ES2261579T3 - Dispositivo para separar un componente de una mezcla de gases o una mezcla de liquidos. - Google Patents
Dispositivo para separar un componente de una mezcla de gases o una mezcla de liquidos.Info
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Abstract
Dispositivo para separar al menos un componente de una mezcla de gases o una mezcla de líquidos, en el que un fluido de recogida circula a través de la cavidad (130) de una pluralidad de membranas configuradas con extremos abiertos (131, 132) como membranas de hilos huecos, distanciadas y sustancialmente paralelas, y la mezcla de gases (11) o la mezcla de líquidos se conduce a través de las membranas en dirección sustancialmente perpendicular a los ejes longitudinales de dichas membranas de hilos huecos (13), varias membranas de hilos huecos (13) están extendidas y fijadas en un respectivo bastidor (16) y una pluralidad de bastidores (16) están dispuestos uno sobre otro sin unión permanente para formar una pila (17) de bastidores o de membranas, y está prevista una carcasa (26) en la que se aloja la pila (17) de bastidores o de membranas formando un espacio (260) estanco a los fluidos para el fluido de recogida entre los bastidores (16; 24; 250) y la superficie interior (261) de la carcasa,caracterizado porque los bastidores (16), debido a una configuración adecuada de la forma y a la elección del material, están construidos de tal modo que los bastidores (16) se sellan herméticamente a los fluidos uno con respecto a otro y con relación a la superficie interior de la carcasa sin medidas de junta ni medios de junta adicionales separados.
Description
Dispositivo para separar un componente de una
mezcla de gases o una mezcla de líquidos.
La invención concierne a un dispositivo para
separar al menos un componente de una mezcla de gases o una mezcla
de líquidos, en el que un fluido de recogida circula a través de la
cavidad de una pluralidad de membranas distanciadas sustancialmente
paralelas, formadas como membranas de hilos huecos con extremos
abiertos, y la mezcla de gases o la mezcla de líquidos se conduce
sustancialmente perpendicular a los ejes longitudinales de las
membranas de hilos huecos a través de las membranas, varias
membranas de hilos huecos están extendidas y fijadas en un
respectivo bastidor y una pluralidad de bastidores están dispuestos
uno sobre otro para formar una pila de bastidores o de membranas
sin unión permanente, y está prevista una carcasa en la que se aloja
la pila de bastidores o de membranas formando un espacio estanco a
los fluidos para el fluido de recogida entre los bastidores y la
superficie interior de la
carcasa.
carcasa.
Los dispositivos de este tipo se denominan
también contactores de gas/líquido, utilizándose un contactor de
esta clase, por ejemplo, para la separación de un componente de una
mezcla de gases por adsorción/absorción en un líquido de
recogida.
En este caso, las membranas semipermeables
sirven como superficies de intercambio y barreras entre la mezcla de
gases y el fluido de recogida. La mezcla de gases fluye a través del
lado exterior de las membranas, que, para esta aplicación, son
regularmente las denominadas membranas de hilos huecos, mientras que
el fluido de recogida se suministra a través del lumen de las
membranas de hilos huecos. Las membranas de hilos huecos con muy
buenas propiedades de transporte de materia están preparadas para
muchas aplicaciones, como, por ejemplo, ultrafiltración,
microfiltración, diálisis, separación gas y pervaporación.
Como ha demostrado la práctica, las propiedades
en si buenas de transporte de las membranas se aprovechan
lamentablemente sólo en una pequeña parte, ya que las membranas de
hilos huecos se utilizan en dispositivos de separación de materia
de construcción modular, con lo que las influencias condicionadas
por la construcción, como la distribución desigual del flujo, la
denominada formación de canales y las lentas velocidades del flujo,
dificultan el transporte de materia. Los dispositivos convencionales
que utilizan membranas de hilos huecos, como los que se usan
frecuentemente para procesos de separación de líquidos y gases, por
ejemplo para ósmosis inversa, ultrafiltración y permeación de gas,
constan de un haz de hilos huecos con distribución desordenada de
las membranas de hilos huecos, que, provisto, en los extremos, de
una masa de relleno adecuada, y está fijado, por ejemplo, en una
carcasa de dispositivo tubular. Los fluidos a tratar circulan
paralelos a la dirección de los hilos huecos. La distribución de la
corriente en el lado exterior de los hilos huecos es desigual y,
durante la circulación pasante, tiene lugar una elevada pérdida de
presión en el interior de los hilos huecos.
Se conoce en el estado de la técnica, por
ejemplo, una red tejida de membranas de hilos huecos que está
enmarcada por un bastidor cuadrado, conteniendo cada lado del
bastidor una abertura rectangular en la que desembocan los hilos
huecos abiertos en los extremos opuestos. A través de estas
aberturas puede evacuarse un permeado o las aberturas pueden
utilizarse como aberturas de alimentación y evacuación para que
circulen soluciones a través de las membranas de hilos huecos. El
bastidor con el tejido de membranas de hilos huecos se dispone
perpendicular al eje de una carcasa tubular, circulando un primer
fluido a través de la superficie libre en el centro del bastidor en
dirección perpendicular a los ejes de los hilos huecos y hacia el
lado exterior de las superficies y pudiendo circular un segundo o
también un tercer fluido a través del lumen de las membranas de
hilos huecos de la red
tejida.
tejida.
