ES2588249T3 - Dispositivo y métodos de filtración de fluido y concentración de partículas - Google Patents

Dispositivo y métodos de filtración de fluido y concentración de partículas Download PDF

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Abstract

Un dispositivo de filtración de fluido (10) que comprende: un alojamiento hueco (100) que comprende una entrada sin filtrar (101) y una salida filtrada (102); un conjunto de filtro hueco (200) situado dentro del alojamiento (100) y que comprende un material de filtro (232) con una superficie interior lisa y una superficie exterior; y un conjunto de limpieza giratorio (300) que comprende una escobilla (316) situada dentro del conjunto de filtro (200) que se extiende la longitud del filtro; caracterizado por que el conjunto de limpieza (300) comprende un distribuidor (310) que tiene un extremo abierto que se comunica con la entrada sin filtrar (101) en el alojamiento (100) y que tiene una o más aberturas (314) a lo largo de su longitud y que se extiende la longitud del filtro.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo y metodos de filtracion de fluido y concentracion de partfculas
La presente solicitud se refiere a la filtracion de partfculas de corrientes de fluido y, mas espedficamente, a sistemas de filtro y su uso.
Antecedentes de la invencion
Los sistemas de filtro contienen dispositivos de limpieza, tales como cepillos de limpieza, dispositivos de exploracion por succion y mecanismos de retrolavado. Estos dispositivos se accionan mediante diversos medios que incluyen a mano, motor, turbina o vortice. Sin embargo, los dispositivos de filtracion de fluido existentes tienen dificultad manejando grandes concentraciones de solidos en la corriente de fluido. Generalmente los mecanismos de limpieza que puede operar continuamente mientras el sistema filtra superan el rendimiento de aquellos que requieren que el sistema de filtracion se detenga para su limpieza. Y ademas, los mecanismo de limpieza continuos existentes a menudo sufren de fallos prematuros cuando el mdice de acumulacion de partfculas excede sus indices de limpieza limitadas.
El documento US 4085050 (sobre el que se basa el preambulo de la reivindicacion 1) divulga un dispositivo de filtracion con medios para la limpieza del filtro despues de que la operacion de filtrado haya terminado. El fluido a filtrarse se introduce a traves de un primer conducto y se introduce agua limpia para la limpieza del filtro a traves de un segundo conducto durante la limpieza y distribuida al filtro.
Sumario de la invencion
De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporcionan dispositivos de filtracion de fluido. En algunas realizaciones un dispositivo de filtracion de fluido comprende un alojamiento hueco que comprende una entrada y salida filtrada, un conjunto de filtro hueco situado dentro del alojamiento y un conjunto de limpieza giratorio situado dentro del filtro. El alojamiento hueco y/o el conjunto de filtro pueden ser cilmdricos. El conjunto de filtro comprende un material de filtro con una superficie interior y una superficie exterior y poros expandibles que son mas estrechos en la superficie interior que en la superficie exterior. El dispositivo de filtracion puede comprender un motor que gira el conjunto de limpieza.
El material de filtro puede comprender una superficie interior lisa y puede ser, por ejemplo, una rejilla de mquel electroformada. Los poros expandibles pueden ser poros con forma de ranura y en algunas realizaciones los poros con forma de ranura se orientan sustancialmente con el eje de giro del conjunto de limpieza. Los poros pueden ser por ejemplo, desde aproximadamente 1 micron (aproximadamente 1 pm) de ancho a aproximadamente 500 micrones (aproximadamente 500 pm) de ancho en el punto mas estrecho.
El conjunto de limpieza puede comprender una o mas escobillas, tales como cepillos, rasquetas o raspadores. En algunas realizaciones el conjunto de limpieza comprende una escobilla con forma de espiral. La escobilla puede precargarse contra la superficie interior del material de filtro. Sin embargo, en otras realizaciones la escobilla no toca el material de filtro.
En algunas realizaciones, el conjunto de limpieza comprende un distribuidor que tiene una o mas aberturas. El distribuidor puede comprender un tubo hueco orientado paralelo a y que se extiende la longitud del filtro cilmdrico. Adicionalmente el distribuidor puede comprender una o mas aberturas a lo largo de su longitud. El distribuidor tambien comprende un extremo abierto en comunicacion fluida con la entrada en el alojamiento.
Un regulador de contrapresion diferencial puede situarse en la salida filtrada del alojamiento. En algunas realizaciones el regulador de contrapresion diferencial se configura para mantener la presion a traves del material de filtro a menos de 5 psi. En otras realizaciones un regulador de presion puede situarse en la entrada y un regulador de contrapresion situado en la salida filtrada. En algunas de tales realizaciones, el regulador de presion y el regulador de contrapresion se configuran para mantener la presion a traves del filtro a menos de 5 psi (35 kPa).
En otras realizaciones, se proporciona un dispositivo de filtracion que comprende un alojamiento y un filtro anular dentro del alojamiento. El filtro puede comprender poros que son mas estrechos en una superficie interior del filtro que en la superficie exterior del filtro. En algunas realizaciones los poros pueden ser poros con forma de ranura. El alojamiento comprende una entrada que se comunica con la superficie interna del filtro y una salida que se comunica con un espacio entre la superficie externa del filtro y el alojamiento. Ademas, el dispositivo de filtracion comprende un regulador de contrapresion diferencial en la salida que se configura para regular la presion a traves del filtro a menos de aproximadamente 5 psi (aproximadamente 35 kPa). El filtro puede ser por ejemplo, una rejilla electroformada, tales como una rejilla de mquel electroformada.
En algunas realizaciones un conjunto de limpieza se situa dentro del filtro. El conjunto de limpieza puede comprender una escobilla.
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En otro aspecto, se proporcionan metodos de filtrado de fluido. En algunas realizaciones un dispositivo de filtracion se proporciona que comprende un alojamiento, un filtro anular situado dentro del alojamiento y un conjunto de limpieza que comprende una o mas escobillas situadas dentro del filtro. El filtro puede comprender una superficie interna, una superficie externa y poros que son mas anchos en la superficie externa que en la superficie interna. En algunas realizaciones el filtro es una rejilla de mquel electroformada.
El fluido se suministra en el interior del filtro y pasa a traves del filtro desde el interior al exterior. En algunas realizaciones el fluido se suministra en el interior del filtro a traves de un distribuidor situado dentro del filtro anular. El conjunto de limpieza se gira dentro del filtro de tal forma que la una o mas escobillas frotan la superficie interna del filtro. En algunas realizaciones una o mas escobillas contactan la superficie interna del filtro. En otras realizaciones las escobillas no contactan la superficie del filtro.
Al menos una de las escobillas puede ser, por ejemplo, un cepillo, rasqueta o raspador. En algunas realizaciones las escobillas son espirales. El frotado puede mover partfculas filtradas desde la superficie interna del filtro a una zona de recogida en un extremo del alojamiento.
En otras realizaciones, metodos de filtrado de un fluido comprenden pasar el fluido a traves de un filtro anular que comprende poros expandibles, en el que el filtro anular tiene una superficie interna y una superficie externa y los poros se expanden desde la superficie interna a la superficie externa. El fluido pasa del interior del filtro anular al exterior del filtro. La presion a traves del filtro puede mantenerse a menos de aproximadamente 5 psi (aproximadamente 35 kPa). En algunas realizaciones el filtro comprende una rejilla electroformada, tal como una rejilla de mquel electroformada.
En algunas realizaciones, el filtro puede situarse dentro de un alojamiento que comprende una entrada en comunicacion fluida con el interior del filtro y una salida en comunicacion fluida con el exterior del filtro. La presion puede mantenerse a traves del filtro usando un regulador de contrapresion diferencial situado en la salida. En otras realizaciones, la presion a traves del filtro se mantiene usando un regulador de presion diferencial en la entrada y un regulador de contrapresion en la salida. Aun en otras realizaciones, la presion a traves de la membrana se mantiene usando un regulador de presion en la entrada y un regulador de contrapresion en la salida.
La superficie interna del filtro puede frotarse con una o mas escobillas. Las escobillas puede girarse dentro del filtro anular.
Breve descripcion de los dibujos
En las figuras adjuntas se ilustran diversas realizaciones a modo de ejemplo. Numeros de referencia similares se refieren a elementos similares.
La Figura 1 es una vista en despiece que ilustra cada uno de los componentes principales de una realizacion de un sistema de filtro.
La Figura 2 es una ilustracion de un sistema de filtro donde el filtro se sella al alojamiento en cada extremo y el conjunto de limpieza comprende escobillas. El alojamiento, filtro y tapa se muestran de forma recortada mientras el conjunto de limpieza no se muestra de forma recortada. Debena apreciarse que el sistema de filtro de la Figura 2 no se encuadra dentro del alcance de la invencion.
