Technology
New Logic Research, Inc. – Technologieeinführung
Während membranbasierte Abscheidungen von Flüssigkeiten von Feststoffen in den letzten 20 Jahren immer beliebter wurden, hat die Technologie eine inhärente Achillesferse, die alle Membranvorrichtungen betrifft: Fouling. Dieser langfristige Verlust der Durchsatzleistung ist in erster Linie auf die Bildung einer Grenzschicht zurückzuführen, die sich während des Filtrationsprozesses auf natürliche Weise auf der Membranoberfläche aufbaut. Diese Grenz- oder Gelschicht verringert nicht nur die Flussleistung der Membran, sondern wirkt auch als Sekundärmembran, wodurch die native Konstruktionsselektivität der verwendeten Membran verringert wird. Diese Unfähigkeit, den Aufbau von Feststoffen zu handhaben, hat auch die Verwendung von Membranen auf Beschickungsströme mit niedrigem Feststoffgehalt beschränkt.
Abbildung 1
Abbildung 1: Crossflow
Um diesen Grenzschichtaufbau zu minimieren, haben Membrankonstrukteure eine Methode verwendet, die als Tangentialfluss- oder Querflussfiltration bekannt ist und auf einem Hochgeschwindigkeitsfluidfluss beruht, der über die Membranoberfläche gepumpt wird, um den Grenzschichteffekt zu verringern. ( Siehe Abbildung 1 ) Bei dieser Methode werden Membranelemente in einer Platten-Rahmen-, Rohr- oder Spiralkartuschenanordnung platziert, durch die die zu filternde Substanz geleitet wird (der Beschickungsstrom) wird schnell gepumpt.
Bei Querströmungskonstruktionen ist es nicht wirtschaftlich, Scherkräfte zu erzeugen, die mehr als 10-15.000 Inverssekunden messen, wodurch die Verwendung von Querströmungen auf niedrigviskose (wässrige) Flüssigkeiten beschränkt wird. Darüber hinaus führen erhöhte Querströmungsgeschwindigkeiten zu einem erheblichen Druckabfall vom Einlassende (hoher Druck) zum Auslassende (niedrigerer Druck) der Vorrichtung, was zu einer vorzeitigen Verschmutzung der Membran führt, die die Vorrichtung hochkriecht, bis die Permeatraten abfallen zu unannehmbar niedrigen Niveaus.
Abbildung 2
Abbildung 2
New Logic hat jedoch eine alternative Methode zur Erzeugung intensiver Scherwellen auf der Oberfläche einer Membran entwickelt. Die Technik wird als VSEP (Vibratory Shear Enhanced Processing) bezeichnet. In einem VSEP-System bleibt die Aufschlämmung nahezu stationär und bewegt sich in einer gemächlichen, mäanderförmigen Strömung zwischen parallelen Membranblattelementen. Scherreinigungswirkung wird durch heftiges Vibrieren der Blattelemente in einer Richtung erzeugt, die tangential zu den Flächen der Membranen ist. ( Siehe Abbildung 4 )
Die Scherwellen, die durch die Vibration der Membran erzeugt werden, bewirken, dass Feststoffe und Schmutzstoffe von der Membranoberfläche abgehoben und mit dem durch den Membranstapel fließenden Schüttgut erneut gemischt werden. Diese Hochscherverarbeitung legt die Membranporen für einen maximalen Durchsatz frei, der typischerweise zwischen dem 3- und 10-fachen des Durchsatzes herkömmlicher Querstromsysteme liegt. ( Siehe Abbildung 2 oben)
Das VSEP-Membranfilterpaket besteht aus Blattelementen, die als parallele Scheiben angeordnet und durch Dichtungen getrennt sind. Der Plattenstapel ähnelt den Aufzeichnungen auf einem Plattenwechsler mit Membran auf jeder Seite.
Abbildung 3
Abbildung 3
Der Plattenstapel wird über einer Torsionsfeder oszilliert, die den Stapel ungefähr 7/8 Zoll (2,22 Zentimeter) hin und her bewegt. Diese Bewegung ist analog zum Rührwerk einer Waschmaschine, erfolgt jedoch mit einer Geschwindigkeit, die schneller als die vom menschlichen Auge wahrnehmbare ist. Die Oszillation erzeugt eine Scherung an der Membranoberfläche von ungefähr 150.000 Inverssekunden (entspricht einer Kraft von über 200 G), was ungefähr dem Zehnfachen der Schergeschwindigkeit der besten konventionellen Querströmungssysteme entspricht. Noch wichtiger ist, dass die Scherung in einem VSEP-System auf die Membranoberfläche fokussiert wird, wo sie kostengünstig und zur Verhinderung von Verschmutzung am nützlichsten ist, während sich das Schüttgut zwischen den Membranscheiben nur sehr wenig bewegt.