La preparación de la red tejida de membranas de
hilos huecos es extremadamente costosa y complicada, llevando
muchas veces el proceso de fabricación de las membranas de hilos
huecos dispuestas en forma de red a que resulten dañados de los
hilos huecos debido a la solicitación mecánica durante el proceso de
tejedura, por ejemplo, por acodamiento, aplastamiento y
estiramiento, lo que a su vez tiene la consecuencia de que la
selección de los materiales de las membranas y las dimensiones de
las membranas de hilos huecos están fuertemente limitadas. Además,
es desventajosa la alta densidad del empaquetamiento de las
membranas de hilos huecos que se produce forzosamente a través del
proceso de tejedura, lo que origina una caída de la presión
relativamente elevada durante la circulación pasante de la mezcla
de gases. Además, es extremadamente costosa la creación de espacios
de suministro y de permeado separados a prueba de presión, lo que
lleva a una construcción que puede realizarse solamente con un gran
número de elementos de sellado, lo que de nuevo lleva a una
pluralidad de fuentes de error de los dispositivos conocidos hasta
ahora. Para aumentar la seguridad de las medidas de sellado, se ha
intentado pegar uno con otro los elementos individuales que soportan
las membranas de hilos huecos, lo que, sin embargo, ha llevado a que
no sea posible un intercambio de elementos de membrana de hilos
huecos dañados y tampoco sea posible por esta razón un desmontaje
del dispositivo para fines de mantenimiento.
El documento
US-A-5 232 593 revela un inserto con
discos de membrana de fibras huecas y un módulo con insertos
apilados. Para fabricar pilas de membranas se pegan fijamente uno
con otros varios soportes, introduciéndose y pegándose también las
membranas de hilos huecos en los espacios intermedios de tipo
hendidura entre dos bastidores. El tipo de fabricación descrito es
muy costoso. En caso de que se deteriore una sola membrana en una
pila modular, se tiene que cambiar la pila completa con los
bastidores pegados.
En el documento
US-A-5 182 019 se describe, además,
una disposición de membranas de fibras huecas, en la que las fibras
huecas de un elemento de bastidor y los distintos elementos de
bastidor se aseguran entre ellas por medio de una masa de
relleno.
Por el documento
DE-A-43 08 697 se conoce un
procedimiento para enriquecer un primer medio gaseoso o líquido con
un segundo gas o un segundo líquido. Para el procedimiento se
utilizan fibras huecas capilares que se colocan sustancialmente
perpendiculares al eje de flujo del medio gaseoso o líquido. Unos
elementos de membrana con fibras huecas capilares perpendiculares a
la dirección del flujo pasante para un primer medio gaseoso o
líquido se montan en un reactor, uniéndose unos con otros a modo de
cascada con respecto al flujo, de manera que una parte del segundo
gas o del segundo líquido que no fue absorbida por el primer medio
gaseoso o líquido se pone de nuevo en contacto con el primer medio
gaseoso o líquido.
Además, en el documento
US-A-5 174 900 se describen un
módulo de separación de fibras huecas y un procedimiento para su
uso, estando mutualmente sellados los soportes de fibras huecas con
anillos tóricos.
Además, el documento
FR-A-2 222 134 describe otros
dispositivos para membranas de hilos huecos en los que se utilizan
juntas planas, anillos tóricos y uniones pegadas.
Por tanto, es un problema de la presente
invención crear un dispositivo del tipo citado al principio, con el
que se logren una distribución de flujo uniforme en el lado exterior
de las membranas de hilos huecos y un aprovechamiento completo de
la superficie de membrana disponible y tenga lugar una caída muy
reducida de la presión en el lado exterior de las membranas de
hilos huecos, sea posible una adaptación flexible a las condiciones
de funcionamiento deseadas y se obtenga una construcción sencilla
que haga posibles un sellado mutuo fiable de los espacios de fluido,
un montaje y un desmontaje rápidos y una realización técnica
económica.
Se resuelve el problema según la invención
porque los bastidores están construidos de tal manera, debido a una
configuración adecuada de la forma y a la elección del material, que
los bastidores se sellan herméticamente a los fluidos uno contra
otro sin medidas o medios de junta adicionales separados y también
con respecto a la superficie interior de la carcasa.
El dispositivo presenta una carcasa en la que se
aloja la pila de bastidores o membranas formando un espacio estanco
a los fluidos para el fluido de recogida entre los bastidores y la
superficie de la carcasa.
La ventaja sustancial de la solución según la
invención consiste en que se logra una distribución muy buena del
flujo de la mezcla de gases en el lado exterior de las membranas de
hilos huecos y así se hace posible un mayor transporte de materia
con una caída de presión muy baja. En este caso, todas las membranas
de hilos huecos del dispositivo son capturadas de manera uniforme
por la mezcla de gases que las baña y, a la vista de las condiciones
de funcionamiento deseadas, el dispositivo según la invención puede
adaptarse fácilmente con respecto a su dimensión. La solución según
la invención crea también la posibilidad de una forma de
construcción modular sencilla y puede realizarse técnicamente de
forma fácil y barata.
Según las condiciones de funcionamiento
deseadas, una pluralidad de bastidores pueden estar dispuestos uno
sobre otro para formar una pila de bastidores o membranas. Dado que
todos los bastidores con las membranas de hilos huecos alojadas en
ellos son idénticos, se tiene que, gracias a la pluralidad de
bastidores apilados unos sobre otros, puede realizarse una
adaptación inmediata a las condiciones deseadas de rendimiento y
funcionamiento por medio del dispositivo según la invención, lo
que, por el contrario, no es posible en los dispositivos antes
citados provistos de membranas de hilos huecos tejidas, descritos en
el estado de la técnica o sólo es posible cuando se disponen
elementos de sellado separados entre los bastidores. Asimismo, una
pila de bastidores dispuestos unos sobre otros según la invención
es mecánicamente estable en una medida elevada y no surge ningún
problema en relación con la fabricación y el montaje.
Según una configuración preferida del
dispositivo, los extremos abiertos de las membranas de hilos huecos,
que están extendidas en el bastidor forman la entrada o la salida de
las mismas para el fluido de recogida que atraviesa las membranas
de hilos huecos. Por tanto, es posible ventajosamente preparar
bastidores provistos de membranas de hilos huecos, casi en forma de
discos, que pueden ciertamente colocarse unos sobre otros de manera
hermética cuando el dispositivo deba realizar su función prevista,
pero sin que, no obstante, se forme ninguna unión permanente, como,
por ejemplo, por pegado, lo que es extremadamente ventajoso para
fines de mantenimiento, montaje y sustitución. Debido al material
del bastidor así como a la forma, se logran un sellado directo de
los bastidores individuales contra, por ejemplo, un tubo de carcasa
y, por tanto, la separación hidráulica del espacio para el fluido de
recogida en una cámara de afluencia y una cámara de evacuación. Al
mismo tiempo, es posible un sellado directo de los bastidores
individuales uno contra otro y, por tanto, contra el espacio de
alimentación, es decir, el espacio a través del cual fluye la mezcla
de gases.
