15В и 15С. Например, однокомпонентная конструкция для вставки из восьми субблоков изображена на фиг. 15D, а двухкомпонентная конструкция для вставки из восьми субблоков изображена на фиг. 15Е. На фиг. 15D и 15Е изображены эти конструкции на виде в изометрии, виде сверху, виде снизу, виде сзади, виде сбоку и виде спереди. В конструкциях из восьми субблоков небольшой канал 1505 сохраняется сзади коллектора, ниже задней стороны вставки, с отрезанием потока на каждой отдельной наклонной направляющей 1510. Наклонные направляющие в вариантах осуществления, изображенных на фиг. 15D и 15Е, являются по существу планарными в отличие от криволинейных наклонных направляющих варианта осуществления, изображенного на, например, фиг. 12D, 12Е и 15А. Термин наклонная направляющая в контексте настоящего документа включает в себя как криволинейные, так и плоские или планарные наклонные направляющие.The optimized design in Fig. 15A can be extended for use in electrodialysis modules having more than the four subunits shown in FIG. 15V and 15C. For example, a one-piece insert design of eight subassemblies is shown in FIG. 15D, and a two-piece insertion structure of eight subunits is shown in FIG. 15E. In FIG. 15D and 15E show these structures in isometric, top view, bottom view, rear view, side view, and front view. In eight subunit designs, a small channel 1505 is retained behind the manifold, below the rear side of the insert, with flow cut off at each individual ramp 1510. The ramps in the embodiments shown in FIGS. 15D and 15E are substantially planar in contrast to the curved ramps of the embodiment depicted in, for example, FIG. 12D, 12E and 15A. The term ramp as used herein includes both curved and flat or planar ramps.

На фиг. 15F изображено сравнение центрального поперечного сечения электродиализного устройства из восьми субблоков для базовой и оптимизированной конструкций.In FIG. 15F shows a comparison of the central cross-section of an eight-sub-assembly electrodialysis device for the basic and optimized designs.

Как описано выше, распределение потока моделировали при изменяющихся значениях рабочего расхода, а затем оптимизировали при помощи программного обеспечения ВГД. Определение характеристик выполняли затем для составляющей Z скорости, расхода потока на среднюю пару ячеек и падения давления.As described above, the flow distribution was modeled with varying operating flow rates and then optimized using the CFD software. Characterization was then performed for the Z component of the velocity, the flow rate per middle pair of cells, and the pressure drop.

- 13 040270- 13 040270

На фиг. 16А и 16В изображена составляющая Z скорости через центральные плоскости ZY, а также через верхнюю, среднюю и нижнюю плоскости ZX для базовой и оптимизированной конструкций на фиг. 15А-15С при расходе потока устройства, составляющем 4 м3/ч и 10 м3/ч соответственно. Для базовой конструкции по всем величинам расхода потока скорость Z через центральную плоскость ZY изменяется, равно как и скорость Z в верхней, средней и нижней плоскостях ZX, в 2-4 раза. Для сравнения отметим, что скорость Z в оптимизированной конструкции представляется постоянной по всем плоскостям для всех величин расхода потока.In FIG. 16A and 16B show the Z component of the velocity through the center ZY planes and through the top, middle and bottom ZX planes for the basic and optimized designs of FIG. 15A-15C at device flow rates of 4 m 3 /h and 10 m 3 /h, respectively. For the basic design, for all flow rates, the speed Z through the central plane ZY changes, as well as the speed Z in the upper, middle and lower planes ZX, by 2-4 times. For comparison, we note that the speed Z in the optimized design appears to be constant in all planes for all flow rates.

На фиг. 16С изображено ВГД-моделирование составляющей Z скорости через центральные плоскости ZY для базовой и оптимизированной конструкций, показанных на фиг. 15F. Скорость Z через центральную плоскость ZY оптимизированной конструкции является по существу более равномерной, чем в базовой конструкции. На фиг. 16D изображена эффективность технологического процесса в зависимости от тока (расхода потока текучей среды) для базовой и оптимизированной конструкций, показанных на фиг. 15F. Эффективность процесса для оптимизированной конструкции приблизительно на 5% выше, чем эффективность базовой конструкции для каждого из измеренных значений расхода потока текучей среды.In FIG. 16C shows CHD simulations of the Z velocity component through the ZY center planes for the basic and optimized designs shown in FIG. 15F. The Z velocity through the center plane ZY of the optimized design is substantially more uniform than that of the base design. In FIG. 16D depicts process efficiency versus current (fluid flow rate) for the basic and optimized designs shown in FIG. 15F. The process efficiency for the optimized design is approximately 5% higher than that of the base design for each of the measured fluid flow rates.

На фиг. 17А представлен график результатов ВГД-моделирования величин расхода потока на пару ячеек при различных высотах (положениях на оси Y) для базовой и оптимизированной конструкций электродиализных устройств при расходе потока 4 м3/час, а на фиг. 17В представлен график результатов ВГД-моделирования величин расхода потока на пару ячеек при различных высотах (положениях на оси Y) для базовой и оптимизированной конструкций электродиализных устройства при расходе 10 м3/час. Подкрепляя вышесказанное, расход потока на среднюю ячейку ближе к равномерному для оптимизированной конструкции.In FIG. 17A is a graph of the results of the CHD simulation of the flow rates per cell pair at different heights (positions on the Y-axis) for the basic and optimized designs of electrodialysis devices at a flow rate of 4 m 3 /h, and FIG. 17B is a plot of CHD simulation results of cell pair flow rates at various heights (y-axis positions) for basic and optimized electrodialysis device designs at a flow rate of 10 m 3 /h. Reinforcing the above, the flow rate per middle cell is closer to uniform for an optimized design.

На фиг. 18А и 18В показано распределение давления в центральном поперечном сечении, выраженное в процентах максимального давления. В базовой конструкции (фиг. 18А) давление на впуске субблоков является равномерным, тогда как давление на выпуске изменяется таким образом, что падения давления на субблоках увеличиваются от верхнего субблока к нижнему (см. также фиг. 19В). В оптимизированной конструкции (фиг. 18В) давление на впуске и выпуске субблоков изменяется так, что падение давления на субблоках является почти равномерным (см. также фиг. 19С).In FIG. 18A and 18B show the pressure distribution in the central cross section, expressed as a percentage of the maximum pressure. In the basic design (FIG. 18A), the inlet pressure of the subassemblies is uniform, while the outlet pressure varies such that pressure drops across the subassemblies increase from the top to the bottom of the subassembly (see also FIG. 19B). In the optimized design (FIG. 18B), the inlet and outlet pressures of the subassemblies vary so that the pressure drop across the subassemblies is nearly uniform (see also FIG. 19C).