La Figura 3 es una ilustracion de otra realizacion del sistema de filtro donde el conjunto de filtro se sella al alojamiento en cada extremo y el conjunto de limpieza comprende escobillas y un distribuidor. El alojamiento, filtro y tapa se muestran de forma recortada mientras el conjunto de limpieza no se muestra de forma recortada. La Figura 4 es una ilustracion de una realizacion del sistema de filtro donde el conjunto de filtro se sella al alojamiento en un extremo y la tapa en el otro extremo y el conjunto de limpieza comprende escobillas y un distribuidor. El alojamiento, filtro y tapa se muestran de forma recortada mientras el conjunto de limpieza no se muestra de forma recortada.
La Figura 5 ilustra una realizacion del conjunto de filtro que comprende una estructura de soporte de filtro y un material de filtro.
La Figura 6 es una ilustracion esquematica de una seccion transversal de un material de filtro que tiene una superficie de trabajo lisa y poros expandibles.
La Figura 7 es una ilustracion esquematica de una seccion transversal de un material de filtro que tiene poros expandibles y una superficie de trabajo lisa en la que el lfmite de la abertura del poro en la anchura minima de la abertura del poro (la parte del poro mas estrecha) define sustancialmente el punto local mas alto en la superficie de trabajo.
La Figura 8 ilustra una porcion de la superficie de un material de filtro que comprende un patron alternante de poros con forma de ranura.
La Figura 9 ilustra una porcion de la superficie de un material de filtro que comprende un patron no alternante de poros con forma de ranura.
La Figura 10 ilustra un surco en un conjunto de limpieza que captura el refuerzo flexible de una escobilla.
La Figura 11 ilustra una realizacion del conjunto de limpieza que comprende un distribuidor con agujeros espaciados uniformemente dispuestos en un patron espiral.
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La Figura 12 ilustra una realizacion del conjunto de limpieza que comprende un distribuidor con ranuras dispuestas en un patron espiral.
La Figura 13 ilustra una realizacion del sistema de filtro en corte que muestra el conjunto de limpieza soportado por el tubo de entrada.
La Figura 14 ilustra una realizacion del sistema de filtro en corte que muestra el conjunto de limpieza soportado por un arbol de transmision en un extremo del alojamiento.
La Figura 15 es una realizacion del conjunto de limpieza donde la escobilla espiral forma un divisor que divide la zona de recogida de la zona de distribucion del alojamiento.
La Figura 16 es una representacion esquematica de un sistema de filtro con una disposicion de diversos componentes del sistema de fluido que pueden usarse para operar el sistema de filtro.
Descripcion detallada
Los metodos, sistemas y componentes descritos en este documento se refieren a sistemas de filtro para separar solidos de fluidos. Los fluidos puede comprender aire u otro gas; o agua, petroleo, combustible u otro lfquido. En algunas aplicaciones el fluido es el producto final. Tales aplicaciones puede incluir, pero no estan limitadas a, agua potable, aguas residuales, agua reciclada, irrigacion, piscinas, procesamiento de alimentos y bebidas, agua producida a partir de la produccion de petroleo y gas, torres de refrigeracion, centrales electricas y aguas de lastre marina o de sentina. A modo de ejemplo, el agua potable a menudo se produce mediante una serie de filtros que retiran las partfculas y contaminantes cada vez mas finos. Un primer o segundo nivel de filtracion puede comprender una criba automatica para retirar partfculas de hasta 10 micrones (10 pm) de diametro. El agua filtrada podna transportarse a un filtro mas fino como un ultra filtro, micro filtro o filtro de osmosis inversa. Algunas realizaciones de los sistemas de filtro descritas en este documento son muy adecuadas para esta aplicacion.
En otras aplicaciones, tales como produccion de biocombustible y otras tecnologfas de biomasa, un material en partfculas se separa de una corriente de fluido y el solido filtrado es el producto deseado. A modo de ejemplo, pueden recolectarse algas del agua en la que crece con el proposito de hacer biodiesel. Las algas se filtran primero del agua y se concentra en una pasta. El aceite se extrae de la algas mediante extraccion con disolventes u otros medios y a continuacion se convierte en biodiesel a traves de un proceso qmmico llamado transesterificacion. Algunas realizaciones de los sistemas de filtro descritas en este documento son muy adecuadas para retirar algas de su medio lfquido de crecimiento para estos propositos.
Alojamiento y Conjunto de Tapa
En algunas realizaciones, un sistema de filtro comprende un alojamiento hueco, un conjunto de filtro hueco, un conjunto de limpieza y un conjunto de tapa. Una realizacion de tal sistema de filtro se ilustra en la Figura 1. El sistema de filtro 10 como se ilustra en la Figura 1 comprende un alojamiento hueco 100, un conjunto de filtro hueco 200, un conjunto de limpieza 300 y un conjunto de tapa 400.
El alojamiento hueco puede tomar cualquiera de una variedad de formas. En la realizacion ilustrada el alojamiento hueco 100 tiene generalmente una forma cilmdrica y comprende de una o mas partes acopladas juntas, tales como mediante sujetadores, una abrazadera de banda v u otros conectores adecuados. Adicionalmente el sistema de filtro 10 tiene un conjunto de tapa 400 en un extremo del alojamiento 100 que tambien se acopla al alojamiento 100, por ejemplo mediante uno o mas sujetadores, una abrazadera de banda v u otros conectores adecuados. El alojamiento 100 y conjunto de tapa 400 pueden fabricarse de una o mas de una variedad de materiales, ejemplos de los cuales son plastico, fibra de vidrio, acero inoxidable y acero recubierto de epoxi.
El conjunto de filtro tiene habitualmente forma anular. Como se ilustra, el conjunto de filtro 200 toma la forma de un cilindro hueco y se situa dentro de y concentrico con el alojamiento 100. El conjunto de filtro 200 comprende un material de filtro, tal como una membrana de filtro, y en algunas realizaciones puede comprender un armazon de filtro u otra estructura de soporte. En algunas realizaciones el conjunto de filtro esta generalmente abierto en ambos extremos y contacta el alojamiento, por ejemplo a traves de una junta en uno o ambos extremos. Ejemplos de juntas son juntas toricas, juntas en X, juntas en U y juntas planas. En la realizacion ilustrada, el conjunto de filtro 200 sella el alojamiento 100 en un extremo y el conjunto de tapa 400 en el otro extremo. La tapa asf como el otro extremo del alojamiento pueden ser planos, semielfptico, semiesferico u otra forma adecuada.
La combinacion de alojamiento y tapa tiene una o mas de cada una de una entrada, una salida filtrada y una salida de drenaje. En algunas realizaciones una o mas entradas generalmente se situan en un extremo del sistema de filtro, mientras una o mas salidas filtradas y salidas de drenaje generalmente se situan en extremos opuestos del sistema de filtro de la una o mas entradas. En otras realizaciones, pueden usarse otras disposiciones. La una o mas entradas y salidas pueden posicionarse en cualquier combinacion de la pared lateral del alojamiento, el extremo del alojamiento y la tapa. Las entradas proporcionan una trayectoria para que el fluido fluya de una fuente al interior del conjunto de filtro donde contacta con la superficie de trabajo del material de filtro. La salida filtrada proporciona una trayectoria para fluidos que han pasado a traves del material de filtro para salir del alojamiento. Las salidas de drenaje proporcionan una trayectoria para fluidos y/o solidos que no pasan a traves del material de filtro para ser retiradas del alojamiento.
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Cuando el conjunto de filtro se sella al alojamiento, como se ilustra en las Figuras 2 y 3, o al alojamiento y tapa como se ilustra en la Figura 4, se crean una zona afluente sin filtrar 210 y una zona efluente filtrada 212 que se comunican solo a traves del material de filtro 214. La entrada 101, zona de entrada 118 y salida de drenaje 103 se comunican con la zona afluente 210 en el interior del filtro 214, mientras la salida filtrada 102 se comunica con la zona efluente filtrada 212 en el exterior del filtro 214. La salida de drenaje 103 puede estar en comunicacion con una zona de recogida 116 donde se recogen fluido sin filtrar y solidos filtrados. Los solidos que se recogen en la superficie de trabajo del material de filtro 214 durante la operacion del sistema de filtro 10 pueden moverse mediante la accion de las escobillas 316 a la zona de recogida. Un divisor 325 puede situarse entre la zona de recogida 116 y la zona sin filtrar 210. En algunas realizaciones, por ejemplo cuando el fluido filtrado es un lfquido, la salida filtrada 102 se situa y el alojamiento se orienta para facilitar la expulsion de aire del sistema. Esto puede lograrse, por ejemplo, posicionando la salida filtrada 102 en o sobre el punto mas alto del material de filtro 214. De esta manera hay poca o ninguna necesidad de una valvula de purga de aire. Sin embargo, no se requieren dichas orientaciones de la salida filtrada 102 y del alojamiento y en algunas realizaciones el alojamiento 100 comprende una valvula de purga de aire.
