Technology
New Logic Research, Inc. – Introduction à la technologie
Alors que la séparation des liquides et des solides à base de membrane a gagné en popularité au cours des 20 dernières années, la technologie possède un talon d’Achille inhérent qui affecte tous les dispositifs à membrane: encrassement. Cette perte de capacité de production à long terme est principalement due à la formation d’une couche limite qui s’accumule naturellement à la surface des membranes au cours du processus de filtration. En plus de réduire les performances de la membrane en termes de flux, cette couche limite ou couche de gel sert de membrane secondaire, réduisant la sélectivité de conception native de la membrane utilisée. Cette incapacité à gérer l’accumulation de solides a également limité l’utilisation de membranes aux flux d’alimentation à faible teneur en solides.
Figure 1
Figure 1: Flux croisé
Pour aider à minimiser cette accumulation de couche limite, les concepteurs de membranes ont utilisé une méthode appelée filtration à flux tangentiel ou à flux croisés, qui repose sur un écoulement de fluide à grande vitesse pompé à la surface de la membrane afin de réduire l’effet de la couche limite. ( Voir figure 1 ). Dans cette méthode, les éléments à membrane sont placés dans un ensemble de plaques à monture en plaque, tubulaire ou à spirale, à travers lequel la substance à filtrer (le flux d’alimentation), est pompé rapidement.
Dans les conceptions à écoulement transversal, il n’est pas économique de créer des forces de cisaillement supérieures à 10-15 mille secondes inverses, limitant ainsi l’utilisation d’écoulement transversal aux fluides à faible viscosité (liquides). En outre, l’augmentation des vitesses d’écoulement transversal entraîne une chute de pression importante de l’extrémité d’entrée (pression élevée) à l’extrémité de sortie (pression plus basse) du dispositif, ce qui entraîne un encrassement prématuré de la membrane qui s’insinue dans le dispositif jusqu’à ce que les taux de perméat baissent à des niveaux inacceptablement bas.
Figure 2
Figure 2
New Logic, cependant, a développé une méthode alternative pour produire des ondes de cisaillement intenses sur la face d’une membrane. Cette technique s’appelle VSEP (Vibratory Shear Enhanced Processing). Dans un système VSEP, la boue d’alimentation reste presque immobile, se déplaçant dans un écoulement sinueux et sinueux entre des éléments de membrane membranaires parallèles. L’action de nettoyage par cisaillement est créée par la vibration vigoureuse des éléments de la feuille dans une direction tangente aux faces des membranes. ( Voir la figure 4 )
Les ondes de cisaillement produites par les vibrations de la membrane entraînent le retrait des solides et des impuretés de la surface de la membrane et le mélange avec le matériau en vrac s’écoulant à travers la pile de membranes. Ce traitement à fort cisaillement expose les pores de la membrane pour un débit maximal typiquement compris entre 3 et 10 fois le débit des systèmes à flux croisés classiques. ( Voir la figure 2 ci-dessus)
Le groupe de filtres à membrane VSEP se compose d’éléments en feuille disposés en disques parallèles et séparés par des joints. La pile de disques ressemble à des disques sur un changeur d’enregistrements avec une membrane de chaque côté.
Figure 3
Figure 3
La pile de disques oscille au-dessus d’un ressort de torsion qui la déplace d’avant en arrière d’environ 2,22 centimètres (7/8 pouces). Ce mouvement est analogue à l’agitateur d’une machine à laver mais se produit à une vitesse supérieure à celle que l’œil humain peut percevoir. L’oscillation produit un cisaillement à la surface de la membrane d’environ 150 000 secondes inverses (équivalent à plus de 200 G de force), soit environ dix fois le taux de cisaillement des meilleurs systèmes à flux croisés classiques. Plus important encore, le cisaillement dans un système VSEP se concentre sur la surface de la membrane où il est rentable et le plus utile pour prévenir l’encrassement, tandis que le fluide en vrac entre les disques à membrane ne se déplace que très peu.
Figure 4
Figure 4
Étant donné que le VSEP ne dépend pas des forces de cisaillement induites par le flux d’alimentation, la boue d’alimentation peut devenir extrêmement visqueuse tout en restant asséchée avec succès. Le concentré est essentiellement extrudé entre les éléments du disque vibrant et sort de la machine une fois qu’il a atteint le niveau de concentration souhaité. Ainsi, les systèmes VSEP peuvent être exécutés en un seul passage dans le système, éliminant ainsi le besoin de réservoirs de travail coûteux, d’équipements auxiliaires et de vannes associées.
Le volume de rétention d’un groupe de disques d’une surface de 1 400 pi2 (130 m²) est inférieur à 189 litres (50 gallons). En conséquence, la récupération de produit dans les processus de traitement par lots peut être extrêmement élevée. Les déchets après la vidange de la pile sont inférieurs à 11 litres (3 gallons).
Fonctionnement du système VSEP:
Au démarrage, le système VSEP est alimenté par une suspension et la vanne de concentré est fermée. Le perméat est produit et les solides en suspension dans l’alimentation sont recueillis à l’intérieur du bloc filtrant VSEP. Après un intervalle de temps programmé, la vanne 1 est ouverte pour libérer les solides concentrés accumulés. La vanne est ensuite fermée pour permettre la concentration de matière supplémentaire. Ce cycle se répète indéfiniment.
La sélection de la membrane est le paramètre le plus important qui affecte la qualité de la séparation. Les autres paramètres importants affectant les performances du système sont la pression, la température, l’amplitude de vibration et le temps de résidence. Tous ces éléments sont optimisés lors des tests et entrés dans le contrôleur programmable (PLC) qui contrôle le système.
La pression de fonctionnement est créée par la pompe d’alimentation. Les machines VSEP peuvent régulièrement fonctionner à des pressions pouvant atteindre 1 000 psig (68,95 bar). Bien que des pressions plus élevées produisent souvent des débits de perméat accrus, elles consomment également plus d’énergie. Par conséquent, une pression de fonctionnement est utilisée qui optimise l’équilibre entre les débits et la consommation d’énergie.
Dans la plupart des cas, le débit de filtration peut être encore amélioré en augmentant la température de fonctionnement. La limite de température sur un système VSEP standard est de 79°C (175 ° F), ce qui est nettement supérieur à la technologie membranaire concurrente. Des constructions encore plus chaudes sont également disponibles.
L’amplitude de vibration et le taux de cisaillement correspondant peuvent également être modifiés, ce qui affecte directement les taux de filtration. Le cisaillement est produit par l’oscillation de torsion de la pile de filtres. Généralement, la pile oscille avec une amplitude allant de 1,9 à 3,2 cm (3/4 à 1 1/4 pouces) de déplacement de crête à la périphérie de la pile. La fréquence d’oscillation est d’environ 53 Hz et produit une intensité de cisaillement d’environ 150 000 secondes inverses.
Le temps de séjour d’alimentation est défini par la fréquence d’ouverture et de fermeture de la vanne de sortie (vanne 1). Le niveau de solides dans l’alimentation augmente à mesure que le matériau d’alimentation reste dans la machine. De temps en temps, un nettoyant est ajouté à la pile de membranes et une oscillation continue facilite le nettoyage de la membrane en quelques minutes. Ce processus peut être automatisé et ne consomme qu’environ 189 litres (50 gallons) de solution de nettoyage, réduisant ainsi les problèmes d’élimination des produits propres inhérents aux autres systèmes de membranes.