На фиг. 19А показаны положения измерения давления при ВГД-моделировании и определены разности давлений для отдельных субблоков и всего устройства. На фиг. 19В и 19С изображено изменение падения давления по субблокам 1-4 для различных величин расхода подаваемого потока. Падения давления более равномерны в оптимизированной конструкции, как можно было бы предполагать при более равномерном распределении расхода потока на пару ячеек.In FIG. 19A shows the positions of the pressure measurement in the CFD simulation and determined the pressure differences for the individual subassemblies and the entire device. In FIG. 19B and 19C show the change in pressure drop across subassemblies 1-4 for various feed rates. The pressure drops are more uniform in the optimized design, as would be expected from a more uniform flow rate distribution per cell pair.

В другом аспекте предусмотрены элементы, улучшающие распределение потока по парам ячеек в проходе. В существующих перекрестноточных устройствах электродиализа, выпускаемых компанией Evoqua Water Technologies, впускные и выпускные коллекторы являются приближенно треугольными в поперечном сечении, как показано на фиг. 4. Переходное соединение передает поток подаваемого материала в трубе к впускному коллектору. Эта модель будет по существу рассматриваться в качестве первоначальной конструкции.In another aspect, elements are provided that improve the distribution of flow among pairs of cells in the passage. In current cross-flow electrodialysis devices manufactured by Evoqua Water Technologies, the intake and exhaust manifolds are approximately triangular in cross section, as shown in FIG. 4. The adapter transfers the feed material flow in the pipe to the intake manifold. This model will essentially be considered as the initial design.

На фиг. 10В и 10С показаны результаты ВГД-моделирования потока в пакете из четырех субблоков, каждый с 100 парами ячеек. Поток не является равномерно распределенным по ячейкам. Сравнение распределения скорости потока в трех горизонтальных плоскостях, одной рядом с входом коллектора, одной посередине пакета и одной на дне пакета показывает, что поток через несколько первых пар ячеек ниже, с относительно большими зонам низкой скорости (см. фиг. 11А-11С).In FIG. 10B and 10C show the results of the CFD flow simulation in a batch of four sub-blocks, each with 100 cell pairs. The flow is not uniformly distributed over the cells. Comparison of the flow velocity distribution in three horizontal planes, one near the manifold inlet, one in the middle of the stack, and one at the bottom of the stack, shows that the flow through the first few cell pairs is lower, with relatively large low velocity zones (see FIGS. 11A-11C).

Как показано выше на фиг. 7, эффективность тока (и тем самым доля тока, протекающая через мембраны) является наибольшей в парах ячеек на двух концах прохода. Полученная в результате более высокая плотность тока увеличивала бы риск как ограничения, так и масштабирования тока в зонах с низкой скоростью потока. Более низкий расход потока через первые несколько разбавляющих ячеек в проходе означал бы также, что полный потенциал более высокой эффективности тока при удалении солей не используется.As shown above in FIG. 7, the current efficiency (and thus the proportion of current flowing through the membranes) is greatest in the pairs of cells at the two ends of the passage. The resulting higher current density would increase the risk of both clipping and current scaling in low flow areas. The lower flow rate through the first few dilution cells in the passage would also mean that the full potential for higher current efficiency in salt removal is not exploited.

Технические проблемы состоят, таким образом, в уменьшении протекания тока в обход через впускной и выпускной коллекторы, улучшении распределения потока по парам ячеек в проходе и в особенности обеспечении достаточного потока к нескольким первым парам ячеек.The technical problems are thus to reduce the bypass current through the intake and exhaust manifolds, to improve the distribution of flow to the cell pairs in the passage, and in particular to provide sufficient flow to the first few cell pairs.

В настоящем документе раскрыты конструкции для впускных и выпускных коллекторов в электродиализных устройствах для повышения эффективности тока и улучшения распределения потока к парам ячеек.This document discloses designs for intake and exhaust manifolds in electrodialysis devices to improve current efficiency and improve flow distribution to cell pairs.

Как описано выше, эффективность тока в паре ячеек можно повысить путем увеличения электрических сопротивлений во впускных и выпускных каналах и коллекторах. Начиная с первоначальной конструкции, изображенной на фиг. 20А, с площадью А1 поперечного сечения коллектора и расстоянием L1 от края активной площади мембраны до края коллектора существуют альтернативные конструкции, которые могут увеличивать эффективность тока. Коллектор меньшего размера, например, как показано на фиг. 20В, увеличивал бы сопротивление в каналах при расстоянии L2>L1, а также увеличивал бы сопроAs described above, the efficiency of the current in a cell pair can be improved by increasing the electrical resistances in the inlet and outlet channels and manifolds. Starting from the original design shown in Fig. 20A, with the cross-sectional area A1 of the collector and the distance L1 from the edge of the active area of the membrane to the edge of the collector, there are alternative designs that can increase the efficiency of the current. A smaller manifold, such as shown in FIG. 20V, would increase the resistance in the channels at a distance L2>L1, and would also increase the resistance

- 14 040270 тивление в коллекторах при А21. Коллектор меньшего размера, как показано на фиг. 20С, увеличивал бы сопротивление в коллекторах при Л3<А1. Сопротивление в каналах не изменилось бы при L3=Lb Поперечное сечение, представляющее собой равнобедренную трапецию с крыльями, показано на фиг. 20D. Площадь поперечного сечения коллектора на фиг. 20D меньше, чем у коллектора на фиг. 20В, тогда как среднее расстояние коллектора от активной площади приблизительно такое же. Уравнение для сопротивления на фиг. 6 может быть неприменимо к этой конструкции. Даже если предположить, что среднее расстояние равно L4, вследствие режима течения тока шунтирования она может быть более сложной. Крылья могут направлять поток к зонам меньшей скорости в активной площади мембраны.- 14 040270 pressure in the collectors at A 2 < A 1 . The smaller manifold, as shown in Fig. 20C, would increase the resistance in the collectors at L 3 <A1. The resistance in the channels would not change at L 3 =L b . The cross section, which is an isosceles trapezium with wings, is shown in Fig. 20D. The cross-sectional area of the collector in Fig. 20D is smaller than the manifold in FIG. 20V, while the average distance of the collector from the active area is approximately the same. The equation for resistance in FIG. 6 may not be applicable to this design. Even assuming that the average distance is L 4 , due to the shunt current flow mode, it may be more complicated. The wings can direct the flow towards slower velocity zones in the active area of the membrane.

