ES2718251T3 - Elemento soporte para módulo de membranas con fibras huecas - Google Patents

Elemento soporte para módulo de membranas con fibras huecas Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
Elemento soporte para módulo de membranas con fibras huecas
Campo
La presente memoria descriptiva se refiere a membranas con fibras huecas revestidas o a elementos soporte o módulos de membranas con fibras huecas revestidas.
Antecedentes
La descripción subsecuente no admite o implica que el aparato o el procedimiento analizado en las líneas que siguen pueda referirse como técnica anterior o parte del conocimiento general de una persona experta en la materia en cualquier país determinado.
Con el fin de filtrar o permear con membranas con fibras huecas, un gran número de fibras huecas delgadas debe ser fijado a un elemento soporte de tal manera que cada una de sus superficies externas quede completamente sellada en el exterior del elemento soporte pero sus luces estén abiertas a un espacio interno del elemento soporte. El espacio interior del elemento soporte es a continuación conectado a una fuente de aspiración o de presión para crear una presión trans-membranas de un lado a otro de las paredes de las membranas y transportar los fluidos hacia y desde las luces de las membranas.
En la Pat. Estadounidense No. 5,639,373, los extremos de una formación de fibras son sumergidos en un líquido fugitivo como por ejemplo una cera, hasta que el líquido fugitivo se solidifica alrededor de aquellas. Un líquido de fijación, como por ejemplo una resina, es entonces vertido sobre el líquido fugitivo dejando que se endurezca alrededor de las membranas. El líquido fugitivo es a continuación retirado, por ejemplo mediante calentamiento o disolución, dejando las luces de las membranas abiertas al espacio interiormente ocupado por el líquido fugitivo. En la Pat. Estadounidense No. 6,042,677, se utiliza un proceso similar pero la formación de fibras queda retenida en un lecho de polvo que se utiliza en lugar del líquido fugitivo solidificado.
En la Pat. Estadounidense No. 5,922,201, una fibra hueca continua es fabricada dentro de un tejido de manera que las longitudes adyacentes de las fibras estén separadas unas de otras y no presenten extremos abiertos. Un borde del tejido es insertado dentro de un recipiente de resina líquida que es centrifugada o sometida a vibración cuando se cura para estimular el flujo dentro de los espacios entre las fibras. Después de que la resina se ha curado, el bloque de resina y fibra es cortado para separar el tejido en longitudes individuales de fibras que presentan unos extremos abiertos. El bloque de resina es a continuación pegado o fijado por medio de juntas al resto del elemento soporte.
En la Solicitud de Patente europea No. EP 0931 582, se utiliza un tubo elástico para elaborar un elemento soporte. Una abertura es cortada en el tubo y un rebosadero es acumulado alrededor de la abertura. Los extremos abiertos de las membranas con fibras huecas son insertados en la abertura primeramente tirando de la abertura abierta y a continuación dejando que se cierre sobre las membranas. La resina líquida es vertida sobre los extremos de las membranas y retenida en posición por el rebosadero hasta que se cure. La tensión superficial impide que la resina fluya a través de la abertura de los espacios dispuestos entre fibras adyacentes. Los documentos WO 01/85315, US 2004/0238432 y WO 2004/037396 divulgan unos módulos de membranas con fibras huecas recubiertas con una sola capa adhesiva de prefijación.
El documento US 4,138,460 divulga un procedimiento de revestimiento para membranas de fibras huecas encapsuladas en una cavidad de un molde.
El documento WO 2006/045191 constituye el estado de la técnica con arreglo al apartado 3 del artículo 54 del CPE y divulga un haz de membranas con fibras huecas impregnadas con dos capas adhesivas y un material de revestimiento termoplástico.
Sumario
El sumario subsecuente tiene por finalidad introducir al lector en la memoria descriptiva, pero no definir la invención. La invención o las invenciones pueden centrarse en una combinación o subcombinación de características desarrolladas en el presente sumario o en otras partes del presente documento, por ejemplo en las reivindicaciones. Los inventores han detectado diversas dificultades de los procedimientos de revestimiento de la técnica anterior. En particular, el uso de líquidos resinosos, curables, origina diversos inconvenientes. Por ejemplo, materiales curables como por ejemplo poliuretano, epoxi, o silicona son costosos, el tiempo requerido para curar estos materiales también es prolongado, típicamente de al menos 10 minutos y más a menudo horas debido a que el curado rápido de un bloque de tamaño considerable de resina crea un calor excesivo. Las resinas también pueden exigir procedimientos de mezcla o curado cuidadosos o pueden liberar sustancias químicas perjudiciales a medida que se produce el curado. El efecto de mecha de la resina líquida hacia la parte de arriba de la longitud de las fibras antes del curado puede también constituir un problema.
