ES2844939T3 - Elemento de separación por flujo tangencial que integra canales flexuosos - Google Patents

Abstract

Elemento de separación por flujo tangencial de un medio fluido a tratar en un filtrado y un retentado, comprendiendo dicho elemento de separación un soporte poroso rígido monobloque (2), en el interior de cuyo volumen al menos un canal (4) para la circulación del medio fluido a tratar está dispuesto entre una entrada (6) para el medio fluido a tratar y una salida (7) para el retentado, comprendiendo este soporte poroso rígido monobloque una superficie exterior (3) de recuperación del filtrado que ha atravesado dicho soporte, caracterizado porque al menos un canal (4i) presenta entre la entrada y la salida un volumen flexuoso de circulación (Vi) definido por el desplazamiento alrededor de un eje de referencia (Ai) según una trayectoria curvilínea (Hi), de una sección plana generatriz (Si) y porque este eje de referencia (Ai) no atraviesa dicha sección generatriz (Si) y se encuentra 10 contenida en el volumen del soporte poroso.

Description

DESCRIPCIÓN

Elemento de separación por flujo tangencial que integra canales flexuosos

La presente invención se refiere al campo técnico de los elementos de separación por flujo tangencial de un medio fluido a tratar en un filtrado y un retentado, llamados comúnmente membranas de filtración.

Más precisamente, la invención se refiere a nuevas geometrías de canales de estos elementos de separación que permiten aumentar el flujo del filtrado g/o reducir el con sumo de energía de las instalaciones que emplean estos elementos de separación.

La invención se refiere también a un procedimiento de fabricación por método aditivo de tales elementos de separación por flujo tangencial.

Los procedimientos de separación que utilizan membranas son utilizados en numerosos sectores, principalmente en el medio ambiente para la producción de agua potable y el tratamiento de los efluentes industriales, en la industria química, petroquímica, farmacéutica, agro-alimentaria y en el campo de la biotecnología.

Una membrana constituye una barrera selectiva que permite, bajo la acción de una fuerza de transferencia, el paso o la retención de ciertos componentes del medio fluido a tratar. El paso o la retención de los componentes resulta de su tamaño con relación al tamaño de los poros de la membrana que se comporta entonces como un filtro. En función del tamaño de los poros, estas técnicas se llaman microfiltración, ultrafiltración o nanofiltración.

Existen membranas de estructuras y texturas diferentes. Las membranas están constituidas, en general, de un soporte poroso que asegura la resistencia mecánica de la membrana y que, definiendo el número y la morfología de los canales, determina la superficie filtrante total de la membrana. En efecto, es a través de las paredes interiores de estos canales donde una capa, llamada capa separadora, capa de filtración, capa de separación, capa activa o piel asegura la separación. Durante la separación, la transferencia del fluido filtrado se efectúa a través de la capa separadora, puesto que este fluido se derrama en la textura porosa del soporte para dirigirse hacia la superficie perimétrica exterior del soporte poroso. Esta parte del fluido a tratar que ha atravesado la capa de separación y el soporte poroso se llama permeado o filtrado y se encuentra recuperado por una cámara colectora que rodea la membrana. La otra parte se llama retentado y es reinyectada, muy a menudo en el fluido a tratar curso arriba de la membrana, gracias a un bucle de circulación.

De manera clásica, cuando el soporte es de material cerámico, el soporte es fabricado en primer lugar según la forma deseada por extrusión, luego sinterizado a una temperatura y durante un tiempo suficiente para asegurar la solidez requerida, conservando en la cerámica obtenida la textura porosa abierta e interconectada deseada. Este procedimiento obliga a la obtención de uno o varios canales rectilíneos en cuyo interior se depositan o sinterizan a continuación la o las capas separadoras. Los soportes son tradicionalmente de forma tubular y comprenden uno o varios canales rectilíneos dispuestos paralelamente al eje central del soporte. En general, la superficie interna de los canales es lisa y no presenta ninguna irregularidad.

Ahora bien, se ha constatado que las membranas de filtración fabricadas a partir de soportes que tienen tales geometrías se encuentran con problemas de obstrucción y presenta, debido a ello, rendimientos limitados en términos de caudal. En efecto, las partículas pequeñas y las macromoléculas pueden ser adsorbidas sobre la superficie de la capa de separación o si se depositan formando un gel o un depósito, pueden incluso penetrar en la porosidad y bloquear ciertos poros.

El principio de toda separación de membrana, y principalmente tangencial, que emplea elementos de filtración, reside en una transferencia selectiva, cuya eficacia depende de la selectividad de la membrana (la capa activa) y de la permeabilidad (flujo) del elemento de filtración considerado en su integridad (soporte capa activa). La selectividad y la permeabilidad no están determinadas solamente por las características de la capa activa y de su soporte, puesto que pueden estar reducidas o limitadas por la aparición de una obstrucción que resulta de una polarización de la concentración, de un depósito o de un bloqueo de los poros.

El fenómeno de la polarización de la concentración funciona durante una operación de filtración cuando las macromoléculas presentes en el líquido a tratar se concentran en la interfaz membrana/solución donde ejercer una contrapresión osmótica opuesta a la fuerza de separación o retro-difusión en el núcleo del líquido a tratar según la Ley de Fick. El fenómeno de polarización de la concentración resulta de la acumulación de los compuestos retenidos en la proximidad de la membrana debido a la permeación del disolvente.

Cuando la concentración de partículas en la superficie de la membrana aumenta hasta provocar la aparición de una fase condensada bajo la forma de un gel o de un depósito cohesivo es cuando aparece una resistencia hidráulica adicional a la de la membrana.

El bloqueo de los poros actúa existe intrusión de partículas de tamaños inferiores o iguales a los de los poros, lo que implica una reducción de la superficie filtrante.

La obstrucción, su reversibilidad y su irreversibilidad, son fenómenos complejos que dependen del elemento de filtración y, en particular, de las capas separadoras, del líquido a tratar y de los parámetros operativos.

La obstrucción es un freno importante a la atracción económica de la filtración, puesto que conduce, durante el dimensionado de las instalaciones de filtración, a incrementar las superficies instaladas con el fin de satisfacer las necesidades en volúmenes a tratar, por una parte, y hace necesario el empleo de medios técnicos específicos para remedir allí a posteriori tales ciclos de limpieza utilizando detergentes o retro-filtraciones periódicas, por otra parte. En la técnica anterior, ya se han propuesto numerosas soluciones técnicas con el fin de aumentar el flujo de filtrado con el fin de reducir el fenómeno de obstrucción por la creación de un régimen de circulación turbulenta en el interior del canal de un elemento de filtración.

Según un primer tipo de solución, se ha propuesto introducir en los canales unos elementos tubulares de filtración, hélices o tornillos destinados a crear turbulencias o vórtice, como se enseña por la patente US 3648 754 o en la publicación "Reduction of membrane fouling using a helical baffle for cross flow microfiltration" Scholl of chemical engineering, University Sains Malaysia - 2003, A.L. Ahmad, A.Mariadas, M.M.D. Zulkali. La hélice introducida en el canal es un objeto relacionado que necesita ser fijado (muy a menudo en la entrada del canal). La introducción en cada canal de esta hélice y su fijación en la entrada de cada canal se revela difícil de realizar, Por otra parte, el diámetro de la hélice es inferior al del canal propiamente dicho para permitir su introducción y, en caso necesario, también su extracción. Se deduce la existencia de un juego que hace que la hélice flote y pueda vibrar libremente en el canal, lo que implica una fricción contra la capa activa que se daña de forma irreversible. Además, la existencia de un juego genera una fuga lateral que cortocircuita la circulación del fluido según la hélice, lo que reduce la eficacia de la hélice.

Otro tipo de solución se refiere a la realización de impresiones o relieves sobre la pared interior de los canales para crear en la proximidad de la superficie filtrante una perturbación para el medio fluido, limitando de esta manera le acumulación de materia y la obstrucción. La patente EP 0813445 propone que cada canal comprende en su pared una ranura helicoidal de paso simple, doble o triple, con una sección transversal del orden de 25 % de la sección total del canal. La solicitud FR 2 736 843 enseña realizar tubos porosos que comprenden un canal único, cuyas paredes comprenden impresiones, mientras que la pared periférica del soporte es lisa. Para ello, el tubo poroso está moldeado, por medio de una tobera de extrusión que comprende un pasador cilíndrico dispuesto según su eje, estando montados el pasador o la matriz de salida de la tobera de forma rotatoria y de sección no circular.

La realización de ranuras o de impresiones sobre la superficie interna de los canales no impone una trayectoria helicoidal a la totalidad del medio fluido, limitando el interés de tales soluciones. Por otro lado, la técnica de fabricación de estos elementos de separación está limitada a ciertos tipos de impresiones, a saber, impresiones que son continuas desde un extremo hasta el otro del elemento de separación y que no pueden generar ninguna variación de la sección de paso del canal. Además, no puede ser traspuesta a la fabricación de elementos de separación que comprenden varios canales internos. Ahora bien, los elementos de separación de canales múltiples están cada vez más solicitados, puesto que permiten aumentar la superficie filtrante y de esta manera mejorar los rendimientos.