На фиг. 21 показаны моделируемые эффективности процесса для конструкций коллектора, представленных на фиг. 20А-20С. Эффективность процесса возрастает при уменьшении поперечного сечения коллектора, как и ожидалось, при этом две конструкции с одинаковой меньшей площадью имеют равную эффективность. Эффективность процесса связана с эффективностью тока и определяется уравнениями на фиг. 21.In FIG. 21 shows simulated process efficiencies for the manifold designs shown in FIG. 20A-20C. The efficiency of the process increases as the collector cross-section decreases, as expected, with two designs with the same smaller area having equal efficiency. Process efficiency is related to current efficiency and is determined by the equations in FIG. 21.

На фиг. 22 показано, что распределение потока по парам ячеек в первоначальной конструкции не является однородным. Пары ячеек рядом с вершиной пакета ячеек имеют более низкий расход подаваемого потока, чем пары ячеек в более низких положениях в пакете ячеек.In FIG. 22 shows that the distribution of flow over cell pairs in the original design is not uniform. Cell pairs near the top of the cell stack have a lower feed rate than cell pairs at lower positions in the cell stack.

Одно потенциальное решение по увеличению равномерности потока через различные ячейки в первоначальной конструкции заключается во встраивании выступов в коллектор, чтобы воздействовать на распределение потока по парам ячеек в проходе. Выступы могут представлять собой клинья, лопатки, перегородки, выпуклости или их комбинации. Выступы могут также иметь отверстия или пазы, позволяющие части потока проходить напрямую, уменьшая завихрения или водовороты ниже по течению.One potential solution to increase the uniformity of flow through the various cells in the original design is to embed protrusions in the header to influence the distribution of flow across the cell pairs in the passage. The protrusions may be wedges, blades, baffles, bulges, or combinations thereof. The protrusions may also have holes or slots to allow some of the flow to pass through directly, reducing eddies or eddies downstream.

Сравнение между существующей конструкцией и конструкцией, включающей в себя выступы во впускных коллекторах двухпроходного электродиализного устройства, изображено на фиг. 23А и 23В, где конструкция, включающая в себя выступы 2305, представлена на фиг. 23В. Профиль каждого выступа 2305 представляет собой дугу, проходящую от начала до конца коллектора. Дуга может быть круговой, или эллиптической, или свободно порожденной. В качестве термина, используемого в настоящем документе, направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя варианты осуществления, такие как выступы 2305.A comparison between the existing design and a design including protrusions in the intake manifolds of a two-pass electrodialysis device is shown in FIG. 23A and 23B, where the structure including projections 2305 is shown in FIG. 23V. The profile of each protrusion 2305 is an arc extending from the beginning to the end of the manifold. The arc can be circular, or elliptical, or freely generated. As a term used herein, a fluid flow guide includes embodiments such as projections 2305.

ВГД-анализ выполняли для двух электродиализных устройств, изображенных на фиг. 23А и 23В, каждое с четырьмя субблоками, расположенными в двух проходах для текучей среды. Каждый субблок содержит 100 пар ячеек, поэтому общее количество пар ячеек на проход равно 200. Первое устройство имело поперечные сечения коллекторов, показанные на фиг. 23А, а второе - выступы с круговыми профилями, вставленные в коллекторы с такими же поперечными сечениями, как показано на фиг. 23В.IOP analysis was performed for the two electrodialysis devices depicted in FIG. 23A and 23B, each with four subassemblies located in two fluid passages. Each subblock contains 100 cell pairs, so the total number of cell pairs per pass is 200. The first device had the header cross sections shown in FIG. 23A, and the second, circular protrusions inserted into headers with the same cross-sections as shown in FIG. 23V.

На фиг. 24А показано распределение давления в модуле базового варианта. Давление на проход возрастает постепенно сверху вниз, что соответствовало бы аналогичному профилю скорости через пакет. На фиг. 24В демонстрируется, как можно манипулировать полем давлений, используя выступы в коллекторе. В этом примере с криволинейной вставкой показано желаемое параболическое поле давлений с наибольшим давлением вверху и внизу прохода и наименьшим давлением посередине прохода. Это соответствует полю течения (потока), показанному на фиг. 25. На фиг. 26 показаны графики расхода потока на пару ячеек, поступающего в активную площадь на один проход в электродиализных устройствах с/без выступов, изображенных на фиг. 23В соответственно. Без выступов расход потока на ячейку является наименьшим в первой ячейке в проходе и возрастает на всем протяжении прохода. Выступы изменяют распределение потока таким образом, что расход потока на ячейку является наибольшим на обоих концах коллектора, где, как ожидается, эффективность тока и плотность тока в активной площади мембраны будут наибольшими (см. кривую для 200 пар ячеек на фиг. 7). Более высокие значения расхода потока уменьшали бы риск ограничения и масштабирования тока в ячейках на концах и увеличивали бы общее удаление солей в проходе.In FIG. 24A shows the pressure distribution in the base case module. The pressure on the passage increases gradually from top to bottom, which would correspond to a similar velocity profile through the package. In FIG. 24B demonstrates how the pressure field can be manipulated using projections in the manifold. This example with a curved insert shows the desired parabolic pressure field with the highest pressure at the top and bottom of the passage and the lowest pressure in the middle of the passage. This corresponds to the flow (flow) field shown in FIG. 25. In FIG. 26 shows graphs of the flow rate per cell pair entering the active area per pass in the electrodialysis devices with and without ridges shown in FIG. 23V respectively. Without protrusions, the flow rate per cell is lowest in the first cell in the passage and increases throughout the passage. The protrusions change the flow distribution such that the flow rate per cell is greatest at both ends of the collector, where the current efficiency and current density in the active area of the membrane are expected to be greatest (see curve for 200 cell pairs in Fig. 7). Higher flow rates would reduce the risk of current limiting and current scaling in cells at the ends and would increase the overall removal of salts in the passage.

Для коллекторов с равномерной площадью поперечного сечения модель электрической схемы, раскрытая выше, прогнозировала, что ток шунтирования будет наибольшим посередине в проходе. Уменьшение площади поперечного сечения будет уменьшать ток шунтирования и увеличивать эффективность тока. Выступы в электродиализном устройстве на фиг. 23В приводят к получению площадей поперечного сечения впускного коллектора, которые изменяются на протяжении каждого прохода, будучи наименьшими в средней точке коллектора, что будет ограничивать ток шунтирования.For collectors with a uniform cross-sectional area, the electrical circuit model disclosed above predicted that the shunt current would be highest in the middle of the pass. Reducing the cross-sectional area will decrease the shunt current and increase the efficiency of the current. The protrusions in the electrodialysis device of FIG. 23B results in intake manifold cross-sectional areas that vary throughout each pass, being smallest at the midpoint of the manifold, which will limit shunt current.