En un procedimiento de revestimiento de membranas con fibras huecas, las membranas quedan dispuestas en un haz que incorpora una capa de un material comprimible que rodea las membranas en un plano separado de los extremos de las membranas. Las capas del material comprimible puede formarse colocando capas de adhesivo fundido caliente sobre las hojas de fibras, de modo opcional apilando múltiples hojas de fibras entre sí. Las fibras son entonces colocadas en un molde que comprime la banda de material comprimible para formar una cavidad genéricamente sellada que contiene las fibras. Un material de revestimiento fundido es inyectado dentro de la cavidad para rodear las membranas. El material de revestimiento es enfriado en el molde y se endurece formando un bloque de material de revestimiento sólido conectado de forma estanca a las membranas. De manera opcional, dos capas separadas de material comprimible pueden estar dispuestas sobre el haz. El molde comprime ambas capas para habilitar una cavidad entre las dos capas que es rellenada con el material de revestimiento inyectado. En este caso, el líquido de fijación no fluye hacia los extremos de las membranas que permanecen abiertos.
En un procedimiento de elaboración de un elemento soporte que incorpora membranas con fibras huecas revestidas, se utiliza un procedimiento como el anteriormente descrito, para revestirlas membranas en un bloque de material de revestimiento. En un procedimiento, el material de revestimiento es retirado del molde y a continuación cortado para reabrir los extremos de las fibras. El bloque del material de revestimiento es entonces sellado sobre un cuenco del elemento soporte para formar una zona de recogida de los permeados en comunicación con los extremos de las fibras. En otro procedimiento, un bloque de material de revestimiento formado entre dos bandas de material comprimible es sellado sobre un cuenco del elemento soporte con los extremos abiertos de las fibras y la capa de material comprimible más próxima a ellos, dentro de la zona de recogida de los permeados. En otro procedimiento, un bloque de material de revestimiento está formado entre dos bandas de material comprimible mientras que al menos la banda de material comprimible más próxima a los extremos de las membranas es insertado en un cuenco del elemento soporte. De manera opcional, ambas bandas de material comprimible pueden ser insertadas en el cuenco del material soporte. De esta manera, el materia de revestimiento se forma en o alrededor, y se sella a la parte superior del cuenco del elemento soporte y a las membranas al mismo tiempo.
Un procedimiento de revestimiento de membranas con fibras huecas puede comprender las etapas de formar una cavidad sustancialmente cerrada alrededor de una porción de las membranas cerca de sus extremos. Un material de revestimiento líquido es inyectado dentro de la cavidad dejando que se solidifique dentro de la cavidad. El material de revestimiento puede ser una resina termoplástica o termo-endurecible.
La memoria descriptiva también describe membranas o elementos soporte revestidos. En algunos casos, un conjunto de membranas revestidas incorpora una banda de adhesivo, un material comprimible y un bloque de un material de revestimiento termoplástico solidificado o moldeado por inyección de reacción. En algunos casos, un conjunto de membranas revestidas presenta dos bandas de material comprimible adhesivo y un bloque de material de revestimiento solidificado entre las bandas. En otros casos, como el anteriormente descrito presenta un bloque de material de revestimiento sellado sobre un cuenco del elemento soporte para formar una cavidad de permeación en comunicación con los extremos de las membranas.
Breve descripción de los dibujos
Ejemplos de formas de realización de la invención o de las invenciones se describirán a continuación con referencia a las figuras subsecuentes.
La Figura 1 muestra una vista en planta de una capa de material comprimible adhesivo situado sobre una hoja de fibras.
La Figura 2 muestra una vista isométrica de hojas de fibras de la Figura 1 ensambladas dentro de un haz de mayor tamaño de fibras que presenta una capa de adhesivo, de material comprimible.