Se ha comprobado que se logra un resultado de
separación muy bueno cuando la distancia entre dos membranas de
hilos huecos contiguas está en el intervalo de 1,5 a 4 veces el
diámetro exterior de dichas membranas de hilos huecos.
Preferiblemente, el bastidor está configurado
sustancialmente en forma circular, lo que es extremadamente
favorable para la fabricación de los bastidores, incluyendo los
elementos de hilos huecos alojados en ellos. Sin embargo, deberá
apuntarse que los bastidores no deben estar configurados en todos
los casos en forma circular. Son posibles también cualesquiera
bastidores con n vértices con respecto a la sección transversal del
bastidor (en su proyección sobre el bastidor) y también
cualesquiera otras formas de bastidor geométricas.
Para lograr un bañado de la superficie exterior
de las membranas de hilos huecos de los bastidores lo más efectivo
posible en el caso de bastidores apilados unos sobre otros, estos
bastidores apilados unos sobre otros se giren mutuamente, debiendo
garantizarse siempre que esté asegurado, por un lado, un bañado lo
más uniforme posible de las superficies exteriores de las membranas
de hilos huecos, pero debiendo mantenerse aún dentro de límites
tolerables la caída de presión que se produce forzosamente en el
caso de una pluralidad de membranas apiladas unas sobre otras, y a
tal fin el bastidor presenta elementos de codificación con los que
se provoca una alineación mutua fija de los ejes longitudinales del
plano de las membranas de hilos huecos de bastidores dispuestos
apilados unos sobre otros. Esta codificación hace posible que los
bastidores apilados unos sobre otros puedan disponerse siempre
fijos con un desplazamiento de uno con respecto a otro igual al
trayecto de codificación, con lo que es posible también un montaje
sencillo durante el ensamble de la pila de bastidores o de
membranas.
Una forma sencilla de los elementos de
codificación puede lograrse preferiblemente haciendo que en los
bastidores esté formada una pluralidad de agujeros distanciados unos
de otros en una forma bien definida, que estén alineados uno sobre
otro en el otro caso de bastidores dispuestos unos sobre otros o en
el caso de una pila de bastidores o membranas, de modo que sea
posible un desplazamiento mutuo definido correspondiente a las
distancias seleccionadas entre los agujeros de los bastidores
individuales.
En este caso, es especialmente ventajoso que los
agujeros, en el caso de un bastidor construido en forma circular,
estén ellos mismos formados nuevamente sobre un sector de círculo de
modo que el bastidor necesite girarse solamente en la medida del
sector de círculo, para que se alineen los agujeros allí formados en
los bastidores apilados unos sobre otros. Dado que todos los
bastidores pueden estar provistos de agujeros configurados y
dispuestos de esta forma, es necesaria únicamente una forma básica
del bastidor para todo el dispositivo, lo que, además, es
extremadamente ventajoso para la fabricación y mantenimiento de
existencias de los bastidores.
En otra configuración ventajosa del dispositivo,
un elemento distanciador está dispuesto en la pila de bastidores o
membranas sustancialmente entre dos respectivos bastidores colocados
uno sobre otro, con lo que es posible de manera sencilla un aumento
de la estabilidad mecánica de la pila del bastidor y las condiciones
de flujo pueden verse influenciadas de nuevo.
El elemento distanciador puede presentar
elementos de apoyo que soporten las respectivas membranas de hilos
huecos adyacentes de los bastidores cuando, por ejemplo, están
expuestas las membranas de hilos huecos a un flujo fuerte de la
mezcla de gases, es decir que se solicitan también fuertemente de
manera mecánica. Estos elementos de apoyo pueden estar configurados
básicamente de cualquier manera adecuada, siempre que puedan cumplir
la función de apoyo para las membranas de hilos huecos.
Ventajosamente, el elemento distanciador presenta un bastidor a la
manera del bastidor para el alojamiento de las membranas de hilos
hueco, es decir, tiene sustancialmente la misma forma geométrica
exterior con respecto a la proyección en la vista en planta que el
bastidor para el alojamiento de las membranas de hilos huecos,
presentando el bastidor al menos un alma que une dos lados del
bastidor sustancialmente opuestos y desempeñando el alma la función
de apoyo citada anteriormente para las membranas de hilos huecos de
las respectivas membranas de hilos huecos adyacentes de los
bastidores.
Las membranas de hilos huecos de los bastidores
individuales del dispositivo, en el caso de bastidores apilados
unos sobre otros, pueden ser todas atravesadas en paralelo por el
fluido de recogida. Sin embargo, para determinados casos de
aplicación, es ventajoso perfeccionar el dispositivo de tal forma
que la pila de bastidores o membranas esté dispuesto al menos un
elemento de desviación para el fluido de recogida en forma de
bastidor configurado a la manera del bastidor para el alojamiento de
las membranas de hilos huecos. Por tanto, puede conseguirse que sea
posible, por ejemplo, un flujo pasante en forma de meandros del
fluido de recogida a través de todo el dispositivo, es decir, de
bastidor a bastidor, o también se puede hacer posible, en el caso de
elementos de desviación dispuestos de manera correspondiente, una
desviación parcialmente paralela y parcialmente en forma de hilera
del fluido de recogida a través de las membranas de hilos huecos de
los bastidores apilados unos sobre otros.
