ES2633154B1 - Conjunto de membranas de fibra hueca y sus aplicaciones - Google Patents

Abstract

Conjunto de membranas de fibra hueca y sus aplicaciones.#Conjunto de membranas de fibra hueca entrelazadas en una malla y su aplicación en procesos de destilación en membrana para el tratamiento y/o desalinización de fluidos.

Description

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Conjunto de membranas de fibra hueca y sus aplicaciones

DESCRIPCION

La presente invention se refiere a un conjunto de membranas de fibra hueca entrelazadas en una malla y su aplicacion en el proceso de destilacion en membrana para el tratamiento y/o desalinizacion de fluidos.

ESTADO DE LA TECNICA

La destilacion en membrana (DM) para el tratamiento y/o desalinizacion de aguas es un proceso no-isotermico de membrana, cuya fuerza motriz es el gradiente de presion de vapor a traves de una membrana que debe cumplir las siguientes caracteristicas:

i) porosa con elevada porosidad,

ii) sus poros no deben “mojarse” por los liquidos empleados en el proceso,

iii) no debe alterar el equilibrio liquido/vapor de los diferentes componentes de la disolucion a tratar,

iv) no debe producirse condensation capilar dentro de sus poros,

v) al menos un lado de la membrana debe estar en contacto directo con la disolucion a tratar, esta se encuentra a mayor temperatura que el permeado.

La DM se distingue de otros procesos de membranas en que la membrana no es una parte activa en la separation y sirve unicamente como soporte de una interfase Kquido/vapor. Debido a su hidrofobicidad, el agua en fase liquida o la disolucion que se va a tratar no puede penetrar en el interior de los poros, salvo que se aplique una presion hidrostatica mayor a la presion de llenado de los poros que viene determinada por el angulo de contacto de la disolucion con la membrana (grado de hidrofobicidad), la tension superficial del liquido y el tamano de poro maximo. Como se ha senalado anteriormente, la fuerza motriz en este proceso es la diferencia de presion de vapor entre ambos extremos de los poros. Para producir la destilacion, por tanto, se crea en cada extremo de poro una interfase liquido/vapor evitando que la presion hidrostatica sea mayor a la presion de llenado de los poros.

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Estos sistemas de DM pueden disponer de uno o varios modulos de membrana empleando membranas planas o membranas de fibra hueca. Estos modulos pueden ser planos, en espiral u otras configuraciones.

En la actualidad, existen diferentes configuraciones de destilacion en membrana, como son:

- DMCD: Destilacion en Membrana por Contacto Directo.

- DMCA: Destilacion en Membrana por Camara de Aire.

- DMV: Destilacion en Membrana por Vado.

- DMCL: Destilacion en Membrana con Camara Liquida.

- DMGB: Destilacion en Membrana por Gas de Barrido.

- DMGBT: Destilacion en Membrana por Gas de Barrido Termostatizado.

En la solicitud US20110198287 se describe un modulo en espiral con un hueco central para recoger el permeado producido. Este modulo puede trabajar tanto en DMCA como en DMCD asi como servir como intercambiador de calor si en lugar de utilizar membranas de fibra hueca hidrofobas y porosas se utilizan en capilares densos. Las capas de membranas de fibra hueca son laminas planas, en las que las membranas de fibra hueca se disponen linealmente en una envoltura que se comporta como membrana de contacto, y se enrollan alrededor del tubo central al igual que los separadores para recoger el permeado. La disposition lineal de las membranas de fibra hueca en una envoltura tiene diversas limitaciones: se produce polarization por temperatura en el interior de la membrana de fibra hueca y presenta dificultades de mecanizado, pues las membranas de fibra hueca dispuestas en una envoltura al ser enrolladas para introducirlas en el modulo en forma de espiral se deslizan respecto a la envoltura.

Por otra parte, la patente EP2072112 describe un sistema de destilacion con uno o mas modulos de membranas de fibra hueca para obtener destilados a partir de un liquido concentrado como alimento, dispuestos en serie, en paralelo, o bien en una combination de ambas opciones. Consiste en un metodo de DMCD, mediante el cual el alimento (previamente calentado y presurizado) fluye por dentro del modulo en el que existen reguladores de caudal que provocan mayor tiempo de contacto del alimento con las membranas de fibra hueca y una mayor turbulencia. Por dentro de las membranas de fibra hueca fluye el destilado a una menor temperatura. Sin

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embargo esta patente no describe un conjunto de membranas de fibra hueca enrolladas en espiral alrededor de una superficie de condensation.

La patente WO2003000389 describe un sistema de DM con membranas de fibra hueca que funciona tanto en DMCD como en DMV. Este sistema destaca por ser apto para la recuperation de calor del vapor de permeado (extraido del modulo y comprimido externamente), que se recircula por un intercambiador/condensador para calentar el alimento antes de su entrada al modulo. Sin embargo, esta patente tampoco describe un conjunto de membranas de fibra hueca enrolladas en espiral alrededor de una superficie de condensacion. Ademas la camara por la que circula el fluido refrigerante no comprende deflectores que crean turbulencias en el fluido refrigerante para disminuir la polarization por temperaturas en el lado del permeado.

Una de las mayores limitaciones que se encuentra en el proceso de destilacion en membrana es la presion de entrada del liquido en los poros de la membrana (LEP del ingles: liquid entry pressure), por lo que se hace necesario encontrar un diseno adecuado de modulo de membranas de fibra hueca que aumente la turbulencia, tanto del fluido a tratar como del fluido permeado, sin que la presion aumente y se pueda provocar el mojado de los poros.

Adicionalmente, los modulos que comprenden membranas de fibra hueca presentan otra limitation debida a su proceso de fabrication. Estos modulos presentan en su interior las membranas de fibra hueca dispuestas en paralelo y en position vertical (paralela al eje central de la espiral). Concretamente, las membranas de fibra hueca se suelen disponer enrolladas en espiral alrededor de la superficie de condensacion. Con esta disposition, resulta dificil introducir y extraer las membranas de fibra hueca, especialmente cuando las superficies de condensacion presentan cierta rigidez, siendo un reto la colocation y fijado de las membranas de fibra hueca en el modulo.