Чтобы еще больше снизить ток шунтирования, могут быть встроены дополнительные вставки в выпускных коллекторах каждого прохода. Форму ставок можно оптимизировать, чтобы занимать наибольший объем в выпускных коллекторах, сохраняя при этом требуемый профиль потока. Аналогично впускным вставкам, обеспечение электродиализного устройства вставками, создающими небольшую площадь поперечного сечения в средней точке выпускного коллектора, значительно уменьшит ток шунтирования. Геометрия впускной коллекторной вставки или выпускной коллекторной вставки могла бы содержать клинья, лопатки, перегородки, выпуклости или их комбинации. Отверстия или пазы также могли бы быть встроены, чтобы позволить части потока проходить напрямую, уменьшая завихрения/водоворотыTo further reduce shunt current, additional inserts can be built into the exhaust manifolds of each pass. The shape of the rates can be optimized to take up the most volume in the exhaust manifolds while maintaining the desired flow profile. Similar to inlet inserts, providing the electrodialysis device with inserts that create a small cross-sectional area at the midpoint of the exhaust manifold will greatly reduce shunt current. The geometry of the inlet manifold insert or outlet manifold insert could comprise wedges, vanes, baffles, bulges, or combinations thereof. Holes or slots could also be built in to allow some of the flow to pass through directly, reducing eddies/eddies

- 15 040270 ниже по течению или распределяя поток. Различные возможные конструкции выпускных коллекторных вставок показаны на фиг. 27.- 15 040270 downstream or distributing flow. Various possible designs of outlet manifold inserts are shown in FIG. 27.

ВГД-анализ выполняли для предварительных конструкций выпускных коллекторных вставок с использованием одной и той же предварительной схемы ВГД: две ступени, модуль с двумя субблоками/ступенями. На фиг. 28 показана первая ступень модуля с впускной и выпускной коллекторными вставками. Вставка 2805 впускного коллектора имеет форму дуги, а вставка 2810 выпускного коллектора имеет линейное сужение (конус) с самой широкой частью вверху модуля и самой узкой частью внизу модуля. В качестве термина, используемого в настоящем документе, направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя варианты осуществления, такие как вставка 2805 впускного коллектора и вставка 2810 выпускного коллектора. Впускная вставка была непрерывной гладкой кривой с вершиной в средней части прохода и уменьшала коллектор до 5-миллиметрового канала.CRO analysis was performed on the preliminary designs of exhaust manifold inserts using the same preliminary CFD scheme: two stages, module with two subassemblies/stages. In FIG. 28 shows the first stage of the module with inlet and outlet manifold inserts. The intake manifold insert 2805 is arc-shaped and the exhaust manifold insert 2810 is linearly tapered (tapered) with the widest portion at the top of the module and narrowest portion at the bottom of the module. As the term used herein, a fluid flow guide includes embodiments such as an intake manifold insert 2805 and an exhaust manifold insert 2810. The inlet insert was a continuous smooth curve with a mid-port apex and reduced the manifold to a 5mm bore.

Выпускная вставка была прямым сужением (конусом), которое ограничивало выпускной коллектор 4-миллиметровым каналом вверху и обеспечивала широко открытый канал внизу. Моделируемый расход потока был установлен равным 12 гал/мин. Профили массового расхода потока (на пару ячеек) построены на фиг. 29 и показывают, что если геометрия выпускной вставки является плавной и постепенной, профили потока в основном остаются неизменными, когда предусмотрена выпускная вставка.The exhaust insert was a straight taper (cone) that limited the exhaust manifold to a 4mm port at the top and provided a wide open port at the bottom. The simulated flow rate was set to 12 GPM. The mass flow profiles (per cell pair) are plotted in FIG. 29 and show that if the geometry of the outlet insert is smooth and gradual, the flow profiles remain substantially unchanged when the outlet insert is provided.

Эксперименты выполняли с двумя перекрестноточными электродиализными устройствами, каждое с двумя проходами, по два субблока на проход. Первое устройство имело поперечные сечения коллекторов, показанные на фиг. 20В, а второе имело выступы с круговыми профилями, изображенными на фиг. 23В, вставленными в коллекторы с одинаковыми поперечными сечениями.Experiments were performed with two cross-flow electrodialysis devices, each with two passes, two subassemblies per pass. The first device had the collector cross-sections shown in FIG. 20B, and the second had protrusions with circular profiles shown in FIG. 23B inserted into manifolds with identical cross sections.

Значения расходов разбавленного и/или концентрированного потоков были в диапазоне 40-41 л/мин, соответствующем средней скорости ~2,5 см/с в камерах. Подача в разбавляющие и концентрирующие камеры осуществлялась из отдельных резервуаров, содержащих растворы NaCl. Исходные концентрации составляли 556 моль/м3 в питающем резервуаре разбавленного раствора и 796 моль/м3 в концентрате. Подаваемый ток составлял 10А.The flow rates of the diluted and/or concentrated flows were in the range of 40-41 l/min, corresponding to an average velocity of ~2.5 cm/s in the chambers. The dilution and concentration chambers were fed from separate tanks containing NaCl solutions. Initial concentrations were 556 mol/m 3 in the dilute feed tank and 796 mol/m 3 in the concentrate. The supplied current was 10A.

Продукт из разбавляющих камер возвращали в питающий резервуар разбавленного раствора, а отбракованный материал из концентрирующих камер возвращали в питающий резервуар концентрата. На протяжении эксперимента концентрация растворенной соли уменьшалась в резервуаре разбавленного раствора и увеличивалась в концентрате.The product from the dilution chambers was returned to the dilute solution feed tank, and the reject material from the concentration chambers was returned to the concentrate feed tank. Throughout the experiment, the concentration of the dissolved salt decreased in the dilute solution reservoir and increased in the concentrate.

На фиг. 30 показана эффективность процесса в зависимости от соотношения средней концентрации в концентрате и средней концентрации в разбавленном растворе. Соотношение возрастало по мере обессоливания. Эффективность была приблизительно на 10% выше в устройстве со вставками в результате улучшенного распределения потока и уменьшения площади поперечного сечения коллектора посередине каждого прохода.In FIG. 30 shows the efficiency of the process as a function of the ratio of the average concentration in the concentrate to the average concentration in the dilute solution. The ratio increased with desalting. Efficiency was approximately 10% higher in the device with inserts as a result of improved flow distribution and reduced header cross-sectional area in the middle of each pass.