La Figura 3 es una vista isométrica recortada del haz de la Figura 2 insertado en el primer molde.
La Figura 4 muestra una vista isométrica recortada del haz de la Figura 2 insertado en un segundo molde. La Figura 5 muestra una vista recortada de un haz revestido de membranas fijadas a un cuenco del elemento soporte.
La Figura 6 es una fotografía de un haz de fibras revestidas cortadas a través del material de revestimiento. La Figura 7 es una representación de un conjunto de membranas revestidas.
Descripción de formas de realización
La Figura 1 muestra una hoja 10 de membranas 12 con fibras huecas. La hoja 10 está formada mediante la deposición en capas de las membranas 12 sobre una superficie de soporte, por ejemplo una tabla, de manera que las membranas 12 sean genéricamente paralelas entre sí pero estén separadas unas de otras, por ejemplo entre de 0,2 a 2 veces su diámetro, al menos en la región 14 de revestimiento cerca de sus extremos 16 abiertos. De manera opcional, la hoja 10 puede estar formada mediante cualquier tejido apropiado que constituya el procedimiento y que tenga unas fibras inertes que discurran transversalmente de un lado a otro de las membranas 12 para contribuir a mantener en posición las membranas 12. También de manera opcional, la hoja 10 puede estar formada mediante el enrollamiento de las membranas 12 sobre un tambor, de modo preferente por medio de una guía que avance a través de la cara del tambor a una velocidad determinada con respecto a la velocidad de rotación del tambor que sitúe las fibras en una espiral alrededor del tambor con una separación deseada. Las membranas 12 pueden tener diámetros de, por ejemplo, entre 0,5 y 2,5 mm y puede, por ejemplo, haber entre 50 y 400 membranas 12 en una hoja 10. La anchura de la hoja 10 puede ser, por ejemplo, de entre 400 mm y 1200 mm y la longitud de la hoja 10, y sus membranas 12 puede ser, por ejemplo, de entre 200 y 3200 mm. En distintas Figuras, las membranas 12 se muestran cortadas en una longitud más reducida para permitir que otras partes se muestren con un tamaño mayor.
Una primera capa 18 de un adhesivo 20 comprimible está situada sobre la hoja 10 de manera que los extremos 16 de las membranas 12 y la primera capa 18 del adhesivo 20 estén en lados opuestos de la región 14 de revestimiento. El adhesivo 20 mantiene juntas las hojas 10. El adhesivo 20 también sella la entera circunferencia exterior de las membranas 12, aunque no es necesario que se forme un cierre estanco perfecto de las burbujas. La longitud, la anchura y el grosor de la primera capa 18 del adhesivo 20 se mantienen en un tamaño que cooperará con un molde que se describirá más adelante. El adhesivo 20 puede ser termoplástico y ser aplicado fundiéndolo en primer término de manera que pueda fluir por encima de y alrededor de las membranas 12. El adhesivo 20 puede también ser fundido después de aplicarlo a las membranas 12 o moldeado o conformado mientras es fundido para conseguir una capa con un perfil más uniforme o con un tamaño más cuidadosamente controlado. El adhesivo 20 puede también ser genéricamente suave, para que sea más fácilmente comprimido formando una junta estanca con el molde, como se describirá más adelante, y para proporcionar una capa de amortiguación para las membranas 12. Por ejemplo, el adhesivo 20 puede ser de un tipo normalmente designado como pegamento fundido en caliente, que puede ser polietileno o una mezcla de copolímeros de acetato de etilenvinilo. Como alternativa, el adhesivo puede ser una resina como por ejemplo poliuretano o epoxi. De manera opcional, una segunda capa 22 de adhesivo 20 puede también disponerse de la manera descrita respecto de la primera capa 18. Sin embargo, la segunda capa 22 es aplicada entre los extremos 16 y la región 14 de revestimiento. La segunda capa 22 no cubre o llena los extremos 16 de las membranas 12. Sin embargo la segunda capa 22, de modo preferente, está situada lo más próximo en cuanto sea práctico a los extremos 16 de las membranas 12 sin cerrar los extremos 16 para recibir la longitud de las membranas 12 que sobresaldrán por el interior e interferirán con los flujos de fluidos situados en el interior, de la cavidad permeada de un elemento soporte acabado.