Por tanto, seria necesario el desarrollo y diseno de modulos de membranas de fibra hueca para sistemas de destilacion por membrana capaces de producir un aumento de la turbulencia, sin aumentar la presion previniendo el mojado de los poros y la dificultad de la disposicion, colocacion y fijado del conjunto de membranas de fibra hueca en el modulo de membrana.

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BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION

La presente invention se refiere a un conjunto de membranas de fibra hueca entrelazadas en una malla para su uso en un modulo de destilacion en membrana.

Una de las mayores limitaciones que se encuentra en el proceso de destilacion en membranas de fibra hueca es la presion de entrada de liquido en los poros de la membrana (LEP). Si la presion del agua en contacto con la membrana de fibra hueca supera este valor se produciria el mojado de la misma y consecuentemente la inutilizacion de la membrana de fibra hueca. Dada la configuration del modulo, el pequeno diametro de los capilares y el numero de membranas de fibra hueca que pueden ser colocadas en una malla y en el interior del modulo, se origina una caida de presion que hace que el caudal de alimento por el interior de las membranas de fibra hueca circule en regimen laminar. Trabajar en regimen laminar supone una disminucion en las prestaciones del modulo debido a los efectos negativos de la polarization por temperatura y por concentration. Estos fenomenos se originan debido a que con regimen laminar se generan capas limite de fluido adheridas a las superficies internas y externas de las membranas lo que origina un gradiente de temperaturas y/o concentracion. Debido a la polarizacion por temperatura, las capas mas proximas a la superficie de la membrana tendra una temperatura muy similar a la de la superficie, por lo que la diferencia de temperaturas entre ambos lados de la membrana sera menor produciendose una disminucion de la diferencia de presiones de vapor entre ambos lados de la membrana y por tanto una disminucion de la production. Debido a la polarizacion por concentracion, en las capas mas proximas a la superficie de la membrana de fibra hueca en contacto con el alimento van a tener una concentracion maxima, que disminuye gradualmente con la distancia a la superficie. Este fenomeno tambien produce una disminucion de la diferencia de presiones de vapor a ambos lados de la membrana. Estos fenomenos de polarizacion por temperatura y por concentracion producen una clara disminucion en la fuerza impulsora del proceso, obteniendose menor flujo de permeado.

Aumentar la presion del fluido con objeto de vencer la caida de presion originada y aumentar el caudal, y por tanto el numero de Reynolds, en el interior de las membranas de fibra hueca podria ocasionar el mojado de las mismas con lo que no es una option aceptable para reducir la polarizacion por temperatura y/o concentracion. Este problema es igualmente extrapolable en el exterior de las

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membranas de fibra hueca en la configuration de contacto directo, pues igualmente el LEP no puede superarse en ningun lado de la membrana de fibra hueca.

La presente invention resuelve los problemas debidos al regimen laminar sin aumentar la presion del fluido en las membranas de fibra hueca. Esto se consigue mediante el entrelazado de las membranas de fibra hueca en una malla, lo que genera cierta curvatura en las membranas de fibra hueca de manera que se aumenta la turbulencia del flujo, disminuyendo el fenomeno de polarization.

Ademas el conjunto compuesto por una malla y membranas de fibra hueca de la invencion es facilmente extraible del modulo de destilacion, lo que facilita el montaje de las membranas de fibra hueca en el modulo de destilacion independientemente de la rigidez de las superficies de condensation. El conjunto de malla y membranas de fibra hueca es altamente versatil y manejable con lo que puede integrarse facilmente en la estructura en espiral u otro tipo de geometrias que pudieran disenarse.

Este diseno permite la utilization de todas las configuraciones de destilacion en membrana como por ejemplo DMCD (Destilacion en Membrana por Contacto Directo), DMCA (Destilacion en Membrana por Camara de Aire), DMV (Destilacion en Membrana por Vado), DMCL (Destilacion en Membrana con Camara Liquida), DMGB (Destilacion en Membrana por Gas de Barrido) y DMGBT (Destilacion en Membrana por Gas de Barrido Termostatizado).

Por "conjunto de membranas de fibra hueca” en el contexto de la invencion se entiende el conjunto de membranas de fibra hueca y una malla, donde las membranas de fibra hueca estan entrelazadas transversalmente en la urdimbre de la malla.

Por tanto, un primer aspecto de la presente invencion se refiere a un conjunto de membranas de fibra hueca soportadas en una malla caracterizado porque las membranas de fibra hueca se encuentran entrelazadas transversalmente entre la urdimbre de la malla.

Un segundo aspecto de la presente invencion se refiere a un modulo de membrana que comprende el conjunto de membranas de fibra hueca tal y como se ha descrito anteriormente.

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Un tercer aspecto de la presente invention se refiere a un sistema que comprende al menos un modulo de membrana de la presente invencion.

Un cuarto aspecto de la presente invencion se refiere al uso de un modulo de destilacion en membrana tal y como se ha descrito anteriormente o de un sistema de destilacion en membrana tal y como se ha descrito anteriormente para el tratamiento y/o desalinizacion de fluidos.

A lo largo de la description y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras caracteristicas tecnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y caracteristicas de la invencion se desprenderan en parte de la descripcion y en parte de la practica de la invencion. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustracion, y no se pretende que sean limitativos de la presente invencion.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

FIG. 1 Muestra un esquema de la malla y el entrelazado de la membrana de fibra hueca (FIG. 1A) y diametro de curvatura de la membrana de fibra hueca MD (FIG. 1B); U: urdimbre; T: trama; F: membrana de fibra hueca; dc: diametro de curvatura.

FIG. 2 Trenzado en la malla de membranas de fibra hueca y detalle de los grupos de tres membranas de fibra hueca entrelazadas.

