RU2780028C1

RU2780028C1 - Electrobaromembrane apparatus of tubular type

Info

Publication number: RU2780028C1
Application number: RU2022105888A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Лазарев; Дмитрий Николаевич Коновалов; Александр Андреевич Орлов; Татьяна Александровна Хромова; Дмитрий Дмитриевич Коновалов
Filing date: 2022-03-05
Publication date: 2022-09-19

Abstract

FIELD: solutions separation, concentration and purification.

SUBSTANCE: invention relates to the field of separation, concentration and purification of solutions by methods for electromicrofiltration, electroultrafiltration, electron nanofiltration, electroosmofiltration. A tubular electric baromembrane apparatus, in which gas vents are installed in the upper part of the end caps to remove gases formed in the near-cathode and near-anode spaces, in series-connected separation chambers formed by concentric filter elements of various lengths, a cooling tube-turbulator is located along the entire length from the coolant inlet fitting to the coolant outlet fitting with a width equal to the width of the cylindrical body from one clamping grid to another for fixing the cooling tube-turbulator in the center of the separation chamber, and a height equal to 1/3 of the height of the separation chamber.

EFFECT: increasing the productivity and quality of separation of solutions by turbulence and cooling of the separated (initial) solution.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, машиностроительной, пищевой промышленности, аграрном секторе и т. п.The invention relates to the field of separation, concentration and purification of solutions by electromicrofiltration, electroultrafiltration, electron nanofiltration, electroosmofiltration and can be used in the chemical, engineering, food industry, the agricultural sector, etc.

Аналогом данной конструкции является мембранный аппарат, приведенный в авторском свидетельстве СССР № SU 799779, кл. B01D 63/06, 1979. Он состоит из цилиндрического корпуса и выполненных на его внутренней поверхности продольных каналов, микропористой подложки, мембраны, торцевых решеток, центральной трубы с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, торцевых крышек. Недостатком данного аппарата является низкая эффективность разделения. Этот недостаток частично устранен в прототипе.An analogue of this design is a membrane apparatus, given in the USSR author's certificate No. SU 799779, class. B01D 63/06, 1979. It consists of a cylindrical body and longitudinal channels made on its inner surface, a microporous substrate, a membrane, end gratings, a central pipe with a hole and a branch pipe hermetically installed in the inner surface, which serves to output separation products, end caps. The disadvantage of this apparatus is the low separation efficiency. This disadvantage is partially eliminated in the prototype.

Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат трубчатого типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2273512 C2, 10.04.2006. Бюл. № 10. Прототип состоит из цилиндрического корпуса, выполненного из диэлектрического материала, с расположенным на его внешней поверхности штуцером для ввода разделяемой жидкости, устройства для подвода электрического напряжения и выполненных на внутренней поверхности корпуса продольных каналов, микропористой подложки, служащей одновременно электродом (анодом), прианодной мембраны, решеток, концентричных фильтрующих элементов различной длины с переточными каналами, выполненных в виде щелей и повернутых друг относительно друга на 180°, последовательно соединенных камер разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины, центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом (катодом), прикатодной мембраны, торцевых крышек, имеющих штуцера для кислого и щелочного пермеата.The prototype of this design is a tube-type electrobaromembrane apparatus, the design of which is given in patent RU 2273512 C2, 10.04.2006. Bull. No. 10. The prototype consists of a cylindrical body made of a dielectric material, with a fitting located on its outer surface for introducing a liquid to be separated, a device for supplying electrical voltage and longitudinal channels made on the inner surface of the body, a microporous substrate that simultaneously serves as an electrode (anode), anode membrane, gratings, concentric filter elements of various lengths with overflow channels made in the form of slots and rotated by 180° relative to each other, series-connected separation chambers formed by concentric filter elements of various lengths, a central pipe made of dielectric material with a hole and hermetically a branch pipe installed in the inner surface, which serves to remove the separation products, the outer surface of the microporous substrate serving as an electrode (cathode), cathode membrane, end caps having fittings for acid and alkaline permeate.

