Электродиализатор

 

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки жидкостей-электролитов методом электродиализа и, в частности к конструкциям электродиализаторов фильтрпрессного типа. Для снижения энергозатрат и трудоемкости изготовления электродиализатора, повышения надежности работы электродиализного аппарата в каждой прокладке имеется прорезь в виде концентрических дуг, соединенных между собой последовательно, при этом длина участка перехода составляет 2-10% длины дуги. Прорезь выполнена в виде концентрических дуг так, что площадь сечения каждого последующего витка относится к площади предыдущего в пределах 0,9-0,5. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки жидкостей электролитов методом электродиализа, в частности к конструкциям электродиализаторов фильтрпрессного типа. Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является многокамерный электродиализатор фильтрпрессного типа, включающий электроды, между которыми размещены ионообменные мембраны и прокладки, при этом в каждой прокладке выполнена прорезь в виде спирали Архимеда в мембранах и прокладках входные и выходные отверстия, образующие при сборке каналы для подачи и вывода рабочих жидкостей. В известном электродиализаторе и предназначенной для него прокладке спиральная прорезь не симметрична относительно геометрического центра прокладки, так как оборот спирали имеет переменный радиус, поэтому при создании двух и более трактов, т. е. при повороте прокладки на определенный угол, разделяющие полосы (стенки), которые формируют каналы в прокладке, смещаются один относительно другого, перекрывая активную поверхность мембран. Для ликвидации этого недостатка на каждый тракт необходима своя конфигурация прокладки, что усложняет конструкцию и увеличивает трудоемкость изготовления и сборки аппарата. Жидкость, проходя по спиральному каналу постоянного сечения, обессоливается по мере приближения к концу спиральной прорези, что способствует возникновению явления концентрационной поляризации на периферии и увеличению энергозатрат на процесс электродиализа. Цель изобретения снижение энергозатрат и повышение надежности работы электродиализного аппарата. Поставленная цель достигается тем, что электродиализатор фильтрпрессного типа, включающий электроды, между которыми размещены ионитовые мембраны и прокладки, в которых выполнены отверстия, образующие при сборке каналы для подачи исходного раствора и вывода диализата и концентрата, при этом в каждой прокладке выполнена прорезь, причем входное отверстие в каждой прокладке соединено с началом прорези, а одно из выходных с ее концом, отличительная особенность которого состоит в том, что прорезь выполнена в виде концентрических дуг, соединенных между собой последовательно плавным переходом, причем длина участка перехода составляет 2-10% длины дуги. Отличие предлагаемого электродиализатора заключается в том, что прорезь выполнена в виде концентрических дуг так, что с увеличением радиуса дуги площадь сечения каждого последующего витка относительно к площади сечения предыдущего находится в пределах 0,9-0,5. На фиг. 1 изображена схема электродиализатора; на фиг. 2 прокладка первого варианта электродиализатора; на фиг. 3 разрез по А-А; на фиг. 4 то же, для второго варианта; на фиг. 5 разрез по Б-Б. Электродиализатор содержит прижимные плиты 1 и 2 с размещенными в них электродами 3. Между плитами размещен пакет рабочих камер (приэлектродных, буферных, обессоливания, концентрирования и т. д.), ограниченный ионитовыми мембранами 4 и стенками прорезей 5 в прокладках 6. Электродиализатор содержит каналы 7-12 и 13-18 для подачи и вывода рабочих растворов. Каналы образованы совмещением отверстий в мембранах 4, прокладках 6 и прижимных плитах 1 и 2. Каналы 7-12 расположены внутри пространства, занимаемого прорезью 5 в прокладках 6, а каналы 13-18 снаружи прорези по периферии мембран и прокладок. Внутренние и наружные каналы размещены симметрично относительно геометрического центра прокладок и совмещаются один с другим при повороте на угол, равный углу между двумя смежными отверстиями. Устройство также содержит направляющие стенки 19, отверстия 20, 21, 22. Прорезь 5 в прокладках 6 выполнена в первом варианте электродиализатора в виде концентрических дуг, соединенных последовательно. Рабочий раствор подают через отверстие 22 и затем через канал, образованный прорезью 5, выводят через отверстие 20. При подаче раствора таким образом увеличивается интенсивность перемешивания за счет уменьшения радиуса прорези, что позволяет избежать возникновения явления концентрационной поляризации. Разделяющие стенки 19 в прокладках, выполненные в виде концентрических колец, точно совпадают одна с другой у двух смежных прокладок, что обеспечивает хорошее распределение потоков по длине лабиринтного канала и отсутствие дополнительного экранирования активной площади мембран. Во втором варианте электродиализатора особенностью предлагаемого устройства является выполнение прокладки с переменным сечением концентрических дуг, образующих прорезь 5 (фиг. 4). Ширина образованного ими канала постепенно снижается