Para esta desviación del fluido de recogida, el
elemento de desviación del dispositivo está configurado
ventajosamente de tal modo que presenta una primera zona de borde
que está configurada más estrecha en el plano del elemento de
desviación que una segunda zona de borde del plano del elemento de
desviación para el paso del fluido de recogida. Por tanto, se
consigue que el fluido de recogida pueda fluir alrededor de la
primera zona de borde configurada más estrecha, después de que salga
por las salidas de los bastidores dispuestos debajo y/o encima con
los elementos de hilos huecos clocados en ellos, casi bañe el
elemento de desviación y, a continuación, en otro elemento de
desviación que está dispuesto de manera opuesta al antes descrito,
pueda fluir de nuevo a través de la zona de borde configurada allí
más estrecha y pueda introducirse en las entradas de las membranas
de hilos huecos del bastidor dispuesto adyacente.
Esta construcción del elemento de desviación
puede realizarse de forma sencilla y, finalmente, puede utilizarse
también opcionalmente en la pila de los bastidores, concretamente,
en los respectivos lugares deseados.
Como carcasa son aptos cualesquiera segmentos
tubulares adecuados, es decir, productos semielaborados de
cualesquiera materiales adecuados. Debido a esta configuración
ventajosa es posible también la formación de manera muy sencilla de
un espacio estanco a los fluidos, es decir, el espacio estanco a los
fluidos en el que circule el fluido de recogida puede realizarse de
forma sencilla, sin medidas adicionales separadas, a excepción del
sellado frontal de la carcasa con relación al espacio estanco a los
fluidos, debido a la configuración casi igual de la superficie del
bastidor para las membranas de hilos huecos, del bastidor para el
elemento distanciador y del bastidor para el elemento de
desviación.
Es ventajoso configurar el espacio estanco a los
fluidos de tal forma que en la carcasa estén dispuestas una entrada
y una salida para el fluido de recogida, lo que, por ejemplo, puede
realizarse por medio de taladros o agujeros simples en la pared de
la carcasa.
Para proteger mecánicamente la estabilidad
mecánica de la pila construida de la forma descrita anteriormente a
base de bastidores con las membranas de hilos huecos, elementos
distanciadores y elementos de desviación, particularmente, en la
entrada y/o en la salida de esta carcasa para atravesar la carcasa
con la mezcla de gases, la pila de bastidores o membranas está
provista al menos de un bastidor configurado a la manera del
bastidor para el alojamiento de las membranas de hilos huecos, el
cual presenta una estructura de tipo red que cubre el bastidor y,
por tanto, delimita a modo de red la entrada o la salida de la
carcasa. La estructura de tipo red puede intercalarse en el
elemento de cierre necesario para la cohesión de la pila de
membranas.
Para proteger las membranas de hilos huecos
frente al medio en ocasiones muy agresivo, que puede ser líquido,
pero también gaseoso, la membrana de hilos huecos está provista
interiormente de una capa de protección que, por ejemplo, puede ser
ventajosamente de silicona.
La propia membrana de hilos huecos puede ser
ventajosamente de construcción microporosa para determinados casos
de aplicación.
El dispositivo es adecuado para uso en la
gasificación y desgasificación de líquidos, para la humectación
gases, para procesos de separación de membranas, como pervaporación,
diálisis y separación de gases, y para procesos de filtración con
membranas de hilos huecos semipermeables.
La invención se describe ahora detalladamente a
continuación con ayuda de un ejemplo de realización. Muestran:
La figura 1, en vista en planta, un bastidor
típico que aloja una pluralidad de membranas de hilos huecos
distanciadas unas de otras;
La figura 2, un bastidor según la figura 1 en la
posición básica para formar una pila de bastidores o membranas;
La figura 3, dos bastidores apilados uno sobre
otro que están girados uno respecto de otro, cada vez en una medida
igual a dos distancias entre sectores de círculo;
La figura 4, dos bastidores apilados uno sobre
otro que están girados uno respecto de otro, cada vez en una medida
igual a una distancia entre sectores de círculo;
La figura 5, tres bastidores apilados uno sobre
otro que están girados uno respecto de otro, cada vez en una medida
igual a una distancia entre sectores de círculo;
La figura 6, posiciones horizontales y
verticales de las membranas de hilos huecos en una pila de
membranas;
La figura 7, en sección fuertemente
esquematizada, un detalle de una pila de bastidores o membranas y de
respectivos elementos de cierre que cierran la pila de bastidores o
membranas en la figura por arriba y por abajo;
La figura 8, un elemento distanciador en vista
en planta con un alma que sirve de apoyo a las membranas de hilos
huecos;
La figura 9, un elemento de desviación con un
alma adicional que sirve como apoyo de las membranas de hilos
huecos;
La figura 10, una sección a través de una
carcasa del dispositivo, estando dispuesta en la carcasa una pila
de bastidores o membranas, en su caso con intercalación de elementos
distanciadores y elementos de desviación;
La figura 11, una vista en planta de la carcasa
tubular según la figura 10;
La figura 12, un bastidor que cierra
eventualmente por ambos lados la pila de bastidores o membranas, con
una estructura de tipo red que cubre el bastidor;
La figura 13, en representación en perspectiva,
un dispositivo con carcasa en el que está dispuesta una pila de
bastidores o membranas;
\newpage
La figura 14, una pila de bastidores o membranas
en forma completa para su inserción en la carcasa según la figura
13, mostrando otra vista indicativa del dispositivo según la figura
13;
La figura 15, en forma de un diagrama, la caída
de presión en función del caudal volumétrico en el caso de un número
diferente de bastidores con membranas de hilos huecos alojadas;
La figura 16, en forma de un diagrama, la caída
de presión en función de la alineación de los bastidores provistos
de membranas de hilos huecos;
La figura 17, un diagrama para representar la
influencia del diámetro de los bastidores provistos de membranas de
hilos huecos, ilustrando la caída de presión en función del caudal
volumétrico de aire para el caso de bastidores diferentes, y
La figura 18, un diagrama para representar la
caída de presión en función del número de bastidores provistos de
membranas de hilos huecos en un dispositivo, estando desplazadas las
membranas de hilos huecos en 30º y estando dispuestos elementos
distanciadores entre los bastidores.