Недостатками прототипа являются: низкая производительность и качество разделения растворов, отсутствие турбулизации и охлаждения разделяемого (исходного) раствора, а также газоотведения в пространствах прикатодного и прианодного пермеата.The disadvantages of the prototype are: low productivity and quality of separation of solutions, lack of turbulence and cooling of the separated (source) solution, as well as gas removal in the spaces of the cathode and anode permeate.

Технический результат выражается повышением производительности и качества разделения растворов, турбулизацией и охлаждением разделяемого (исходного) раствора за счет того, что аппарат состоит из цилиндрического корпуса, выполненного из диэлектрического материала, с расположенным на его внешней поверхности штуцером для ввода разделяемой жидкости, устройства для подвода электрического напряжения и выполненных на внутренней поверхности корпуса продольных каналов, микропористой подложки, служащей одновременно электродом (анодом), прианодной мембраны, решеток, концентричных фильтрующих элементов различной длины с переточными каналами, выполненных в виде щелей и повернутых друг относительно друга на 180°, последовательно соединенных камер разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины, центральной трубы, выполненной из диэлектрического материала с отверстием и герметично установленным во внутренней поверхности патрубком, служащим для вывода продуктов разделения, внешней поверхности микропористой подложки, служащей электродом (катодом), прикатодной мембраны, торцевых крышек, имеющих штуцера для кислого и щелочного пермеата, отличающийся тем, что в верхней части торцевых крышек установлены газоотводчики для удаления образующихся в прикатодном и прианодном пространствах газов (кислород и водород), в последовательно соединенных камерах разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины, расположена охлаждающая трубка-турбулизатор по всей длине от штуцера ввода охлаждающей жидкости до штуцера вывода охлаждающей жидкости шириной, равной ширине цилиндрического корпуса от одной прижимной решетки до другой для фиксации охлаждающей трубки-турбулизатора по центру камеры разделения и высотой, равной 1/3 высоты камеры разделения.The technical result is expressed by an increase in the productivity and quality of separation of solutions, turbulence and cooling of the separated (initial) solution due to the fact that the apparatus consists of a cylindrical body made of a dielectric material with a fitting located on its outer surface for introducing the liquid to be separated, a device for supplying electrical voltage and longitudinal channels made on the inner surface of the housing, a microporous substrate that simultaneously serves as an electrode (anode), an anode membrane, gratings, concentric filter elements of various lengths with overflow channels made in the form of slots and rotated relative to each other by 180 °, chambers connected in series separation, formed by concentric filter elements of various lengths, a central pipe made of a dielectric material with a hole and a branch pipe hermetically installed in the inner surface, which serves to output products ion, the outer surface of the microporous substrate serving as an electrode (cathode), cathode membrane, end caps with fittings for acid and alkaline permeate, characterized in that gas vents are installed in the upper part of the end caps to remove gases formed in the cathode and anode spaces (oxygen and hydrogen), in series-connected separation chambers formed by concentric filter elements of various lengths, a cooling tube-turbulator is located along the entire length from the coolant inlet fitting to the coolant outlet fitting with a width equal to the width of the cylindrical body from one clamping grid to another to fix the cooling tube - a turbulator in the center of the separation chamber and a height equal to 1/3 of the height of the separation chamber.

На фиг. 1 изображен электробаромембранный аппарат трубчатого типа, продольный разрез, фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.In FIG. 1 shows a tubular electrobaromembrane apparatus, a longitudinal section, fig. 2 - section A-A in Fig. one.