FIG. 3. Corte longitudinal de un modulo que comprende el conjunto de membranas de fibra hueca entrelazadas de la invencion.

FIG. 4. Corte transversal de un modulo que comprende el conjunto de membranas de fibra hueca entrelazadas de la invencion.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Por tanto, un primer aspecto de la presente invencion se refiere a un conjunto de membranas de fibra hueca soportadas en una malla caracterizado porque las

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membranas de fibra hueca se encuentran entrelazadas transversalmente entre la urdimbre de la malla (fig. 1A).

La membrana de fibra hueca es una membrana porosa en forma de filamento hueco flexible, por lo que es posible entrelazarla en una malla plastica o de algun material flexible con una luz superior al diametro externo de la membrana de fibra hueca. El proceso del entrelazado de la membrana de fibra hueca consiste en entrecruzar la membrana de fibra hueca entre los agujeros de la malla dejando o no espacios vados entre cada entrecruzamiento. Esta malla debe disponer de un tamano de luz y rigidez apropiado para que la membrana de fibra hueca pueda ser entrelazada sin que sea danada. La malla sobre la cual se entrelazan las membranas de fibra hueca desempena varias funciones:

a) Funcion mecanica: la malla actua como soporte para las membranas de fibra hueca. Al entretejer las membranas de fibra hueca, estas pueden ser empaquetadas dentro del cuerpo de un modulo de destilacion en membrana sin deslizamientos de las membranas de fibra hueca con respecto a una superficie de condensacion.

b) Aumento de la turbulencia de las disoluciones que circulan tanto por la parte exterior como en el interior de las membranas de fibra hueca. Al aumentar la turbulencia en las proximidades de la superficie de la membrana de fibra hueca disminuye la polarizacion por temperaturas y por concentraciones y por tanto aumenta el rendimiento. El consumo energetico es menor y por consiguiente la tasa de produccion de agua aumenta con respecto a la energia empleada.

c) Aumento de la densidad de empaquetamiento de las membranas de fibra hueca. Al estar las membranas de fibra hueca entrelazadas aumenta la longitud de las mismas con respecto a una configuration de membranas de fibra hueca lineales. Al aumentar la longitud aumenta la superficie de membrana en el modulo y por tanto el area de evaporation, aumentando asi la produccion de agua.

d) Aumento del ritmo de condensacion del permeado. Las membranas de fibra hueca al estar entretejidas, forman ondulaciones obteniendose crestas y valles. En la cresta es donde sera mas facil retirar el vapor que sale de los poros de la membrana porque es un punto saliente. En los valles que hacen las membranas de fibra hueca el permeado (vapor) sale en direcciones convergentes lo que provoca la union de las gotas de vapor que aumentan su tamano y favorece la condensacion.

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En la presente invention se entiende por "densidad de empaquetamiento” al area de membrana efectiva que se dispone por volumen de modulo de membrana, excluyendo el volumen ocupado por la camara de refrigeration.

En otra realization preferida del primer aspecto de la presente invencion el entrelazado de las membranas de fibra hueca tiene un diametro de curvatura (dc) de 2 cm a 5 cm aproximadamente y mas preferentemente de 2,5 cm a 3,5 cm (fig. 1B).

La malla debe ser de un material flexible y se debe evitar que posea aristas. En otra realizacion preferida del primer aspecto de la presente invencion, la malla es de plastico para evitar problemas de oxidation. Los materiales que componen la malla se seleccionan preferentemente entre fibra de vidrio o un material plastico seleccionado de entre policloruro de vinilo (PVC), polipropileno (PP) o polietileno (PE).

En otra realizacion preferida del primer aspecto de la presente invencion la malla tiene una cuadricula de luz de entre 1,5 mm y 8 mm y mas preferentemente de 2 mm a 5 mm y una densidad de entre 0,2 y 2 g/cm3 y mas preferentemente de entre 0,4 g/cm3 y 1 g/cm3. Mas preferiblemente, la malla tiene un espesor de entre 0,1 mm y 0,5 mm, y aun mas preferiblemente de entre 0,2 mm y 0,3 mm. La distancia entre cada urdimbre es de entre 1 mm y 3 mm, mas preferentemente de entre 1,5 mm y 2,5 mm; la distancia entre cada trama es de entre 0,1 mm a 1 mm, mas preferentemente de entre 0,3 mm y 0,8 mm; y un peso de entre 40 y 150 g/m2, mas preferentemente de entre 60 g/m2 y 100 g/m2.

En otra realizacion preferida del primer aspecto de la presente invencion la malla tiene una resistencia de tension mayor a 400N.

En otra realizacion preferida del primer aspecto de la presente invencion, las membranas de fibra hueca estan compuestas por un material hidrofobo poroso que podria estar combinado o no con una capa de una material hidrofilo. Preferentemente se componen de al menos uno de los siguiente materiales seleccionados de politetrafluoroetileno (PTFE), polifluoruro de vinilideno (PVDF), polipropileno (PP), polifluoruro de vinilideno-co-hexafluoruro de polipropileno (PVDF-HFPP),

polioxadiazoles fluorados (PODF), polioxatriazoles fluorados (POTF) o cualquier

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combination de los mismos. Mas preferiblemente estan compuestas por un material seleccionado de polipropileno y polifluoruro de vinilideno.

En otra realization preferida del primer aspecto de la presente invention, las membranas de fibra hueca tienen un rango de tamano de poro entre 0,01 ^m-5 ^m, preferiblemente entre 0,01 ^m y 1 ^m, mas preferiblemente entre 0,2 ^m-0,6 ^m y aun mas preferiblemente entre 0,3 ^m-0,4 ^m.

Un segundo aspecto de la presente invencion se refiere a un modulo que comprende el conjunto de membranas de fibra hueca de la presente invencion tal y como se ha descrito anteriormente.