Con la misma finalidad, la solicitud de patente FR 3024665 propone un elemento de separación por flujo tangencial de un medio fluido a tratar en un filtrado y un retentado. Este elemento comprende un soporte poroso rígido monobloque con al menos un canal para la circulación del medio fluido a tratar entre una entrada y una salida. El soporte poroso comprende una superficie exterior de recuperación del filtrado que ha atravesado el soporte.

Este documento propone realizar a partir de la pared interna de los canales unos obstáculos a la circulación del fluido a tratar que tiene una continuidad de material y de textura porosa con el soporte. Según la solicitud de patente FR 3024 664, al menos un canal presenta un obstáculo, que se presenta, en particular, en forma de una hélice dispuesta sobre la pared interna del soporte. Tales obstáculos generan o perturban el paso del fluido obligando a su rodeo, de ahí la creación de turbulencias propicias para una reducción de la obstrucción, pero con el inconveniente principal de la creación simultánea, inmediatamente curso debajo de cada obstáculo, de una zona inoperante donde la velocidad del fluido es casi nula.

Otro tipo de solución se refiere a la creación de vórtice de Dean para reducir la obstrucción y aumentar el flujo de permeado en membranas orgánicas de ultrafiltración. De esta manera la publicación « Developing lengths in woven and helical tubes with Dean vortices flows » Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics Vol. 3, N° 1, páginas 123-134 (2009) F. Springer, E. Carretier, D. Veyret, P. Moulin, trata de manera teórica y por simulación numérica de la aparición del vórtice de Dean y de los aumentos de la velocidad que inducen localmente en fibras huecas orgánicas de sección circular curvadas de manera sinuosa, pero con los inconvenientes principales de una limitación del diámetro de dicha sección circular a un máximo de 2 mm. Además, las modalidades de la curvatura de la fibra orgánica como se describen en esta publicación inducen una dependencia entre el paso y el diámetro de las espiras.

En este contexto, la presente invención propone suministrar nuevos elementos de filtración rígidos que presentan una estructura monocanal o multicanal con una geometría adaptada para aumentar el flujo del filtrado y reducir el consumo de energía de las instalaciones que emplean estos elementos de separación.

Para alcanzar este objetivo, el objeto de la invención se refiere a un elemento de separación por flujo tangencial de un medio fluido a tratar en un filtrado y un retentado, comprendiendo dicho elemento de separación un soporte poroso rígido monobloque en el interior del volumen, al menos uno de cuyos canales para la circulación del medio fluido a tratar está dispuesto entre una entrada para el medio fluido a tratar y una salida para el retentado, comprendiendo este soporte poroso rígido monobloque una superficie exterior de recuperación del filtrado que ha atravesado dicho soporte. Según la invención, al menos un canal presenta entre la entrada y la salida un volumen flexuoso de circulación definido por el desplazamiento alrededor de un eje de referencia según una trayectoria curvilínea, de una sección plana generatriz y este eje de referencia no atraviesa dicha sección generatriz y se encuentra contenido en el volumen del soporte poroso.

El elemento de separación comprende igualmente en combinación la una y/o la otra de las siguientes características adicionales:

- el volumen flexuoso de circulación de al menos un canal está definido solamente sobre una parte de su longitud tomada entre la entrada y la salida o sobre toda su longitud desde su entrada hasta su salida; - el soporte poroso rígido monobloque comprende varios canales de circulación para el medio fluido dispuestos en el interior de dicho soporte;

- al menos un canal presenta una sección generatriz con una forma constante o variable;

- la sección generatriz de al menos un canal está separada del eje de referencia a una distancia constante; - al menos un canal está separado del eje de referencia a una distancia variable;

- el eje de referencia está tangente a la sección generatriz de al menos un canal;

- una serie de varios canales presenta secciones generatrices separadas del eje de referencia a una distancia R adaptada para estar separados entre sí por tabiques de separación;

- la sección generatriz de al menos un canal evoluciona según una trayectoria que resulta de un movimiento de translación de dirección constante o variable combinada sobre al menos una porción tomada entre la entrada y la salida, a un movimiento de rotación alrededor del eje de referencia según un paso constante o variable y según un sentido levógiro o dextrógiro;

- la trayectoria presenta un paso p comprendido entre 0,1 mm y 250 mm y la distancia entre la trayectoria curvilínea y el eje de referencia está comprendida entre 0,1 mm y 100 mm;

- la sección generatriz de al menos un canal tomada sobre al menos una porción entre la entrada y la salida evoluciona según una trayectoria sinuosa;

- la sección generatriz de al menos un canal, tomada sobre una porción limitada a partir de la entrada y la salida evoluciona según una trayectoria sinuosa;

- la sección generatriz de al menos un canal, tomada sobre una porción limitada a partir de la entrada y de la salida evoluciona según una trayectoria que resulta de un movimiento de traslación paralelo al eje de referencia;

- al menos un canal presenta una sección generatriz que se extiende perpendicularmente o paralelamente al eje de referencia;

- el soporte poroso está realizado de un material seleccionado entre los materiales orgánicos tales como poliamida, polietercetonacetona, poliestireno, alúmina, polifenilsulfona, elastómeros fluorados termoplásticos, polipropileno, polietileno, epoxi, acrilato, acrilonitrilo butadieno estireno, polimetilmecacrilato de metilo, policarbonato, nylon, polieterimida, acrilonitrilo estireno acrilato, ácido poliláctico, policloruro de vinilo y sus mezclas, seleccionado entre los materiales inorgánicos siguientes tales como óxido de aluminio, óxido de circonio, titanato de aluminio, nitruro de aluminio, nitruro de titanio, nitruro de boro, nitruro de silicio, sialon, carbono grafito, carburo de silicio, carburo de volframio y sus mezclas, seleccionado entre los materiales metálicos siguientes, tales como aluminio, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobalto y de cromo, aleaciones de níquel, aleaciones de níquel y de cromo, aceros y aceros inoxidables, titanio aleaciones de titanio, aleaciones de cobre y de estaño, aleaciones de cobre, de estaño y de aluminio, aleaciones de cobre y de cinc y sus mezclas;

- un soporte poroso y al menos una capa separadora, depositada continuamente sobre la pared interior de cada canal, cada una de las cuales está constituida de una cerámica, seleccionada entre los óxidos, los nitruros, los carburos u otros materiales cerámicos y sus mezclas y, en particular, de óxido de titanio, de alúmina, de circonio o de una de sus mezclas, de nitruro de titanio, de nitruro de aluminio, de nitruro de boro, de carburo de silicio eventualmente mezclado con otro material cerámico;

- los canales presentan diámetros hidráulicos que pertenecen a la gama de va de 0,5 mm a 20 mm;

- cada canal presenta un diámetro hidráulico constante o variable;

- el soporte presenta un diámetro medio de los poros que pertenece a la gama que va de 4 mm a 100 mm; - el diámetro medio de los poros corresponde al valor d50 de la distribución volumétrica para la que el 50 % del volumen total de los poros corresponde al volumen de los poros de diámetro inferior a este d50; siendo obtenida la distribución volumétrica por penetración de mercurio, por ejemplo según la técnica descrita en la Norma ISO 15901-1: 2005.

Otro objeto de la invención es proponer un procedimiento nuevo de fabricación de un elemento de separación por flujo tangencial, en el que el soporte está realizado por formación de estratos elementales superpuestos y unidos de manera sucesiva entre sí, con el fin de hacer crecer progresivamente la forma tridimensional del soporte en el que está dispuesto al menos un canal flexuoso conforme a la invención.

Por otra parte, el procedimiento según la invención consiste en realizar el soporte por técnica aditiva para la que gracias a una lógica de concepción por ordenador, le forma del soporte se corta en rodajas, estando realizadas estas rodajas una a una, bajo la forma de estratos elementales superpuestos y unidos de manera sucesiva entre sí, por la repetición de las dos etapas siguientes. Depósito de un lecho continuo, homogéneo y de espesor constante de una materia en polvo destinada a formar el soporte, cubriendo el lecho una superficie superior a la sección de dicho cuerpo poroso a formar, tomada al nivel del sustrato, consolidación localizada según un motivo determinado parea cada estrato, de una parte de la materia depositada para crear el estrato elemental, siendo repetidas estas dos etapas con el fin de permitir en cada repetición la unión simultánea del estrato elemental así formado al estrato formado anteriormente, con el fin de hacer crecer progresivamente la forma del soporte.

Otras diversas características se deducen a partir de la descripción hecha a continuación en referencia a los dibujos anexos que muestran, a título de ejemplos no limitativos, formas de realización del objeto de la invención.

La figura 1A es una vista de frente que ilustra un primer ejemplo de realización de un elemento de separación conforme a la invención.

