Mientras que las separaciones de líquidos y de sólidos
basadas en tecnología de membrana han ganado popularidad durante
los últimos 20 años, la tecnología tiene un
talón de Aquiles común a todas las tecnologías
de membrana: la obturación. Esta reducción en capacidad
de procesamiento se debe sobre todo a la formación de una
capa que se acumula sobre las membranas por procesos naturales durante
el proceso de filtración. Además de reducir la capacidad
de procesamiento de la membrana, esta capa funciona como una membrana
secundaria que reduce la selectividad nativa del diseño de
la membrana en uso. La inhabilidad de evitar la acumulación
de sólidos también ha limitado el uso de membranas
con niveles de sólidos bajos.
Para reducir la formación de la capa límite, los diseñadores
de los sistemas de filtración de membrana han utilizado un método
que se llama flujo tangencial o filtración de cruce de corrientes que
se basa en el bombeado de líquido a altas velocidades a través
de las membranas para reducir el efecto de capa límite. (vea la figura
1) En este método, elementos de membrana se colocan en una sistema placa-y-marco,
sistema tubular o cartucho-espiral a través de los cuales se bombea rápidamente
la sustancia que debe firltrarse.
En diseños de cruce de corrientes, no es económico crear fuerzas
de esquileo que miden más de 10-15 mil segundos inversos, limitando así el
uso del cruce de corrientes a líquidos de poca viscosidad. Además,
las altas velocidades del cruce de corrientes resultan en una reducción
del gradiente de presión de la entrada (alta presión) hasta la
salida (una presión más baja) del sistema que resulta en una obstrucción
prematura de la membrana y una caída de las velocidades de proceso a niveles
inaceptables.
New Logic, sin embargo, ha desarrollado un método alternativo para producir
ondas intensas de esquileo en la superficie de una membrana. La técnica
se llama Vibratory Shear Enhanced Processing (VSEP). En un sistema de VSEP, la
sustancia está casi inmóvil, moviéndose despacio entre los
elementos de membrana paralelos. La acción de limpieza del esquileo se
crea vibrando vigorosamente los elementos de la membrana en una dirección
tangente a la superficie de las membranas (vea la figura 4).
Las ondas de esquileo producidas por la vibración de la membrana hacen
que se levanten los sólidos de la superficie de la membrana y que se vuelvan
a mezclar con el material que se mueve por el sistema. Este alto proceso de esquileo
expone los poros de la membrana y produce un rendimiento de procesamiento máximo
que es típicamente entre 3 y 10 veces superior al de los sistemas convencionales
de cruce de corrientes (vea la figura 2 mas arriba).
El cartucho de filtro de VSEP consiste de capas de membrana dispuestos en orden
como discos paralelos y separados por juntas. El cartucho de filtro se parece
a un cambiador de discos con membranas en cada cara.
El cartucho de filtro oscila sobre un resorte de torsión que lo mueve
hacia adelante y hacia atrás aproximadamente 7/8 pulgadas (2.22 centímetros).
Este movimiento es análogo al agitador de una lavadora pero ocurre a una
velocidad más rápida que la que el ojo humano puede percibir.
La oscilación produce un esquileo en la superficie de la membrana de cerca
de 150.000 segundos inversos (equivalente a 200 G's de fuerza), aproximadamente
diez veces superior al de los mejores sistemas convencionales de cruce de corrientes.
Más importante todavía, el esquileo en un sistema de VSEP se concentra
en la superficie de la membrana donde es rentable y más útil para
prevenir tapones, mientras que el líquido entre los discos de la membrana
se mueve muy poco y despacio.
Puesto
que VSEP no depende de la fuerza
de esquileo producida por el
flujo de suministro, sustancias
extremadamente viscosas pueden
ser filtradas con éxito.
El concentrado se extruye esencialmente
entre los elementos de disco
que vibran y sale de la máquina
una vez ha llegado al nivel de
concentración deseado.
Así, los sistemas de VSEP
pueden ejecutar en un solo paso
a través del sistema,
eliminando la necesidad de tanques,
equipo auxiliar y válvulas
asociadas.
El volumen del cartucho de un sistema con 1.400 pies cuadrados (130 metros
cuadrados) de área de membrana, no llega a 50 galones (189 litros).
Consecuentemente, la recuperación del producto en procesos de
tratamiento por lotes puede ser extremadamente alta. El desperdicio después
de desaguar el cartucho no llega a 3 galones (11 litros).
Operación del Sistema de
VSEP:
Al poner en marcha el sistema de VSEP, se alimenta el VSEP con una mezcla
y se cierra la válvula de concentración. Durante la filtración
los sólidos en la mezcla se acumulan dentro del cartucho de filtro
de VSEP. Después de un tiempo programado, la válvula de
concentración se abre para liberar los sólidos concentrados
y acumulados en el cartucho de filtro. La válvula entonces se
cierra para comenzar la filtración de mezcla adicional. Este ciclo
continua indefinidamente.
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La selección
de la membrana es el parámetro más
importante que afecta la calidad de la
separación. Otros parámetros
importantes son presión, temperatura,
amplitud de la vibración y el tiempo
de residencia. Todos estos elementos se
optimizan durante pruebas iniciales y se
entran en el regulador programable de lógica
(PLC) que controla el sistema.
La presión de operación es mantenida por la bomba de alimentación.
Las máquinas de VSEP pueden funcionar normalmente con presiones de hasta
1.000 psig (68.95 BAR). Mientras que presiones más altas producen a menudo
flujos de filtración más altos, también utilizan más
energía. Por lo tanto, se utiliza una presión de operación
que optimiza el equilibrio entre flujos de filtración y consumo de energía.
En la mayoría de los casos, las tasas de filtración pueden ser
mejores aumentando la temperatura de operación. El límite de la
temperatura en un sistema estándar de VSEP es 175° F (79°C), significativamente
superior al de tecnologías competitivas de membrana. Incluso están
disponibles construcciones con temperaturas más altas.
La amplitud de la vibración y la correspondiente tasa de esquileo también
pueden variarse, lo que afecta directamente las tasas de filtración. El
esquileo es producido por la oscilación del cartucho de filtro. El cartucho
de filtro oscila típicamente con una amplitud de 3/4 a 1 1/4 pulgadas
(1.9 a 3.2 centímetros). La frecuencia de la oscilación es aproximadamente
53 hertzios y produce una intensidad del esquileo de cerca de 150.000 segundos
inversos.
El tiempo de residencia de la mezcla se fija por la frecuencia con que se abre
y se cierra la válvula de salida(válvula 1). La concentración
de sólidos en la mezcla aumenta mientras que sigue en la máquina.
De vez en cuando, se añade un producto de limpieza al cartucho y la oscilación
continuada hace que la membrana se limpie en minutos. Este proceso se puede automatizar
y sólo consume aproximadamente 50 galones (189 litros) de solución
de limpieza, reduciendo así los problemas de deshacerse del producto de
limpieza inherentes en otros sistemas de filtración con membrana.
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