En una realizacion preferida del segundo aspecto de la presente invencion, el modulo ademas del conjunto de membranas de fibra hueca de la invencion tal y como se ha descrito anteriormente que incluye una malla, comprende:

- una camara de refrigeration que comprende al menos dos superficies de condensacion.

- un cuerpo del modulo constituido por una camisa de refrigeracion, ademas de tapas y conexiones para entradas y salidas de refrigerantes, alimento y permeado.

La camara de refrigeracion es una camara por la que circula el fluido refrigerante, y que comprende al menos dos superficies de condensation (preferiblemente una por cada lado de la camara). La camara de refrigeracion se alimenta por la entrada del fluido refrigerante a la camara y dispone de una salida del fluido refrigerante.

La camara de refrigeracion tiene la labor de hacer de superficie de condensacion del vapor en las configuraciones de camara de aire y vado. En el caso de la configuration de contacto directo su funcion es la de refrigerar el permeado dentro del modulo y favorecer un mayor gradiente de temperatura en el proceso. En el caso de gas de barrido la camara de refrigeracion debe refrigerar el gas de arrastre dentro del modulo igualmente. La camisa de refrigeracion por su parte sirve para refrigerar el modulo favoreciendo la condensacion del permeado ademas de emplearse como aislamiento del modulo con el exterior. En ambos casos otro de los objetivos es recuperar calor del conjunto con estas camaras, el cual puede utilizarse para precalentar el alimento o el propio alimento se puede usar como refrigerante.

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El proceso de construction del modulo consiste en la formation de una espiral, constituida por la camara de refrigeration, dentro del modulo de destilacion en membrana e insertar la malla con membranas de fibra hueca entrelazadas en el hueco de la espiral de la camara de refrigeracion, de forma que se disponga en forma de espiral enrollada junto con la camara de refrigeracion. De esta forma se dispone de una camara de refrigeracion con una rigidez suficiente para mantenerse en vertical sobre su propia base en forma de espiral. El numero de membranas de fibra hueca en un modulo es del orden de varias centenas, por lo que la malla es util para facilitar el empaquetamiento, evitando que se muevan las membranas de fibra hueca respecto de la camara de refrigeracion que puede tener diversas geometrias, por ejemplo, espiral.

Ademas, en otra realization preferida del segundo aspecto de la presente invention, el modulo de membrana puede tener una camisa de refrigeracion externa que permite termostatizar y aislar mejor el modulo, ayudando tambien en la condensation y por tanto puede incrementar la tasa de production de agua a la vez que se puede recuperar ese calor. Por termostatizar en la presente invencion se entiende mantener la temperatura constante dentro del modulo y por aislar, minimizar la transferencia energetica entre el modulo y el exterior del mismo.

En una realizacion preferida del segundo aspecto de la presente invencion la temperatura de entrada del alimento esta entre 10°C y 100°C, preferiblemente entre 40°C y 90°C, y mas preferiblemente entre 60°C y 75°C. En otra realizacion preferida del segundo aspecto de la presente invencion, la temperatura de entrada de las corrientes de refrigeracion estan entre -25°C hasta 80°C, y mas preferiblemente entre 0°C y 50°C y mas preferiblemente entre 10°C y 30°C.

Por tanto, en una realizacion preferida del segundo aspecto de la presente invencion el modulo comprende una entrada del alimento, una salida del alimento, una entrada y una salida del permeado, una parte central en forma de espiral compuesta por una camara de refrigeracion que tiene al menos dos superficies de condensacion, y por al menos un conjunto de membranas de fibra hueca y una malla descritas en la presente invencion, una entrada y una salida del fluido refrigerante de la camara de refrigeracion y, opcionalmente una camisa de refrigeracion dispuesta rodeando la parte central. Por la camisa de refrigeracion circula un fluido refrigerante con una entrada y una salida.

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Por fluido de refrigeracion se entiende cualquier fluido que se emplee para intercambiar calor con las paredes de la camara/ camisa que los contiene. El fluido refrigerante que circula por la camara de refrigeracion y el fluido que circula por la camisa de refrigeracion puede ser el mismo fluido o fluidos distintos.

En una realization del segundo aspecto de la invention el fluido refrigerante es el alimento antes de ser calentado. De esta forma se aprovecha el calor del producto obtenido en el proceso para precalentar el alimento.

Dependiendo de la configuration de destilacion en membrana escogida, el modulo tendra una salida de permeado para DMCD, que puede ser a su vez entrada de aire o gas en DMCA, DMGB, DMGBT y salida de permeado en DMCL. Ademas de una entrada de permeado en DMCD, que puede ser a su vez salida permeado DMCA, DMGB, DMGBT, DMV (y en DMCL debe estar cerrada).

Las superficies de condensation son de un material conductor termico y compatible con el fluido a tratar asi como el fluido empleado como refrigerante.

La conductividad termica de la superficie de condensacion debe ser lo mas elevada posible para favorecer la transmision de calor a traves de la superficie, aumentando la condensacion del vapor sobre la misma y la recuperation de ese calor latente de condensacion en el propio proceso. La conductividad termica de la superficie de condensacion debe ser alta para conseguir mantener el permeado a una temperatura adecuada y evitar que se caliente en el modulo en la configuracion de DMCD y, por otra parte, aumentar el ritmo de condensado en la superficie de condensacion en las configuraciones de DMCA y DMV. Asimismo en la configuracion de gas de arrastre debe mantenerse lo mas baja posible la temperatura del gas durante su paso por el modulo. El rango de valores de conductividad termica que se pueden utilizar oscila entre las decenas (ej. Titanio, 21 W/mK) y las centenas (ej. Cobre, 385 W/mK). El rango optimo es entre 200-400 W/m K.

Por otra parte, es importante que los materiales para la construction de la superficie de condensacion tenga una resistencia moderada-alta a la corrosion de efluentes de elevada salinidad, de forma que puedan emplearse como fluidos refrigerantes el agua de mar o el propio alimento.