Были проведены дополнительные испытания, в ходе которых выпускную вставку встраивали в аппарат электрохимического разделения для улучшения распределения потока. Выпускные вставки, помещенные в субблоки, имели наклонные или сходящиеся на конус поверхности, такие, что повороты (изгибы), составлявшие 90° без вставок, были преобразованы в уклоны, направлявшие поток воды с поворотом, вместо того чтобы создавать турбулентность на углах изгибов. Сравнение между потоком текучей среды с выпускными вставками и без них показано на фиг. 31А и 31В. Было установлено, что направление потока воды со вставкой в выпускном коллекторе электродиализного устройства помогает уменьшить падение давления внутри модуля. Однако выпускная вставка вызывает ограничение потока жидкости через выпускной коллектор аналогично запиранию потока на пути водопроводной трубы путем помещения объекта на пути потока трубы. Общий суммарный эффект состоял в том, что падение давления фактически немного уменьшилось по сравнению с вариантом без выпускной вставки, что оказалось неожиданным результатом. Применение наклонной или сходящейся на конус выпускной вставки также увеличивало эффективность процесса и уменьшало потребление энергии электродиализным аппаратом. Эти данные показаны на фиг. 32А и 32В.Additional tests were carried out, during which the outlet insert was built into the electrochemical separation apparatus to improve flow distribution. The outlet inserts placed in the sub-assemblies had sloped or conical surfaces such that 90° turns (bends) without the inserts were converted into slopes directing the water flow with the turn instead of creating turbulence at the corners of the bends. A comparison between fluid flow with and without outlet inserts is shown in FIG. 31A and 31B. It has been found that guiding the water flow with an insert in the outlet manifold of an electrodialysis device helps to reduce the pressure drop within the module. However, the outlet insert causes fluid flow through the outlet manifold to be restricted in a manner analogous to blocking the flow in the path of a water pipe by placing an object in the path of the pipe's flow. The overall net effect was that the pressure drop was actually slightly reduced compared to the variant without the outlet insert, which was an unexpected result. The use of an inclined or conical outlet insert also increased the efficiency of the process and reduced the energy consumption of the electrodialysis machine. This data is shown in Fig. 32A and 32B.

Дополнительный аспект включает в себя гидравлический адаптер для передачи потока из наружного трубопровода с одной геометрической формой поперечного сечения к впускному коллектору электродиализного устройства с другой геометрической формой поперечного сечения. Гидравлический адаптер включает в себя проход для текучей среды, содержащий по меньшей мере одну сходящуюся на конус секцию или в некоторых вариантах осуществления две сходящиеся на конус секции. Каждая сходящаяся на конус секция имеет характеристическую длину для развивающегося потока. В некоторых вариантах осуществления сходящиеся на конус секции не перекрываются.A further aspect includes a hydraulic adapter for transferring flow from an external conduit with one cross-sectional geometry to an inlet manifold of an electrodialysis device with a different cross-sectional geometry. The hydraulic adapter includes a fluid passage comprising at least one cone section, or in some embodiments two cone sections. Each cone section has a characteristic length for the developing flow. In some embodiments, the tapered sections do not overlap.

Поток в разбавляющие камеры электродиализного устройства может подаваться по наружной трубе к гидравлическому адаптеру, а затем распределяться по всем разбавляющим камерам параллельно через впускной коллектор, как показано на фиг. 33. Аналогичным образом продукт из всех разбавляющих камер может быть собран в выпускном коллекторе и доставлен по гидравлическому адаптеру к наружной трубе. Втекание и вытекание потока из концентрирующих камер может быть организовано аналогично этому.The flow to the dilution chambers of the electrodialysis device may be supplied through an outer pipe to a hydraulic adapter and then distributed to all dilution chambers in parallel through an inlet manifold, as shown in FIG. 33. Similarly, product from all dilution chambers can be collected in the outlet manifold and delivered via a hydraulic adapter to the outer pipe. The inflow and outflow of the flow from the concentrating chambers can be organized similarly to this.

Переход высокоскоростного турбулентного потока из наружного трубопровода к впускному колTransition of high-velocity turbulent flow from the outer pipeline to the inlet

- 16 040270 лектору создает особые трудности, поскольку наружный трубопровод является в общем случае круговым в поперечном сечении, тогда как впускной коллектор может иметь поперечное сечение, которое является по существу круговым, прямоугольным, треугольным или имеющим какую-либо другую форму. Впускные коллекторы, которые обычно являются треугольными, изображены на фиг. 4, 20А и 20В. В связи с этим, как правило, предусмотрены гидравлические адаптеры со специализированными элементами направления потока.- 16 040270 to the lecturer creates particular difficulties, since the external pipeline is generally circular in cross section, while the intake manifold may have a cross section that is essentially circular, rectangular, triangular or having some other shape. The intake manifolds, which are usually triangular, are shown in FIG. 4, 20A and 20V. In this regard, as a rule, hydraulic adapters with specialized flow guiding elements are provided.

Один пример гидравлического адаптера, обеспечивающего переход от кругового поперечного сечения к преимущественно треугольному поперечному сечению изображен на виде в изометрии на фиг. 34А, на частично прозрачном виде на фиг. 34В, на виде сверху вниз на фиг. 34С и на виде снизу вверх на фиг. 34D. Впускное отверстие этой конструкции является круговым в поперечном сечении (фиг. 34С), тогда как выпускное отверстие является приближенно треугольным (фиг. 34D). Внутри диаметр потока уменьшается по первой оси (фиг. 34Е, D1-D2), поперек первой характеристической длины (фиг. 34Е, L1) при посредстве крутого, наклоненного конуса. Затем поток получает возможность расширяться и развиваться по второй оси (фиг. 34Е, D3-D4), поперек второй характеристической длины (фиг. 34F, L2), при посредстве широкого, наклоненного конуса, который перекрывается с первым конусом.One example of a hydraulic adapter providing a transition from a circular cross section to a predominantly triangular cross section is shown in the isometric view of FIG. 34A in the partially transparent view of FIG. 34B in a top-down view of FIG. 34C and in the bottom-up view of FIG. 34D. The inlet of this design is circular in cross section (FIG. 34C), while the outlet is approximately triangular (FIG. 34D). Inside, the flow diameter decreases along a first axis (FIGS. 34E, D1-D2), across a first characteristic length (FIGS. 34E, L1) by means of a steep, inclined cone. The flow is then allowed to expand and develop along a second axis (FIGS. 34E, D3-D4), across a second characteristic length (FIGS. 34F, L2), by means of a wide, inclined cone that overlaps with the first cone.