Abbildung 4
Abbildung 4
Da VSEP nicht von durch den Zufuhrstrom verursachten Scherkräften abhängt, kann die Zufuhraufschlämmung extrem viskos werden und dennoch erfolgreich entwässert werden. Das Konzentrat wird im Wesentlichen zwischen den Vibrationsscheibenelementen extrudiert und verlässt die Maschine, sobald es das gewünschte Konzentrationsniveau erreicht. Auf diese Weise können VSEP-Systeme in einem Durchgang durch das System betrieben werden, ohne dass kostspielige Arbeitstanks, Zusatzgeräte und zugehörige Ventile erforderlich sind.
Das Speichervolumen eines Systems mit einer Membranfläche von 130 m² (1.400 ft2) beträgt weniger als 189 Liter (50 Gallonen). Infolgedessen kann die Produktrückgewinnung in Chargenprozessen extrem hoch sein. Der Abfall nach dem Entleeren des Stapels beträgt weniger als 11 Liter.
VSEP-Systembetrieb:
Beim Start wird das VSEP-System mit einer Aufschlämmung gespeist und das Konzentratventil geschlossen. Das Permeat wird erzeugt und die im Futter enthaltenen Schwebstoffe werden im VSEP-Filterpaket gesammelt. Nach einem programmierten Zeitintervall wird Ventil 1 geöffnet, um die angesammelten konzentrierten Feststoffe freizusetzen. Das Ventil wird dann geschlossen, um die Konzentration von zusätzlichem Beschickungsmaterial zu ermöglichen. Dieser Zyklus wiederholt sich auf unbestimmte Zeit.
Die Membranauswahl ist der wichtigste Parameter, der die Qualität der Trennung beeinflusst. Andere wichtige Parameter, die die Systemleistung beeinflussen, sind Druck, Temperatur, Vibrationsamplitude und Verweilzeit. Alle diese Elemente werden beim Testen optimiert und in die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingegeben, die das System steuert.
Der Betriebsdruck wird von der Förderpumpe erzeugt. VSEP-Maschinen können routinemäßig bei Drücken von bis zu 1.000 psig (68,95 bar) betrieben werden. Höhere Drücke führen zwar häufig zu höheren Permeatflussraten, verbrauchen jedoch auch mehr Energie. Daher wird ein Betriebsdruck verwendet, der das Gleichgewicht zwischen Durchflussraten und Energieverbrauch optimiert.
In den meisten Fällen kann die Filtrationsrate durch Erhöhen der Betriebstemperatur weiter verbessert werden. Die Temperaturgrenze für ein Standard-VSEP-System liegt bei 79°C (175 ° F) und ist damit deutlich höher als bei der konkurrierenden Membrantechnologie. Konstruktionen mit noch höheren Temperaturen sind ebenfalls erhältlich.
Die Schwingungsamplitude und die entsprechende Schergeschwindigkeit können ebenfalls variiert werden, was sich direkt auf die Filtrationsgeschwindigkeiten auswirkt. Die Scherung entsteht durch die Torsionsschwingung des Filterstapels. Typischerweise oszilliert der Stapel mit einer Amplitude von 3/4 bis 1 1/4 Zoll (1,9 bis 3,2 cm) von Spitze zu Spitze am Rand des Stapels. Die Schwingungsfrequenz beträgt ungefähr 53 Hz und erzeugt eine Scherintensität von ungefähr 150.000 Inverssekunden.
Die Verweilzeit des Futters wird durch die Häufigkeit des Öffnens und Schließens des Auslassventils (Ventil eins) festgelegt. Der Feststoffgehalt im Futter erhöht sich, wenn das Futtermaterial in der Maschine verbleibt. Gelegentlich wird dem Membranstapel ein Reiniger hinzugefügt, und fortgesetzte Oszillation hilft, die Membran in Minuten zu reinigen. Dieser Prozess kann automatisiert werden und verbraucht nur ungefähr 50 Gallonen (189 Liter) Reinigungslösung, wodurch Probleme bei der Entsorgung von Reinigern verringert werden, die mit anderen Membransystemen verbunden sind.