Электробаромембранный аппарат трубчатого типа состоит из цилиндрического корпуса 1, штуцера для ввода разделяемой жидкости 2, устройства для подвода электрического напряжения 3, продольных каналов 4, микропористой подложки 5, служащей одновременно электродом (анодом), прианодной мембраны 6, решеток 7, концентричных фильтрующих элементов различной длины 8 с переточными каналами 9, последовательно соединенных камер разделения 10, центральной трубы 11 с отверстием 12, патрубка 13, внешней поверхности микропористой подложки 14, служащей электродом (катодом), прикатодной мембраны 15, торцевых крышек 16, имеющих штуцера 17 и 18 для кислого и щелочного пермеата соответственно, газоотводчиков 19, охлаждающей трубки-турбулизатора 20, штуцеров для ввода и вывода охлаждающей жидкости 21 и 22 соответственно, прижимных решеток 23.A tubular electrobaromembrane apparatus consists of a cylindrical body 1, a fitting for introducing the liquid to be separated 2, a device for supplying electrical voltage 3, longitudinal channels 4, a microporous substrate 5 that simultaneously serves as an electrode (anode), an anode membrane 6, gratings 7, concentric filter elements of various length 8 with overflow channels 9, series-connected separation chambers 10, a central pipe 11 with an opening 12, a branch pipe 13, the outer surface of the microporous substrate 14 serving as an electrode (cathode), a cathode membrane 15, end caps 16 having fittings 17 and 18 for acidic and alkaline permeate, respectively, gas vents 19, cooling tube-turbulator 20, fittings for inlet and outlet of the coolant 21 and 22, respectively, clamping grids 23.

Электробаромембранный аппарат работает следующим образом. Разделяемый раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через патрубок 2 поступает в ближайшую к корпусу 1 камеру разделения 10, фиг. 1, 2. Двигаясь по всем камерам разделения 10, фиг. 2, раствор перемешивается при помощи охлаждающей трубки-турбулизатора 20, расположенной внутри камеры разделения 10. После заполнения аппарата жидкостью на клеммы 3 подается постоянное электрическое напряжение, фиг. 1, вызывающее определенную плотность тока в растворе. Под действием электрического поля анионы транспортируются через прианодную мембрану 6 к аноду 5, расположенному на корпусе 1, фиг. 1. Катионы транспортируются через прикатодную мембрану к поверхности ближайшего микропористого биполярного электрода, который по отношению к аноду является катодом. В результате электрохимических реакций в прикатодном и прианодном пространствах образуются, соответственно, щелочь и кислота, а также выделяются различные газы. Щелочь и кислота вымываются пермеатом, продавливаемым под действием перепада давления через мембраны, а выделившиеся газы (кислород и водород) через газототводчики 19, фиг. 1, удаляются в специальные емкости. Далее пермеат перемещается по соответствующим продольным каналам 4 и выводится из аппарата через патрубки 17 и 18, фиг. 1. Разделяемая жидкость через переточный канал 9 в микропористом биполярном электроде 8 поступает в следующую камеру разделения 10, расположенную ближе к центру аппарата, где происходят аналогичные описанным выше процессы, фиг. 1.Electrobaromembrane apparatus works as follows. The solution to be separated at a pressure exceeding the osmotic pressure of the substances dissolved in it, through the branch pipe 2 enters the separation chamber 10 closest to the body 1, Fig. 1, 2. Moving through all separation chambers 10, FIG. 2, the solution is agitated by means of a cooling tube-turbulator 20 located inside the separation chamber 10. After filling the apparatus with liquid, a constant electrical voltage is applied to the terminals 3, FIG. 1, causing a certain current density in the solution. Under the action of an electric field, anions are transported through the anode membrane 6 to the anode 5 located on the body 1, Fig. 1. Cations are transported through the cathode membrane to the surface of the nearest microporous bipolar electrode, which is the cathode in relation to the anode. As a result of electrochemical reactions in the near-cathode and near-anode spaces, an alkali and an acid are formed, respectively, and various gases are also released. Alkali and acid are washed out with permeate, forced under the action of a pressure drop through the membranes, and the released gases (oxygen and hydrogen) through gas vents 19, Fig. 1 are removed into special containers. Next, the permeate moves along the corresponding longitudinal channels 4 and is removed from the apparatus through pipes 17 and 18, Fig. 1. The liquid to be separated through the overflow channel 9 in the microporous bipolar electrode 8 enters the next separation chamber 10, located closer to the center of the apparatus, where processes similar to those described above take place, fig. one.