La figura 1B es una vista en perspectiva del elemento de separación ilustrado en la figura 1A.

La figura 1C es un corte longitudinal del elemento de separación tomada según las líneas C-C de la figura 1A.

La figura 1D es una vista que muestra en perspectiva la trayectoria que sirve para la construcción de un canal flexuoso dispuesto en el elemento de separación ilustrado en la figura 1B.

La figura 2A ilustra el modo de construcción de un volumen flexuoso de circulación para un canal de un elemento de separación conforme a la invención.

La figura 2B es una vista en perspectiva de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención que muestra diferentes formas posibles de realización referenciadas F1 a F5 y descritas a continuación.

La figura 3A ilustra un ejemplo de construcción de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención para el que el plano que contiene la sección plana generatriz del volumen está inclinado 90° con relación al eje de referencia.

La figura 3B ilustra el volumen flexuoso de circulación conforme a la invención obtenido según el modo de construcción ilustrado en la figura 3A.

La figura 4A ilustra un ejemplo de construcción de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención para el que el plano que contiene la sección generatriz del volumen contiene igualmente el eje de referencia.

La figura 4B ilustra el volumen flexuoso de circulación conforme a la invención obtenido según el modo de construcción ilustrado en la figura 4A.

La figura 5A ilustra un ejemplo más general de construcción de un volumen flexuoso de circulación conforma a la invención, para el que el plano que contiene la sección plana generatriz presenta una inclinación con relación al eje de referencia comprendido entre 0° y 90°, estando excluidos los bornes.

La figura 5B ilustra el volumen flexuoso de circulación conforme a la invención obtenido según el modo de construcción ilustrado en la figura 5A.

La figura 6 es una vista en perspectiva que ilustra un ejemplo de realización de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para el que la distancia entre la sección plana generatriz y un eje de referencia es tal que el eje de referencia es tangente a esta sección generatriz.

La figura 7 es una vista en perspectiva que ilustra un ejemplo de realización de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para el que la distancia entre la sección plana generatriz y un eje de referencia varía.

La figura 8 es una vista en perspectiva que ilustra un ejemplo de realización de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para el que la distancia entre la sección plana generatriz y un eje de referencia es constante, mientras que el paso es igualmente constante y el eje de referencia curvilíneo.

La figura 9A es una vista en perspectiva que ilustra un ejemplo de realización de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para el que la trayectoria de sentido levógiro está unida a una trayectoria de sentido dextrógiro por una trayectoria rectilínea paralela al eje de referencia.

La figura 9B es una vista en corte transversal que ilustra el ejemplo de realización del volumen flexuoso de circulación conforme a la figura 9A.

La figura 10A es una vista en perspectiva que ilustra un ejemplo de realización de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para el que la forma de la sección generatriz varía.

La figura 10B es una vista según un plano de corte longitudinal que pasa por el eje de referencia que ilustra el ejemplo de realización del volumen flexuoso de circulación conforma a la figura 10A.

La figura 11A es una vista en perspectiva que ilustra un ejemplo de realización de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para el que el área de la sección generatriz vacía.

La figura 11B es una vista según un plano de corte longitudinal que pasa por el eje de referencia que ilustra el ejemplo de realización del volumen flexuoso de circulación conforma a la figura 11A.

La figura 12A es una vista en perspectiva que ilustra la porción de un volumen flexuoso de circulación conforme a la invención, para la que trozos de trayectoria de sentido levógiro alternan directamente con trozos de trayectoria de sentido dextrógiro.

La figura 12B es una vista en perspectiva que ilustra el ejemplo de realización del volumen flexuoso de circulación conforme a la figura 12A.

La figura 13A es una vista en alzado de un soporte provisto con una pareja de canales conformes a la invención. La figura 13B es una vista en perspectiva que ilustra el soporte provisto con una pareja de canales conformes a la invención y a la figura 13A.

La figura 13C es una vista en corte longitudinal del soporte tomada según las líneas C-C de la figura 13A.

La figura 13D es una vista en perspectiva que muestra, tomados separadamente, los volúmenes flexuosos de circulación V1 y V2 conformes a la invención para cada uno de los dos canales ilustrados en las figuras 13A a 13C. La figura 13E es una vista en perspectiva que muestra, tomados separadamente, las trayectorias H1 y H2 de los volúmenes flexuosos de circulación V1 y V2 conformes a la invención para cada uno de los dos canales ilustrados en las figuras 13A a 13D.

La figura 14A es una vista en alzado de un soporte provisto con la duplicación de siete pares de canales cada uno de los cuales es conforme a las figuras 13A a 13E.

La figura 14B es una vista en perspectiva que muestra los volúmenes flexuosos de circulación conformes a la invención, tal como se ilustran en las figuras 13A a 13E, suplicada siete veces dentro de un mismo soporte.

La figura 15A es una vista en alzado de un soporte provisto con veintitrés canales que comprenden tres categorías de canales.

La figura 15B es una vista en corte longitudinal del soporte tomada según las líneas B-B de la figura 15A.

La figura 15C es una vista en perspectiva que muestra el volumen de circulación del canal central ilustrado en la figura 15A.

La figura 15D es una vista en perspectiva que muestra el volumen flexuoso de circulación conforme a la invención de uno de los seis canales que pertenecen a la categoría intermedia.

La figura 15E es una vista en perspectiva que muestra los volúmenes flexuosos de circulación conformes a la invención de los seis canales que pertenecen a la categoría intermedia y que rodean el canal central.

La figura 15F es vista en perspectiva que muestra el volumen flexuoso de circulación conforme a la invención de uno de los seis canales que pertenecen a la categoría periférica.

La figura 15G es una vista en perspectiva que muestra los volúmenes flexuosos de circulación conformes a la invención de uno de los seis canales periféricos que rodean los canales de la categoría intermedia.

La figura 15H es una vista en perspectiva que muestra dentro de un mismo soporte los volúmenes flexuosos de circulación conformes a la invención de veintidós canales que rodean un canal central, tal como se ilustra en las figuras 15D a 15G.

De manera preliminar se van a dar algunas definiciones de los términos utilizados en el marco de la invención. Por tamaño medio de los granos se entiende el valor d50 de una distribución volumétrica para la que el 50 % del volumen total de los granos corresponde al volumen de los granos de diámetro inferior a este d50. La distribución volumétrica es la curva (función analítica) que representa las frecuencias de los volúmenes de los granos en función de su diámetro. El d50 corresponde a la mediana que separa en dos partes iguales el área situada debajo de la curva de las frecuencias obtenida por granulometría, por difracción láser que es la técnica de referencia retenida en el marco de la invención para la medición del diámetro medio de los granos. Se hará referencia, en particular, para la técnica de medición del d50:

- a la Norma ISO 13320:2009, en lo que se refiere a la técnica de medición por granulometría láser;

- a la Norma ISO 14488:2007, en lo que se refiere a las técnicas de muestreo del polvo analizado;

- a la norma ISO 14887:2000, en lo que se refiere a una puesta en dispersión reproducible de la muestra de polvo en el líquido que tiene la medida por granulometría láser.

Por diámetro medio de los poros se entiende el valor d50 de una distribución volumétrica para la que el 50 % del volumen total de los poros corresponde al volumen de los poros de diámetro inferior a este d50. La distribución volumétrica es la curva (función analítica) que representa las frecuencias de los volúmenes de los poros en función de su diámetro. El d50 corresponde a la mediana que separa en dos partes iguales el área situada debajo de la curva de las frecuencias obtenida por penetración de mercurio para diámetros medios del orden de algunos nm o, en el caso de diámetros de poros más pequeños, por adsorción de gas y, principalmente de N² , estando retenidas estas dos técnicas como referencias en el marco de la invención para la medición del diámetro medio de los poros.

En particular, se podrán utilizar las técnicas descritas en:

- la Norma ISO 15901-1 :2005, en lo que se refiere a la técnica de medición por penetración de mercurio; - las Normas ISO 15901-2 :2006 e ISO 15901-3 :2007, en lo que se refiere a la técnica de medición por adsorción de gas.

La invención propone elementos de separación por flujo tangencial de un medio fluido a tratar en un filtrado y un retentado, que comprende un soporte poroso monolítico provisto con uno o varios canales, cuya geometría está seleccionada para asegurar una circulación según una trayectoria retorcida, sinuosa y ventajosamente helicoidal en la mayor parte o en la totalidad del fluido a filtrar, pudiendo circular la otra parte del fluido en uno o varios canales no flexuosos.

En este soporte poroso están dispuestos uno o varios canales de circulación para el fluido a filtrar. Estos canales de circulación presentan una entrada y una salida. En general, la entrada de los canales de circulación está posicionada en uno de los extremos, jugando este extremo el papel de zona de entrada para el medio fluido a tratar y su salida está posicionada en el otro extremo del soporte jugando el papel de zona de salida para el retentado.