Las Figuras 2 y 3 ilustran disposiciones donde la entrada 101 se situa en el mismo extremo del alojamiento que la salida filtrada 102, aunque en paredes laterales opuestas. La Figura 4 ilustra otra realizacion donde la entrada 101 se situa en el mismo extremo del alojamiento que la salida de drenaje 103.
Conjunto de filtro
En algunas realizaciones un conjunto de filtro cilmdrico hueco 200 comprende un material de filtro 232 y una estructura de soporte 230, como se ilustra en la Figura 5. En algunas realizaciones, sin embargo, el material de filtro 232 no requiere de una estructura de soporte 230 y por lo tanto no se usara una estructura de soporte. En algunas realizaciones el material de filtro es un filtro de superficie. En las disposiciones ilustradas en las Figuras 2, 3 y 4, el fluido pasa de la zona afluente 210 en interior del filtro a la zona efluente 212 en el exterior del filtro. De esta manera las partmulas filtradas se recogen en la superficie de trabajo interior del filtro 214. Materiales adecuados de filtro incluyen pero no se limitan a rejillas electroformadas, filtros de discos apilados, tejidos y membranas, metales tejidos, rejillas de metal grabadas y filtros de alambre trapezoidal. El material de filtro puede disponerse para formar una estructura anular, como en la realizacion ilustrada en la Figura 5.
En algunas realizaciones se usa una estructura de soporte. Por ejemplo, con materiales de filtro finos, tales como rejillas, tejidos y otras membranas, puede usarse una estructura de soporte para mantener la forma deseada, habitualmente una forma anular o cilmdrica. La estructura de soporte puede tambien contener juntas en cada extremo del filtro o hacer contacto con las juntas en cada extremo del alojamiento. En algunas realizaciones se usa una estructura de soporte de plastico de PVC para soportar un material de filtro cilmdrico hueco. En otras realizaciones, una estructura de soporte comprende aberturas, donde las aberturas estan cubiertas con el material de filtro.
Una estructura de soporte puede consistir en una o mas partes. Como se ilustra en la Figura 5, la estructura de soporte 230 puede montarse a partir de tres piezas que incluyen dos tapones de extremo tubulares solidos 201 y una seccion central de apoyo 202 con una malla de nervaduras 238. Cada uno de los tapones de extremo 201 puede comprender una junta. Por ejemplo, cada tapon de extremo 201 puede tener un surco de junta torica para contener una junta torica 220. En realizaciones donde el soporte 230 se hace de PVC, puede usarse cemento de disolvente de PVC para unir las tres piezas estructurales y simultaneamente capturar los extremos abiertos del cilindro de material de filtro. En otras realizaciones del conjunto de filtro el material de filtro se coloca en un modo de inyeccion y el armazon se moldea directamente en el material de filtro en una o mas fases. Puede hacerse un armazon de plastico de cualquier numero de plasticos adecuados incluyendo, por ejemplo, PVC, polipropileno y policarbonato. En otras realizaciones de la invencion la una o mas partes de la estructura de soporte estan hechas de acero inoxidable u otros materiales adecuados y soldadas o unidas al material de filtro. En realizaciones adicionales la seccion central de apoyo se hace de una envoltura de un material de rejilla que puede ser, por ejemplo, plastico o metal y que puede soldarse o unirse al material de filtro. En otras realizaciones el material de filtro puede soportarse por un alambre trapezoidal envuelto en una forma espiral alrededor del exterior del material de filtro.
La diferencia de presion a traves del material de filtro, tambien referida en este documento como presion transmembrana (incluso aunque el material de filtro no siempre es una membrana), provoca flujo a traves del material de filtro. La presion transmembrana habitualmente se mantiene en un valor constante durante todo el proceso de filtrado, pero puede variar en ciertas circunstancias, tales como, para la limpieza. En algunas realizaciones la presion transmembrana puede ser de aproximadamente 10 psi (aproximadamente 70 kPa) o menos, por ejemplo de aproximadamente 0,1 a 10 psi (aproximadamente 0,7 a 69 kPa). En otras realizaciones la presion transmembrana puede ser de aproximadamente 0,1 a 3 psi (aproximadamente 0,7 a 21 kPa), de 0,1 a 2 psi (0,7 a 14 kPa) o de 0,1 a 1 psi (0,7 a 7 kPa). Puede producirse un salto repentino de la presion si el filtro se tapona de repente. Por esta razon el filtro generalmente se disena para sufrir presiones diferenciales en el intervalo de al menos 20 a 30 psi (al menos 140 a 210 kPa), pero en algunas realizaciones puede sufrir presiones tan altas como de 150 psi (tan altas como de 1 MPa) o mas.
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Como se ha mencionado anteriormente, materiales de filtro adecuados incluyen pero no se limitan a rejillas electroformadas, filtros de discos apilados, tejidos y membranas, tales como tejidos y membranas de plastico, metales tejidos, rejillas de metal grabadas y filtros de alambre trapezoidal. En algunas realizaciones, el material de filtro comprende poros con una anchura maxima de aproximadamente 0,1 micron (aproximadamente 0,1 pm) a aproximadamente 1500 micrones (aproximadamente 1,5 pm). En otras realizaciones, los poros pueden tener una anchura maxima de aproximadamente 1 a aproximadamente 500 micrones (aproximadamente 1 pm a aproximadamente 0,5 pm) o de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 micrones (aproximadamente 1 pm a aproximadamente 50 pm). La variacion en la anchura de los poros a traves de un filtro puede ser una caractenstica importante del material de filtro. En algunas realizaciones la variacion absoluta de la anchura de los poros se minimiza. Tambien es comun medir la variacion como un porcentaje del ancho de los poros. En algunas realizaciones la variacion del ancho de los poros puede oscilar desde aproximadamente un +1 % a aproximadamente un +30 %. En otras realizaciones tales como con rejillas electroformadas de precision la precision puede medirse en micrones oscilando desde aproximadamente +0,1 micron (aproximadamente +0,1 pm) a aproximadamente +5 micrones (aproximadamente +5 pm). En algunas realizaciones el material de filtro comprende poros expandibles, que son mas estrechos en la superficie de trabajo que en la superficie opuesta. Sin embargo, puede usarse una variedad de formas de poros y el experto en la materia puede seleccionar un material de filtro que tiene poros con la anchura, la forma y otros atributos apropiados para una aplicacion particular.
En algunas realizaciones el material de filtro es una rejilla electroformadas de precision. La rejilla electroformada puede hacerse de un numero de materiales, por ejemplo, mquel, oro, platino y cobre. Un material de filtro de este tipo puede comprender una superficie de trabajo sustancialmente lisa y poros expandibles con forma regular. Es decir, los poros son mas estrechos en la superficie de trabajo que en la superficie opuesta. En algunas realizaciones los poros pueden ser conicos. Pueden usarse rejillas de este tipo que tienen poros que oscilan en tamano desde aproximadamente 1500 micrones (aproximadamente 1,5 pm) hasta a aproximadamente 0,1 micron (aproximadamente 0,1 pm) en el punto mas estrecho, pero variaciones de la tecnologfa puede utilizar poros mas grandes o mas pequenos. En algunas realizaciones se usa una rejilla electroformada de precision para filtracion en el intervalo de 5 a 50 micrones (5 a 50 pm) y tiene poros con una anchura correspondiente en el punto mas estrecho.
En algunas realizaciones se usa un material de filtro que comprende una rejilla de mquel electroformada de precision. Una rejilla de este tipo se denomina Veconic Plus Smooth, fabricada por y disponible en Stork Veco BV de los Pafses Bajos. Veconic Plus Smooth es especialmente muy adecuada para filtracion en el intervalo de aproximadamente 5 a 50 micrones (aproximadamente 5 a 50 pm).
Un material de filtro puede comprender poros donde las superficies internas de un poro puede ser rectas, concavas o convexas. En algunas realizaciones, como se ilustra en la Figura 6, el material de filtro 232 comprende poros donde el perfil del poro es sustancialmente mas estrecho en la superficie de trabajo 214 del filtro. En algunas realizaciones donde el filtro es un filtro cilmdrico o anular, la superficie de trabajo puede ser la superficie interna. El poro puede permanecer con la misma anchura o volverse mas ancho a traves del filtro desde la superficie de trabajo interna o interior a la superficie externa o exterior. En algunas realizaciones los poros comprenden una zona en expansion 236 y se abren progresivamente mas anchos desde la superficie de trabajo hacia la superficie opuesta. De esta manera, las partfculas 242 lo suficientemente pequenas para entrar en una abertura de poro 234 tienen una pequena o ninguna posibilidad de quedarse atascadas dentro de un poro 236. Los filtros de superficie de este tipo atapan partfculas 240 que son demasiado grandes para pasar a traves del material de filtro en su superficie de trabajo 214, a menudo en la boca de un poro 234, donde un mecanismo de limpieza pueden actuar sobre ellas.