La Figura 2 muestra un haz 24 de membranas 12 compuestas mediante la aplicación de una pluralidad de hojas 10, por ejemplo entre 1 y 30 o entre 10 y 20 hojas 10 de forma conjunta. Las hojas 10 son apiladas de manera que las capas 18, 22 adhesivas se sitúen en la parte superior unas respecto de otras para formar en términos generales un paralelepípedo. De manera opcional, una o más hojas 10 pueden estar enrolladas de manera conjunta para formar en términos generales un cilindro o disponerse adoptando otras formas. Las hojas 10 pueden ser pegadas, soldadas o sujetas entre sí o simplemente mantenidas juntas de forma manual o envolviendo una cuerda, alambre, banda u otra envoltura alrededor del haz 24.
La Figura 3 muestra el haz 24 situado dentro de un primer molde 30. El molde presenta una primera placa 32 y una asegunda placa 34 con unas superficies 36 de contacto y unas superficies 38 de molde. Después de que el haz 24 es insertado entre las placas 32, 34, las placas 32, 34 son situadas acercándose una a la otra mediante tornillos de apriete, no mostrados, en los agujeros 40 para los tornillos. Cuando las placas 32, 34 se mueven de manera conjunta, las superficies 36 de contacto comprimen las capas 18, 22 adhesivas y crean una junta estanca temporal. Una cavidad 44 se forma entre las superficies 38 de molde de las placas 32, 34, las capas 18, 22 adhesivas y los extremos (no mostrados) del primer molde que contactan con los extremos de las capas 18, 22 adhesivas. La región 14 de revestimiento del haz 24 está dentro de la cavidad 44. Una o más toberas 42 de entrada posibilitan que el material de revestimiento fundido sea inyectado dentro de la cavidad 44. Una o más puntas 46 eyectoras pueden utilizarse para extraer el haz 24 de la cavidad 44 después del revestimiento y de manera secundaria permitir la ventilación área de la cavidad 44. La cavidad 44 está sustancialmente cerrada en el sentido de que rodea la región de revestimiento de no ser por una pequeña ventilación o por las puntas de inyección. Para completar el revestimiento de las membranas 12, el material de revestimiento fundido es inyectado en las toberas 42 para llenar la cavidad 44. Las capas 18, 22 adhesivas impiden que el material de revestimiento abandone la cavidad 44. El material de revestimiento fluye alrededor del haz 24 y, a continuación, penetra en los espacios dispuestos entre las membranas 12. El material de revestimiento es, a continuación, enfriado en la medida suficiente de manera rápida para impedir que se produzcan daños en las membranas 12 o la fusión excesiva de las capas 18, 22 adhesivas. Después de que el material de revestimiento se endurece, las placas 32, 34 pueden ser separadas una de otra para retirar el haz 24 revestido. Las superficies interiores de la cavidad 44 presentarán formadas sustancialmente, todas las superficies exteriores de una masa solidificada del material de revestimiento el material de revestimiento puede ser uno entre diversos polímeros o resinas termoplásticas generalmente utilizadas en el moldeo por inyección, por ejemplo Polipropileno (PP), Polietileno (PE), Polietileno de Alta Densidad (HDPE), Elastómero moplástico (TPE), Poliuretano Termoplástico (TPU), Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS), Poliamida (PA), polistireno (PS), Polipropileno (PP), polímeros o pegamentos fundidos en caliente a base de Copolímeros de Polietileno o Poliolefina, o cualquiera de estos materiales en una forma rellenada, por ejemplo rellena de vidrio. Las membranas 12 pueden también ser de varios tipos de construcción conocidos en la técnica, pero deben ser lo suficientemente resistentes para que no se aplasten por el material de revestimiento inyectado. Por ejemplo, las membranas 12 pueden ser fibras reforzadas con un soporte trenzado como por ejemplo las membranas elaboradas por ZENON Environmental Inc. para módulos de serie 500 ZEEWEED™. El material de revestimiento puede tener un punto de fusión de 50° C o más.