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Ejemplo de materiales podrian ir desde metales como por ejemplo cobre, aluminio, estano o algun tipo de aleacion y, en menor medida, materiales plasticos (presentan baja conductividad pero es posible encontrar materiales plasticos con conductividades termicas mejoradas) o incluso materiales de tipo grafito laminado. Otros materiales que se pueden usar son aleaciones de aluminio-magnesio (ej. Magnealtok® 50 con una conductividad termica de 116 W/mK).

Respecto a las propiedades mecanicas, el material para la superficie de condensation es preferiblemente de conformado facil y buena soldabilidad.

El rango de espesores de las superficies de condensacion de la camara de refrigeration debe ser lo suficientemente pequeno para que la transmision de calor sea muy buena y para que se pueda enroscar facilmente (formar la espiral) pero, a la vez, tiene que tener un espesor suficiente para permitir soldar sin danar el material. Preferiblemente el rango de espesores es de 0,8 a 1 mm.

El material utilizado para la fabrication de la camara de refrigeracion enrollada en espiral junto con el conjunto de membranas de fibra hueca de la presente invention debe ser lo suficientemente rigido como para que se pueda disponer, enrollar o mecanizar en forma de espiral y que esta se mantenga en vertical apoyada sobre la base de la espiral sin que esta se desmorone o se toquen las superficies de la misma.

Dentro de las propiedades mecanicas podemos definir el limite elastico, tambien denominado limite de elasticidad o limite de fluencia, que es la tension maxima a la que puede ser sometida un material sin sufrir deformaciones permanentes, es decir, que al cesar la carga la pieza recupera su forma inicial. En la presente invencion la superficie de condensacion tiene un limite elastico bajo para que sea facilmente deformable. El rango de limite elastico puede variar entre 5 y 150 N/mm2, por ejemplo se puede emplear cobre recocido que tiene un valor de 9 N/mm2 o una aleacion de aluminio-magnesio (5052) que tiene un limite elastico de 90 N/mm2. Tambien tiene una Dureza Brinell con un maximo de 100 HB, por ejemplo para el cobre recocido es de 35 HB y para la aleacion aluminio-magnesio 5052 es de 60 HB.

Por tanto, en una realization preferida el material de la superficie de condensacion es un material plastico, grafito o un metal, mas preferiblemente la superficie de condensacion es de un material metalico, aun mas preferiblemente de cobre o de una

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aleacion de aluminio-magnesio.

Las membranas de fibra hueca junto a la malla, descritas en la presente invencion, configuran un tejido que esta preferiblemente dispuesto en espiral. Este tejido se ha de encontrar junto con una camara de refrigeracion plana enrollados en espiral. En la fig. 4 se muestra un corte transversal de la disposicion de la malla con las membranas de fibra hueca enrolladas de este modulo. La camara de refrigeracion a su vez puede funcionar como intercambiador de calor interno precalentando el alimento antes de ser introducido por el interior de las membranas de fibra hueca. Por el interior de las membranas de fibra hueca circula el alimento o solucion a purificar, el cual se encuentra a una temperatura superior que la superficie de condensacion. La superficie de condensacion es de un material conductor termico, preferiblemente metalico, por ejemplo placa de cobre. El vapor de agua y volatiles procedentes de la disolucion alimento son capaces de atravesar la membrana debido a la diferencia de presion de vapor a ambos lados de la membrana. El grado de rechazo es del 100% cuando el alimento son electrolitos y no electrolitos no volatiles, por ejemplo NaCl o glucosa, disueltos en agua y no comprende ningun otro elemento volatil. Este vapor alcanza la superficie de condensacion condensando en la misma como agua de mayor pureza en las configuraciones de DMCA, DMGBT y DMV. En la configuracion de camara de aire, por gravedad este permeado acaba recogiendose en el fondo del modulo. Asimismo se puede aplicar cierto vado en el modulo (50-100 milibar) para mejorar el flujo de permeado, en este caso este tipo de configuracion se denomina de vado (DMV). En la fig. 3 se muestra un corte longitudinal de este modulo.

Se hace circular al alimento por dentro de las membranas de fibra hueca y condensar el permeado sobre una superficie fria cercana si se trabaja en DMCA o mantener el permeado (gas o liquido) en contacto con las membranas de fibra hueca para DMCD, DMCL, DMGB y DMGBT. El permeado se mantiene lo mas frio posible para aumentar la fuerza motriz del proceso DM. Se puede bajar la presion dentro del modulo de membrana por medio de una trompa de agua o una bomba de vado conectada al permeado del modulo dando lugar a la DMV. En este modulo, la camara de refrigeracion es una camara hueca fina de espesor (en torno a 1 cm) formada por superficies de condensacion, a traves de la cual fluye el liquido refrigerante. De este modo se puede conseguir un aumento de la diferencia de temperaturas dentro del modulo. Dentro de la camara de refrigeracion se situa un numero de bafles que le dotan de una resistencia mecanica y, al mismo tiempo, una mejor distribucion del

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fluido en su interior. La idea es enrollar sobre un eje central la camara de refrigeracion y una malla con las membranas de fibra hueca trenzadas para formar un rollo en una configuration espiral (fig. 4). Tambien, el modulo esta dotado de una camisa de refrigeracion externa para aislar del exterior y ayudar al fenomeno de condensation del vapor producido.

El modulo puede colocarse en vertical o inclinado con un grado entre 0° y 90°, preferiblemente entre 45° y 60° sobre la horizontal, para facilitar el recogido del permeado y para garantizar una circulation tangencial del alimento en contacto con toda la membrana.

En una realization preferida del segundo aspecto de la presente invention el modulo tal y como se ha descrito anteriormente puede presentarse en cualquier configuracion y preferiblemente tiene una configuracion seleccionada de DMCD (Destilacion en Membrana por Contacto Directo), DMCA (Destilacion en Membrana por Camara de Aire), DMV (Destilacion en Membrana por Vado), DMCL (Destilacion en Membrana Camara Liquida), DMGB (Destilacion en Membrana por Gas de Barrido) y DMGBT (Destilacion en Membrana por Gas de Barrido Termostatizado).