En algunas realizaciones la superficie de trabajo del filtro es lisa. Aunque la superficie de trabajo lisa del filtro puede ser sustancialmente plana, tambien puede tener pequenas y desiguales caractensticas, por ejemplo como se ilustra en la Figura 7. Estas desiguales caractensticas pueden ser escalones bruscos 238 o valles graduales 239. Sin embargo, el filtro preferentemente se estructura de tal forma que durante la filtracion las partfculas que no son capaces de pasar a traves de los poros se retienen en el punto local mas alto en la superficie de trabajo.
En algunas realizaciones la parte mas estrecha de la abertura de poro 233 sustancialmente define el punto mas alto en la superficie de trabajo 214 en las inmediaciones del poro. En otras realizaciones, la parte mas estrecha de la abertura de poro 231 puede estar ligeramente por debajo del punto local mas alto en la superficie de trabajo lisa 214, por ejemplo la parte mas estrecha de la abertura de poro puede estar a una profundidad menor que la mitad de la anchura de la abertura de poro. Por lo tanto, para un poro con la abertura mas estrecha de 20 micrones (20 pm), la abertura de 20 micrones (20 pm) sena menos de 10 micrones (10 pm) por debajo el punto mas alto en la superficie de trabajo lisa en las inmediaciones del poro. Esto hace posible que un mecanismo de limpieza haga contacto sustancial con partfculas que bloquean los poros 240 y las quite frotando de las aberturas de los poros. El area del material de filtro entre los poros se denomina como las barras 252.
Los poros pueden tener muchas formas de forma en planta, ejemplos de las cuales son circular, cuadrada o en forma de ranura. Los poros con forma de ranura 250, que son mas largos que anchos, como se ilustra en las Figuras 8 y 9, se usan en algunas realizaciones y tienden a ofrecer menor resistencia a fluidos que un numero de poros circulares o cuadrados mas pequenos que tienen el mismo area abierta combinada. El inconveniente de los poros
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con forma de ranura 250 es que pueden pasar largas partmulas delgadas que son esencialmente mas grandes que la anchura de la ranura, pero estas partmulas son muchos menos comunes. Sin embargo, en algunas realizaciones se usan poros con forma circular, cuadrada o irregular.
En algunas realizaciones, los filtros pueden tener un grosor de aproximadamente 10 a 10.000 micrones (aproximadamente 10 pm a 10 mm). Esto se ilustra como el grosor de barra 253 en una realizacion ejemplar en la Figura 7. Las rejillas de mquel electroformadas, como se usan en algunas realizaciones, generalmente tienen un grosor de 150 a 300 micrones (150 pm a 0,3 mm), aunque pueden ser mas gruesas o mas. Una lamina de material de filtro tiene muchos poros y en algunas realizaciones sustancialmente todos los poros tienen aproximadamente la misma longitud y anchura. Los poros pueden tener cualquier forma. En algunas realizaciones son circulares. En otras realizaciones los poros son mas largos que anchos. En algunas realizaciones la longitud de cada poro es generalmente de aproximadamente 400 a 500 micrones (aproximadamente 0,4 mm a 0,5 mm), por ejemplo de aproximadamente 430 micrones (aproximadamente 0,43 mm), pero pueden ser mas grandes o mas pequenos. El ancho de los poros puede seleccionarse para la aplicacion de filtracion particular. En algunas realizaciones, se usan los anchos en el intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1500 micrones (aproximadamente 0,1 pm a aproximadamente 1,5 mm), de 1 a 500 micrones (1 pm a 0,5 mm) o de 1 a 50 micrones (1 pm a 50 pm). En algunas aplicaciones, como la recoleccion de microalgas o celulas de levadura sin floculacion, pueden usarse anchos desde aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 micron (aproximadamente 0,1 pm a aproximadamente 1 pm).
En algunas realizaciones los poros generalmente pueden disponerse en un patron de tablero de ajedrez alternante como con los poros 252 en la Figura 8, pero tambien pueden disponerse en un patron no alternante, como en la Figura 9. Las barras 253 tambien se muestran en las Figuras 8 y 9. Las rejillas con patrones no alternantes son generalmente mas fragiles que aquellas con patrones alternantes, que tienden a ser mas flexibles.
En algunas realizaciones el area abierta acumulativa de todos los poros para un material de filtro se maximiza para el mdice de filtrado. Para poros mas pequenos el numero de poros por unidad de longitud puede maximizarse en cualquier direccion. Con muchas rejillas, tales como rejillas de mquel electroformadas que tienen poros expandibles, el area abierta acumulativa de poros tiende a ser inversamente proporcional al grosor de la lamina, es decir, las laminas mas gruesas tiene menos poros. Muchas variables influyen en el numero de poros por unidad de longitud en una direccion dada, una de la cuales es el proceso litografico mediante el cual se hacen las rejillas.
En algunas realizaciones una rejilla puede tener un grosor de aproximadamente 200 micrones (aproximadamente 0,2 mm) con poros que son aproximadamente 20 micrones (aproximadamente 20 pm) de ancho por aproximadamente 430 micrones (aproximadamente 0,43 mm) de largo y dispuestos en una malla de aproximadamente 160 poros por pulgada (aproximadamente 6.300 poros por metro) en la direccion perpendicular a las ranuras y aproximadamente 40 poros por pulgada (aproximadamente 1.570 poros por metro) paralelos a las ranuras. Esto equivale a un area abierta de aproximadamente el 9%.
En algunas realizaciones el material de filtro toma la forma de una estructura hueca tales como un cilmdrico hueco o estructura anular. Cilindros huecos sin soldadura puede usarse y puede fabricarse, por ejemplo, en un proceso de electroformacion. En otras realizaciones, los cilindros pueden hacerse de laminas de material de filtro que se sueldan formando un cilindro. Los metodos de unir bordes de costura son conocidos en la tecnica y pueden incluir, por ejemplo, soldadura por resistencia o soldadura blanda. De esta manera, pueden hacerse cilindros de material de filtro de cualquier tamano y longitud.
En algunas realizaciones un material de filtro, tales como una rejilla de mquel electroformada u otro tipo de rejilla de metal electroformada, se hace inicialmente en una lamina cuadrada, tal como una lamina de un metro por cada lado y a continuacion se recorta al tamano correcto para el filtro. El material de filtro puede hacerse en laminas mas grandes o pequenas dependiendo de la forma en la que se manufacturan, por ejemplo, dependiendo del equipo de electroformacion disponible. La lamina recortada es flexible y se mantiene en la forma de un cilindro mientras los bordes de costura se sueldan por resistencia, por soldadura de plata o se unen por otro proceso conocido por algun experto en la materia.
En algunas realizaciones, el material de filtro esta recubierto con uno o mas materiales para proporcionar o mejorar una propiedad deseada. Por ejemplo, pueden usarse recubrimientos de aleacion de mquel-fosforo, aleacion de cromo u otras aleaciones de metales adecuadas para transmitir atributos tales como dureza y resistencia a la corrosion. En otros ejemplos, un material de filtro puede recubrirse con plata por sus propiedades antimicrobianas o un compuesto que contenga PTFE por su baja friccion. En algunas realizaciones, una rejilla de mquel electroformada generalmente comprende una base de mquel y puede incluir uno o mas recubrimientos adicionales, tales como aquellos descritos anteriormente.
La obstruccion del filtro generalmente se produce en dos fases. Inicialmente las partmulas bloquean los poros del material de filtro reduciendo el area abierta efectiva. Esto se denomina simplemente “bloqueo de poro”. En segundo lugar una capa de partmulas se recoge en la superficie del material de filtro creando lo que se denomina una capa “de torta” y esto provoca un mdice de filtrado cada vez menor. La filtracion de flujo cruzado se ha mostrado ser efectiva en retrasar la obstruccion, por ejemplo, en conjuncion con rejillas de mquel electroformadas. Este modo de
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operacion generalmente se considera la solucion elegante para la obstruccion del filtro, pero la corriente de flujo cruzado limita el mdice de recuperacion final de afluente cuando lo filtrado es el producto deseado; y en consecuencia limita la concentracion de solidos maxima en aplicaciones tales como la recoleccion de algas y levaduras, donde lo desechado es el producto.