Antes de que se entre en detalles sobre la
estructura del dispositivo 10 representado en la figura 13 en su
totalidad, se hace referencia en primer lugar a la figura 1, con
ayuda de la cual se describe la estructura básica del bastidor 16,
que, cuando éste se apila junto con una pluralidad de otros
bastidores, forma una pila 17 de bastidores o membranas; véase, en
particular la figura 14.
El bastidor 16 que está configurado aquí
sustancialmente en forma circular (visto en la proyección en planta
sobre el bastidor 16), comprende una pluralidad de membranas de
hilos huecos 13 que están extendidas en el bastidor 16. Las
membranas de hilos huecos individuales 13 están distanciadas unas de
otras a una distancia definida 14. Las distancias 14 pueden variar
según la manera de funcionar del dispositivo 10, de un dispositivo
10 a otro dispositivo 10 o de un bastidor 16 a otro bastidor 16.
Cada membrana de hilos huecos extendida 13
define, dado que está dispuesta estirada en el bastidor 16, un eje
longitudinal así como una respectiva entrada 11 y una respectiva
salida 12 de la cavidad de la membrana de hilos huecos 13. La
membrana de hilos huecos 13 es recorrida por un fluido de recogida,
sobre el cual se entrará en detalles más adelante.
Los bastidores 16 se funden en un molde
configurado correspondientemente, incrustándose en este molde las
membranas de hilos huecos 13, que se han fabricado antes de una
manera adecuada en sí conocida, y llenándose a continuación el
molde, no representado aquí por separado, con materiales plásticos
fluyentes adecuados que se endurecen a continuación. El material
que forma el bastidor 16 abraza a las membranas de hilos huecos 13
en forma estanca. Como material de colada para los bastidores 16
pueden utilizarse, por ejemplo, resina epoxi, poliuretano o también
silicona. Para el reforzamiento mecánico del bastidor 16, éste puede
ser provisto también además de un refuerzo mecánico (no
representado), por ejemplo un tejido de malla de fibras de plástico,
vidrio y/o carbón.
Después del endurecimiento del material fluyente
se seccionan los extremos de las membranas de hilos huecos 13 que
sobresalen regularmente durante el proceso de fabricación, si bien
son igualmente posibles un troquelado y similares.
No obstante, el bastidor 16, que aquí, como ya
se ha mencionado, está configurado en forma circular, puede tener
en principio cualquier otra forma geométrica simétrica y también
asimétrica (en la proyección en planta del bastidor 16). El
bastidor 16 comprende además dos zonas opuestas 141, 142
configuradas a modo de orejetas que sobresalen de la periferia
circular del bastidor 16.
En las orejetas 141, 142 están dispuestos una
pluralidad de elementos de codificación 18 que están configurados
aquí en forma de agujeros 21. A través de estos agujeros 21 puede
hacerse pasar, por ejemplo, al menos un elemento en forma de barra
con el que se provoque una alineación mutua fija de los ejes
longitudinales del plano 19 de las membranas de hilos huecos 13
cuando, por ejemplo, estén dispuestos unos sobre otros una
pluralidad de bastidores 16 para la formación de una pila 17 de
bastidores o membranas. Se entrará en detalles sobre esto en
relación con las figuras 2, 3, 4 y 5 descritas a continuación. Los
agujeros 21 están formados, partiendo de un punto medio imaginario
del bastidor 16, sobre un sector de círculo 22, es decir,
distanciados en el mismo radio respecto del punto medio imaginario
del bastidor 16. En el presente ejemplo de realización del bastidor
16 están formados tres respectivos agujeros opuestos 21 en las
orejetas 141, 142. La distancia de arco 20 entre dos respectivos
agujeros adyacentes 21 es aquí igual.
Para explicar las posibilidades del apilamiento
de los bastidores 16 unos sobre otros a fin de formar una pila de
bastidores o membranas 17, se apilan unos sobre otros (a modo de
ejemplo) tres bastidores 16, partiendo de un bastidor 16 como el
que está representado en la figura 2.
La figura 3 muestra dos bastidores 16 apilados
uno sobre otro que están girados uno respecto de otro en 30º y
exhiben el modelo de la membrana de hilos huecos visible en la
figura 3.
La figura 4 muestra dos bastidores girados uno
respecto de otro en 15º.
La figura 5 muestra los tres bastidores 16
citados colocados unos sobre otros, que están girados uno respecto
de otro en 15º cada vez.
De esta manera, cuando se forma una la pila 17
de bastidores o membranas que presenta un número cualquiera de
bastidores 16, se puede crear una pila 17 de bastidores o membranas,
como la que está representada, por ejemplo, en la figura 14. Los
bastidores 16 pueden configurarse en principio girados uno respecto
de otro de cualquier modo, es decir que pero no deben presentar la
rigurosa torsión, que se ha descrito aquí, por ejemplo, en relación
con el sector de círculo o la distancia de arco de 15º. Dado que los
agujeros 21 se alinean uno hacia otro en la configuración descrita
anteriormente de la pila 17 de bastidores o de membranas, esta
posición puede fijarse, por ejemplo, por medio de una barra, no
representada aquí, introducida a través de los respectivos agujeros
21 de los bastidores 16 de la pila 17 de bastidores o membranas.
La figura 6 muestra la posición horizontal y
vertical de las membranas de hilos huecos 13 en una pila de
membranas 17 con bastidores 16 desplazados en 30º. Están
representados tres planos de sección. En este caso, "a" es la
distancia horizontal de las membranas de hilos huecos en un bastidor
16 y "b" es la distancia vertical entre las membranas de hilos
huecos 13 de los bastidores adyacentes. "a" y "b" se
indican como un múltiplo del diámetro exterior de las membranas de
hilos huecos.