Усовершенствованная конструкция гидравлического адаптера для вариантов осуществления электродиализных устройств, раскрытых в настоящем документе, изображена на фиг. 35A-35D. Впускное отверстие этой конструкции также является круговым в поперечном сечении, тогда как выпускное отверстие является приближенно треугольным. В этой конструкции поток также уменьшается по первой оси (фиг. 35С, D1-D2), однако первая характеристическая длина больше (фиг. 35С, L1) и конус является более плавным и эллиптическим, чем в предыдущей конструкции, изображенной на фиг. 34A-34F. Поток снова получает возможность расширяться и развиваться по второй оси (фиг. 35D, D3-D4), и аналогично вышеуказанному вторая характеристическая длина, по которой развивается поток, больше (фиг. 35D, L2), чем в предыдущей конструкции. В этой конструкции конусы не перекрываются.An improved hydraulic adapter design for the embodiments of the electrodialysis devices disclosed herein is depicted in FIG. 35A-35D. The inlet of this design is also circular in cross section, while the outlet is approximately triangular. In this design, the flow also decreases along the first axis (FIGS. 35C, D1-D2), however, the first characteristic length is longer (FIGS. 35C, L1) and the cone is smoother and more elliptical than in the previous design shown in FIGS. 34A-34F. The flow again gets the opportunity to expand and develop along the second axis (Fig. 35D, D3-D4), and similarly to the above, the second characteristic length along which the flow develops is greater (Fig. 35D, L2) than in the previous design. In this design, the cones do not overlap.

На фиг. 36А и 36В показаны результаты моделирования величины скорости отдельных линий движения потока внутри впускного коллектора, равномерно отобранных во впускном отверстии, для базовой и оптимизированной конструкций соответственно. Вследствие струйных эффектов скорость во впускном коллекторе значительно выше в базовой конструкции (слева), чем в оптимизированной конструкции (справа).In FIG. 36A and 36B show the simulation results of the magnitude of the velocity of individual flow paths within the intake manifold, evenly sampled in the intake port, for the base and optimized designs, respectively. Due to jet effects, the speed in the intake manifold is significantly higher in the base design (left) than in the optimized design (right).

На фиг. 37А и 37В отображены результаты моделирования составляющей Z скорости потока текучей среды через центральные плоскости ZY, а также через верхнюю, среднюю и нижнюю плоскости ZX для электродиализных устройств, включая базовую и оптимизированную конструкции соответственно. Сравнивая распределение составляющей Z скорости, отметим, что изменение в электродиализных устройствах, включающих базовый гидравлический адаптер, выше, чем в оптимизированной конструкции.In FIG. 37A and 37B show simulation results for the Z component of fluid flow velocity through the central ZY planes and through the top, middle, and bottom ZX planes for electrodialysis devices, including the basic and optimized designs, respectively. Comparing the distribution of the Z component of the speed, we note that the change in electrodialysis devices, including the basic hydraulic adapter, is higher than in the optimized design.

Аспекты и варианты осуществления, раскрытые в настоящем документе, не ограничены электродиализным аппаратом. Все устройства электрохимического разделения могут извлекать преимущество из улучшенного распределения потока. Устройства электрохимического разделения включают, без ограничения, электродиализ, обращение электродиализа, непрерывную деионизацию, непрерывную электродеионизацию, электродеионизацию, электродиарез и емкостную деионизацию. Другие электрохимические устройства, которые извлекали бы преимущество из улучшенного распределения потока, включают в себя проточные батареи, топливные элементы, электрохлорирующие элементы и электролизеры для получения щелочи и хлора.The aspects and embodiments disclosed herein are not limited to an electrodialysis machine. All electrochemical separation devices can benefit from improved flow distribution. Electrochemical separation devices include, without limitation, electrodialysis, electrodialysis reversal, continuous deionization, continuous electrodeionization, electrodeionization, electrodialysis, and capacitive deionization. Other electrochemical devices that would benefit from improved flow distribution include flow batteries, fuel cells, electrochlorinating cells, and alkali and chlorine electrolyzers.

Используемые в настоящем документе фразеология и терминология служат для описательных целей и не должны рассматриваться как ограничительные. В контексте настоящего документа термин множество относится к двум или более позициям или компонентам. Термины содержащий, включающий в себя, несущий, имеющий, вмещающий и охватывающий, используемые в текстовом описании или формуле изобретения и т.п., представляют собой неограничивающие термины, т.е. означают включающий в себя, без ограничений. Таким образом, использование таких терминов предназначено для того, чтобы охватывать перечисленные после них элементы и их эквиваленты, а также дополнительные элементы. Только переходные фразы состоящий из и состоящий по существу из представляют собой закрытые или полузакрытые переходные фразы соответственно в отношении формулы изобретения. Использование порядковых терминов, таких как первый, второй, третий и т.п., в формуле изобретения для модификации элемента формулы изобретения само по себе не подразумевает какойлибо приоритет, старшинство или порядок одного элемента формулы по сравнению с другим или временный порядок, в котором выполняются действия способа, а применяется просто в качестве меток, чтобы отличать один элемент формулы, имеющий определенное название, от другого элемента, имеющего такое же название (но с употреблением порядкового термина), что позволяет различать указанные в формуле элементы.The phraseology and terminology used herein is for descriptive purposes and should not be construed as limiting. In the context of this document, the term set refers to two or more positions or components. The terms containing, including, carrying, having, containing, and embracing, as used in the textual description or claims, and the like, are non-limiting terms, i.e. means including, without limitation. Thus, the use of such terms is intended to cover the elements listed thereafter and their equivalents, as well as additional elements. Only passphrases consisting of and consisting essentially of are closed or semi-closed passphrases, respectively, with respect to the claims. The use of ordinal terms, such as first, second, third, etc., in a claim to modify a claim element does not in itself imply any precedence, precedence, or order of one claim element over another, or the temporal order in which method, but is used simply as labels to distinguish one element of a formula with a specific name from another element with the same name (but using an ordinal term), which allows you to distinguish between the elements indicated in the formula.