Los filtros de superficie son muy adecuados para limpiarse en el sitio a traves de medios mecanicos. Pueden usarse un numero de tecnolog^as de limpieza mecanica automatizadas, solas o en combinacion, en diversas realizaciones de los sistemas de filtro y metodos desvelados. En algunas realizaciones puede usarse el retrolavado. En el retrolavado el flujo hacia delante a traves del filtro es detenido en su totalidad y revertido temporalmente para desalojar las partmulas que bloquean los poros asf como toda la capa de torta. Este lfquido de retrolavado que contiene solidos se desecha a traves de una valvula de escape, tal como una salida de drenaje. En ocasiones se combina con la operacion de un cepillo o escobilla de limpieza para ayudar con la limpieza de la rejilla de filtro. En otras realizaciones pueden usarse exploracion por succion. En este punto una mas boquillas exploran la superficie del filtro. Estas boquillas tienen una gran fuerza de succion que provocan que el lfquido fluya hacia atras localmente a traves del filtro de rejilla en las inmediaciones de la boquilla. Esto arranca la torta de filtro de la rejilla y la envfa a una valvula de escape donde se desecha. De esta manera una pequena porcion de la rejilla de filtro se limpia mientras el resto de la rejilla continua operando con normalidad. Mientras los filtros de retrolavado generales tienen momentos de inactividad durante sus ciclos de limpieza, los filtros de exploracion por succion continuan operando aunque a un mdice de flujo neto menor. Como con la filtracion de flujo cruzado, la corriente de retrolavado en ambos sistemas limita el mdice de recuperacion final de afluente donde lo filtrado es el producto deseado; y limita la concentracion de solidos maxima donde lo desechado es el producto.
En algunas realizaciones de la invencion descritas en este documento, el material de filtro se limpia exclusivamente usando una escobilla. Por lo tanto, no se emplean el retrolavado y/o el flujo cruzado. En otras realizaciones, el material de filtro se limpia mediante retrolavado o flujo cruzado. En algunas realizaciones el material de filtro se limpia mediante una escobilla en conjuncion con un retrolavado, flujo cruzado o ambos. Las rejillas de mquel electroformadas que tienen poros expandibles y una superficie de trabajo lisa son muy adecuadas para limpiarse con una escobilla.
Durante la limpieza las partmulas desechadas se mueven a traves de la superficie del material de filtro, por ejemplo por medio de una escobilla y/o una velocidad de flujo cruzado. Generalmente es ventajoso orientar los poros con forma de ranura del material de filtro con su dimension larga sustancialmente perpendicular a la trayectoria probable de una partmula desechada. Por lo tanto en algunas realizaciones el material de filtro comprende poros con forma de ranura que estan orientas de tal forma que el aspecto largo de los poros es perpendicular a la direccion de movimiento de una escobilla.
Cuando una escobilla es sustancialmente recta y gira dentro de un filtro cilmdrico, las partmulas se mueven de forma mas circular alrededor del filtro que de forma axial hacia abajo en el filtro. En este caso las ranuras pueden orientarse con el eje del filtro.
Una escobilla tambien puede tomar la forma de una espiral en cuyo caso las partmulas pueden empujarse a traves de una trayectoria espiral en la superficie de un filtro cilmdrico. Dependiendo del paso de la espiral, la trayectoria puede ser mas a lo largo del eje del filtro o mas a lo largo de la circunferencia del filtro. Si el material de filtro comprende poros con forma de ranura, las ranuras pueden orientarse perpendiculares a esa trayectoria, aunque una orientacion axial o circunferencial pura se usa en algunas realizaciones, por ejemplo debido a limitaciones de manufactura.
Conjunto de limpieza - Escobillas
Un conjunto de limpieza habitualmente se posiciona dentro el conjunto de filtro y en algunas disposiciones comprende una o mas escobillas, por ejemplo como se ilustra en la Figura 2. El fluido puede moverse desde la entrada del alojamiento para contactar la pared interior del material de filtro pasando alrededor del conjunto de limpieza, por ejemplo como se ilustra en la Figura 2, o a traves del conjunto de limpieza, por ejemplo como se ilustra en las Figuras 3 y 4. Partmulas filtradas se recogen en la superficie de trabajo interior del filtro y cuando el conjunto de limpieza se gira las escobillas limpian la superficie de trabajo del filtro generalmente moviendo las partmulas filtradas a lo largo de la superficie y recogiendolas delante de la escobilla. Las escobillas tambien pueden despegar partmulas de la superficie de vuelta al fluido o a las mismas escobillas.
La una o mas escobillas pueden ser rectas o tomar otras formas utiles. En algunas realizaciones las escobillas toman una forma sustancialmente espiral a lo largo de la longitud del conjunto de limpieza. Vease, por ejemplo, las escobillas 316 en las Figuras 3 y 4. En algunas realizaciones el conjunto de limpieza comprende una unica escobilla con forma espiral. En otras realizaciones, el conjunto de limpieza comprende dos o mas escobillas con forma espiral. Las escobillas con forma espiral empujan las partmulas a lo largo de la superficie del filtro hacia un extremo del alojamiento, donde pueden ser recogidas en una zona de recogida. La concentracion de partmulas en la escobilla aumentara habitualmente en la direccion de la zona de recogida del alojamiento.
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En algunas realizaciones una o mas escobillas con forma espiral tienen un paso fijo y en otras realizaciones tienen un paso variable. Un paso tfpico de la escobilla espiral, por ejemplo para un filtro cilmdrico de 4 pulgadas (100 mm) de diametro, sena un giro completo por cada 6 pulgadas (150 mm) de conjunto de limpieza o, en otras palabras, 60 grados por pulgada (por 25 mm), pero podna ser menos o mas. En algunas realizaciones la escobilla o escobillas en espiral tienen un paso de aproximadamente 10 a aproximadamente 360 grados por pulgada (por 25 mm). Las escobillas de paso variable tienen un paso que cambia a lo largo de la longitud del conjunto de limpieza para acomodar la acumulacion de partfculas en la escobilla. A modo de ejemplo, el paso puede cambiar de 10 grados por pulgada (por 25 mm) en el extremo mas alejado del conjunto de limpieza a 360 grados por pulgada (por 25 mm) en el extremo mas cercano a la zona de recogida.
Generalmente es ventajoso limitar la velocidad de las escobillas a lo largo de la superficie del filtro a menos de 100 pulgadas por segundo (2,5 m/s) pero este valor puede ser mayor o menor dependiendo del diseno del filtro y la escobilla. En realizaciones en las que la escobilla toca el material de filtro, la friccion entre las escobillas y el material de filtro provoca el desgaste de las escobillas, del material de filtro o de ambos. Las escobillas mas rapidas tienden a crear mas turbulencias en la zona sin filtrar del alojamiento que puede interferir con el movimiento de las partfculas hacia la zona de recogida. Las escobillas tambien pueden romper las partfculas en partfculas mas pequenas que entonces pasan a traves del material de filtro. Cuando la velocidad de la escobilla se limita, la frecuencia de limpieza del material puede aumentarse anadiendo mas escobillas. Un conjunto de limpieza habitualmente tiene aproximadamente de 1 a aproximadamente 10 escobillas, por ejemplo 2, 4 u 8 escobillas, pero puede tener mas o menos.
Las escobillas pueden tomar muchas formas de las cuales son cepillos, rasquetas y raspadores y puede ser ngidas o flexibles. En una realizacion todas las multiples escobillas toman la misma forma y en otras realizaciones las multiples escobillas toman una combinacion de formas. Los cepillos generalmente se hacen de fibras plasticas no abrasivas como nylon, polipropileno o poliester, aunque pueden hacerse de otros materiales adecuados. A medida que las partfculas disminuyen en tamano, los cepillos tienden a ser menos efectivos y las rasquetas se vuelven mas efectivas. Las rasquetas pueden hacerse de cualquier numero de gomas comunes sinteticas o naturales, un ejemplo de lo cual es el poliuretano. En otras realizaciones una o mas escobillas puede comprender un raspador. El raspador puede hacerse de cualquier numero de plasticos adecuados tales como policarbonato y PTFE u otros materiales adecuados.
En algunas realizaciones una o mas de las escobillas se precargan contra la superficie del filtro desviando la escobilla, tales como un cepillo o rasqueta. En otras realizaciones al menos una de las escobillas 316 no toca la superficie 214 del filtro pero se extiende a una altura ligeramente por encima de la superficie. En algunas realizaciones las escobillas pueden extenderse a entre aproximadamente 0,001 a 0,1 pulgadas (aproximadamente 25 pm a 2,5 mm) de la superficie del filtro, 0,01 pulgadas (250 pm) por ejemplo. De esta manera, la circulacion de las escobillas puede crear un flujo cruzado local de fluido que tiende a empujar las partfculas a lo largo de la superficie, mientras las escobillas realmente no tocan la superficie del material de filtro.