En tales elementos de separación, el cuerpo que constituye el soporte presenta una textura porosa. Esta textura porosa se caracteriza por el diámetro medio de los poros deducido por su distribución medida por porometría por penetración de mercurio. Típicamente, el soporte poroso presenta un diámetro medio de los poros que pertenece a la gama que va de 4 pm a 100 pm.

La textura porosa del soporte está abierta y forma una red de poros interconectados, lo que permite al fluido filtro por la capa de separación de filtración atravesar el soporte poroso y ser recuperado en la periferia. Es habitual medir la permeabilidad al agua del soporte para calificar la resistencia hidráulica del soporte. En efecto, en un medio poroso, la circulación estacionaria de un fluido viscoso incompresible está regida por la Ley de Darcy. La velocidad del fluido en la porosidad (el permeado) es proporcional al gradiente de la presión e inversamente proporcional a la velocidad dinámica del fluido, a través de un parámetro característico llamado permeabilidad que puede ser medida, por ejemplo según la norma francesa NFX 34-101 de Diciembre de 1996.

Por lo tanto, el propio permeado es recuperado sobre la superficie periférica del soporte poroso. La pared de los canales está recubierta continuamente por al menos una capa de separación de filtración que asegura la filtración del medio fluido a tratar. Las capas de separación de filtración deben tener, por definición, un diámetro medio de los poros inferior al del soporte. Las capas de separación delimitan la superficie del elemento de separación por flujo tangencial destinado a estar en contacto con el fluido a tratar y a lo largo del cual va a circular el fluido a tratar. Los espesores de las capas de separación de filtración varían típicamente entre 1 pm y 100 pm de espesor. Por supuesto, para asegurar su función de separación y de servir capa activa, las capas de separación presentan un diámetro medio de los poros inferior al diámetro medio de los poros del soporte. Muy a menudo, el diámetro medio de los poros de las capas de separación de filtración es al menos inferior en un factor 3 y con preferencia al menos un factor 5 con respecto al del soporte.

Las nociones de la capa de separación de microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración son bien conocidas por el experto en la técnica. Se admite, en general, que:

- las capas de separación de microfiltración presentan un diámetro medio de los poros comprendido entre 0,1 pm y 10 pm;

- las capas de separación de ultrafiltración presentan un diámetro medio de los poros comprendido entre 10 nm y 0,1 pm;

- las capas de separación de nanofiltración presentan un diámetro medio de los poros comprendido entre 0,5 nm y 10 nm.

Es posible que esta capa de micro o de ultrafiltración, llamada capa activa, sea depositada directamente sobre el soporte poroso o incluso sobre una capa intermedia de diámetro medio menor de los poros, estando depositada ella misma directamente sobre el soporte poroso.

La capa de separación puede estar constituida, por ejemplo, de una cerámica, seleccionada entre los óxidos, los nitruros, los carburos u otros materiales cerámicos y sus mezclas y, en particular, de óxido de titanio, de alúmina, de circonio o de una de sus mezclas, de nitruro de titanio, de nitruro de aluminio, de nitruro de boro, de carburo de silicio eventualmente mezclado con otro material cerámico.

La capa de separación puede estar constituida, por ejemplo, por uno o varios polímeros tales como PAN, PS, PSS, PES, PVDF, acetato de celulosa u otros polímeros.

Las figuras 1A a 1D ilustran un primer ejemplo de realización de un elemento de separación por flujo tangencial 1 conforme a la invención, que comprende un soporte poroso 2 realizado bajo una forma alargada de tal manera que este soporte poroso está cualificado de rectilíneo. El soporte poroso 2 ilustrado en las figuras 1A a 1D posee una sección derecha transversal circular y presenta de esta manera una superficie exterior 3 cilíndrica, pero esta sección derecha transversal podría ser cualquiera o poligonal. Según una característica preferida de realización de la invención, la superficie exterior o periférica 3 del soporte presenta un perfil constante. En otros términos, la superficie exterior 3 no presente ninguna irregularidad de superficie otra que la engendrada por una rugosidad de superficie inherente al material y al procedimiento de moldeo propiamente dicho. De esta manera, la superficie exterior 3 no posee deformaciones o impresiones.

El soporte poroso 2 comprende al menos un canal y, de una manera general, varios canales 4i de circulación para el medio fluido cada uno de los cuales está dispuesto en el interior del soporte poroso 1. (El índice i se utiliza para designar de manera general una característica del soporte y adopta valores 1, 2, 3... en función del número de características descritas en los ejemplos de realización).

En un primer ejemplo de realización ilustrado en las figuras 1A a 1D, el soporte poroso comprende un único canal 41 y en un segundo ejemplo de realización ilustrado en la figura 13A, dos canales 41 y 42. Según un tercer ejemplo de realización ilustrado por la figura 14A, el soporte poroso 2 comprende catorce canales, mientras que según un cuarto ejemplo de realización ilustrado por la figura 15A, el soporte poroso 2 comprende veintitrés canales repartidos en tres categorías de canales 41,42 y 43.

Cada canal 4i corresponde a una zona del soporte poroso 2 que no comprende materia porosa y se encuentra delimitada en el interior del soporte poroso por una pared 5 que presenta una superficie recubierta por al menos una capa de separación destinada a estar en contacto con el medio fluido que atraviesa la capa de separación dispuesta sobre la pared 5 y el soporte poroso 2, de tal manera que esta cantidad de fluido tratado, llamado permeado, se derrama por la superficie exterior 3 del soporte poroso. El medio fluido a tratar circula en el canal, entre una entrada 6 y una salida 7 según un sentido de circulación representado por la flecha f. La entrada 6 está situada en un extremo del soporte poroso y la salida 7 en el otro extremo del soporte poroso.

Conforme a la invención, el soporte poroso 2 comprende al menos un canal 4i, cuya geometría está adaptada para aumentar el caudal de filtrado. Esta geometría se define por el hecho de que cada uno de estos canales 4i presenta entre la entrada 6 y la salida 7 al menos un volumen flexuoso de circulación Vi definido por el desplazamiento alrededor de un eje de referencia Ai según una trayectoria curvilínea Hi, de una sección generatriz Si situada en el plano P llamado de referencia. Además, este eje de referencia Ai no atraviesa dicha sección generatriz Si y se encuentra contenido en el volumen del soporte poroso 2.

Debe comprenderse que un canal 41 conforme a la invención comprende al menos un volumen flexuoso de circulación Vi tal como se ha caracterizado anteriormente. Este volumen flexuoso de circulación Vi corresponde, por supuesto, a una zona del soporte poroso 2 que no comprende materia porosa y está limitada por las paredes del canal. Hay que indicar que el soporte poroso 2 presenta según el plano P, entre su superficie exterior 3 y la pared 5 del canal tomada, un espesor variable.

Este volumen flexuoso de circulación Vi conforme a la invención se define entre la entrara 6 y la salida 7. Este volumen flexuoso de circulación Vi está presente sobre una parte solamente de la longitud del canal tomad entre la entrada 6 y la salida 7 o sobre toda la longitud del canal tomada desde su entrada hasta su salida. Por supuesto, el soporte poroso 2 puede comprender al menos un canal de circulación para el medio fluido a tratar que no comprende un volumen flexuoso de circulación Vi conforme a la invención.

El principio general de construcción de un canal flexuoso que presenta un volumen de circulación Vi conforme a la invención está particularmente bien ilustrado con la figura 2A. El principio general de construcción de un canal flexuoso consiste en hacer seguir a una sección plana generatriz Si una trayectoria curvilínea Hi construida entre los dos extremos de este volumen de circulación Vi por el movimiento de un punto M que pertenece a esta sección plana generatriz y situada a una distancia R de un eje de referencia Ai. El movimiento de este punto M sigue una rotación alrededor de este eje de referencia Ai y una traslación concomitante según un mismo eje de referencia. Esta rotación puede ser constante o variable. De la misma manera, esta traslación puede ser constante o variable. La distancia R puede ser igualmente constante o variable. El punto M es un punto cualquiera de la sección generatriz Si, que se establece en un plano de referencia P. La trayectoria curvilínea Hi del volumen de circulación Vi confiere bien, por lo demás, al canal, al menos sobre la longitud de este volumen de circulación, un carácter flexuoso.

Se deduce a partir de la descripción que precede que el volumen flexuoso de circulación Vi del canal puede presentar características geométrica muy diversificadas. Como se ilustra en la figura 2B, el eje de referencia Ai puede ser rectilíneo y/o curvado sin punto de retorno. Este eje de referencia Ai puede ser rectilíneo, según una parte o la totalidad de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi. De la misma manera, este eje de referencia Ai puede ser curvado, según una parte o la totalidad de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi. Este eje de referencia Ai no corta la sección generatriz Si, es decir, que se encuentra siempre fuera del volumen flexuoso de circulación Vi. De esta manera, este eje de referencia Ai puede ser tangente a esta sección generatriz Si o puede estar distanciado a una distancia determinada variable o constante.