--

Claims (28)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Устройство электрохимического разделения, содержащее первый электрод;1. An electrochemical separation device comprising a first electrode; второй электрод;second electrode; пакет ячеек, включающий в себя чередующиеся обедняющие камеры и концентрирующие камеры, расположенные между первым электродом и вторым электродом;a cell stack including alternating depletion chambers and concentrating chambers disposed between the first electrode and the second electrode; впускной коллектор, выполненный с возможностью ввода текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры;an intake manifold configured to introduce fluid into the depletion chambers or into the concentration chambers; выпускной коллектор;an exhaust manifold; направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри впускного коллектора и содержащее множество наклонных направляющих, выполненных с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во впускной коллектор, и направления текучей среды в обедняющие камеры или в концентрирующие камеры; и второе направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри выпускного коллектора и содержащее множество наклонных направляющих, выполненных с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной в выпускной коллектор через обедняющие камеры или через концентрирующие камеры.a fluid flow guide located inside the intake manifold and comprising a plurality of inclined guides configured to change the flow path of the fluid introduced into the intake manifold and direct the fluid to the depletion chambers or to the concentrating chambers; and a second fluid flow guide located within the exhaust manifold and comprising a plurality of inclined guides configured to change the flow path of the fluid introduced into the exhaust manifold through the depletion chambers or through the concentrating chambers. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что путь потока текучей среды через обедняющие камеры перпендикулярен пути потока текучей среды через концентрирующие камеры.2. The apparatus of claim 1, wherein the fluid flow path through the depletion chambers is perpendicular to the fluid flow path through the concentrating chambers. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды расположено внутри впускного коллектора и выполнено с возможностью по меньшей мере частичного блокирования тока шунтирования через впускной коллектор.3. The device according to claim 2, characterized in that the fluid flow guide is located inside the intake manifold and is configured to at least partially block shunt current through the intake manifold. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды определяет путь потока текучей среды через впускной коллектор между различными участками пакета ячеек, имеющими площадь поперечного сечения, меньшую, чем площадь поперечного сечения впускного коллектора.4. The apparatus of claim 3, wherein the fluid flow guide defines a fluid flow path through the intake manifold between different portions of the cell stack having a cross-sectional area smaller than the intake manifold's cross-sectional area. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что пакет ячеек включает в себя множество субблоков, а наклонные направляющие выполнены с возможностью направления текучей среды в различные соответствующие субблоки из множества субблоков.5. The device according to claim 4, characterized in that the cell stack includes a plurality of sub-units, and the ramps are configured to direct fluid into various respective sub-units of the plurality of sub-units. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что между краями каждой из наклонных направляющих и пакетом ячеек образован зазор размером менее 1 мм.6. The device according to claim 5, characterized in that a gap of less than 1 mm is formed between the edges of each of the inclined guides and the cell pack. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя множество каналов, изолированных по текучей среде друг от друга.7. The device according to claim 5, characterized in that the fluid flow guide device includes a plurality of channels fluidly isolated from each other. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что каждый из множества каналов заканчивается у соответствующей наклонной направляющей из множества наклонных направляющих.8. Device according to claim 7, characterized in that each of the plurality of channels ends at a corresponding ramp from the plurality of ramps. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что сумма площадей поперечного сечения множества каналов меньше, чем площадь поперечного сечения впускного коллектора.9. The device according to claim 8, characterized in that the sum of the cross-sectional areas of the plurality of channels is less than the cross-sectional area of the intake manifold. 10. Устройство по п.9, дополнительно содержащее второй пакет ячеек, образующий чередующиеся вторые обедняющие камеры и вторые концентрирующие камеры, расположенные между пакетом ячеек и вторым электродом;10. The apparatus of claim 9, further comprising a second cell stack forming alternating second depletion chambers and second concentrating chambers located between the cell stack and the second electrode; второй впускной коллектор, выровненный в одну линию с выпускным коллектором и выполненный с возможностью введения текучей среды из выпускного коллектора во вторые обедняющие камеры или во вторые концентрирующие камеры;a second intake manifold aligned with the exhaust manifold and configured to introduce fluid from the exhaust manifold into the second depletion chambers or the second concentrating chambers; третье направляющее устройство для потока текучей среды, расположенное внутри второго впускного коллектора и содержащее множество наклонных направляющих, выполненных с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во второй впускной коллектор, и направления текучей среды во вторые обедняющие камеры или во вторые концентрирующие камеры;a third fluid flow guide located within the second intake manifold and comprising a plurality of inclined guides configured to change the flow path of the fluid introduced into the second intake manifold and direct the fluid into the second depletion chambers or the second concentrating chambers; второй выпускной коллектор, расположенный на противоположной стороне второго пакета ячеек относительно второго впускного коллектора; и перегородку, отделяющую по текучей среде впускной коллектор от второго выпускного коллектора.a second exhaust manifold located on the opposite side of the second cell stack relative to the second intake manifold; and a baffle fluidly separating the intake manifold from the second exhaust manifold. 11. Устройство по п.3, отличающееся тем, что пакет ячеек включает в себя множество субблоков, а направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя множество перегородок, выполненных с возможностью изоляции потока текучей среды в каждый из множества субблоков от потока текучей среды в другие из множества субблоков.11. The apparatus of claim 3, wherein the cell stack includes a plurality of subunits and the fluid flow guide includes a plurality of baffles configured to isolate fluid flow into each of the plurality of subunits from fluid flow into others from multiple sub-blocks. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды дополнительно включает в себя концентрические каналы для текучей среды.12. The apparatus of claim 11, wherein the fluid flow guide further includes concentric fluid channels. 13. Устройство по п.3, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды включает в себя криволинейный выступ, проходящий внутрь в направлении пакета ячеек от стенки впускного коллектора.13. The device according to claim 3, characterized in that the fluid flow guiding device includes a curved protrusion extending inwardly in the direction of the cell stack from the intake manifold wall. - 18 040270- 18 040270 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды выполнено с возможностью уменьшения площади поперечного сечения впускного коллектора на первую величину на конце впускного коллектора и на вторую величину, большую, чем первая величина, в средней точке вдоль длины впускного коллектора.14. The device according to claim 13, characterized in that the fluid flow guiding device is configured to reduce the cross-sectional area of the intake manifold by a first amount at the end of the intake manifold and by a second amount greater than the first amount at a midpoint along the length intake manifold. 15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что направляющее устройство для потока текучей среды выполнено с возможностью уменьшения скорости потока текучей среды через камеры в центральной области пакета ячеек.15. The device according to claim 14, characterized in that the fluid flow guiding device is configured to reduce the flow rate of fluid through the chambers in the central region of the cell stack. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что второе направляющее устройство для потока текучей среды имеет площадь поперечного сечения, которая уменьшается вдоль пути через выпускной коллектор.16. The apparatus of claim 15, wherein the second fluid flow guide has a cross-sectional area that decreases along the path through the exhaust manifold. 