ES2268845T3 - Dispositivo de limpieza para membranas. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de impulso inverso destinado a un sistema de filtración de flujo cruzado que comprende una cámara de permeado (01) para el filtrado, un orificio de entrada de permeado (07), un orificio de salida de permeado (13), un pistón (12) que presenta una primera posición y una segunda posición y que es capaz de desplazarse entre dicha primera posición y dicha segunda posición, siendo dicha primera posición de tal modo que dicho pistón no se dispone entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho orificio de salida de permeado y que permite que el fluido fluya entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho orificio de salida de permeado, siendo dicha segunda posición de tal modo que dicho pistón se dispone entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho orificio de salida de permeado y que sustancialmente bloquea el flujo de fluido entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho orificio de salida de permeado, caracterizado porque entre dicho orificio de salida de permeado y dicho pistón está previsto un cilindro (02) que comprende diversos orificios (03), distribuidos uniformemente en la superficie del cilindro y conectando dichos orificios dicha cámara de permeado y dicho orificio de salida de permeado.
Description
Dispositivo de limpieza para membranas.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para limpiar membranas en sistemas de filtración de
flujo cruzado y a un dispositivo destinado a realizar el mismo.
El flujo cruzado es un procedimiento de
filtración convencional para limpiar fluidos. El principio del flujo
transversal se describe en detalle en M. Mulder: Basic Principles
of Membrane Technology publicado por Kluwer Academic Publishers,
3996 (ISBN
0-7923-4248-S) p.
475-478. En un sistema de flujo transversal el
caudal fluye paralelo a la superficie de la membrana mientras que el
fluido penetra los poros de la membrana en una dirección
perpendicular a la superficie de la membrana. Los contaminantes que
no pueden penetrar los poros de la membrana son arrastrados fuera
por el flujo o bien se retienen hasta cierto punto en la superficie
de la membrana. Por lo tanto el flujo se separa en dos partes: una
parte con un contenido creciente en contaminantes denominada el
concentrado y otra parte que se forma como resultado de la
filtración de la membrana que se denomina el permeado.
Como consecuencia del efecto de la filtración de
la membrana se forma una capa de contaminantes sobre la superficie
de la membrana. Dicha capa actuará como barrera adicional provocando
una disminución no deseada del flujo del permeado a través de la
membrana. Se pueden producir también efectos de la polarización de
la concentración en aquellos sistemas de filtración en los que los
gradientes de concentración se producen a partir de disoluciones,
provocando unos efectos de difusión retrógrada que pueden influir
considerablemente en el flujo del permeado de un modo negativo. Para
hacer frente dichos efectos se puede aumentar el flujo del caudal
(velocidad tangencial) para eliminar una cantidad importante de
contaminantes o para disminuir los gradientes, reduciendo de este
modo la resistencia de la barrera. Por supuesto, dicho incremento
del flujo del caudal consume una cantidad adicional de energía y
eventualmente requiere unas bombas más potentes de modo que se ha de
compensar el efecto beneficioso del incremento del flujo del
permeado con el efecto negativo del incremento de la energía
consumida y de la inversión en
bombas.
bombas.
El procedimiento de aumentar el flujo del caudal
puede resultar satisfactorio pero en un cierto número de casos el
flujo del permeado continúa siendo demasiado pequeño. Puede
introducirse otra técnica para eliminar la capa que se forma sobre
la superficie de la membrana. Dicha técnica se basa en un flujo
temporal inverso del permeado a través de la superficie de la
membrana, retirando la capa retenida y se describe como impulso
inverso (o flujo inverso o choque inverso). Durante dicho efecto de
limpieza por descarga se fuerza el movimiento hacia atrás de una
cantidad distinta de permeado a través de la superficie de la
membrana mediante la reducción de la presión inversa en la
membrana. Como consecuencia de la acción limpiadora del impulso
inverso se restablece el flujo original del permeado desde la
membrana "limpia". Tras la acción del impulso inverso, sin
embrago, el flujo disminuye gradualmente de nuevo como resultado de
la reconstrucción de la capa. Por lo tanto, el impulso inverso se
aplica de un modo intermitente, produciendo un comportamiento del
flujo del permeado en el tiempo del tipo diente de sierra. Como
resultado de ello, el valor medio del flujo del permeado durante un
período largo de tiempo resulta muy superior cuando se aplica el
método del impulso inverso simple.
