Technology
New Logic Research, Inc. – Introdução à Tecnologia
Embora as separações baseadas em membranas de líquidos de sólidos tenham desfrutado de crescente popularidade nos últimos 20 anos, a tecnologia possui um calcanhar de Aquiles inerente que afeta todos os dispositivos de membrana: incrustação. Essa perda de longo prazo na capacidade de produção deve-se principalmente à formação de uma camada limite que se acumula naturalmente na superfície da membrana durante o processo de filtragem. Além de reduzir o desempenho do fluxo da membrana, essa camada limite ou gel atua como uma membrana secundária, reduzindo a seletividade do projeto nativo da membrana em uso. Essa incapacidade de lidar com o acúmulo de sólidos também limitou o uso de membranas em correntes de alimentação com baixo teor de sólidos.
Figura 1
Figura 1: Fluxo cruzado
Para ajudar a minimizar este acúmulo de camada limite, os projetistas de membrana usaram um método conhecido como fluxo tangencial ou filtração de fluxo cruzado que depende do fluxo de fluido de alta velocidade bombeado através da superfície das membranas como um meio de reduzir o efeito da camada limite. ( Veja a Figura 1 ) Neste método, os elementos de membrana são colocados em um conjunto de cartucho de placa e estrutura, tubular ou espiral, através do qual a substância a ser filtrada (o fluxo de alimentação), é bombeado rapidamente.
Em projetos de fluxo cruzado, não é econômico criar forças de cisalhamento que medem mais de 10-15 mil segundos inversos, limitando assim o uso de fluidos cruzados a fluidos de baixa viscosidade (aguados). Além disso, o aumento das velocidades de fluxo cruzado resulta em uma queda de pressão significativa da entrada (alta pressão) para a extremidade de saída (pressão baixa) do dispositivo, o que leva a incrustações prematuras da membrana que se arrasta até as taxas de permeado a níveis inaceitavelmente baixos.
Figura 2
Figura 2
A New Logic, entretanto, desenvolveu um método alternativo para produzir intensas ondas de cisalhamento na face de uma membrana. A técnica é chamada Processamento Aprimorado de Cisalhamento Vibratório (VSEP). Em um sistema VSEP, a polpa de alimentação permanece quase estacionária, movendo-se em um fluxo lento e sinuoso entre os elementos foliares da membrana paralela. A ação de limpeza de cisalhamento é criada vibrando vigorosamente os elementos foliares em uma direção tangente às faces das membranas. ( Veja a Figura 4 )
As ondas de cisalhamento produzidas pela vibração da membrana fazem com que sólidos e incrustações sejam removidos da superfície da membrana e remixados com o material a granel fluindo através da pilha de membranas. Este processamento de alto cisalhamento expõe os poros da membrana para um rendimento máximo que é tipicamente entre 3 e 10 vezes o rendimento dos sistemas convencionais de fluxo cruzado. ( Veja a Figura 2 , acima)
O pacote de filtros de membrana VSEP consiste de elementos foliares dispostos como discos paralelos e separados por gaxetas. A pilha de discos se assemelha a registros em um gravador de discos com membrana em cada lado.
Figura 3
Figura 3
A pilha de discos é oscilada acima de uma mola de torção que movimenta a pilha de um lado para o outro aproximadamente 7/8 polegadas (2,22 centímetros). Este movimento é análogo ao agitador de uma máquina de lavar, mas ocorre a uma velocidade mais rápida do que aquela que pode ser percebida pelo olho humano. A oscilação produz um cisalhamento na superfície da membrana de cerca de 150.000 segundos inversos (equivalente a mais de 200 G’s de força), o que é aproximadamente dez vezes a taxa de cisalhamento dos melhores sistemas convencionais de fluxo cruzado. Mais importante, o cisalhamento em um sistema VSEP é focado na superfície da membrana onde é econômico e mais útil na prevenção de entupimento, enquanto o fluido em massa entre os discos de membrana se move muito pouco.
Figura 4
Figura 4
Como o VSEP não depende de forças de cisalhamento induzidas pelo fluxo de alimentação, a polpa de alimentação pode se tornar extremamente viscosa e ainda assim ser desidratada com sucesso. O concentrado é essencialmente extrudido entre os elementos de disco vibratórios e sai da máquina quando atinge o nível de concentração desejado. Assim, os sistemas VSEP podem ser executados em uma única passagem pelo sistema, eliminando a necessidade de tanques de trabalho caros, equipamentos auxiliares e válvulas associadas.
O volume de retenção do pacote de disco de um sistema com área de membrana de 1.400 pés2 (130 m²) é menor que 50 galões (189 litros). Como resultado, a recuperação do produto em processos em lote pode ser extremamente alta. O desperdício depois de drenar a pilha é menor que 3 galões (11 litros).
Operação do sistema VSEP:
Na inicialização, o sistema VSEP é alimentado com uma pasta e a válvula de concentrado é fechada. O permeado é produzido e os sólidos suspensos na alimentação são coletados dentro do conjunto de filtros do VSEP. Após um intervalo de tempo programado, a válvula 1 é aberta para liberar os sólidos concentrados acumulados. A válvula é então fechada para permitir a concentração de material de alimentação adicional. Este ciclo se repete indefinidamente.
A seleção de membranas é o parâmetro mais importante que afeta a qualidade da separação. Outros parâmetros importantes que afetam o desempenho do sistema são pressão, temperatura, amplitude de vibração e tempo de residência. Todos esses elementos são otimizados durante o teste e inseridos no controlador lógico programável (CLP) que controla o sistema.
A pressão de operação é criada pela bomba de alimentação. As máquinas VSEP podem operar rotineiramente a pressões de até 1.000 psig (68.95 BAR). Enquanto pressões mais altas freqüentemente produzem maiores taxas de fluxo de permeado, elas também usam mais energia. Portanto, uma pressão de operação é usada para otimizar o equilíbrio entre as taxas de fluxo e o consumo de energia.
Na maioria dos casos, a taxa de filtração pode ser melhorada aumentando a temperatura de operação. O limite de temperatura em um sistema VSEP padrão é de 175 ° F (79°C), significativamente maior do que a tecnologia de membrana da concorrência. Mesmo construções de temperatura mais altas também estão disponíveis.
A amplitude de vibração e a taxa de corte correspondente também podem ser variadas, o que afeta diretamente as taxas de filtração. O cisalhamento é produzido pela oscilação de torção da pilha de filtros. Tipicamente a pilha oscila com uma amplitude de 3/4 a 1 1/4 polegadas (1,9 a 3,2 cm) de pico a pico de deslocamento na borda da pilha. A frequência de oscilação é de aproximadamente 53 Hz e produz uma intensidade de cisalhamento de cerca de 150.000 segundos inversos.
O tempo de permanência de alimentação é definido pela frequência da abertura e fechamento da válvula de saída (válvula 1). O nível de sólidos na alimentação aumenta à medida que o material de alimentação permanece na máquina. Ocasionalmente, um limpador é adicionado à pilha de membranas e a oscilação contínua ajuda a limpar a membrana em minutos. Este processo pode ser automatizado e consome apenas aproximadamente 50 galões (189 litros) de solução de limpeza, reduzindo assim os problemas de eliminação mais limpos inerentes a outros sistemas de membrana.