Technology
New Logic Research, Inc. – Introducción a la tecnología
Si bien las separaciones de líquidos de sólidos basadas en membranas han gozado de una creciente popularidad en los últimos 20 años, la tecnología tiene un talón de Aquiles inherente que afecta a todos los dispositivos de membranas: las incrustaciones. Esta pérdida a largo plazo en la capacidad de producción se debe principalmente a la formación de una capa límite que se acumula naturalmente en la superficie de las membranas durante el proceso de filtración. Además de reducir el rendimiento del flujo de la membrana, este límite o capa de gel actúa como una membrana secundaria que reduce la selectividad de diseño nativa de la membrana en uso. Esta incapacidad para manejar la acumulación de sólidos también ha limitado el uso de membranas a las corrientes de alimentación con bajo contenido de sólidos.
Figura 1
Figura 1: Flujo cruzado
Para ayudar a minimizar esta acumulación de la capa límite, los diseñadores de membranas han utilizado un método conocido como filtración de flujo tangencial o flujo cruzado que se basa en el flujo de fluido a alta velocidad bombeado a través de la superficie de las membranas como un medio para reducir el efecto de capa límite. ( Ver Figura 1 ) En este método, los elementos de membrana se colocan en un conjunto de cartucho de placa y marco, tubular o enrollado en espiral, a través del cual se filtra la sustancia (la corriente de alimentación), se bombea rápidamente.
En los diseños de flujo cruzado, no es económico crear fuerzas de corte que midan más de 10-15 mil segundos inversos, lo que limita el uso de flujo cruzado a fluidos de baja viscosidad (acuosos). Además, el aumento de las velocidades de flujo cruzado da como resultado una caída de presión significativa desde el extremo de entrada (alta presión) hasta el extremo de salida (menor presión) del dispositivo, lo que conduce a un ensuciamiento prematuro de la membrana que arrastra el dispositivo hasta que caen las tasas de permeado. a niveles inaceptablemente bajos.
Figura 2
Figura 2
New Logic, sin embargo, ha desarrollado un método alternativo para producir intensas ondas de corte en la cara de una membrana. La técnica se llama procesamiento de cizallamiento vibratorio mejorado (VSEP). En un sistema VSEP, la suspensión de alimentación permanece casi estacionaria, moviéndose en un flujo lento y sinuoso entre elementos de hoja de membrana paralelos. La acción de limpieza de corte se crea al hacer vibrar vigorosamente los elementos de la hoja en una dirección tangente a las caras de las membranas. ( Ver Figura 4 )
Las ondas de corte producidas por la vibración de la membrana hacen que los sólidos y los contaminantes se levanten de la superficie de la membrana y se mezclen con el material a granel que fluye a través de la pila de membranas. Este procesamiento de alto cizallamiento expone los poros de la membrana para un rendimiento máximo que generalmente es entre 3 y 10 veces el rendimiento de los sistemas convencionales de flujo cruzado. ( Ver Figura 2 , arriba)
El paquete de filtro de membrana VSEP consta de elementos de hoja dispuestos como discos paralelos y separados por juntas. La pila de discos se asemeja a los registros en un cambiador de registros con membrana en cada lado.
Figura 3
Figura 3
La pila de discos oscila sobre un resorte de torsión que mueve la pila 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 puede percibir el ojo humano. La oscilación produce un corte en la superficie de la membrana de aproximadamente 150,000 segundos inversos (equivalente a más de 200 G de fuerza), que es aproximadamente diez veces la velocidad de corte de los mejores sistemas convencionales de flujo cruzado. Más importante aún, la cizalla en un sistema VSEP se enfoca en la superficie de la membrana, donde es rentable y más útil para prevenir la contaminación, mientras que el fluido a granel entre los discos de la membrana se mueve muy poco.
Figura 4
Figura 4
Debido a que VSEP no depende de las fuerzas de corte inducidas por el flujo de alimentación, la suspensión de alimentación puede volverse extremadamente viscosa y aún así ser deshidratada con éxito. El concentrado se extruye esencialmente entre los elementos del disco vibratorio y sale de la máquina una vez que alcanza el nivel de concentración deseado. Por lo tanto, los sistemas VSEP se pueden ejecutar en una sola pasada a través del sistema, eliminando la necesidad de tanques de trabajo costosos, equipos auxiliares y válvulas asociadas.
El volumen de retención del paquete de discos de un sistema con 1,400 pies2 (130 metros cuadrados) de área de membrana es inferior a 50 galones (189 litros). Como resultado, la recuperación del producto en procesos por lotes puede ser extremadamente alta. Los desechos después de drenar la pila son menos de 3 galones (11 litros).
Operación del sistema VSEP:
Al inicio, el sistema VSEP se alimenta con una suspensión y la válvula de concentrado se cierra. El permeado se produce y los sólidos suspendidos en la alimentación se recogen dentro del paquete de filtro VSEP. Después de un intervalo de tiempo programado, la válvula uno se abre para liberar los sólidos concentrados acumulados. La válvula se cierra para permitir la concentración de material de alimentación adicional. Este ciclo se repite indefinidamente.
La selección de membrana es el parámetro más importante que afecta la calidad de la separación. Otros parámetros importantes que afectan el rendimiento del sistema son la presión, la temperatura, la amplitud de la vibración y el tiempo de residencia. Todos estos elementos se optimizan durante las pruebas y se ingresan en el controlador lógico programable (PLC) que controla el sistema.
La presión de funcionamiento es creada por la bomba de alimentación. Las máquinas VSEP pueden operar rutinariamente a presiones de hasta 1,000 psig (68.95 BAR). Si bien las presiones más altas a menudo producen mayores tasas de flujo de permeado, también usan más energía. Por lo tanto, se utiliza una presión de operación que optimiza el equilibrio entre los caudales y el consumo de energía.
En la mayoría de los casos, la tasa de filtración se puede mejorar aún más aumentando la temperatura de funcionamiento. El límite de temperatura en un sistema VSEP estándar es 175° F (79°C), significativamente más alto que la tecnología de membrana competitiva. Incluso construcciones de temperaturas más altas también están disponibles.
La amplitud de la vibración y la velocidad de corte correspondiente también se pueden variar, lo que afecta directamente las velocidades de filtración. El cizallamiento se produce por la oscilación de torsión de la pila de filtros. Típicamente, la pila oscila con una amplitud de desplazamiento de pico a pico de 3/4 a 1 1/4 pulgadas (1.9 a 3.2 cm) en el borde de la pila. La frecuencia de oscilación es de aproximadamente 53 Hz y produce una intensidad de corte de aproximadamente 150,000 segundos inversos.
El tiempo de residencia de alimentación se establece por la frecuencia de apertura y cierre de la válvula de salida (válvula uno). El nivel de sólidos en la alimentación aumenta a medida que el material de alimentación permanece en la máquina. Ocasionalmente, se agrega un limpiador a la pila de membranas y la oscilación continua ayuda a limpiar la membrana en minutos. Este proceso puede automatizarse y solo consume aproximadamente 50 galones (189 litros) de solución de limpieza, lo que reduce los problemas de eliminación de limpiadores inherentes a otros sistemas de membranas.