Technology
New Logic Research, Inc. – Introduzione alla tecnologia
Mentre le separazioni a base di membrana di liquidi da solidi hanno goduto di una crescente popolarità negli ultimi 20 anni, la tecnologia ha un tallone di Achille intrinseco che colpisce tutti i dispositivi a membrana: sporcizia. Questa perdita a lungo termine della capacità di produzione è dovuta principalmente alla formazione di uno strato limite che si accumula naturalmente sulla superficie delle membrane durante il processo di filtrazione. Oltre a ridurre le prestazioni del flusso della membrana, questo strato limite o gel agisce come una membrana secondaria riducendo la selettività nativa della membrana in uso. Questa incapacità di gestire l’accumulo di solidi ha anche limitato l’uso di membrane a flussi di alimentazione a basso contenuto di solidi.
Figura 1
Figura 1: Crossflow
Per ridurre al minimo l’accumulo di strato limite, i progettisti di membrane hanno utilizzato un metodo noto come filtraggio a flusso tangenziale o a flusso incrociato che si basa sul flusso di fluido ad alta velocità pompato attraverso la superficie delle membrane come mezzo per ridurre l’effetto dello strato limite. ( Vedi figura 1 ) In questo metodo, gli elementi della membrana sono posizionati in un assieme di cartuccia a piastre, tubolari o a spirale, attraverso il quale la sostanza da filtrare (il flusso di alimentazione), viene pompato rapidamente.
Nei progetti a flusso incrociato, non è economico creare forze di taglio che misurano più di 10-15 mila secondi inversi, limitando così l’uso di flussi incrociati a fluidi a bassa viscosità (acquosi). Inoltre, l’aumento delle velocità del flusso incrociato provoca una significativa caduta di pressione dall’ingresso (alta pressione) all’estremità di uscita (bassa pressione) del dispositivo, il che porta a una sporcizia prematura della membrana che si insinua nel dispositivo fino a quando i tassi di permeato scendono a livelli inaccettabilmente bassi.
Figura 2
Figura 2
New Logic, tuttavia, ha sviluppato un metodo alternativo per produrre intense onde di taglio sulla faccia di una membrana. La tecnica si chiama Vibratory Shear Enhanced Processing (VSEP). In un sistema VSEP, la sospensione di alimentazione rimane quasi stazionaria, muovendosi in un flusso piacevole e tortuoso tra gli elementi paralleli della foglia di membrana. L’azione di pulizia del taglio viene creata facendo vibrare vigorosamente gli elementi fogliari in una direzione tangente alle facce delle membrane. ( Vedi figura 4 )
Le onde di taglio prodotte dalla vibrazione della membrana provocano il sollevamento di solidi e sostanze contaminanti dalla superficie della membrana e il loro remix con il materiale sfuso che scorre attraverso la catasta di membrane. Questa lavorazione ad alto taglio espone i pori della membrana per la massima produttività che è tipicamente tra 3 e 10 volte la produttività dei sistemi a flusso incrociato convenzionali. ( Vedi figura 2 , sopra)
Il pacchetto di filtri a membrana VSEP è costituito da elementi fogliari disposti come dischi paralleli e separati da guarnizioni. La pila di dischi ricorda i record su un cambia dischi con membrana su ciascun lato.
Figura 3
Figura 3
La pila di dischi è oscillata sopra una molla di torsione che sposta la pila avanti e indietro di circa 7/8 pollici (2,22 centimetri). Questo movimento è analogo all’agitatore di una lavatrice ma si verifica a una velocità superiore a quella che può essere percepita dall’occhio umano. L’oscillazione produce un taglio sulla superficie della membrana di circa 150.000 secondi inversi (equivalenti a oltre 200 G di forza), che è circa dieci volte la velocità di taglio dei migliori sistemi convenzionali a flusso incrociato. Ancora più importante, la cesoia in un sistema VSEP è focalizzata sulla superficie della membrana dove è conveniente e più utile nel prevenire le incrostazioni, mentre il fluido sfuso tra i dischi della membrana si muove molto poco.
Figura 4
Figura 4
Poiché VSEP non dipende dalle forze di taglio indotte dal flusso di alimentazione, la sospensione di alimentazione può diventare estremamente viscosa e comunque essere disidratata con successo. Il concentrato viene essenzialmente estruso tra gli elementi del disco vibrante ed esce dalla macchina quando raggiunge il livello di concentrazione desiderato. Pertanto, i sistemi VSEP possono essere eseguiti in un unico passaggio attraverso il sistema, eliminando la necessità di costosi serbatoi di lavoro, attrezzature ausiliarie e valvole associate.
Il volume di mantenimento del pacchetto di dischi di un sistema con una superficie di membrana di 130 metri quadrati (1.400 ft2) è inferiore a 189 litri (50 galloni). Di conseguenza, il recupero del prodotto nei processi batch può essere estremamente elevato. Gli scarti dopo lo svuotamento della pila sono inferiori a 3 galloni (11 litri).
Funzionamento del sistema VSEP:
All’avvio, il sistema VSEP viene alimentato con una sospensione e la valvola del concentrato viene chiusa. Viene prodotto il permeato e i solidi sospesi nel mangime vengono raccolti all’interno del pacco filtro VSEP. Dopo un intervallo di tempo programmato, la valvola 1 viene aperta per rilasciare i solidi concentrati accumulati. La valvola viene quindi chiusa per consentire la concentrazione di materiale di alimentazione aggiuntivo. Questo ciclo si ripete indefinitamente.
La selezione della membrana è il singolo parametro più importante che influenza la qualità della separazione. Altri parametri importanti che influenzano le prestazioni del sistema sono pressione, temperatura, ampiezza di vibrazione e tempo di permanenza. Tutti questi elementi sono ottimizzati durante i test e inseriti nel controllore logico programmabile (PLC) che controlla il sistema.
La pressione di esercizio viene creata dalla pompa di alimentazione. Le macchine VSEP possono operare abitualmente a pressioni fino a 1.000 psig (68,95 BAR). Mentre pressioni più elevate spesso producono maggiori portate di permeato, usano anche più energia. Pertanto, viene utilizzata una pressione di esercizio che ottimizza l’equilibrio tra le portate e il consumo di energia.
Nella maggior parte dei casi, la velocità di filtrazione può essere ulteriormente migliorata aumentando la temperatura operativa. Il limite di temperatura su un sistema VSEP standard è di 79°C (175 ° F), significativamente superiore alla tecnologia a membrana della concorrenza. Sono disponibili anche costruzioni a temperature più elevate.
L’ampiezza della vibrazione e la corrispondente velocità di taglio possono anche essere variate, il che influenza direttamente le velocità di filtrazione. La cesoiatura è prodotta dall’oscillazione di torsione della pila di filtri. Tipicamente la pila oscilla con un’ampiezza di spostamento da picco a picco da 3/4 a 1 1/4 pollici (da 1,9 a 3,2 cm) sul bordo della pila. La frequenza di oscillazione è di circa 53 Hz e produce un’intensità di taglio di circa 150.000 secondi inversi.
Il tempo di permanenza dell’alimentazione è impostato dalla frequenza di apertura e chiusura della valvola di uscita (valvola 1). Il livello di solidi nell’alimentazione aumenta man mano che il materiale di alimentazione rimane nella macchina. Occasionalmente, viene aggiunto un detergente alla catasta di membrane e l’oscillazione continua aiuta a pulire la membrana in pochi minuti. Questo processo può essere automatizzato e consuma solo circa 50 galloni (189 litri) di soluzione detergente, riducendo così i problemi di smaltimento più puliti inerenti ad altri sistemi a membrana.