Como el canal flexuoso debe estar contenido necesariamente en el interior del volumen del soporte poroso 2, se deduce que la trayectoria curvilínea Hi y el eje de referencia Ai deben estar contenidos ellos mismos en el interior del volumen del soporte poroso 2.

La trayectoria curvilínea Hi puede presentar características geométricas muy diversificadas en función de los valores de la distancia R, de rotación y de la traslación concomitante.

La morfología del canal flexuoso depende del eje de referencia Ai, de la trayectoria curvilínea Hi y también de las dimensiones y de la forma de la sección generatriz Si y de la posición de esta sección generatriz Si con relación a la trayectoria curvilínea Hi y al eje de referencia Ai. Más precisamente, las figuras 3A y 3B ilustran el caso para el que una sección circulante Si contenida en un plano perpendicular al eje de referencia rectilíneo Ai sigue una trayectoria Hi helicoidal alrededor del eje de referencia Ai. Según este ejemplo, el plano de referencia P que contiene la sección circular Si está perpendicular al eje de referencia rectilíneo Ai. La rotación de la sección circular Si alrededor del eje de referencia rectilíneo Ai, combinada con la traslación de esta sección circular Si según el eje de referencia rectilíneo Ai permite obtener un canal flexuoso, cuya forma geométrica obtenida se conoce bajo el nombre de “columna torsa”. Las figuras 3A y 3B muestran a título de ilustración únicamente dos secciones circulares S1 y S2, cada una de las cuales está contenida en un plano P1, P2 perpendicular al eje de referencia rectilíneo Ai.

Las figuras 4A y 4B ilustran el caso para el que una sección circular Si contenida en un plano de referencia que contiene el eje de referencia rectilíneo Ai sigue una trayectoria Hi helicoidal alrededor del eje de referencia Ai. Según este ejemplo, el plano de referencia P que contiene la sección circular Si está paralelo al eje de referencia rectilíneo Ai. La rotación de la sección circular Si alrededor del eje de referencia rectilíneo Ai, combinada a la transición de esta sección circular Si según el eje de referencia rectilíneo Ai permite obtener un canal flexuoso, cuya forma geométrica obtenida se conoce bajo el nombre de “tornillo de Saint-Gilles”. Las figuras 4A y 4B muestran a título de ilustración, únicamente dos secciones circulares S1 y S2, cada una de las cuales está contenida en un plano P1, P2 paralelo al eje de referencia rectilíneo Ai.

Las figuras 5A y 5B ilustran un caso intermedio más general para el que una sección circular Si contenida en un plano que presenta una inclinación comprendida entre 0° y 90° con relación al eje de referencia rectilíneo Ai sigue una trayectoria Hi helicoidal alrededor del eje de referencia Ai. La rotación de la sección circular Si alrededor del eje de referencia rectilíneo Ai, combinada a la traslación de esta sección circular Si según el eje de referencia rectilíneo Ai permite obtener un canal flexuoso, cuya forma geométrica obtenida se conoce bajo el nombre de “serpentina”. Se trata típicamente de la gorma geométrica obtenida cuando se enrolla un tubo alrededor de un cilindro Las figuras 5A y 5B muestran a título de ilustración únicamente dos secciones circulares S1 y S2, cada una de las cuales está contenida en un plano P1, P2 inclinados con relación al eje de referencia rectilíneo Ai.

La Tabla 1 siguiente recopila las particularidades de estos tres ejemplos:

De una manera general, el paso p o el valor de la rotación de la sección generatriz Si alrededor del eje de referencia Ai puede adoptar diferentes valores. En el caso de una trayectoria Hi helicoidal, el valor de la rotación de la sección generatriz Si alrededor del eje de referencia Ai es igual a un múltiplo 2n radián (para una hélice con varias vueltas) o una fracción de 2n radián (para una hélice según al menos una vuelta).

Tal como se deduce a partir de las figuras 3A-3B, 4A-4B y 5A-5B, la trayectoria curvilínea H presenta para estos tres ejemplos, un valor de paso p constante. Por supuesto, la trayectoria curvilínea Hi puede presentar un valor de paso p variable, puesto que es dependiente de los valores de rotación y de traslación.

La trayectoria curvilínea Hi presenta un paso p constante según una parte o toda la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi o un paso p variable según una parte o la totalidad de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi.

En la figura 2B, el trozo F2 ilustra principalmente el caso de un paso p invariable, mientras que el trozo F3 ilustra principalmente el caso de un paso p variable.

Hay que indicar que la figura 2B ilustra otros parámetros diferentes que intervienen en la definición del canal flexuoso conforme a la invención. De esta manera, el trozo F4 ilustra principalmente el caso de una alternancia levógira - dextrógira separada por una porción Tr de canal derecho y el trozo F5 ilustra principalmente el caso de una sección Si de morfología variable, mientras que el trozo F1 ilustra principalmente el caso de una distancia R variable.

El eje de referencia Ai puede estar distanciado de la trayectoria curvilínea Hi a una distancia R invariable (figuras 3A-3B, 4A-4B y 5A-5B) sobre la totalidad o una parte de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi o a una distancia variable según una parte o la totalidad de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi, como se ilustra en la figura 7 donde la distancia R varía de manera regular, pero por supuesto, podría evolucionar de manera irregular. Según este ejemplo, el canal evoluciona según una trayectoria hélico-espiral.

Se recuerda que la distancia R puede ser tal que el eje de referencia Ai esté tangente a esta sección generatriz Si. Si en el ejemplo ilustrado en las figuras 1A a 1D, el eje de referencia A1 está espaciado de la sección generatriz S1, puede considerarse, como se ilustra en el ejemplo de la figura 6, que la sección generatriz S1 está tangente al eje de referencia A1 que es igualmente el eje de simetría longitudinal del soporte poroso.

Hay que indicar que la figura 6 ilustra el caso particular para el que el plano que contiene la sección plana generatriz Si del volumen (aquí un triángulo) está inclinado a 90° con relación a un eje de referencia A1 tangente (aquí a uno de los vértices del triángulo) a dicho plano generador triangular. Esta figura ilustra el caso para el que una sección plana triangular Si contenida en un plano Pi perpendicular al eje de referencia rectilíneo Ai sigue una trayectoria Hi helicoidal alrededor del eje de referencia Ai tangente a dicha sección plana generatriz triangular. La rotación de la sección triangular alrededor del eje de referencia rectilíneo Ai que toca aquí en un punto, combinada a la traslación de esta sección triangular Si según el eje de referencia rectilíneo Ai permite obtener un canal flexuoso, cuya forma geométrica se conoce también bajo el nombre de “tomillo de Arquímedes” en el caso particular para el que el plano que contiene la sección plana generatriz del volumen está paralelo a un eje de referencia Ai tangente en un punto o en una pluralidad de puntos a dicha sección plana generatriz y en el caso más general para el que el plano que contiene la sección plana generatriz del volumen está inclinado en un ángulo cualquiera con relación a un eje de referencia Ai tangente en un punto a dicha sección plana generatriz.

La trayectoria curvilínea Hi se llama helicoidal cuando al mismo tiempo el paso p y la distancia R son constantes (figuras 3B, 4B, 5B). Esta trayectoria curvilínea Hi puede girar alrededor del eje de referencia Ai según una parte o toda la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi en el sentido trigonométrico (dextrógiro) y/o en el sentido opuesto (levógiro). De esta manera, la trayectoria curvilínea Hi puede establecerse según un único mismo sentido o alternativamente según los dos sentidos opuestos, sobre trozos seleccionados de longitudes iguales o diferentes. En el ejemplo ilustrado en la figura 8, la sección generatriz sigue una trayectoria helicoida1Hi de sentido dextrógiro con un paso p invariable alrededor de un eje de referencia Ai curvilíneo.

En el ejemplo ilustrado en las figuras 9A-9B, la trayectoria H1 de sentido levógiro está unida a una trayectoria de sentido dextrógiro H2 por una trayectoria rectilínea Tr paralela al eje de referencia Ai, mientras que en el ejemplo ilustrado en las figuras 10A-10B, la trayectoria H1 de sentido levógiro está unida directamente a una trayectoria de sentido levógiro H2.

Ventajosamente, la trayectoria curvilínea Hi se establece alternativamente según el sentido dextrógiro y el sentido levógiro según trozos, por ejemplo, de la misma longitud (figuras 12A-12B).

La sección generatriz Si de este volumen flexuoso de circulación Vi puede presentar cualquier tipo de perfiles.

La morfología o la forma de la sección generatriz Si puede ser constante según una parte o toda la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi o variar según una parte o la totalidad de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi. La morfología de la sección generatriz Si de este volumen de circulación puede ser también, a título de ejemplos no limitativos, poligonal, circular, semi-circular u oblonga. Las figuras 10A-10B ilustran el caso para el que la morfología de la sección generatriz Si varía.