Los diseños tradicionales de impulso inverso
implican un sistema de pistón, realizado en el interior de la
tubería del permeado, que comprende unas válvulas específicas
incorporadas en el interior del sistema de filtración. Resulta
necesaria por lo menos una válvula para cerrar el orificio de salida
del permeado durante el impulso inverso, permitiendo la formación de
la presión inversa en la membrana. En dichas configuraciones, sin
embrago, la velocidad práctica de cierre de las válvulas se
encuentra limitada y asimismo el período de cierre mediante la
acción del pistón ha de ser perfecto. A partir de dichos factores se
puede producir el funcionamiento no ideal del impulso inverso, con
un menor rendimiento global de permeado con el tiempo.
En los dispositivos clásicos de impulso inverso,
el volumen en el interior del dispositivo es normalmente un
"volumen muerto" durante la actividad sin impulso inverso,
creando posiblemente áreas de contaminación (por ejemplo,
acumulación de bacterias o de partículas).
En la patente US nº 5.512.167 se describe un
nuevo diseño en el que se combinan la acción del pistón y de la
válvula en un montaje.
El pistón realiza el movimiento de avance a
causa de la presión al mismo tiempo que el movimiento de retorno del
pistón se garantiza mediante el sistema de presión (presión del
permeado). Se necesita de este modo una presión mínima del permeado
para el funcionamiento normal del sistema de impulso inverso. El
movimiento del pistón es siempre el mismo, gastándose demasiada
cantidad de permeado en un cierto número de casos, produciendo una
menor eficacia del aparato de filtración. Dicho diseño, sin embargo,
pone de manifiesto algunos inconvenientes y defectos. El orificio de
salida del permeado es simplemente un orificio único y los aros del
conjunto de pistón y cilindro se deslizaran a lo largo de dicho
orificio de referencia cada vez que se realiza un impulso inverso,
con lo que se producirá una rápida degradación de los aros.
Un primer objetivo de la presente invención es
proporcionar un nuevo dispositivo de impulso inverso destinado a un
sistema de filtración de flujo cruzado que no introduzca un volumen
muerto grande en el sistema.
Un objetivo adicional de la presente invención
es proporcionar un dispositivo de impulso inverso que funcione
independientemente de la presión del permeado.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un dispositivo de impulso inverso que no se desgaste
con rapidez y que necesite poco mantenimiento.
La presente invención se refiere un dispositivo
de impulso inverso destinado a un sistema de filtración de flujo
cruzado que comprende una cámara de permeado, un orificio de entrada
de permeado, un orificio de salida de permeado, un pistón que
presenta una primera posición y una segunda posición y que se puede
desplazar entre dicha primera posición y dicha segunda posición,
siendo dicha primera posición de tal modo que dicho pistón no se
dispone entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho orificio
de salida de permeado y que permite que el fluido fluya entre dicho
orificio de entrada de permeado y dicho orificio de salida de
permeado, siendo dicha segunda posición de tal modo que dicho pistón
se dispone entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho
orificio de salida de permeado y que sustancialmente impide que el
fluido fluya entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho
orificio de salida de permeado, caracterizado porque entre dicho
orificio de salida de permeado y dicho pistón se encuentra un
cilindro que comprende diversos orificios, preferentemente
distribuidos uniformemente en la superficie del cilindro y
conectando dichos orificios dicha cámara de permeado y dicho
orificio de salida de permeado. El dispositivo de impulso inverso se
puede caracterizar además porque dicho pistón se acciona para
desplazarse a una posición comprendida entre la primera posición y
la segunda posición mediante un dispositivo neumático, pudiendo
dicho dispositivo neumático ejercer una fuerza superior a la presión
del permeado presente en la cámara de permeado.
En una primera forma de realización específica
de la presente invención, dicho dispositivo de impulso inverso se
caracteriza porque el pistón no se encuentra en contacto directo o
indirecto con el cilindro. Preferentemente, la tolerancia entre la
superficie del pistón y la superficie del cilindro está comprendida
entre 0,01 mm y 0,2 mm.
En una segunda forma de realización específica
de la presente invención, dicho dispositivo de impulso inverso se
caracteriza porque el pistón y el cilindro están montados uno con el
otro. Preferentemente, el conjunto montado de pistón y cilindro no
están en contacto directo o indirecto con la cámara de permeado.
Ventajosamente, la tolerancia entre la superficie del conjunto
montado de pistón y cilindro y la superficie de la cámara de
permeado está comprendida entre 0,01 mm y 0,2 mm.
El dispositivo de impulso inverso de la presente
invención se puede caracterizar además porque el desplazamiento del
pistón desde la segunda posición a la primera posición se acciona
mediante el mismo dispositivo que el movimiento desde la primera
posición a la segunda posición.