Las escobillas pueden soportarse por una estructura en uno o ambos extremos y/o por una estructura central como en las Figuras 2, 3 y 4. La estructura central puede ser maciza o hueca y tomar cualquier numero de formas de seccion transversal adecuadas, ejemplos de lo cual son redondas o poligonales. En una realizacion de la invencion la estructura central es sustancialmente redonda y tiene uno o mas surcos en su superficie exterior. Como se ilustra en la Figura 10, una escobilla 316 puede tener un refuerzo flexible 322 que se inserta en el surco 320 en la estructura central. En algunas realizaciones una escobilla se pega en un surco 320. En otra realizacion el surco 320, como en la Figura 10, tiene una forma de cola de milano u otra forma adecuada para retener una escobilla 316. En una realizacion una escobilla se mantiene en su sitio por friccion a lo largo de la longitud del surco. En otras realizaciones una escobilla se retiene en cada extremo mediante una clavija, tapon de extremo u otro medio adecuado. En otras realizaciones una o mas escobillas se pegan a una estructura de soporte lisa. Como se ha mencionado anteriormente, en otras realizaciones las escobillas son autosustentables y no estan unidas una estructura de soporte que recorre la longitud de las escobillas. Sin embargo, pueden soportarse en uno o ambos extremos.
Conjunto de limpieza - Distribuidor
En algunas realizaciones la estructura central del conjunto de limpieza comprende un tubo hueco que puede actuar como un distribuidor para el conjunto de filtro. El tubo hueco se orienta paralelo a la longitud del filtro. El distribuidor comprende al menos un extremo abierto que esta en comunicacion fluida con una entrada en el alojamiento. Por ejemplo el distribuidor puede comunicarse directamente con una entrada 101 como en la Figura 4, o puede comunicarse con una zona de entrada 118 que a su vez esta en comunicacion con una o mas entradas 101 como en la Figura 3.
El distribuidor puede extenderse toda la longitud del filtro y tiene una o mas aberturas a lo largo de su longitud que distribuye el fluido a porciones seleccionadas de la superficie del filtro. La una o mas aberturas en el distribuidor pueden ser sustancialmente perpendicular a la longitud del distribuidor. Las aberturas pueden ser, por ejemplo, agujeros circulares, por ejemplo para facilitar la manufactura, pero tambien pueden ser polfgonos, ranuras o
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cualquier numero de formas adecuadas. Las aberturas puede incluir tubos u otras caractensticas que se extienden hacia fuera del distribuidor hacia la superficie del filtro y dirige el fluido a la superficie del filtro. Un distribuidor 310 con aberturas 314 se ilustra en la Figura 11.
En algunas realizaciones, a traves de un giro de 360 grados, el distribuidor puede dirigir secuencialmente el fluido a toda la superficie de trabajo del filtro. En la realizacion mostrada en la Figura 11 hay multiples aberturas 314 que tienen todas el mismo tamano. A modo de ejemplo las aberturas pueden ser agujeros circulares con un diametro de aproximadamente 0,25 pulgadas (aproximadamente 6,4 mm) y un espaciado de centro a centro de aproximadamente 0,50 pulgadas (aproximadamente 12,7 mm) a lo largo de la longitud del distribuidor. En otras realizaciones multiples aberturas en el mismo distributor tienen tamanos diferentes. Generalmente es ventajoso ajustar el tamano de las aberturas para equilibrar la cantidad de flujo y presion que se distribuye a cada porcion del filtro seleccionada. Por lo tanto las aberturas pueden hacerse progresivamente mas grandes a medida que se alejan mas de la entrada y/o la abertura en el distribuidor que esta en comunicacion con la entrada. Esto puede tomar la forma de agujeros circulares que se hacen progresivamente mas grandes de diametro a medida que se alejan de la entrada en el alojamiento.
En algunas realizaciones las aberturas apuntan radialmente hacia fuera del eje del distribuidor. En otras realizaciones las aberturas se desplazan del eje del distribuidor y apuntan sustancialmente a lo largo de una lmea tangente al eje del distribuidor. Las aberturas que se desplazan del eje del distribuidor producen flujo con un componente de velocidad que es tangencial a la superficie del filtro. En algunas realizaciones de la invencion la velocidad tangencial ayuda a girar el conjunto de limpieza. Adicionalmente, este flujo cruzado puede retrasar la obstruccion y aumentar el rendimiento.
Cuando el conjunto de limpieza comprende tanto un distribuidor como una o mas escobillas el patron de aberturas puede adaptarse a la forma las escobillas. Esto se ilustra, por ejemplo, en las Figuras 11 y 12, donde el patron de las aberturas 314 generalmente se adapta a la forma de la una o mas escobillas 316. Por lo tanto una escobilla con forma espiral 316 tendra un patron espiral de aberturas 314. En una realizacion las aberturas 314 son un patron espiral de agujeros, como se muestra en la Figura 11, y en otra realizacion son una o mas ranuras con forma de espiral como se muestra en la Figura 12. El tamano de las aberturas puede variar a lo largo de la longitud del distribuidor. Por ejemplo, la anchura de la ranura puede variar a lo largo de la longitud del distribuidor 310. La anchura de la ranura puede aumentar con la distancia entre la entrada al distribuidor.
Cuando hay mas de una escobilla, generalmente habra un patron de aberturas asociado con cada escobilla. El patron de aberturas puede alternar con las escobillas de tal forma que cada dos escobillas tengan un patron de aberturas entre ellas.
Conjunto de limpieza - Soporte y accionamiento
El conjunto de limpieza puede soportarse en uno o ambos extremos por uno o mas cojinetes, ejemplo de lo cual son cojinetes de rodamientos y cojinetes lisos. En las realizaciones ilustradas en la Figura 4 y la Figura 13, el conjunto de limpieza 300 se soporta mediante un cojinete de casquillo en el tubo de entrada 118 que se entiende al alojamiento. Una o mas juntas, tal como juntas toricas 322 tambien pueden incluirse para restringir que el fluido viaje alrededor de los cojinetes. Un arbol de transmision 404, que penetra la tapa 401, tambien puede soportarse mediante uno o mas cojinetes y sellarse mediante una o mas juntas. El arbol de transmision puede acoplarse al conjunto de limpieza 300 usando, por ejemplo, un accionamiento de lengueta, accionamiento de cuadrado o engranajes frontales de enclavamiento. El conjunto de tapa 400 comprende un motor 402 que se acopla al arbol de transmision 404 y acciona la rotacion del conjunto de limpieza 300. El conjunto de tapa con motor 402 y arbol 404 puede retirarse del alojamiento, por lo tanto desacoplarse del arbol 404 del conjunto de limpieza 300. En otra realizacion el distribuidor no se desacopla del conjunto de tapa sino que se retira junto con el conjunto de tapa. En disposiciones adicionales, como se ilustra en las Figuras 2 y 3 y adicionalmente se ilustra en la Figura 14, el conjunto de limpieza se soporta en su totalidad por un arbol de transmision que se soporta mediante cojinetes y juntas en un extremo del alojamiento. Un motor 402, fuera del alojamiento, se acopla al arbol de transmision 404 y acciona la rotacion del conjunto de limpieza 400.
En realizaciones aun mas adicionales el conjunto de limpieza se acciona mediante otros mecanismos, tales como a mano o mediante una turbina. Una turbina puede situarse de tal forma que el fluido que fluye al alojamiento pasa a traves de la turbina y gira el conjunto de limpieza. Por ejemplo, en las disposiciones ilustradas en las Figuras 2 y 3 el conjunto de limpieza puede comprender una turbina (no mostrada) situada en la zona de entrada 118 del alojamiento. El fluido que pasa de la zona de entrada 118 a la zona de distribucion 210 pasa a traves de la turbina que acciona la rotacion del conjunto de limpieza. En la realizacion ilustrada en la Figura 13 una turbina (no mostrada) puede situarse dentro del distribuidor 310 de tal forma que el fluido que pasa del tubo de entrada 118 al distribuidor 310 provoca la rotacion del conjunto de limpieza 300. De esta manera no se requiere una fuente de energfa externa para accionar el conjunto de limpieza 300. La energfa del fluido que fluye puede proporcionar por sf solo el mecanismo de accionamiento.
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Conjunto de limpieza - Divisor de zona de entrada
En algunas realizaciones, se usan uno o mas divisores para dirigir el fluido en el alojamiento, tales como para dirigir el fluido de la entrada al distribuidor. Por ejemplo, cuando el conjunto de limpieza, como en la Figura 14, comprende un distribuidor 310 que esta abierto en un extremo a una zona de entrada 118, puede ser ventajoso dividir la zona de entrada 118 de la zona de distribucion 210. En esta realizacion un divisor 345 sobresale radialmente hacia fuera del distribuidor 310 forzando al fluido a fluir a traves del distribuidor para alcanzar el filtro. En una realizacion la estructura se engancha a la pared interior del conjunto de filtro o alojamiento a traves de un cojinete, junta o ambos. En otra realizacion el divisor no se engancha en el conjunto de filtro o alojamiento y en su lugar permite que una pequena cantidad de fluido se fugue alrededor del divisor. En otras realizaciones el divisor se une al filtro o alojamiento y sobresale hacia dentro hacia el distribuidor.