El área de la sección generatriz Si puede poseer un área invariable según una parte o toda la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi o un área que varía según una parte o la totalidad de la longitud del volumen flexuoso de circulación Vi. Las figuras 11A-11B ilustran el caso para el que el área de la sección generatriz Si varía.

Las particularidades de los ejemplos de volúmenes flexuosos ilustrados en las figuras precedentes con recapituladas en la Tabla 2 siguiente.

La siguiente descripción da ejemplos de realización preferidos, pero no limitativos de soportes porosos 2 que comprenden canales 4i con volúmenes flexuosos de circulación Vi conformes a la invención.

En el ejemplo ilustrado en las figuras 1A a 1D, la sección generatriz S1 es una porción de disco y el eje de referencia A1 es una recta confundida con el eje longitudinal de simetría del soporte poroso. La trayectoria curvilínea H1 res helicoidal, es decir, que la distancia R entre la trayectoria curvilínea H1 y el eje de referencia A1 es constante, lo mismo que el paso p de la hélice que es constante. El eje de referencia A1 no atraviesa la sección generatriz S1 que se extiende en el ejemplo ilustrado a distancia de este eje. Por supuesto, la sección generatriz S1 puede estar tangente al eje de referencia A1.

El volumen flexuoso de circulación V1 del canal 41 se extiende entre la entrada 6 y la salida 7 del canal, según una parte solamente de la longitud del canal. Tal como se deduce más precisamente de la figura 1B, el volumen flexuoso de circulación V1 del canal está dispuesto según una longitud L del soporte poroso 2 inferior a la longitud total de este soporte poroso.

Según una característica ventajosa de realización, la sección generatriz S1, tomada sobre una porción limitada a partir de la entrada 6 y de la salida 7, evoluciona según una trayectoria que resulta de un movimiento de traslación paralelo al eje de referencia A1. El canal 41 comprende de esta manera a partir de la entrada 6 y de la salida 7, unos volúmenes de circulación, respectivamente, de entrada Ve y de salida Vs rectilíneos paralelos al eje de referencia A1 y que se comunican con el volumen flexuoso de circulación V1 del canal. El canal 41 presenta de esta manera, respectivamente, entre su entrada 6 y su salida 7, un volumen de entrada de circulación Ve, un volumen flexuoso de circulación V1 y un volumen de salida de circulación Vs.

En el ejemplo ilustrado de .las figuras 13A a 13E, el soporte poroso 2 es de forma tubular de sección circular y comprende dos canales 41 y 42. Estos dos canales presentan secciones generatrices S1, S2 separadas entre sí por un tabique de separación 11. Estas secciones generatrices S1, S2 presentan formas en porciones de discos idénticas con áreas igualmente idénticas.

Cada canal 41 y 42 presenta un volumen flexuoso de circulación V1, V2, que se establece según una trayectoria curvilínea H1, H2 en hélice que se gira alrededor de un eje de referencia a 1, A2. Las trayectorias curvilíneas H1 y H2 que presentan pasos constantes idénticos están paralelas entre sí. Los ejes de referencia A1 y A2 se confunden según una recta común que corresponde de manera ventajosa al eje longitudinal de simetría del soporte poroso. Cada trayectoria curvilínea H1, H2 se encuentra espaciada del eje de referencia A1, A2 según una misma distancia R constante, de tal manera que los canales se extienden de manera simétrica con relación al eje de referencia común que se imbrican no en el otro.

En el ejemplo ilustrado en las figuras 13A a 13E, los dos canales poseen trayectorias paralelas, pero está claro que puede estar prevista una serie de varios canales superiores a 2, cuyas trayectorias están paralelas, incluso no paralelas. En este último caso, los canales presentan, por supuesto, secciones generatrices espaciadas del eje de referencia Ai a una distancia R adaptada para estar separadas entre sí por tabiques de separación 11.

De manera similar al ejemplo ilustrado en las figuras 1A a 1D, el volumen flexuoso de circulación V1, V2 de los canales se extiende entre la entrada 6 y la salida 7 del canal, según una parte solamente de la longitud del canal. De esta manera, cada canal 41 y 42 presenta, respectivamente, entre sui entrada 6 y su salida 7, un volumen de entrada de circulación Ve de trayectoria rectilínea, el volumen flexuoso de circulación V1, V2 y un volumen de salida de circulación Vs de trayectoria rectilínea, estando entendido que según la invención, no existe sentido de circulación y la entrada y la salida pueden estar permutadas de manera indiferente.

Según el ejemplo ilustrado en las figuras 13A a 13E, el soporte poroso 2 comprende dos canales 41 y 42, pero está claro que puede comprender un número superior de canales dispuestos de manera simétrica o no alrededor de un eje de referencia común o no, estando separados entre sí por tabiques de separación 11.

Hay que indicar que esta estructura de canales 41 y 42 imbricados puede estar duplicada como en el ejemplo ilustrado en las figuras 14A y 14B, en el eje el soporte poroso 2 comprende una serie de siete estructuras de dos canales 41 y 42 descritos en las figuras 13^a a 13E. En este ejemplo ilustrado en las figuras 14A y 14B, el soporte poroso 2 comprende también catorce canales, pero está claro que puede estar previsto realizar un soporte poroso con un número diferente de canales.

Según el ejemplo ilustrado en las figuras 15A a 15H, el soporte poroso 2 comprende veintitrés canales 4 descompuestos en tres categorías dispuestas concéntricamente desde el centro hasta la periferia del soporte poroso. El soporte poroso 2 que presenta en el ejemplo una forma tubular de sección circular, comprende en una primera categoría, un canal central 41 rectilíneo centrado sobre el eje longitudinal de simetría A1 del soporte poroso 2. Este canal central 41 comprende un volumen de circulación V1 que no presenta el carácter flexuoso conforme a la invención (figura 15C).

El soporte poroso 2 presenta en la segunda categoría llamada intermedia una serie de seis canales 42 dispuestos según una corona centrada según el eje longitudinal de simetría A1 del soporte poroso 2. Los canales 42 presentan secciones generatrices S2 de formas y de áreas idénticas. En el ejemplo, cada sección generatriz S2 presenta una forma general no circular. Cada canal 42 presenta un volumen flexuoso de circulación V2, que se establece según una trayectoria curvilínea H2 en hélice de paso constante y de distancia R constante, girando esta trayectoria curvilínea H2 alrededor de un eje de referencia correspondiente al eje longitudinal de simetría A1 (figura 15D). Cada volumen flexuoso de circulación V2 se establece a distancia alrededor del canal central 41. Tal como se deduce a partir de la figura 15E, los volúmenes flexuosos de circulación V2 del conjunto de los canales 42 de la categoría intermedia se establecen según trayectorias curvilíneas H2 en hélice con pasos idénticos y distancias R idénticas alrededor de un eje de referencia correspondiente al eje longitudinal de simetría A1. Los seis canales 42 se extienden de manera simétrica con relación al eje de referencia común A1 que se imbrican los unos en los otros. De manera similar al ejemplo ilustrado en las figuras 1A a 1D, el volumen flexuoso de circulación V2 de los canales se extiende entre la entrada 6 y la salida 7 del canal, según una parte solamente de la longitud del canal. De esta manera, cada canal 42 de la categoría intermedia presenta, respectivamente, entre su entrada 6 y su salida 7, un volumen de entrada de circulación Ve de trayectoria rectilínea, el volumen flexuoso de circulación V2 y un volumen de salida de circulación Vs de trayectoria rectilínea.

El soporte poroso 2 presenta en una tercera categoría llamada periférica, una serie de dieciséis canales 43 dispuestos según una corona centrada según el eje longitudinal de simetría A1 del soporte poroso 2 y que se extienden concéntricamente alrededor de la corona de los canales 42 de la segunda categoría. Los canales 43 de esta tercera categoría presentan secciones generatrices S3 de formas y de áreas idénticas. En el ejemplo, cada sección generatriz S3 presenta una forma general de trapecio isósceles. Cada canal 43 presenta un volumen flexuoso de circulación V3, que se establece según una trayectoria helicoida1H3, girando esta trayectoria curvilínea H3 alrededor de un eje de referencia que corresponde al eje longitudinal de simetría A1 (figura 156F). Cada volumen flexuoso de circulación V3 se establece a una distancia alrededor de los canales 42 de la segunda categoría. Tal como se deduce a partir de la figura 15G, los volúmenes flexuosos de circulación V3 de los canales 43 de la tercera categoría se establecen según trayectorias curvilíneas H3 en hélice con pasos idénticos y rayos de giro idénticos que giran alrededor de un eje de referencia que corresponde al eje longitudinal de simetría A1. Los dieciséis canales 43 se extienden de manera simétrica con relación al eje de referencia común A1 que se imbrican los unos en los otros.