Таким образом, из раствора, последовательно протекающего по всем камерам аппарата в виде анионов и катионов, удаляются растворенные вещества. Обедненный раствор отводится через отверстие 12 в центральную трубу 11, а далее через патрубок 13 выводится из аппарата, фиг. 1.Thus, solutes are removed from the solution flowing sequentially through all chambers of the apparatus in the form of anions and cations. The depleted solution is discharged through the hole 12 into the central pipe 11, and then through the branch pipe 13 is removed from the apparatus, Fig. one.

Одновременно с подачей разделяемого раствора через штуцер ввода охлаждающей жидкости 21 подается охлаждающий агент (например, водопроводная вода), заполняя всю охлаждающую трубку-турбулизатор 20 во всех камерах разделения 10, отводя избыток тепла от разделяемого раствора, и выводится через штуцер вывода охлаждающей жидкости 22, фиг. 2.Simultaneously with the supply of the solution to be separated, a cooling agent (for example, tap water) is supplied through the coolant inlet 21, filling the entire cooling tube-turbulator 20 in all separation chambers 10, removing excess heat from the solution to be separated, and is discharged through the coolant outlet 22, fig. 2.

Повышение производительности и качества разделения растворов, фиг. 1, турбулизация и охлаждение разделяемого (исходного) раствора, фиг. 1, 2, достигается за счет того, что в верхней части торцевых крышек установлены газоотводчики для удаления образующихся в прикатодном и прианодном пространствах газов (кислород и водород), в последовательно соединенных камерах разделения, образованных концентрическими фильтрующими элементами различной длины, расположена охлаждающая трубка-турбулизатор по всей длине от штуцера ввода охлаждающей жидкости до штуцера вывода охлаждающей жидкости, фиг. 2, шириной, равной ширине цилиндрического корпуса от одной прижимной решетки до другой для фиксации охлаждающей трубки-турбулизатора по центру камеры разделения, фиг. 1, и высотой, равной 1/3 высоты камеры разделения, фиг. 2.Increasing the productivity and quality of separation of solutions, Fig. 1, turbulence and cooling of the separated (initial) solution, fig. 1, 2, is achieved due to the fact that gas vents are installed in the upper part of the end caps to remove gases (oxygen and hydrogen) formed in the near-cathode and anode spaces, in series-connected separation chambers formed by concentric filter elements of various lengths, there is a cooling tube-turbulator along the entire length from the coolant inlet to the coolant outlet, fig. 2, with a width equal to the width of the cylindrical body from one pressure grid to another for fixing the cooling tube-turbulator in the center of the separation chamber, FIG. 1 and a height equal to 1/3 of the height of the separation chamber, FIG. 2.

На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и микрофильтрацию.Baromembrane processes, such as reverse osmosis, nanofiltration, ultrafiltration and microfiltration, can be carried out on the developed design of a tubular electrobaromembrane apparatus without applying an electric field.

Claims

Electrobaromembrane apparatus of a tubular type, consisting of a cylindrical body made of a dielectric material, with a fitting located on its outer surface for introducing a liquid to be separated, a device for supplying electrical voltage and longitudinal channels made on the inner surface of the body, a microporous substrate that simultaneously serves as an electrode - anode, anode membrane, gratings, concentric filter elements of various lengths with overflow channels made in the form of slots and rotated by 180° relative to each other, series-connected separation chambers formed by concentric filter elements of various lengths, a central pipe made of dielectric material with a hole and hermetically a branch pipe installed in the inner surface, which serves to remove the separation products, the outer surface of the microporous substrate, which serves as an electrode - cathode, a cathode membrane, end caps having a fitting ra for acid and alkaline permeate, characterized in that gas vents are installed in the upper part of the end caps to remove gases formed in the near-cathode and near-anode spaces - oxygen and hydrogen, in series-connected separation chambers formed by concentric filter elements of various lengths, there is a cooling tube-turbulator along the entire length from the coolant inlet fitting to the coolant outlet fitting with a width equal to the width of the cylindrical body from one clamping grate to another for fixing the cooling tube-turbulator in the center of the separation chamber, and a height equal to 1/3 of the height of the separation chamber.