Por la figura 7 se puede apreciar en forma muy
esquematizada un detalle de una sección parcial a través de una pila
17 de bastidores o membranas terminada que consta de una pluralidad
de bastidores 16. En principio, entre dos bastidores están
dispuestos allí unos respectivos elementos distanciadores 23 como
los que están representados, por ejemplo, en la figura 8. Los
elementos distanciadores 23 presentan también una estructura en
forma de bastidor parecida a la de los bastidores 16 que alojan las
membranas de hilos huecos 13. Los agujeros 21 allí formados están
distanciados también uno de otro como los agujeros 21 del bastidor
16 y tienen la misma distancia a un punto medio imaginario del
bastidor 24 de forma circular del elemento distanciador 23. El
elemento distanciador 23 presenta un alma 240 que une entre sí los
lados opuestos del bastidor 24. Cabe consignar que el alma 240 está
configurada aquí solamente a modo de ejemplo, pudiendo preverse
también una pluralidad de almas que sirvan para el posible asiento
de las membranas de hilos huecos 13 de los bastidores 16 cuando la
mezcla de gases, que incide sustancialmente en ángulo recto sobre la
superficie de las membranas de hilos huecos 13, deforma muy
elásticamente las membranas de hilos huecos 13 durante el
funcionamiento. Esta extensión de la deformación se limita por
medio del asiento de las membranas de hilos huecos 13 en el elemento
de limitación, en este caso en el alma 240.
El elemento de desviación 25 representado en la
figura 9 puede presentar también una función de distancia y/o una
función de apoyo. El elemento de desviación 25 está configurado
también de manera similar al bastidor 16 que aloja las membranas de
hilos huecos 13. El elemento de desviación 25 presenta en su borde
exterior una primera zona de borde 251 y una segunda zona de borde
252. La primera zona de borde 251 del bastidor 250 está configurada
más estrecha, en el plano imaginario 253 del elemento de desviación,
que la segunda zona de borde 252. La zona de borde más estrecha 251
crea una abertura de paso con relación al lado interior de una
carcasa 26, concretamente para el fluido de recogida que afluye a
las entradas 131 de las cavidades 130 de las membranas de hilos
huecos 13 de los respectivos bastidores adyacentes o que abandona
las membranas de hilos huecos 13 por las salidas 132. La segunda
zona de borde 252 está dimensionada en el plano 253 del elemento de
desviación 25 de tal modo que se aplica a la superficie interior 261
de la carcasa y, cuando se utiliza un material adecuado, forma un
sellado frontal contra la pared de una carcasa 26. Los agujeros 21
del elemento de desviación 25 están distanciados uno de otro en
igual medida y tienen una distancia igual a un punto medio
imaginario del elemento de desviación 25 de forma circular, como se
ha descrito en relación con los agujeros de los bastidores 26 o del
elemento distanciador 23. Asimismo, el elemento de desviación 25,
como ya se ha descrito en relación con el elemento distanciador 24,
puede presentar un alma 240 u otros elementos de apoyo adecuados,
sobre los cuales se apoyen las membranas de hilos huecos 13 debido a
la deformación elástica originada por la mezcla de gases 11 que
incide sobre ellas. Además, el alma 240 sirve también para la
estabilización propia del elemento de desviación 25, lo que rige
igualmente para el elemento distanciador 23.
La pila 17 de bastidores o membranas, tal como
ha sido confeccionada previamente, por ejemplo, en la figura 14 para
su introducción en una carcasa 26, véanse las figuras 10 y 11, puede
presentar también un bastidor 27 en forma circular, véase la figura
12, concretamente, con respecto a la representación de la figura 14
puede limitar por arriba y/o por abajo la pila 17 de bastidores o
membranas. El bastidor 27 presenta una estructura similar a la del
bastidor 24 del elemento distanciador 23, es decir, sustancialmente
con respecto a su dimensión exterior y su conformación, presentando
también los agujeros 21, como se han descrito en relación con el
bastidor 16, el elemento distanciador 23 y el elemento de
desviación 25, el mismo tamaño, la misma distancia uno de otro y la
misma distancia a un punto medio imaginario del bastidor 27. El
bastidor 27 está cubierto con una estructura 270 de tipo red. La
estructura 270 de tipo red puede introducirse también directamente
en una juntura correspondiente de la pieza de presión 28.
La pila 17 de bastidores o membranas
representada en la figura 14 presenta a ambos lados de los extremos
de la pila de membranas unas piezas de presión anulares 28, 29 que,
en unión con la carcasa 26, véase la figura 10, alojan la pila 17
de bastidores o membranas en forma hermética a la presión. En este
caso, los bastidores 16, los elementos distanciadores 23, los
elementos de desviación 25 y los bastidores 27 de ambos lados con
su estructura de tipo red se aplican uno con otro herméticamente a
la presión de tal modo que entre la pila 17 de bastidores o
membranas y la superficie interior 261 de la carcasa se crea un
espacio 260 estanco a los fluidos en el que el fluido de recogida
fluye desde una entrada 252 en paralelo, parcialmente en paralelo o
en forma de meandro hasta una salida 263, concretamente, a través de
las respectivas membranas de hilos huecos 13 de los bastidores
16.
Por medio de una configuración adecuada de la
forma y de la elección del material del bastidor 16 y/o de los
elementos distanciadores 23 y/o de los elementos de desviación 25
y/o de los bastidores 27 de ambos lados puede crearse, sin medidas
de sellado o medios de junta adicionales separadas, el espacio 260
estanco a los fluidos en cooperación con la superficie interior 261
de la carcasa o con respecto en la misma.
En este caso, véase la figura 13, la mezcla de
gases 11 se conduce sustancialmente perpendicular a las membranas
de hilos huecos 13, atravesando la mezcla de gases 11 la carcasa 26
sustancialmente en forma de anillo 26 desde la abertura de entrada
264 hasta la abertura de salida 265 y perneado entonces uno o varios
componentes predeterminados de la mezcla de gases 11 a través de la
pared de la membrana de hilos huecos 13 y siendo éstos
adsorbidos/absorbidos por el fluido de recogida que circula por las
membranas de de dichos huecos 13 a través de las cavidades 130.