De manera similar al ejemplo ilustrado en las figuras 1A a 1D, el volumen flexuoso de circulación V3 de los canales se extiende entre la entrada 6 y la salida 7 del canal, según una parte solamente de la longitud del canal. De esta manera, cada canal 43 de la categoría periférica presenta, respectivamente, entre su entrada 6 y su salida 7, un volumen de entrada de circulación Ve de trayectoria rectilínea, el volumen flexuoso de circulación V3 y un volumen de salida de circulación Vs de trayectoria rectilínea.

La figura 15H ilustra un soporte poroso 2 en el que están dispuestos los canales 41, 42 y 43 de las tres categorías, cuyos volúmenes flexuosos de circulación se describen por las figuras 15C a 15G. Por supuesto, el objeto de la invención puede ser realizado para uj soporte poroso que comprende canales realizados en número diferente, repartidos según un número de categorías diferentes.

Las simulaciones numéricas del tipo CFD « Computational Fluid Dynamic », aplicadas al ejemplo ilustrado en las figuras 13A a 13E se han dado los siguientes resultados en términos de rendimientos y de consumos de energía comparados con canales derechos del mismo diámetro hidráulico. Se trata de resultados de las simulaciones hechas a partir de un modelo numérico establecido sobre la base de resultados de medidas experimentales obtenidas haciendo circular como fluido a tratar un vino tinto en un monocanal circular rectilíneo, con una presión transmembranaria de 1,5 bares y un umbral de corte de 0,2 pm.

En la Tabla 3 siguiente, la relación Qp/Qa expresada en % entre el caudal volumétrico de permeado Qp (m3/h) y el caudal volumétrico de alimentación del fluido a tratar Qa (m3/h) da cuenta de la actuación intrínseca de los canales flexuosos con relación a los canales rectilíneos del mismo diámetro hidráulico (Dh) para una misma presión transmembranaria (PTM) y un mismo umbral de corte (pm).

La eficiencia energética de la unidad de filtración dentro de la cual los elementos de filtración comprenden canales flexuosos de este tipo se expresa por sí misma en metro cúbico de permeado extraído por kilojulio de energía necesaria para hacer circular el fluido a tratar en los canales (m3/kJ). La velocidad media (m/s) en los canales correspondientes se da en la Tabla 3 a título indicativo.

Los resultados presentados en esta Tabla muestran para este ejemplo de canales flexuosos helicoidales ilustrado en las figuras 1A a 1D que, en comparación con un elemento de filtración que comprende canales rectilíneos del mismo diámetro hidráulico:

- en el caso de que el paso de la hélice valga 24 mm, la actuación intrínseca del elemento de filtración se multiplica por 17 y su eficiencia energética se multiplica por 5 en comparación con un elemento de filtración que comprende canales rectilíneos;

- en el caso de que el paso de la hélice valga 12 mm, la actuación intrínseca del elemento de filtración se multiplica por 8. eficiencia energética se multiplica por 5.

Según una característica ventajosa de la invención, los canales flexuosos 4i conformes a la invención pueden presentar un paso p de valor independiente del valor de la distancia R entre la trayectoria curvilínea H1 y el eje de referencia A1. De esta manera, es posible realizar canales flexuosos con un paso p de valor reducido combinado con un valor reducido de la distancia R. Típicamente, puede estar previsto realizar canales flexuosos que presentan un paso p comprendido entre 1 mm y 250 mm con una distancia R comprendida entre 0,1 mm y 100 mm. Por lo demás, según una característica ventajosa, los canales flexuosos según la invención presentan diámetros hidráulicos que pertenecen a la gama que va de 0,5 mm a 20 mm. Se recuerda que el diámetro hidráulico Dh es tal que Dn = 4A/P, en donde A es el área de la sección de paso del canal y P es el perímetro mojado de esta sección. Ventajosamente, cada canal posee un diámetro hidráulico que puede ser constante o variable.

En el marco de la invención, la fabricación del soporte poroso 2, incluso del elemento de separación por flujo tangencial en su integridad, se realiza gracias a una técnica aditiva. El procedimiento según la invención consiste en realizar la estructura tridimensional del soporte por formación de estratos elementales superpuestos y unidos sucesivamente entre sí con el fin de hacer crecer progresivamente la estructura tridimensional del soporte.

El procedimiento tiene la ventaja, con relación a las técnicas anteriores, de realizar el soporte en una sola etapa de producción que no necesita utillaje, ni mecanización y, por lo tanto, permite el acceso a una gama mayor de geometrías de soporte y permite hacer variar las formas y dimensiones de los obstáculos en los canales.

En el caso de la utilización de una materia sólida tal como un polvo, el espesor del lecho de polvo y, por lo tanto, de cada estrato consolidado sucesivamente es relativamente pequeño para permitir su unión al estrato inferior, por aplicación de la aportación de energía o proyección del líquido. En particular, un espesor de 20 mm a 200 mm de polvo será depositado, siendo este espesor una función de la técnica aditiva seleccionada.

Es la repetición de la secuencia binaria la que permite, estrato tras estrato, construir la forma tridimensional deseada. El motivo de consolidación puede variar de un estrato al otro. El crecimiento de la forma tridimensional deseada se realiza según una dirección de crecimiento seleccionada.

La granulometría del polvo depositado es uno de los factores que determina el espesor mínimo de cada lecho de polvo, así como el diámetro medio final obtenido de los poros. En particular, se utilizará un polvo de la materia destinada a consolidar el soporte, por ejemplo un polvo de óxido metálico, incluso un polvo de uno de sus precursores. El polvo depositado presentará, por ejemplo, un tamaño medio de los granos del orden de 35 pm para la obtención de un diámetro medio de los poros en el soporte de cerámica del orden de 10 pm.

La solicitante ha constatado que el reglaje de diferentes parámetros tales como la selección del material y, para un material dado, el tamaño medio de los granos del polvo empleado y para un material y una granularidad dados, el espesor del lecho de polvo repetido cada tras capa, por una parte, y el reglaje de diferentes parámetros propios de la tecnología seleccionada para la consolidación permiten la obtención y el control de una textura porosa residual interconectada dentro del monolito consolidado. Esta textura porosa residual es el resultado de una sinterización o de un encolado controlado de los granos de polvo dejando huecos inter-granuladores interconectados.

En el caso de la utilización de un haz de energía, los principales parámetros, sobre los que es posible actuar, son su focalización, es decir, el diámetro del haz al nivel del impacto con el lecho de polvo, la velocidad de barrido del lecho de polvo por el haz de fotones o de electrones o incluso la tasa de recubrimiento de las superficies de impacto del haz de energía durante la constitución de un estrato.

En el caso de la utilización de una proyección de líquido, los principales parámetros sobre los que es posible actuar son el peso de las gotas, su frecuencia, la velocidad de barrido del lecho de polvo por el “chorro” de gotas o incluso la tasa de recubrimiento durante cada pasada.

La solicitante ha constatado igualmente que era posible, modulando los diferentes parámetros descritos anteriormente, ajustar la distribución de tamaño de los poros y, para cada población de posos dada, controlar su número y su tortuosidad.

Una vez que el polvo ha sido aglomerado en las zonas seleccionadas, los granos de materia en polvo no aglomerada son eliminados por cualquier técnica apropiada, facilitando esta operación la fluidez inicial del polvo utilizado. Es posible utilizar técnicas de circulación de aire (aspiración) o de circulación de agua o incluso vibraciones para desprenderse de las últimas trazas de polvo que permanecen en los canales flexuosos o en paredes de las formas realizadas.

La consolidación final del elemento filtrante y el estado final de la textura porosa se obtienen, muy a menudo, por uno o varios post-tratamientos térmicos que tiene por objetivo la eliminación de aglutinantes (desligamiento) y/o la sinterización del material propiamente dicho. La temperatura seleccionada para tal sinterización final será función de la naturaleza del material inorgánico utilizado y del tamaño medio de los granos del polvo utilizado.

El soporte, incluso el elemento de separación por flujo tangencial en su integridad, se realiza también estrato tras estrato. Para ello, curso arriba, gracias a una lógica de concepción por ordenador, la estructura tridimensional del soporte o del elemento de separación por flujo tangencial a realizar, es cortada en rodajas. El objeto virtual en tres dimensiones a realizar es cortado de esta manera en rodajas bidimensionales de espesores muy finos. Estas rodajas finas van a ser realizadas una a una, en forma de estratos elementales superpuestos y unidos entre sí, con el fin de hacer crecer progresivamente la forma tridimensional deseada.

Esta estructura tridimensional se realiza:

- o bien por la repetición de las etapas siguientes:

• realización de un lecho de una materia sólida (polvo orgánico o inorgánico) o líquida (precursor orgánico o líquido en el que está dispersado un polvo que puede ser orgánico o inorgánico) destinado a formar el soporte poroso, siendo el lecho de espesor constante según una superficie superior a la sección de dicho soporte poroso tomada al nivel del estrato;

• consolidación localizada según un motivo determinado para cada estrato, de una parte, de la materia realizada para crear el estrato elemental, y unión simultánea del estrato elemental así formado al estrato precedente;

- o bien por la creación sucesiva de cordones de materia formados después de la fusión de un polvo orgánico o inorgánico proyectado en el haz de un láser según el motivo predeterminado para cada estrato;

- o bien por fusión continua o discontinua (gota) de un hilo de un precursor sólido termofusible.