с увеличением радиуса окружности. При работе аппарата при повышенном входном давлении (например, при прокачивании вязких жидкостей) целесообразно подавать растворы из центра прокладки, чтобы снизить его утечку по торцам мембранного пакета. В этом случае раствор подают через отверстие 22, при этом концентрационная поляризация уменьшается за счет увеличения скорости потока к концу пути лабиринта. Уменьшение сечения канала каждого последующего витка лабиринтной прокладки определяется зависимостью. S₂ K·S₁, где K коэффициент сужения сечения канала (равен от 0,9 до 0,5); S₁ сечение первого витка; S₂ сечение второго витка и т. д. В обоих вариантах сечение прорези 5 обеспечивают направляющие стенки 19, имеющие форму кольца. В прокладках 6 отверстие 20 в центре прокладки соединено питающей щелью с прорезью 5. Остальные отверстия 21 сквозные, на периферии прокладки отверстие 22 соединено с прорезью 5, а остальные отверстия сквозные. При сборке электродиализатора прокладки группы камер одного назначения укладываются таким образом, чтобы отверстия 20 и 22 совпали, аналогично собирают прокладки других групп, разворачивая при этом на угол, равный углу между двумя смежными отверстиями. Например, промывку электродных камер осуществляют через каналы 7 и 23, диализата по каналам 9 и 15, а концентрата по каналам 11 и 17 и т. д. Пакет мембран с прокладками сжимают с помощью прижимных плит 1 и 2 и стяжных болтов, проходящих через отверстия 24. Использование изобретения позволяет упростить конструкцию электродиализатора за счет создания многократных систем прокладкой одной конфигурации и тем самым снизить трудоемкость изготовления и сборки аппарата. При этом сохраняется надежность аппарата за счет полного совпадения направляющих прорезей. Предлагаемое техническое решение позволяет снизить энергозатраты на процесс электродиализа за счет малого гидравлического сопротивления прокладки, исключить дополнительное экранирование активной поверхности мембран и поддерживать оптимальную плотность тока по всей длине канала. Каналы, соединяющие последовательно концентрические дуги, должны иметь с одной стороны минимальную длину, чтобы не было прогиба разделительных полос и обеспечивать небольшое гидравлическое сопротивление т. е. переход должен быть плавным, с другой стороны. Форма канала, удовлетворяющая этим условиям, имеет вид двух касательных к двум соседним концентрическим дугам. Длина такого участка при малом радиусе составляет 10% длины дуги, с увеличением радиуса дуги это отношение уменьшается до 2% Такая конструкция прокладок способствует повышению надежности эксплуатации аппарата по сравнению с прототипом, в котором наблюдается смещение разделительных полос при повороте прокладки для создания другого тракта, так как прорезь, выполненная в виде спирали Архимеда, имеет переменный радиус и совпадает у двух соседних прокладок только в одном положении. Уменьшение площади поперечного сечения каждого последующего витка с увеличением радиуса дуг позволяет за счет увеличения линейной скорости движения жидкости скомпенсировать уменьшение концентрации раствора в тракте обессоливания по длине канала, т. е. снизить влияние концентрационной поляризации на последних витках лабиринта. При опреснении соленых вод концентрационная поляризация вызывает выпадение труднорастворимых соединений в камерах аппарата, т. е. предлагаемое техническое решение также способствует повышению эксплуатационной надежности аппарата. Уменьшение сечения с отношением более 0,9 дает практически незначительный эффект снижения концентрационной поляризации, а при отношении менее 0,5 наблюдается увеличение гидравлического сопротивления в связи с резким снижением сечения по длине прорези. По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция аппарата проста в изготовлении и эксплуатации, одной прокладкой создается более двух трактов, в предлагаемом электродиализаторе 6 трактов. При опреснении раствора хлористого натрия 3 г/л предлагаемый электродиализатор с 20-ю прокладками диаметром 220 мм при токе 1,2 А имел электросопротивление 7 Ом, в то время как прототип с равными характеристиками обладает электросопротивлением 10,7 Ом. Предлагаемый аппарат имеет гидравлическое сопротивление на 25-35% меньше по сравнению с промышленными аппаратами лабиринтного типа.

Формула изобретения

1. Электродиализатор, включающий электроды, между которыми размещены ионитовые мембраны и прокладки, в которых выполнены отверстия, образующие при сборке каналы для подачи исходного раствора и вывода диализата и концентрата, в прокладках выполнена прорезь, начало и конец которой соединены с отверстиями, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы электродиализатора и снижения энергозатрат на процесс, прорезь выполнена в виде концентрических дуг, последовательно соединенных между собой каналами, длина которых составляет 2-10% длины дуги. 2. Электродиализатор по п. 1, отличающийся тем, что отношение площади поперечного сечения каждого последующего витка к площади поперечного сечения предыдущего равно 0,5-0,9.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5