Un tercer aspecto de la presente invencion se refiere a un sistema de destilacion de membrana que comprende al menos un modulo de membrana de la presente invencion. Varios modulos se pueden disponer en serie o en paralelo aumentando la production. Por otra parte, se puede aumentar el rendimiento disponiendo varios modulos en serie.

Un cuarto aspecto de la presente invencion se refiere al uso de un modulo de destilacion en membrana tal y como se ha descrito anteriormente o de un sistema de destilacion en membrana tal y como se ha descrito anteriormente para el tratamiento y/o desalinizacion de fluidos.

En una realizacion preferida del cuarto aspecto de la presente invencion, el alimento es un fluido que se desea tratar y/o desalinizar y que esta formado por una disolucion acuosa que contiene cualquier tipo de sustancia soluble o insoluble que se desea eliminar o disminuir de la disolucion acuosa.

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En una realization preferida del cuarto aspecto de la presente invention, la temperatura de entrada del alimento esta entre 10°C y 100°C, preferiblemente entre 40°C y 90°C, y mas preferiblemente entre 60°C y 75°C. En otra realizacion preferida del segundo aspecto de la presente invencion, la temperatura de entrada de las corrientes de refrigeration estan entre -25°C hasta 80°C, y mas preferiblemente entre 2°C y 50°C y mas preferiblemente entre 5°C y 30°C.

El uso del modulo de destilacion en membrana de la invencion o de un sistema que comprende al menos un modulo puede tener las siguientes aplicaciones:

- desalacion y tratamiento de salmueras de plantas desaladoras mejorando la conversion de la planta y reduciendo el vertido de salmuera producido;

- tratamiento de aguas residuales y purification de efluentes contaminados de distinta naturaleza como pueden ser aguas de la industria farmaceutica, textil, soluciones contaminadas con boro, arsenico, etc., e incluso soluciones con niveles bajos o medios de radioactividad;

- concentracion de disoluciones, con especial relevancia para aquellas disoluciones en las que hay presentes compuestos sensibles a las altas temperaturas, por ejemplo la concentration de zumos de frutas o en la industria lactea;

- elimination y/o recuperation de compuestos organicos volatiles como alcoholes o compuestos halogenados, benceno etc.

- separation de mezclas azeotropicas, por ejemplo acido clorhidrico - agua o acido formico - agua.

EJEMPLOS DE REALIZACION

1.- Fabrication del modulo de destilacion en membrana

El modulo de destilacion en membrana comprende el conjunto de membranas de fibra hueca entrelazadas en una malla de la invencion y una camara de refrigeracion enrolladas en espiral y un cuerpo formado por una camisa de refrigeracion, 2 tapas y roscas fabricadas en acero inoxidable, y conexiones de acero inoxidable para la salida y entrada de la camara de refrigeracion, de la camisa de refrigeracion, del permeado/condensado y del alimento. Se utilizaron membranas de fibra hueca ACCUREL® PP Q3/2 bajo las configuraciones de DMCD, DMCA y DMV. Sin embargo, podria funcionar de igual modo con cualquier otro tipo de membranas de

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fibra hueca. Igualmente la membranas de fibra hueca ACCUREL® PP Q3/2 puede emplearse para otras configuraciones como DMGB, DMGBT y DMCL.

En las fig. 3 (corte longitudinal) y 4 (corte transversal) esta representada esta realization: el modulo comprende una entrada del alimento (1), una salida (1’) del alimento, una entrada (2) y una salida (2’) del fluido refrigerante a la camara de refrigeration. La parte central del modulo esta compuesta por la camara de refrigeration (2’’) en forma de espiral (esta formada por dos superficies de condensation, 2’’’) y por al menos un conjunto de membranas de fibra hueca (3) entrelazadas en una malla (5). Esta parte central esta rodeada por una camisa de refrigeracion (4) por donde circula un fluido refrigerante con una entrada y una salida (4’, 4’’, respectivamente). Las tapas del modulo tienen salida de permeado (6) para DMCD, DMCL o entrada de aire o gas en DMCA, DMGB, DMGBT y entrada de permeado (6’) para DMCD, salida permeado para DMCA, DMGB, DMGBT, DMV (en DMCL debe estar cerrada).

El diametro interno de la camisa de refrigeracion es de 12,5 cm, con un espesor de la camisa de 1,25 cm. En el interior del modulo se dispuso una camara de refrigeracion en forma de espiral fabricada en cobre, cobre recocido por ser el de mayor conductividad termica, de conformado facil y buena soldabilidad, para formar la camara de refrigeracion. El espesor de cada placa de cobre es de 0,8 mm, de altura 30 cm con una longitud de la placa externa e interna que forma las paredes de la camara de refrigeracion, de 71,3 cm y 61,2 cm, respectivamente (desarrollo externo e interno de la espiral). La camara de refrigeracion se forma con tres vueltas alrededor del eje central de esta y un espesor de la camara de refrigeracion hueca de 0,7 cm (2’’ en la fig. 3). Se hace pasar a traves de la camara de refrigeracion agua desde la entrada por la parte inferior del modulo a la salida por la parte superior. Se pretende que actue como superficie de condensacion interna en el caso de DMCA. En la configuration de DMCD ayuda a mantener la temperatura del lado del permeado. La distribution del refrigerante en la camara de refrigeracion se lleva a cabo mediante un tubo flexible perforado y situado en un extremo y sujeto entre las superficies de la camara. De este modo se consigue una distribucion homogenea y uniforme del refrigerante en la camara de refrigeracion.