Después de que se haya retirado el haz 24 revestido, puede ser fijado a un cuenco 52 del elemento soporte. Como se muestra en la Figura 5, los extremos 16 de las membranas l2 están insertados en el interior del cuenco 52 de permeado donde una cavidad 54 permeada (o de alimentación) está formada. El material 50 de revestimiento está sellado sobre las paredes 56 del cuenco 52 del elemento soporte para cerrar la cavidad 54 permeada / de alimentación, pero para uno o más orificios 58 del cuenco 52 del elemento soporte y los extremos 16 de las membranas 12. La conexión entre el cuenco 52 de permeado y el material 50 de revestimiento puede llevarse a cabo mediante diversos procedimientos como por ejemplo encolado, soldadura o medios de sujeción mecánicos, de manera opcional mediante una junta u otro material intermedio. También de manera opcional, el material de revestimiento puede ser cortado a lo largo de la línea 60 antes de su fijación al cuenco 52 del elemento soporte. Esto puede llevarse a cabo, por ejemplo, para disponer una cara 62 inferior lisa si el cuenco 52 del elemento soporte tiene que ser fijado a la cara 62 inferior y no a los lados 64 del bloque del material 50 de revestimiento. El corte del material 50 de revestimiento puede también llevarse a cabo cuando se requiera para reabrir los extremos 16, de las membranas 12, por ejemplo si una capa 22 inferior de adhesivo 20 no se utilizara en un molde modificado utilizado para crear una cavidad que se extienda desde la primera capa 18 del adhesivo 20 hasta más allá de los extremos 16 de las membranas 12.
La Figura 4 muestra un segundo molde 70. El segundo molde 70 es similar al primer molde 30 excepto porque un conjunto de superficies 36 de contacto han sido configuradas para aceptar un cuenco 52 del elemento soporte prefabricado. El haz 24 de las membranas 12 es insertado en el cuenco 52 del elemento soporte de manera que el fondo de la segunda capa 22 del adhesivo 20 esté por debajo del borde superior del cuenco 52 del elemento soporte, mientras que el fondo de la primera 18 del adhesivo 20 se sitúa por encima del borde superior del cuenco 52 del elemento soporte. Cuando las placas 32, 34 se juntan, un conjunto de superficies de contacto comprime y temporalmente se cierra de forma estanca contra la primera capa 18 del adhesivo 20 mientras que otro conjunto de superficies 36 de contacto presiona y temporalmente se cierra de forma estanca contra el cuenco 52 de permeado el cual, a su vez, comprime y cierra de forma estanca contra la segunda capa 22 del adhesivo 20. Esto forma una cavidad 44 que incluye el área 14 de revestimiento y una región situada en la parte superior del cuenco 52 de permeado. La región situada en la parte superior del cuenco 52 de permeado puede estar situada dentro del cuenco 52 de permeado por fuera del cuenco 52 de permeado, o en una u otra posición. Cuando el material de revestimiento fundido es inyectado, el material de revestimiento fluye dentro y alrededor de las membranas 22 y, cuando se enfría para convertirse en un material sólido, cierra de forma estanca las membranas 22 una con otra y con el cuenco 52 de permeado. De manera opcional, las paredes del cuenco 52 del elemento soporte podrían extenderse hacia arriba para también solapar la primera capa 18 del adhesivo 20 y provisto con un orificio para la inyección del material de revestimiento dentro del espacio situado entre las paredes del cuenco 52 del elemento soporte. El interior de los lados del segundo molde 70 puede entonces situarse al mismo nivel que los exteriores del cuenco 52 del elemento soporte
El moldeo por inyección del material de revestimiento según se ha descrito puede llevarse a cabo a las presiones aplicadas en el intervalo desde 1 - 300 barias a una temperatura de entre 20 - 340° C o entre 160 - 340° C. El material de revestimiento debe seguir siendo un sólido con la suficiente resistencia en todas las aplicaciones utilizadas, las cuales podrían implicar el contacto con los fluidos hasta 60° C o más. A continuación se ofrecen características de muestra del pegamento de fusión en caliente y del material de revestimiento:
Fusión en caliente
Temperatura de fusión 140 - 300° C
Resistencia (a la Rotura) ) 1 - 4 Mpa
Dureza (Shore "A") Por encima de 40 shore "A" MFI (g / 10 min a la temperatura de fusión) 100 - 1000 g / 10 min
Material de revestimiento
Temperatura de fusión 160 - 340° C
Resistencia (a la Rotura) 10 -150 Mpa
Módulo de elasticidad a la tracción Por encima de 500 Mpa
Dureza (Shore "A") Por encima de 50 shore "A"
MFI (g / 10 min a la temperatura de fusión) 5 - 1000 g / 10 min
Por ejemplo, las membranas 12, según se utilizan en los módulos de la serie 500 de ZEEWEED™ de Zenon Environmental Inc fueron revestidas en un primer molde 30 utilizando 3 tipos de polipropileno con unos índices del flujo de fusión entre aproximadamente 10 g / 10 min y 1000 g / 10 min. Se obtuvieron resultados satisfactorios en los haces 24 de revestimiento con 14 hojas 10 de membranas 12 utilizando temperaturas entre 195 y 230° C y unas presiones de inyección entre 90 y 110 barias. La Figura 6 muestra un haz 24 revestido del tipo indicado cortado a través del material 50 de revestimiento de polipropileno. La figura 7 es una fotografía del exterior de otro haz de este tipo.