Conjunto de limpieza - Divisor de la zona de recogida
La rotacion del conjunto de limpieza conduce partmulas hacia un extremo del alojamiento donde las partmulas se recogen en una zona de recogida. La zona de recogida y el conjunto de limpieza generalmente se configuran para empujar las partmulas hacia la salida de drenaje. En algunas realizaciones, un divisor puede separar la zona de entrada o zona sin filtrar de la zona de recogida.
Cuando el conjunto de limpieza comprende un distribuidor 310, el distribuidor puede no tener aberturas 314 en esta zona, como en la Figura 3, para evitar turbulencias, pero puede o no tener escobillas 316. Las escobillas 316 en la zona de recogida 116 pueden ser rectas, en espiral o tomar otras formas utiles y puede o no engancharse en la pared del alojamiento. En la realizacion ilustrada en la Figura 4 las mismas escobillas que se enganchan en el filtro continuan a traves de la zona de recogida 116 hasta el extremo del alojamiento. En otras realizaciones adicionales las escobillas se disponen en el conjunto de limpieza para enganchar el extremo del alojamiento.
Puede ser ventajoso dividir ffsicamente la zona de recogida de la zona de distribucion para evitar que las partmulas retornen a la superficie del filtro. En las disposiciones ilustradas en las Figuras 2 y 3 y aquellas ilustradas en las Figuras 11 y 12 esto se logra mediante un divisor 325 que gira con el distribuidor. En otras realizaciones el divisor no gira y en su lugar se fija a la pared del filtro o pared del alojamiento. En realizaciones adicionales se usa un divisor giratorio 325 en conjuncion con un divisor fijo.
El divisor puede tener una o mas aberturas, generalmente situadas adyacentes de la pared del filtro, que se configura para permitir que las partmulas entren facilmente en la zona de recogida 116, pero para resistir que las partmulas retornen a la zona de distribucion sin filtrar 210. Dependiendo de su forma, la una o mas aberturas pueden ser fijas o giratorias o una combinacion de las dos. El divisor puede consistir en una escobilla flexible como un cepillo o rasqueta o puede tomar la forma de una estructura ngida; o una combinacion de estructuras flexibles y ngidas. En la realizacion ilustrada en la Figura 15 el divisor 325 se forma por una continuacion de las escobillas de limpieza 316 y sobresale del distribuidor giratorio 310. La escobilla se envuelve alrededor del distribuidor 310 formando un arco externo. Una abertura 332 se forma terminando el arco antes de que la escobilla se envuelva de nuevo alrededor de sf misma o de otra escobilla.
Conjunto de limpieza - Operacion
El conjunto de limpieza puede operarse de uno o mas modos. En algunas realizaciones el conjunto de limpieza se gira a un unico mdice constante siempre que se enciende un sistema de bombeo de fluido. En otras realizaciones el conjunto de limpieza se gira a uno de multiples indices fijos dependiendo del nivel de obstruccion del filtro detectado. La obstruccion del material de filtro generalmente provoca flujo reducido y presion transmembrana aumentada. Esto puede detectarse a traves de sensores de presion, sensores de flujo y otros sensores conocidos para un experto en la materia. A modo de ejemplo, los sensores de presion pueden tomar la forma de un conmutador que se enciende cuando se alcanza un nivel establecido de presion transmembrana. Tambien puede tomar la forma de un transductor de presion electronico que produce una potencia de salida electrica proporcional a la presion diferencial a traves del material de filtro.
El mdice rotacional del conjunto de limpieza tambien puede establecerse para que sea proporcional al contenido de solidos del afluente. Esto puede lograse usando uno o mas sensores tambien conocidos para un experto en la material, ejemplos de los cuales son sensores de turbidez y sensores de solidos en suspension. Un modo aun mas adicional es establecer el mdice de rotacion proporcional a la concentracion de solo aquellas partmulas que puedan provocar la obstruccion. Esto se podna lograr a traves del uso de un contador de partmulas en el afluente o una combinacion de sensores de solidos en suspension en la entrada y salida filtrada. Por lo tanto, el sistema de filtro puede configurarse para ajustar la velocidad rotacional del conjunto de limpieza en respuesta a una senal de uno o mas de un sensor de turbidez, un sensor de solidos en suspension y un contador de partmulas.
El conjunto de limpieza puede contener una o mas escobillas de tal forma que una unica rotacion del conjunto de limpieza frote una seccion de material de filtro una o mas veces. Las escobillas puede pasar sobre una seccion de material de filtro desde una vez por segundo hasta 20 veces por segundo, pero cada seccion de material de filtro
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podna frotarse menos o mas a menudo. A modo de ejemplo, un conjunto de limpieza que tiene 4 escobillas y rota a 150 rpm frotanan el filtro 10 veces por segundo.
Conjunto de limpieza - Eficiencia
Con un filtro de superficie tales como aquellos descritos en este documento, la fuerza de retencion en las partfculas que bloquean los poros se crea por la presion transmembrana que actua en el area de las partfculas que bloquean el poro. La obstruccion puede resultar cuando la fuerza de retencion sobre las partfculas es mayor que la fuerza motriz impartida por la escobilla. Diferentes disenos de escobillas seran mas o menos efectivos limpiando partfculas de diferente composicion. La efectividad para un diseno de escobilla dado depende, en parte, de la anchura del poro y la presion transmembrana. La eficiencia de la limpieza generalmente permanece sustancialmente al 100 % hasta que se alcanza una presion cntica en cuyo momento cae rapidamente al 0 % a medida que la presion continua aumentando. En o por encima de la presion cntica, las escobillas no son capaces de afectar las partfculas que bloquean los poros de cada vez mas diametro. Operar por encima de la presion transmembrana cntica crea una curva de flujo decadente, o en otras palabras, la presion transmembrana cntica es la presion por encima de la cual el mdice total de filtrado cae con el paso del tiempo. A modo de ejemplo la presion cntica para una rejilla con ranuras de 20 micrones (20 pm) de ancho y cepillos de nylon con filamentos de nylon de 0,006 pulgadas (0,15 mm) de diametro es de aproximadamente 3 psi (21 kPa) y puede ser tan baja como 2 psi (14 kPa) o incluso 1 psi (7 kPa). En una realizacion de la invencion el sistema de filtro se opera continuamente por debajo de la presion transmembrana cntica. En otra realizacion el sistema de filtro opera por encima de la presion cntica, pero periodicamente cae por debajo de la presion cntica durante un pequeno periodo de tiempo que permite a la escobilla limpiar el filtro. La presion cntica puede determinarse monitorizando los indices de filtrado a diversas presiones con el paso del tiempo y determinando la presion a la que la eficiencia en la limpieza cae a niveles inaceptables.
Regulacion de la presion transmembrana
La operacion del sistema de filtro para controlar presion transmembrana, por ejemplo para operar por debajo de la presion transmembrana cntica, puede lograrse en un numero de maneras. En algunas realizaciones de la invencion el sistema de filtro se suministra con una bomba de velocidad variable, que se controla por electronica de accionamiento y un transductor de presion diferencial. La electronica de accionamiento cambia la velocidad del impulsor de la bomba que vana la salida del flujo y la presion de la bomba para producir una relativamente constante presion transmembrana.
En otras realizaciones el sistema de filtro se suministra con una bomba de una sola velocidad y se usan componentes adicionales para regular la presion transmembrana. Un sistema de filtro ilustrativo junto con componentes adicionales del sistema de fluido se representa esquematicamente en la Figura 16. Cuando el sistema de filtro se suministra con una bomba de una sola velocidad 512, el flujo descendente de la obstruccion del filtro provoca un aumento en la presion suministrada por la bomba y posteriormente una presion en aumento en la zona sin filtrar del alojamiento.
La presion transmembrana puede mantenerse disminuyendo la presion en la zona sin filtrar del alojamiento o aumentando la presion en la zona filtrada del alojamiento. En una realizacion de la invencion el flujo se restringe en la entrada por un componente de sistema de fluido 509 por lo tanto reduciendo la presion en la zona sin filtrar, como se ilustra en la Figura 16. Esto puede lograrse mediante un regulador pasivo, ejemplos de lo cual son reguladores de presion y reguladores de presion diferencial; o una valvula de control de flujo, ejemplos de los cual son valvula de retencion y valvulas de mariposa. En otra realizacion un componente de sistema de fluido 503 restringe el flujo en la salida filtrada 511, por lo tanto aumentando la presion en la zona filtrada del alojamiento. Esto puede lograrse usando una valvula de control de flujo o un regulador pasivo, ejemplos de los cuales son reguladores de contrapresion y reguladores de contrapresion diferencial.