A continuación, se presentan algunos resultados
de medición con ayuda de cinco ejemplos que confirman en la
práctica las características extraordinariamente buenas de la
invención.
Se midió la caída de presión produce al circular
por la pila 17 de bastidores o membranas la mezcla de gases 11 en
forma de aire-dirección de flujo perpendicular al
eje de las membranas de hilos huecos 13. Para medir el caudal
volumétrico se utilizó un anemómetro. La presión se midió a la
entrada y a la salida del dispositivo 10 con manómetros de tubo
inclinado. Se modificaron el número y la alineación de los
bastidores 16 provistos de las membranas de hilos huecos 13. El
diámetro exterior de las membranas de hilos huecos 13 utilizadas
ascendió en todos los casos a 1,0 mm. La mezcla de gas 11 se
condujo a través de la superficie exterior de las membranas de hilos
huecos 13.
Como comparación, se midieron también dos
dispositivos convencionales (haces de membranas de hilos huecos en
una carcasa tubular).
Se fabricó y se midió un dispositivo 10 según la
invención con ataque de flujo transversal. El dispositivo 10 se
equipó con 40 bastidores 16 del tipo II provistos de membranas de
hilos huecos 13. El diámetro libre interior de estos bastidores 16
del tipo II ascendió a 165 mm y el grosor del bastidor 26 ascendió a
2 mm. Los bastidores 16 se equiparon cada uno ellos con 51
membranas de hilos huecos 13. La alineación de las membranas de
hilos huecos 13 se realizó con un desplazamiento en ellas de 30º.
Entre los bastidores 16 se insertaron bastidores distanciadores 24.
Los bastidores distanciadores 24 se colocaron de tal manera que las
almas transversales de bastidores consecutivos 24 se cruzaban bajo
un ángulo de 90º. El espesor de los bastidores distanciadores 24
ascendió a 1 mm. Las distancias entre las membranas de hilos huecos
13 ascendieron: a = 3; b = 3. La superficie de membrana exterior
ascendió a 0,83 m^{3}. Como comparación, se midieron dos
dispositivos convencionales con las designaciones "A" y
"B". Los dispositivos tenían las siguientes propiedades:
Diámetro interior del tubo de la carcasa: A = 43
mm; B = 55 mm. Diámetro exterior de las membranas de hilos huecos: A
= 1,2 mm; B = 1,0 mm. Número de membranas de hilos huecos en el haz:
A = 660; B = 1300. Superficie de membrana exterior A = 0,76
m^{2}; B = 1,3 m^{2}. El número de membranas de hilos huecos por
haz se eligió de tal manera que se evitara una "formación de
canales" debido a un empaquetamiento demasiado suelto. Los
resultados están representados en la tabla siguiente:
| Caudal volumétrico/m^{3}/h | 10 | 90 | 200 | |
| Tipo/superficie de membrana | ||||
| Convencional | B/1,3 m^{2} | 400 | - | - |
| A/0,76 m^{2} | 660 | - | - | |
| Dispositivo de flujo | Tipo II/0,83 m^{2} | <10 | 30 | 130 |
| transversal |
\vskip1.000000\baselineskip
La caída de presión en el dispositivo 10 según
la invención es claramente más reducida que la medida en los tipos
convencionales.
Se fabricaron dos dispositivos 10 según la
invención. Los dispositivos 10 se equiparon cada uno con 20
bastidores 16 provistos de membranas de hilos huecos 13. El primer
dispositivo 10 con bastidores 16, tipo I, y el segundo con
bastidores tipo II. El diámetro interior del bastidor 16 tipo I
ascendió a 75 mm y el espesor del bastidor a 2 mm. Los bastidores
estaban equipados cada uno con 21 membranas de hilos huecos. La
alineación de las membranas de hilos huecos 13 se realizó con un
desplazamiento entre ellas de 30º. Entre los bastidores 16 se
insertaron bastidores distanciadores 24 tipo S1 o tipo S3. El
diámetro interior del bastidor distanciador 24 del tipo S1 ascendió
a 75 mm y el espesor a 1 mm. El bastidor distanciador 24 no contenía
ningún alma transversal 240. El diámetro interior del bastidor
distanciador 24 del tipo S3 ascendió a 165 mm y el espesor a 1 mm.
El bastidor distanciador 24 contenía un alma transversal 240. La
superficie de membrana exterior ascendió en el primer dispositivo 10
a 0,088 m^{2} y en el segundo dispositivo 10 a 0,42 m^{2}. Las
distancias entre las membranas de hilos huecos 13 ascendieron en
ambos dispositivos 10: a = 3; b = 3. Los resultados están
representados en la figura 17.
Se fabricaron dispositivos 10 con diferente
número de bastidores de tipo II. La alineación de las membranas de
hilos huecos 13, la disposición de los elementos distanciadores 23 y
las medidas de distancia "a" y "b" correspondieron a las
indicadas en el ejemplo 2. Los bastidores 16 provistos de membranas
de hilos huecos 13 se bañaron con un caudal volumétrico de 115
m^{3}/h. Se encontró una dependencia casi lineal de la caída de
presión respecto del número de bastidores 16 provistos de membranas
de hilos huecos 13, figura 15.
Se equiparon tres dispositivos con 20, 26 y 40
bastidores 16 tipo II provistos de membranas de hilos huecos 13. Las
distancias, la alineación y la disposición de los bastidores
distanciadores 24 fueron como en el ejemplo 2. Las superficies de
membrana correspondientes (superficie exterior de las membranas de
hilos huecos) ascendieron a 0,42 m^{2}; 0,54 m^{2}; 0,83
m^{3}. Se modificó el caudal volumétrico que bañaba las membranas
de hilos huecos. En la figura 15, está reproducida la dependencia de
la caída de presión respecto del caudal volumétrico.