Los procedimientos y los aparatos descritos en las líneas anteriores pueden también ser utilizados con sistemas de resinas de reacción química. En este caso, el polímero líquido puede ser creado mezclando dos o más componentes químicamente reactivos. El líquido sigue siendo inyectado a presión, y puede seguir transfiriéndose calor al molde debido a una reacción exotérmica, pero el material de revestimiento se solidifica por reacción química. Utilizando resinas de revestimiento convencionales, los procedimientos y aparatos referidos pueden seguir aprovechando ventajas tales como la evitación de la necesidad de materiales de revestimiento de centrifugación o fugitivos impidiendo al mismo tiempo que el material de revestimiento se insinúe en las fibras antes de su solidificación. Sin embargo, cuando se cree y se inyecte el material de revestimiento líquido de acuerdo con un procedimiento de moldeo por inyección de reacción, el tiempo de inyección y curado puede oscilar entre 5 minutos o menos o 2 minutos o menos. En el moldeo por inyección por reacción dos componentes líquidos químicamente reactivos, por ejemplo, ixocinato y poliol son cada uno mantenidos en tanques a temperatura controlada separados y de alimentación agitada. Desde estos tanques, los líquidos son enviados a través de unos conductos de alimentación y de unas unidades de medición con una presión elevada hasta un dispositivo de cabezal mezclador con una salida conectada a la cavidad 44. Para inyectar el material de revestimiento líquido, unas válvulas del cabezal mezclador son abiertas posibilitando que los líquidos situados dentro del cabezal mezclador donde se mezclan y dentro de la cavidad 44. Aunque las presiones en el cabezal mezclador pueden ser muy altas, por ejemplo por encima de 145,13 MPa, la presión que deja el cabezal mezclador puede ser tan baja como ligeramente por encima de la presión atmosférica. Los líquidos solidificados se curan en la cavidad 44 formando un bloque sólido de material de revestimiento, por ejemplo poliuretano. Después del curado el conjunto de membranas puede ser desmoldeado.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. - Un haz de membranas de fibras huecas revestidas que comprende:
a) una formación de membranas (12) de fibras huecas;
b) una primera capa de adhesivo (18) que rodea y conecta las membranas; y
c) una segunda capa de adhesivo (22) que rodea y conecta las membranas
d) una capa de material de revestimiento termo-endurecible sellado sobre y entre las membranas, en el que el material de revestimiento termo-endurecible se forma a partir de una mezcla de al menos dos componentes químicamente reactivos, y
en el que la capa de material de revestimiento se extiende desde la primera capa de adhesivo hasta un punto separado de los primeros extremos (16) de las membranas, y
en el que la segunda capa de adhesivo se extiende desde la capa de material de revestimiento hasta un punto situado en o cerca de los primeros extremos (16) de las membranas.
2. - El haz de membranas revestidas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la capa de material de revestimiento está fijada a un cuenco de un elemento soporte y los extremos de las membranas están abiertos a una cavidad de permeado del cuenco del elemento soporte.
3- El haz de membranas revestidas de la reivindicación 3, en el que una parte del material de revestimiento está fijada a una parte de la superficie exterior del cuenco de permeado.
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