Preferentemente, el dispositivo de impulso
inverso de la presente invención comprende además una unidad de
control, controlando dicha unidad de control el desplazamiento del
pistón.
Otro aspecto de la presente invención se refiere
a un sistema de filtración de flujo cruzado que comprende el
dispositivo de impulso inverso como se ha descrito
anteriormente.
La presente invención se refiere también a un
procedimiento para limpiar la membrana de filtración de un sistema
de filtración de flujo cruzado, comprendiendo dicho sistema de
filtración de flujo cruzado un dispositivo de impulso inverso como
el que se ha descrito anteriormente, caracterizado porque las
siguientes etapas se repiten cíclicamente:
- \bullet
- el pistón se desplaza desde la primera posición hacia la segunda posición hasta que la presión del fluido en la cámara de permeado alcanza un valor predeterminado,
- \bullet
- el pistón se desplaza de vuelta a la primera posición, y
- \bullet
- el dispositivo de impulso inverso se detiene hasta que se inicia el siguiente ciclo.
El desplazamiento del pistón se acciona
preferentemente mediante un dispositivo neumático.
En una forma de realización ventajosa de la
presente invención, la presión transmembrana que se produce durante
el desplazamiento del pistón hasta la primera posición es inferior o
igual al de la presión transmembrana que se produce durante la
filtración normal, de modo que se evita el efecto de aspiración que
produce la recontaminación de la superficie de la membrana.
La figura 1 muestra el dispositivo de impulso
inverso según la presente invención.
La figura 2 ilustra un gráfico de la filtración
transversal según el procedimiento de la presente invención del
líquido de refrigeración de una máquina trituradora.
La figura 3 ilustra los resultados de la
filtración de una dispersión catalizadora utilizando el
procedimiento de la presente invención.
La figura 4 es un gráfico que describe el perfil
de presión de un impulso inverso corto con unas válvulas de descarga
bien ajustadas.
La figura 5 es un gráfico que describe el efecto
de una retracción rápida del pistón mediante subpresión en la cara
de permeado.
Se describirá más claramente la invención
utilizando unos ejemplos y unas figuras no limitativos.
Tal como se ilustra en la figura 1 el
dispositivo de impulso inverso comprende una cámara cilíndrica de
permeado 01 que incorpora un pistón 12 de impulso inverso accionado
(por ejemplo neumáticamente) por el cilindro 11. Cuando el pistón 12
de impulso inverso está en la posición retraída, el permeado entra
en el dispositivo de impulso inverso por la aleta 07 y sale del
dispositivo a través de los orificios 03 del cilindro 02 en la aleta
13. Cuando se acciona, el pistón 12 de impulso inverso se desplaza
por el cilindro 02 de modo que va cerrando gradualmente los
orificios 03 e impidiendo que el permeado fluya fuera del
dispositivo en la aleta 13. Desde el momento en que los orificios
están completamente bloqueados, el cilindro 11 de impulso inverso
puede incrementar la presión y desviar una cantidad específica del
permeado fuera del dispositivo en la aleta 07, de vuelta a la
membrana. El flujo inverso del permeado a través de la membrana
durante la acción del impulso inverso eliminará por lo tanto la
capa de la superficie de la membrana, que se ha acumulado durante la
filtración. De este modo, el dispositivo puede realizar ambas
funciones de cilindro de impulso inverso y de válvula, evitando la
construcción de una costosa válvula separada y los correspondientes
sistemas de temporización destinados a abrir y cerrar la(s)
válvula(s). El período cíclico habitual del nuevo diseño es
inferior a los 300 milisegundos produciéndose una interrupción
mínima del proceso de fil-
trado.
trado.
Otra ventaja es el flujo del permeado a través
del dispositivo de impulso inverso, que presenta un efecto limpiador
en el mismo, contrariamente a los dispositivos clásicos de impulso
inverso con un "volumen muerto" abierto a la contaminación (por
ejemplo la acumulación de bacterias o partícu-
las).
las).
La cámara 02 con múltiples orificios 03 en la
circunferencia proporciona una guía mucho más suave para el pistón
cuando se compara con un dispositivo con un único orificio. La
utilización de un único orificio como puerto de salida aumenta
substancialmente el riesgo de que se produzcan desperfectos en el
pistón 12. Otra mejora en relación con la durabilidad del pistón es
el espacio intermedio de 0,1 a 0,2 mm comprendido entre el pistón 12
y la cámara 02. Debido a la velocidad del pistón cuando se produce
el impulso inverso, la pérdida de permeado por dicho espacio
intermedio es insignificante. Ello significa que el pistón 12 no
necesita cerrarse herméticamente.