En algunas realizaciones la presion transmembrana se mantiene con la combinacion de un regulador de presion en la entrada y un regulador de contrapresion en la salida filtrada. En algunas realizaciones un regulador de contrapresion diferencial se situa en la salida filtrada y un regulador de presion no se situa en la entrada. En aun otras realizaciones, un regulador de presion diferencial se situa en la entrada y un regulador de contrapresion se situa en la salida filtrada.
En algunas realizaciones el flujo se aumenta en la salida de drenaje 506 usando una valvula de control del flujo o una valvula de liberacion de presion. El flujo aumentado a traves de la entrada reduce la presion suministrada por la bomba y por lo tanto reduce la presion en la zona sin filtrar del alojamiento. En realizaciones incluso adicionales se usan limitadores de flujo en la salida en conjuncion con una fuente de presion para incrementar activamente la presion en la zona filtrada del alojamiento, por lo tanto reduciendo el diferencial de presion a traves del material de filtro.
En algunas realizaciones un deposito de fluido y presion pasivo 501 se situa funcionalmente entre el material de filtro y cualquier regulador 503 en la salida filtrada. Esto proporciona un deposito para igualar la presion y flujo a traves del material de filtro cuando se produce una obstruccion. Este deposito puede tomar la forma de un tanque de
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acumulador 501 o simplemente una burbuja de aire atrapada en el alojamiento donde puede comunicarse con la zona filtrada del alojamiento.
Purga de drenaje
Las partfculas recogidas en la zona de recogida pueden purgarse del alojamiento mediante uno o mas metodos. En algunas realizaciones, se apaga la bomba que suministra al sistema y se abre la valvula de drenaje. Las partfculas y el fluido en el alojamiento a continuacion simplemente se drenan. Esto podna ser util, por ejemplo, para piscinas y otras aplicaciones de consumo donde el coste es un problema y se espera un mantenimiento rutinario. En otras realizaciones la valvula de drenaje esta totalmente abierta mientras la bomba continua funcionando. Esto lava la zona de recogida mientras tambien provoca una cafda repentina en la presion en la zona sin filtrar del alojamiento. La cafda en la presion puede ayudar a desatascar cualquier poro que podna estar reteniendo partfculas. Cuando hay un deposito de presion y fluido en la salida filtrada una pequena cantidad de fluido puede fluir hacia atras a traves de los poros del filtro ayudando adicionalmente a desatascar las partfculas atascadas. Este retrolavado pasivo puede ayudarse adicionalmente cerrando simultaneamente una valvula que esta posicionada en la salida filtrada despues del deposito de presion, tal como la valvula 503 en la Figura 16.
En realizaciones adicionales el sistema de filtro se opera mientras el drenaje permanece solo abierto ligeramente. Una pequena fraccion del fluido, generalmente en el intervalo del 1 % al 10 %, pasa a traves del drenaje llevando con el las partfculas rechazadas. Un drenaje continuo de esta naturaleza a menudo se denomina como un flujo de desviacion o una corriente salitrosa.
En realizaciones incluso adicionales el sistema se opera como un filtro de flujo cruzado. En una configuracion de este tipo una cierta cantidad de flujo pasa a traves del drenaje y crea una velocidad de flujo tangencial a la superficie del filtro. Este flujo tangencial actua como un mecanismo de limpieza que puede trabajar por sf mismo o en conjuncion con las escobillas para reducir o eliminar la obstruccion. En aplicaciones de flujo cruzado el flujo de desviacion se ejecuta optimamente a aproximadamente el 50 % pero puede oscilar desde aproximadamente el 10 % al 90 %. En algunas realizaciones el flujo de desviacion hace un unico paso a traves del sistema de filtro. En otras realizaciones el flujo de desviacion se bombea de nuevo al sistema y hace multiples pases a traves del filtro.
Tambien es posible purgar las partfculas del sistema sin impactar sustancialmente en la presion o el flujo del sistema. Algunas realizaciones usan una valvula rotativa situada en la salida de drenaje. Este tipo de valvula tiene un elemento de valvula con una o mas cavidades que pueden abrirse secuencialmente primero a la zona de recogida y a continuacion al drenaje por la rotacion del elemento de valvula. Una junta alrededor del elemento de valvula mantiene la presion en la zona de recogida. La valvula rotativa puede accionarse mediante un motor o a mano. En una realizacion la valvula se acopla al distribuidor y se acciona simultaneamente. Si se acopla al distribuidor generalmente se acoplara a traves de uno o mas engranajes para reducir la velocidad de giro la valvula con respecto al distribuidor. Una relacion tfpica de engranaje sena 1:100 pero podna ser tan baja como 1:10.000 o tan alta como 1:1.
En una realizacion la valvula se opera en un modo continuo siempre que el filtro esta en operacion. En otras realizaciones uno o mas sensores o conmutadores operan la valvula. La valvula puede ser operada mediante un temporizador; en respuesta a la obstruccion del filtro; o en respuesta a la acumulacion de solidos en la zona de recogida. La obstruccion del filtro puede indicarse por una presion diferencial aumentada o un flujo reducido que pueden detectarse mediante sensores de presion y de flujo. La acumulacion de solidos puede detectarse mediante una variedad de sensores, ejemplos de los cuales son sensores opticos y sensores acusticos. En una realizacion la valvula es una unidad separada unida a la salida de drenaje. En otras realizaciones la valvula se integra en el extremo o pared lateral del alojamiento.

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    REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo de filtracion de fluido (10) que comprende:
    un alojamiento hueco (100) que comprende una entrada sin filtrar (101) y una salida filtrada (102);
    un conjunto de filtro hueco (200) situado dentro del alojamiento (100) y que comprende un material de filtro (232) con
    una superficie interior lisa y una superficie exterior; y
    un conjunto de limpieza giratorio (300) que comprende una escobilla (316) situada dentro del conjunto de filtro (200) que se extiende la longitud del filtro;
    caracterizado por que el conjunto de limpieza (300) comprende un distribuidor (310) que tiene un extremo abierto que se comunica con la entrada sin filtrar (101) en el alojamiento (100) y que tiene una o mas aberturas (314) a lo largo de su longitud y que se extiende la longitud del filtro.
  2. 2. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 1, en el que el material de filtro (232) comprende una rejilla de mquel electroformada.
  3. 3. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 1, en el que el material de filtro (232) comprende poros expandibles (236) que son mas estrechos en la superficie interior que en la superficie exterior.
  4. 4. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 3, donde el lfmite del poro en la anchura minima de la abertura del poro (234) define sustancialmente el punto local mas alto en la superficie interior.
  5. 5. El dispositivo de filtracion de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el material de filtro (232) comprende poros con forma de ranura (250) orientados sustancialmente paralelos con el eje de giro del conjunto de limpieza (300).
  6. 6. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 1 en el que la escobilla (316) es en forma espiral.
  7. 7. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 1, que comprende ademas un motor (402) que hace girar el conjunto de limpieza (300).
  8. 8. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 1, que comprende ademas un regulador de contrapresion diferencial en la salida filtrada (102).
  9. 9. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 1, que comprende ademas un regulador de presion en la entrada sin filtrar y un regulador de contrapresion en la salida filtrada (102).
  10. 10. El dispositivo de filtracion de la reivindicacion 8 o la reivindicacion 9, en el que el regulador de contrapresion esta configurado para mantener la presion a traves del material de filtro a menos de 5 psi (35 kPa).
  11. 11. Un metodo de filtrado de fluido que comprende: proporcionar un dispositivo de filtracion (10) que comprende:
    un alojamiento (100) que comprende una entrada sin filtrar (101) y una salida filtrada (102);
    un filtro anular (200) situado dentro del alojamiento, comprendiendo el filtro anular (200) una superficie interna lisa y una superficie externa; y
    un conjunto de limpieza (300) que comprende una o mas escobillas (316) situadas dentro del filtro (200) y un distribuidor (310) situado dentro del filtro (200) que se extiende la longitud del filtro (200), en el que el distribuidor comprende un extremo abierto en comunicacion con la entrada sin filtrar (101) del alojamiento;
    suministrar el fluido al interior del filtro (200) a traves del distribuidor;
    hacer pasar el fluido a traves del filtro (200) y hacer girar el conjunto de limpieza (300) dentro del filtro (200) de tal forma que la una o mas escobillas (316) frotan la superficie interna del filtro.
  12. 12. El metodo de la reivindicacion 11, en el que el filtro (200) es una rejilla electroformada que comprende poros expandibles (234) que son mas estrechos en la superficie interior que en la superficie exterior.
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