Se montaron dos dispositivos 10, cada uno con
26 bastidores provistos de membranas de hilos huecos 13. Se
modificó la alineación de las membranas de hilos huecos 13:
Paralelas, desplazadas en 30º.
La caída de presión medida en función del caudal
volumétrico está registrada en la figura 16.
- 10
- Dispositivo
- 11
- Mezcla de gases
- 13
- Membrana de hilos huecos
- 130
- Cavidad
- 131
- Entrada
- 132
- Salida
- 14
- Distancia (membrana de hilos huecos)
- 141
- Orejeta
- 142
- Orejeta
- 16
- Bastidor (bastidor de membranas)
- 17
- Pila de bastidores o membranas
- 18
- Elemento de codificación
- 19
- Plano
- 20
- Distancia (agujero de codificación)
- 21
- Agujero
- 22
- Sector de círculo
- 23
- Elemento distanciador
- 24
- Bastidor (elemento distanciador)
- 240
- Alma
- 25
- Elemento de desviación
- 250
- Bastidor (elemento de desviación)
- 251
- Primera zona de borde
- 252
- Segunda zona de borde
- 253
- Plano (elemento de desviación)
- 26
- Carcasa
- 260
- Espacio estanco a los fluidos
- 261
- Superficie interior de la carcasa
- 262
- Entrada
- 263
- Salida
- 264
- Abertura de entrada
- 265
- Abertura de salida
- 27
- Bastidor (bastidor de red)
- 270
- Estructura de tipo red
- 28
- Pieza de presión
- 29
- Pieza de presión.
Claims (16)
1. Dispositivo para separar al menos un
componente de una mezcla de gases o una mezcla de líquidos, en el
que un fluido de recogida circula a través de la cavidad (130) de
una pluralidad de membranas configuradas con extremos abiertos (131,
132) como membranas de hilos huecos, distanciadas y sustancialmente
paralelas, y la mezcla de gases (11) o la mezcla de líquidos se
conduce a través de las membranas en dirección sustancialmente
perpendicular a los ejes longitudinales de dichas membranas de hilos
huecos (13), varias membranas de hilos huecos (13) están extendidas
y fijadas en un respectivo bastidor (16) y una pluralidad de
bastidores (16) están dispuestos uno sobre otro sin unión
permanente para formar una pila (17) de bastidores o de membranas, y
está prevista una carcasa (26) en la que se aloja la pila (17) de
bastidores o de membranas formando un espacio (260) estanco a los
fluidos para el fluido de recogida entre los bastidores (16; 24;
250) y la superficie interior (261) de la carcasa,
caracterizado porque los bastidores (16), debido a una
configuración adecuada de la forma y a la elección del material,
están construidos de tal modo que los bastidores (16) se sellan
herméticamente a los fluidos uno con respecto a otro y con relación
a la superficie interior de la carcasa sin medidas de junta ni
medios de junta adicionales separados.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque los extremos abiertos de las membranas
de hilos huecos (13) forman respectivamente la entrada (131) y la
salida (132) de las mismas para el fluido de recogida que fluye a
través de dichas membranas de hilos huecos (13).
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la distancia (14) entre dos membranas de
hilos huecos contiguas (13) está en el intervalo de 1,5 a 4 veces el
diámetro exterior de dichas membranas de hilos huecos (13).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado porque los bastidores (16) están
configurados sustancialmente en forma circular.
5. Dispositivo según una o más de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los bastidores
(16) presentan unos elementos de codificación (18) con los que se
produce una alineación mutua fija de los ejes longitudinales de los
planos (19) de las membranas de hilos huecos (13) de bastidores (16)
dispuestos apilados unos sobre otros.
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque los elementos de codificación (18) están
configurados en forma de una pluralidad de agujeros (21) formados
en el bastidor (16) y distanciados (20) unos de otros en una medida
definida.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque los agujeros (21), en el caso de
bastidores circulares (16), están formados sobre un sector de
círculo (22).
8. Dispositivo según uno o varias de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque en la pila
(17) de bastidores o membranas está montado un elemento
distanciador (23) dispuesto sustancialmente entre cada dos
bastidores (16) colocados uno sobre otro.
9. Dispositivo según la reivindicación 8,
caracterizado porque el elemento distanciador (23) presenta
un bastidor (24) a la manera del bastidor (16) para el alojamiento
de las membranas de hilos huecos (13), presentando el bastidor (24)
al menos un alma (240) que une dos lados sustancialmente opuestos
del bastidor (24).
10. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque en la pila (17)
de bastidores o membranas está dispuesto al menos un elemento de
desviación (25) en forma de bastidor para el fluido de recogida
configurado a la manera del bastidor (16) para el alojamiento de las
membranas de hilos huecos
(13).
(13).
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque el elemento de desviación (25) presenta
una primera zona de borde del bastidor (250) que está configurada en
el plano (253) del elemento de desviación (25) más estrecha que una
segunda zona de borde para el paso del fluido de recogida.
12. Dispositivo según la reivindicación 11,
caracterizado porque el espacio (260) estanco a los fluidos
presenta una entrada (262) y una salida (263) para el fluido de
recogida formadas en la carcasa (26).
13. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la pila (17) de
bastidores o membranas presenta al menos un bastidor (27)
configurado a la manera del bastidor (16) para el alojamiento de las
membranas de hilos huecos (13) y que presenta una estructura de tipo
red (270) que cubre dicho bastidor
(27).
(27).
14. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque las membranas
de hilos huecos (13) están internamente revestidas con silicona.
15. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque las membranas
de hilos huecos (13) están configuradas en forma microporosa.
\newpage
16. Uso de un dispositivo según una o varias de
las reivindicaciones 1 a 15 para gasificar y desgasificar líquidos,
para humedecer gases, para procesos de separación de membranas,
tales como pervaporación, diálisis y separación de gas, o para
procesos de filtración con membranas de hilos huecos (13)
semipermeables.
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