En un diseño alternativo el pistón 12 de impulso
inverso y el cilindro 02 se combinan en una pieza de modo que el
cilindro 02 y el pistón 12 se desplazan como una unidad en el
interior de la cámara de permeado 01.
En dicho caso, la acción de válvula de cierre se
produce en el instante en que el cilindro 02 penetra en la cámara de
permeado 01, y los orificios del interior 02 son herméticamente por
la cámara de permeado 01.
Las máquinas trituradoras adiamantadas se
utilizan para dar forma a los componentes de las cerámicas
industriales. Durante la trituración las superficies de las
herramientas trituradoras y el componente se enfrían mediante un
líquido, que consiste en una disolución acuosa al 2% de un medio
refrigerante. El material que se elimina del componente cerámico
durante la trituración es pulverulento y se dispersa en el fluido
refrigerante. La presencia de dichos contaminantes en el fluido
refrigerante resulta indeseable ya que influirá negativamente en la
calidad de la superficie del componente que se está moliendo y
producirá un desgaste acelerado de las herramientas y partes de las
máquinas. Los procedimientos de filtración tradicional cuando se
aplican filtros centrífugos o terminales (de vela) no resultan
adecuados. La filtración transversal proporciona un permeado de
calidad excelente y por lo tanto produce un líquido refrigerante
limpio. Los impulsos inversos, sin embargo, resultan necesarios para
garantizar un permeado suficiente de filtrado. La figura 2 ilustra
el efecto de los impulsos inversos en el flujo de permeado de dicho
líquido refrigerante. Con los impulsos inversos se obtiene un flujo
de permeado elevado de hasta aproximadamente 1700 l/h\cdotm^{2}.
A fin de ilustrar el efecto de los impulsos inversos se detuvieron
los mismos tras 35,8 h produciéndose una disminución del flujo de
permeado de aproximadamente 1700 l/h\cdotm^{2} a 600
l/h\cdotm^{2}. Al restablecer el régimen de impulsos inversos 3
horas más tarde, se limpió la membrana y se recuperó el valor del
flujo de permeado de aproximadamente 1700 l/h\cdotm^{2}.
En un reactor químico puede tratarse
satisfactoriamente una dispersión de un catalizador en polvo con un
sistema de microfiltración de flujo cruzado, a fin de poder reciclar
el catalizador del fluido. La disminución del flujo de permeado sin
impulsos inversos resulta inaceptable.
La figura 3 ilustra los resultados de la
filtración del catalizador en polvo. El flujo del permeado disminuye
hasta un valor de 700 l/h\cdotm^{2}. Sin los impulsos inversos,
el flujo del permeado disminuye todavía más en un minuto hasta un
valor inferior a 400 l/h\cdotm^{2} y posteriormente continúa
disminuyendo. Con los impulsos inversos el flujo se puede
restablecer a 700 l/h\cdotm^{2}, evitando asimismo que los
contaminantes se adhieran irreversiblemente a la superficie de la
membrana. Debido a la corta duración del impulso inverso del
dispositivo el proceso de filtración global no se interrumpió.
Independientemente de la frecuencia del impulso inverso de un
impulso por minuto, la presión transmembrana (TMP) de 1 bar no
presentó variaciones importantes. Con los sistemas clásicos con
períodos más largos de impulsos inversos, no se pueden evitar las
variaciones de presión.
Cuando una TMP baja proporciona unos resultados
óptimos, resulta preferible que la retracción del pistón no se vea
activada por la presión del permeado (bajo las condiciones de
filtración), ya que la TMP que se ha de aplicar para devolver el
pistón a la posición inicial será demasiado elevada. Algunos
dispositivos de filtración que utilizan la microfiltración de flujo
cruzado y una limpieza por impulsos inversos se optimizan a una TMP
inferior a 0,5 bar. Con dichos valores reducidos de TMP la presión
del permeado resulta inadecuada para el movimiento de retracción del
pistón. Por dicho motivo el dispositivo según la presente invención
puede presentar un cilindro neumático separado de modo que los
movimientos del pistón tanto hacia delante como hacia atrás se
puedan controlar completamente mediante la presión del aire y las
válvulas de descarga.