Dentro de la espiral se dispone una malla de fibra de vidrio, con una luz de 4 mm, de dimensiones 55 * 30 cm, en la cual van trenzadas, en grupos de tres y alternas, las

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membranas de fibra hueca ACCUREL® PP Q3/2 (los diametros externos e internos de la membrana de fibra hueca son 0,9 y 0,6 mm, respectivamente) (fig. 2). En el proceso de trenzado se procura dejar la misma longitud de membrana de fibra hueca libre a cada lado de la malla. El diametro de curvatura de las membranas de fibra hueca es de unos 3,4 cm aproximadamente, lo que permite ganar mayor superficie de membrana y, sobre todo, turbulencia. La superficie efectiva de la membrana total, teniendo en cuenta que la longitud efectiva de las membranas de fibra hueca es de unos 46 cm aproximadamente, asciende a 0,26 m2.

Las especificaciones tecnicas de la malla son las siguientes: cuadricula (luz): 4 * 4 mm; espesor: 0,2 mm; urdimbre: 1,7 mm; trama: 0,2 mm; peso: 82 g/m2; densidad: 0,40 g/cm3; y resistencia a la tension (rigidez): > 400 N.

Para introducir el conjunto compuesto por las membranas de fibra hueca y la malla dentro de la espiral formada por la camara de refrigeracion y se hace deslizar esta por el hueco formado por la misma, con precaution para no danar las membranas de fibra hueca. Una vez dentro, se sujeta la malla para que no se mueva con unos puntos de pegamento.

Una vez que se tiene la espiral formada por la camara de refrigeracion y la malla con membranas de fibra hueca entrelazadas, se introduce dentro del cuerpo del modulo y se conectan los tubos de refrigerado de la camara de refrigeracion a las conexiones que estan en las tapas del modulo. La salida y entrada del cuerpo del modulo tiene un diametro menor al del cuerpo del modulo, esto provoca que las membranas de fibra hueca se reagrupen en el hueco.

A continuation, se pegan las membranas de fibra hueca entre ellas y a las paredes de la boca de las tapas del modulo. Para ello se introduce primero hilos de algodon entre las membranas de fibra hueca que serviran de soporte, y a continuacion se anade el pegamento formando una capa que obliga al alimento a circular solo por el interior de las membranas de fibra hueca. Como material de pegado de las membranas de fibra hueca se ha utilizado una resina epoxica resistente a altas temperaturas. Una vez pegadas y solidificado el pegamento, se recortan de modo que se pueda enroscar a la tapa las conexiones del circuito del alimento.

- Rango de densidad de las membranas de fibra hueca.

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El numero de membranas de fibra hueca en la malla es de, aproximadamente, 300. La longitud de la malla es de 55 cm de largo y 30 cm de alto. Si tenemos en cuenta la longitud de la malla, la densidad de las membranas de fibra hueca es de 5,45 membranas de fibra hueca / cm.

Si tenemos en cuenta que en este ejemplo el volumen que hay dentro de la espiral formada por el hueco de la camara de refrigeracion (1 x 55 x 30) es de 1650 cm3 y el area efectiva de las membranas de fibra hueca es 2600 cm2, la densidad de empaquetamiento, definida como area efectiva de la membrana por volumen de modulo de membrana, excluyendo el volumen ocupado por la camara de refrigeracion, es de 1,58 cm2/cm3.

2.- Ejemplo de proceso de destilacion en membrana con el modulo del ejemplo 1

Se han calculado los numeros de Reynolds para los flujos de paso del alimento y del permeado obtenidos. Los flujos de paso del alimento variaron entre 1 l/min y 5 l/min mientras que los del permeado variaron entre 1 l/min y 9 l/min. Estos valores del numero de Reynolds han sido calculados para agua destilada a una temperatura de 25°C. Los numeros de Reynolds obtenidos para el alimento variaron entre 264 y 660 y para el permeado variaron entre 528 y 2378.

De acuerdo a los valores de Reynolds observados el valor mas limitante para el proceso de destilacion es el flujo de alimento en el interior de las membranas de fibra hueca cuyo Re se encuentra en un regimen claramente laminar por lo cual el efecto por polarizacion por temperatura y concentration es importante. En el modulo actual, teniendo en cuanta la caida de presion observada y el LEP de las membranas de fibra hueca, se podria trabajar como maximo a un caudal de 10 l/min. Caudales mas altos necesitarian de presion hidrostaticas mas altas que podrian provocar el mojado de la membrana y consecuentemente las inutilizaria para esta aplicacion. Aun asi con un caudal de 10 l/min estariamos en un regimen laminar (Re=1320). Sin embargo el hecho de que las membranas de fibra hueca se encuentren entrelazadas en la malla permite aumentar el regimen del alimento en el interior de las membranas de fibra hueca y minimiza los efectos de polarizacion de temperatura y concentracion.

Dado que la fuerza impulsora del proceso de destilacion en membrana es la diferencia de presion de vapor a ambos lados de la membrana y esta es dependiente de la

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temperatura, un aumento en la temperatura de alimento provoca un incremento en la produccion de destilado.

A continuacion se muestra como ejemplo resultados obtenidos en la configuracion de contacto directo para una misma temperatura de alimento (60°C) y distintos caudales de alimentacion. Con los caudales de alimentacion Qa=3 l/min y Qa=5 l/min, el alimento circula en un regimen claramente laminar, dando Re de 396 y 660 respectivamente, con lo que el efecto de polarizacion por temperatura y concentracion es de importancia para el proceso. Para una temperatura media de alimentacion de 60 °C y del permeado de 30 °C, se han obtenido flujos de destilado de 6,5 y 11,1 LMH (lm-2h-1) para los caudales de alimentacion de 3 y 5 l/min respectivamente, con un caudal de permeado de 5 l/min. Esta mejora se debe a diversos aspectos: al aumento de turbulencia en el modulo originado por el entrelazado de las membranas de fibra hueca en la malla y el aumento de caudal de alimento (reduciendo los efectos de polarizacion por temperatura y concentracion) y por la disminucion de los tiempos de residencia que tambien tiene un efecto en el aumento de la productividad. Este aumento de caudal de alimentacion (de 3 a 5 l/min) tambien repercute en la eficiencia termica del proceso aumentado desde 45,2 % a 71,1 %. Asimismo, en las mismas condiciones de temperatura (60°C) y caudal para el alimento (5l/min) se obtuvieron unos caudales de destilado de 3,7 LMH (lm-2h-1) en la configuracion de camara de aire y de 7,7 LMH (lm-2h-1) en la configuracion de vado empleando una presion de vado de 0,3 bar.