17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что второе направляющее устройство для потока текучей среды выполнено с возможностью уменьшения падения давления текучей среды через устройство.17. The device according to claim 16, characterized in that the second fluid flow guiding device is adapted to reduce the pressure drop of the fluid through the device. 18. Устройство по п.1, дополнительно содержащее впускное отверстие для текучей среды, имеющее поперечное сечение, отличное от поперечного сечения впускного коллектора, и гидравлический адаптер, расположенный между впускным отверстием для текучей среды и впускным коллектором.18. The apparatus of claim 1 further comprising a fluid inlet having a different cross section than the intake manifold and a hydraulic adapter positioned between the fluid inlet and the intake manifold. 19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что гидравлический адаптер включает в себя канал, имеющий первую секцию с направленным внутрь конусом, в которой ширина трубки уменьшается по первой оси, и вторую секцию с направленным наружу конусом, в которой ширина канала увеличивается по второй оси, при этом первая секция и вторая секция не перекрываются.19. The device according to claim 18, characterized in that the hydraulic adapter includes a channel having a first section with an inward cone, in which the width of the tube decreases along the first axis, and a second section with an outward cone, in which the width of the channel increases along the second axis, while the first section and the second section do not overlap. 20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что направленный внутрь конус первой секции канала представляет собой эллиптический конус.20. The device according to claim 19, characterized in that the inwardly directed cone of the first channel section is an elliptical cone. 21. Устройство по п.1, дополнительно содержащее рециркуляционный канал, выполненный с возможностью направления концентрата, прошедшего через концентрирующие камеры, обратно в концентрирующие камеры.21. The apparatus of claim 1, further comprising a recirculation channel configured to direct the concentrate that has passed through the concentration chambers back to the concentration chambers. 22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что впускной коллектор разделен на изолированные по текучей среде каналы, выполненные с возможностью направлять заданные количества текучей среды к различным участкам пакета ячеек.22. The apparatus of claim 1, wherein the intake manifold is divided into fluid-isolated passages configured to direct predetermined amounts of fluid to different portions of the cell stack. 23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что изолированные по текучей среде каналы имеют площади поперечного сечения, выбранные таким образом, чтобы обусловить скорость потока текучей среды через камеры в центральной области пакета ячеек, меньшую, чем скорость потока текучей среды через камеры в верхней и нижней областях пакета ячеек.23. The apparatus of claim 22, wherein the fluid-isolated channels have cross-sectional areas selected to cause the fluid flow rate through the chambers in the central region of the cell stack to be less than the fluid flow rate through the chambers in the cell stack. the top and bottom areas of the cell pack. 24. Устройство по п.22, отличающееся тем, что изолированные по текучей среде каналы имеют площади поперечного сечения, выбранные таким образом, чтобы обусловить скорость потока текучей среды через камеры в верхней области пакета ячеек, по существу равную скорости потока текучей среды через камеры в нижней области пакета ячеек.24. The apparatus of claim 22, wherein the fluid-isolated channels have cross-sectional areas selected to cause a fluid flow rate through the chambers in the upper region of the cell stack to be substantially equal to the fluid flow rate through the chambers in the cell stack. bottom area of the cell pack. 25. Способ повышения эффективности тока в аппарате электрохимического разделения, включающем в себя пакет ячеек, образующий чередующиеся обедняющие камеры и концентрирующие камеры, расположенные между первым электродом и вторым электродом, при этом путь потока текучей среды через обедняющие камеры перпендикулярен пути потока текучей среды через концентрирующие камеры, причем способ включает в себя следующий этап:25. A method for improving current efficiency in an electrochemical separation apparatus including a cell stack forming alternating depletion chambers and concentrating chambers located between the first electrode and the second electrode, wherein the fluid flow path through the depletion chambers is perpendicular to the fluid flow path through the concentrating chambers , and the method includes the following step: вставляют направляющее устройство для потока текучей среды во впускной коллектор аппарата, при этом направляющее устройство для потока текучей среды содержит множество наклонных направляющих, выполненных с возможностью изменения пути потока текучей среды, введенной во впускной коллектор, и направления текучей среды в одно из множества обедняющих камер или множества концентрирующих камер, при этом наклонные направляющие выполнены с возможностью предотвращения обхода потоком текучей среды каких-либо из обедняющих или концентрирующих камер и по меньшей мере частичного блокирования тока шунтирования через впускной коллектор.inserting a fluid flow guide into the inlet manifold of the apparatus, wherein the fluid flow guide comprises a plurality of inclined guides configured to change the flow path of the fluid introduced into the intake manifold and direct the fluid into one of the plurality of depletion chambers, or a plurality of concentrating chambers, wherein the ramps are configured to prevent fluid flow from bypassing any of the depletion or concentrating chambers and at least partially blocking shunt current through the intake manifold. 26. Способ по п.25, дополнительно включающий в себя увеличение равномерности потока текучей среды через пакет ячеек посредством установки гидравлического адаптера на впуске впускного коллектора, при этом гидравлический адаптер включает в себя канал, имеющий первую секцию с направленным внутрь конусом, в которой ширина канала уменьшается по первой оси, и вторую секцию с направленным наружу конусом, в которой ширина канала увеличивается по второй оси, при этом первая секция и вторая секция не перекрываются.26. The method of claim 25, further comprising increasing uniformity of fluid flow through the cell stack by providing a hydraulic adapter at the inlet of the intake manifold, wherein the hydraulic adapter includes a conduit having a first section with an inwardly directed cone, in which the width of the conduit decreases along the first axis, and a second section with an outwardly directed cone, in which the width of the channel increases along the second axis, while the first section and the second section do not overlap. 27. Способ по п.26, дополнительно включающий в себя уменьшение падения давления в аппарате за счет установки конического направляющего устройства для потока текучей среды в выпускном коллекторе аппарата.27. The method of claim 26, further comprising reducing pressure drop across the apparatus by providing a conical fluid flow guide in the apparatus outlet manifold. 28. Способ по п.26, дополнительно включающий в себя установку второго направляющего устройства для потока текучей среды в выпускном коллекторе аппарата, при этом второе направляющее устройство для потока текучей среды имеет криволинейную поверхность, которая сужает путь потока через выпускной коллектор на первую величину в средней точке вдоль длины выпускного коллектора и на28. The method of claim 26, further comprising providing a second fluid flow guide in the exhaust manifold of the apparatus, wherein the second fluid flow guide has a curved surface that narrows the flow path through the exhaust manifold by a first amount on average. point along the length of the exhaust manifold and on --
EA201992533 2017-06-21 2018-06-20 DESIGN OF HYDRAULIC MANIFOLDS IN ELECTRODIALYSIS DEVICES EA040270B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/522,732 2017-06-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA040270B1 true EA040270B1 (en) 2022-05-16

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103298543B (en) For improving the technology of the current efficiency in Electrochemical separation system and method
US20220380235A1 (en) Electrochemical separation systems and methods
KR101945551B1 (en) Electrical purification apparatus and methods of manufacturing same
US10301200B2 (en) Flow distributors for electrochemical separation
US10604426B2 (en) High efficiency electrochemical desalination system that incorporates participating electrodes
US20180265380A1 (en) Electrochemical separation device with segmented electrode
EA040270B1 (en) DESIGN OF HYDRAULIC MANIFOLDS IN ELECTRODIALYSIS DEVICES
AU2018289490B2 (en) Design of fluid manifolds in electrodialysis devices
JP2018513014A (en) A structure to normalize multiplanar flow distributions in electrochemical separation systems.
RU222916U1 (en) Electrodialyzer
KR102102941B1 (en) Power generating apparatus using the salinity gradient