El control del impulso inverso se realiza
mediante un temporizador y dos válvulas de descarga. El temporizador
determina el período de impulso mientras que las válvulas de
descarga controlan la presión. La velocidad de la retracción del
pistón se ha de limitar a fin de evitar la subpresión en la cara del
permeado. En la figura 4 se ilustra un impulso inverso corto con
unas válvulas de descarga bien ajustadas. Una retracción rápida del
pistón con subpresión en la cara del permeado puede provocar que las
partículas se transporten de nuevo hacia la membrana. Dicho efecto
se ilustra en la figura 5. La TMP durante el retorno del pistón (20)
es superior a la TMP durante la filtración (21). En dicho caso ha
aumentado también el período del impulso inverso.
Claims (13)
1. Dispositivo de impulso inverso destinado a un
sistema de filtración de flujo cruzado que comprende una cámara de
permeado (01) para el filtrado, un orificio de entrada de permeado
(07), un orificio de salida de permeado (13), un pistón (12) que
presenta una primera posición y una segunda posición y que es capaz
de desplazarse entre dicha primera posición y dicha segunda
posición, siendo dicha primera posición de tal modo que dicho pistón
no se dispone entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho
orificio de salida de permeado y que permite que el fluido fluya
entre dicho orificio de entrada de permeado y dicho orificio de
salida de permeado, siendo dicha segunda posición de tal modo que
dicho pistón se dispone entre dicho orificio de entrada de permeado
y dicho orificio de salida de permeado y que sustancialmente bloquea
el flujo de fluido entre dicho orificio de entrada de permeado y
dicho orificio de salida de permeado, caracterizado porque
entre dicho orificio de salida de permeado y dicho pistón está
previsto un cilindro (02) que comprende diversos orificios (03),
distribuidos uniformemente en la superficie del cilindro y
conectando dichos orificios dicha cámara de permeado y dicho
orificio de salida de permeado.
2. Dispositivo de impulso inverso según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho pistón se
acciona para desplazarse a una posición comprendida entre la primera
posición y la segunda posición mediante un dispositivo neumático,
pudiendo ejercer dicho dispositivo neumático una fuerza que
sobrepase la presión del permeado presente en la cámara de permeado
(01).
3. Dispositivo de impulso inverso según las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el pistón (12)
no está en contacto directo o indirecto con el cilindro (02).
4. Dispositivo de impulso inverso según la
reivindicación 3, caracterizado porque la tolerancia entre la
superficie del pistón (12) y la superficie del cilindro (02) está
comprendida entre 0,01 mm y 0,2 mm.
5. Dispositivo de impulso inverso según las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el pistón (12) y
el cilindro (02) están montados uno con el otro.
6. Dispositivo de impulso inverso según la
reivindicación 5, caracterizado porque el conjunto montado de
pistón (12) y cilindro (02) no está en contacto directo o indirecto
con la cámara de permeado (01).
7. Dispositivo de impulso inverso según la
reivindicación 6, caracterizado porque la tolerancia entre la
superficie del conjunto montado de pistón (12) y el cilindro (02) y
la superficie de la cámara de permeado está comprendida entre 0,01
mm y 0,2 mm.
8. Dispositivo de impulso inverso según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado
porque el desplazamiento del pistón desde la segunda posición a la
primera posición se acciona mediante el mismo dispositivo que el
movimiento desde la primera posición a la segunda posición.
9. Dispositivo de impulso inverso según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado
porque dicho dispositivo comprende además una unidad de control,
controlando dicha unidad de control el desplazamiento del pistón
(12).
10. Sistema de filtración de flujo cruzado que
comprende el dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1
a 9.
11. Procedimiento para limpiar una membrana de
filtración de un sistema de filtración de flujo cruzado,
comprendiendo dicho sistema de filtración de flujo cruzado un
dispositivo de impulso inverso como el que se ha descrito según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado
porque las siguientes etapas se repiten cíclicamente:
- \bullet
- el pistón (12) se desplaza desde la primera posición hacia la segunda posición hasta que la presión del fluido en la cámara de permeado (01) alcanza un valor predeterminado,
- \bullet
- el pistón (12) se desplaza de vuelta a la primera posición, y
- \bullet
- el dispositivo de impulso inverso se detiene hasta que se inicia el siguiente ciclo.
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado porque el desplazamiento del pistón (12) se
acciona mediante un dispositivo neumático.
13. Procedimiento según las reivindicaciones 11
ó 12, caracterizado porque durante el desplazamiento del
pistón (12) hacia la primera posición, la presión transmembrana
sigue siendo inferior o igual a la presión transmembrana que se
produce durante la filtración normal, de tal modo que se evita el
efecto de aspiración que produce la recontaminación de la superficie
de la membrana.
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