Se ha definido la eficiencia termica, eT, como la relacion entre la cantidad de calor transferido a traves de la membrana y el calor realmente utilizado para el flujo de permeado obtenido, es decir:

£ _ JAAHv

rilaCp,a(Ta,in ^a,out)

donde ] es el flujo de permeado a traves de la membrana obtenido en cada experimento (kg m-2 h-1), A es el area de la membrana (0,26 m2), AHV es la entalpia de vaporizacion del agua a la temperatura media del alimento (J kg-1), ma es caudal de circulacion del alimento a traves del modulo (kg h-1), cpa es el calor espedfico del alimento (agua destilada o disolucion acuosa de 30 g/l de NaCl) a la temperatura media del alimento (J kg-1°C-1) y (Ta in - Ta out) es la diferencia de temperaturas en el alimento a la entrada y a la salida del modulo (°C).

Se ha supuesto que, en condiciones estacionarias, el flujo de calor transferido a traves de la membrana es igual al flujo de calor transferido en el lado del alimento a lo largo del modulo.

Claims (19)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un conjunto de membranas de fibra hueca soportadas en una malla caracterizado porque las membranas de fibra hueca se encuentran entrelazadas transversalmente entre la urdimbre de la malla.
2. 2. El conjunto de membranas de fibra hueca segun la reivindicacion 1, donde el entrelazado de las membranas de fibra hueca tiene un diametro de curvatura de 2 a 5 cm.
3. 3. El conjunto de membranas de fibra hueca segun cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde la malla esta compuesta de fibra de vidrio o de un material plastico seleccionado de entre policloruro de vinilo, polipropileno o polietileno.
4. 4. El conjunto de membranas de fibra hueca segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la malla tiene una cuadricula de luz de entre 1,5 mm y 8 mm y una densidad de entre 0,2 g/cm3 y 2 g/cm3.
5. 5. El conjunto de membranas de fibra hueca segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la malla tiene un espesor de entre 0,1 mm y 0,5 mm, una distancia entre cada urdimbre de entre 1 mm y 3 mm, una distancia entre cada trama de entre 0,1 mm a 1 mm y un peso de entre 40 y 150 g/m2.
6. 6. El conjunto de membranas de fibra hueca segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde las membranas de fibras huecas estan compuestas por un material hidrofobo poroso.
7. 7. El conjunto de membranas de fibras huecas segun la reivindicacion 6, donde las membranas de fibra hueca estan compuestas al menos por politetrafluoroetileno, polifluoruro de vinilideno, polipropileno, polifluoruro de vinilideno-co-hexafluoruro de polipropileno, polioxadiazoles fluorados, polioxatriazoles fluorados o cualquier combinacion de los mismos.
8. 8. El conjunto de membranas de fibra hueca segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde las membranas de fibra hueca estan compuestas por un material hidrofobo poroso combinado con una capa de una material hidrofilo.

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9. 9. El conjunto de membranas de fibra hueca segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde las membranas de fibra hueca tienen un tamano medio de poro de entre 0,01 ^.m a 5 ^.m, preferiblemente de entre 0,2 ^.m a 0,6 ^.m.
10. 10. Un modulo de membrana que comprende el conjunto de membranas de fibra hueca descritas en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
11. 11. El modulo segun la reivindicacion 10, que comprende una entrada del alimento (1), una salida del alimento (1’) y una parte central en forma de espiral compuesta por al menos una camara de refrigeracion (2’’) con una entrada (2) y salida (2’) de fluido refrigerante y por al menos un conjunto de membranas de fibra hueca (3) entrelazadas en una malla (5), donde la parte central esta rodeada por una camisa de refrigeracion (4) por donde circula un fluido refrigerante con una entrada (4’) y una salida (4’’).
12. 12. El modulo segun la reivindicacion 11, caracterizado porque la camara de refrigeracion (2’’) esta en forma de espiral y formada por dos superficies de condensacion (2’’’).
13. 13. El modulo segun la reivindicacion 12, donde la superficie de condensation es preferiblemente de un material con una conductividad termica de entre 200 y 400 W/mK.
14. 14. El modulo segun cualquiera de las reivindicaciones 12 o 13, donde la superficie de condensacion esta formada por un material plastico, grafito o material metalico.
15. 15. El modulo segun la reivindicacion 14, donde la superficie de condensacion esta formada por un material metalico.
16. 16. Sistema de destilacion en membrana que comprende al menos un modulo de membrana segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15.
17. 17. Uso de un modulo de destilacion en membrana segun las reivindicaciones 10 a 15 o de un sistema de destilacion en membrana segun la reivindicacion 16 para el tratamiento y/o desalinizacion fluidos.
18. 18. Uso segun la reivindicacion 17 donde la destilacion en membrana se lleva a cabo en una configuracion seleccionada de Destilacion en Membrana por Contacto Directo, Destilacion en Membrana por Camara de Aire, Destilacion en Membrana por Vado, Destilacion en Membrana Camara Liquida, Destilacion en Membrana por Gas de

    5 Barrido y Destilacion en Membrana por Gas de Barrido Termostatizado.
19. 19. Uso del modulo segun las reivindicaciones 17 o 18, donde la destilacion en membrana se lleva a cabo en un procedimiento seleccionado de desalacion, tratamiento de salmueras de plantas desaladoras, tratamiento de aguas residuales,

    10 purification de efluentes contaminados, concentration de disoluciones, elimination y/o

    recuperation de compuestos organicos volatiles y separation de mezclas azeotropicas.