Cuando el precursor es un polímero orgánico termofusible utilizado solo, el soporte es de naturaleza orgánica e inmediatamente utilizable para la deposición de una capa de naturaleza orgánica. Cuando el precursor es una mezcla de un polímero orgánico termofusible y de un polvo inorgánico cerámico o metálico, el soporte es de naturaleza inorgánica después de la eliminación del polímero que sirve de aglutinante y después de la sinterización de los granos del polvo inorgánico.

De una manera general, en el primer caso la materia utilizada es o bien sólida o líquida y la consolidación de los estratos elementales se realiza por una aportación de energía o por proyección de un líquido en gotitas finas. La aportación localizada de energía puede realizarse con un haz de luz dirigida (LED o LASER) o un haz de electrones dirigidos, o incluso con cualquier fuente de energía que permita su focalización y un barrido del lecho de polvo según el motivo seleccionado por CAO. La interacción de materia-energía conduce entonces o bien a una sinterización, o bien a una fusión/consolidación de la materia, o bien incluso a una foto-polimerización o foto-reticulación de la materia, según su naturaleza y la de la fuente de energía utilizada.

La aportación localizada de líquido sobre un lecho de polvo puede hacerse con micro-gotitas creadas con la ayuda de un sistema piezo-eléctrico, eventualmente cargadas y dirigidas a un campo electrostático. El líquido es entonces un aglutinante o un agente activador del aglutinante previamente añadido al polvo cerámico.

La utilización de una técnica aditiva contemplada en el marco de la invención permite obtener, con relación a las técnicas anteriores, por una parte, una ganancia en términos de fiabilidad y cadencia de producción y, por otra parte, una gran variabilidad en cuanto a la selección de las formas del soporte y de las formas y relieven que pueden ser conformados en el o los canales en el interior del soporte.

En el marco de la invención, para la concepción de la forma tridimensional se pueden utilizar diferentes técnicas aditivas, como por ejemplo la SLS (del inglés Selective Laser Sintering) o SLM (del inglés Selective Laser Melting), la impresión 3D o Binder-Jetting, la LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing), el FDM (Fused Deposition Modeling), la estereolitografía (Stereolithography Apparatus SLA).

En el marco de la invención, se contemplan elementos de separación de un medio fluido por filtración tangencial, comúnmente llamados membranas de filtración. Tales elementos de separación comprenden un soporte poroso realizado de un material orgánico o inorgánico.

Para un soporte poroso orgánico puede estar previsto seleccionar a título de ejemplos no limitativos, entre los materiales orgánicos siguientes: poliamida, polietercetonacetona, poliestireno, alúmina, polifenilsulfona, elastómeros fluorados termoplásticos, polipropileno, polietileno, epoxi, acrilato, acrilonitrilo butadieno estireno, polimetilmecacrilato de metilo, policarbonato, nylon, polieterimida, acrilonitrilo estireno acrilato, ácido poliláctico, policloruro de vinilo y sus mezclas,

Para un soporte poroso inorgánico no metálico (cerámica), puede estar previsto seleccionar a título de ejemplos no limitativos, entre los materiales inorgánicos siguientes: óxido de aluminio, óxido de titanio, óxido de circonio, titanato de aluminio, nitruro de aluminio, nitruro de titanio, nitruro de boro, nitruro de silicio, sialon, carbono grafito, carburo de silicio, carburo de volframio y sus mezclas,

Para un soporte poroso inorgánico metálico (metales y aleaciones), puede estar previsto seleccionar a título de ejemplos no limitativos, entre los materiales metálicos siguientes: aluminio, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobalto y de cromo, aleaciones de níquel, aleaciones de níquel y de cromo, aceros y aceros inoxidables, titanio, aleaciones de titanio, aleaciones de cobre y de estaño, aleaciones de cobre, de estaño y de aluminio, aleaciones de cobre y de cinc y sus mezclas.

Claims (22)

REIVINDICACIONES

1. Elemento de separación por flujo tangencial de un medio fluido a tratar en un filtrado y un retentado, comprendiendo dicho elemento de separación un soporte poroso rígido monobloque (2), en el interior de cuyo volumen al menos un canal (4) para la circulación del medio fluido a tratar está dispuesto entre una entrada (6) para el medio fluido a tratar y una salida (7) para el retentado, comprendiendo este soporte poroso rígido monobloque una superficie exterior (3) de recuperación del filtrado que ha atravesado dicho soporte, caracterizado porque al menos un canal (4i) presenta entre la entrada y la salida un volumen flexuoso de circulación (Vi) definido por el desplazamiento alrededor de un eje de referencia (Ai) según una trayectoria curvilínea (Hi), de una sección plana generatriz (Si) y porque este eje de referencia (Ai) no atraviesa dicha sección generatriz (Si) y se encuentra contenida en el volumen del soporte poroso.

2. Elemento de separación por flujo tangencial según la reivindicación 1, caracterizado porque el volumen flexuoso de circulación (Vi) de al menos un canal (4i) se define sobre una parte solamente de su longitud tomada entre la entrada y la salida o sobre toda su longitud desde su entrada hasta su salida.

3. Elemento de separación por flujo tangencial según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el soporte poroso rígido monobloque (2) comprende varios canales (4i) de circulación para el medio fluido dispuestos en el interior de dicho soporte.

4. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque al menos un canal (4) presenta una sección generatriz (Si) con un área constante o variable.

5. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque al menos un canal (4i) presenta una sección generatriz (Si) con una forma constante o variable.

6. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la sección generatriz de al menos un canal (4i) está distanciada del eje de referencia (Ai) a una distancia constante.

7. Elemento de separación por flujo tangencial según la reivindicación 6, caracterizado porque la sección generatriz de al menos un canal (4) está distanciada del eje de referencia (Ai) a una distancia variable.

8. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el eje de referencia (Ai) es tangente a la sección generatriz de al menos un canal (4i).

9. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende al menos una serie de varios canales que presentan secciones generatrices separadas del eje de referencia (Ai) a una distancia R adaptada para estar separados entre sí por tabiques de separación (11).

10. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la sección generatriz (Si) de al menos un canal (4i) evoluciona según una trayectoria que resulta de un movimiento de traslación de dirección constante o variable combinado sobre al menos una porción tomada entre la entrada y la salida, a un movimiento de rotación alrededor del eje de referencia (Ai) según un paso (p) constante o variable y según un sentido de levógiro o dextrógiro.

11. Elemento de separación por flujo tangencial según la reivindicación 10, caracterizado porque la trayectoria presenta un paso p comprendido entre 0,1 mm y 250 mm y porque la distancia (R) entre la trayectoria curvilínea (G1) y el eje de referencia (A1) está comprendida entre 0,1 mm y 100 mm.

12. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la sección generatriz (Si) de al menos un canal (4i) tomada sobre al menos una porción entre la entrada y la salida evoluciona según una trayectoria helicoidal (Hi).

13. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la sección generatriz (Si) de al menos un canal (4i), tomada sobre una porción limitada a partir de la entrada (6) y de la salida (7), evoluciona según una trayectoria (Hi) que resulta de un movimiento de traslación paralelo al eje de referencia.

14. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque al menos un canal (4i) presenta una sección generatriz (Si) que se extiende perpendicular o paralelamente al eje de referencia.

15. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el soporte poroso (2) está realizado de un material seleccionado entre los materiales orgánicos tales como poliamida, polietercetonacetona, poliestireno, alúmina, polifenilsulfona, elastómeros fluorados termoplásticos, polipropileno, polietileno, epoxi, acrilato, acrilonitrilo butadieno estireno, polimetilmecacrilato de metilo, policarbonato, nylon, polieterimida, acrilonitrilo estireno acrilato, ácido poliláctico, policloruro de vinilo y sus mezclas, seleccionado entre los materiales inorgánicos siguientes tales como óxido de aluminio, óxido de titanio, óxido de circonio, titanato de aluminio, nitruro de aluminio, nitruro de titanio, nitruro de boro, nitruro de silicio, sialon, carbono grafito, carburo de silicio, carburo de volframio y sus mezclas, seleccionado entre los materiales metálicos siguientes, tales como aluminio, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobalto y de cromo, aleaciones de níquel, aleaciones de níquel y de cromo, aceros y aceros inoxidables, titanio, aleaciones de titanio, aleaciones de cobre y de estaño, aleaciones de cobre, de estaño y de aluminio, aleaciones de cobre y de cinc y sus mezclas.

16. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque comprende un soporte poroso (2) y al menos una capa separadora, depositada continuamente sobre la pared interior de cada canal (4i), cada una de las cuales está constituida de una cerámica, seleccionada entre los óxidos, los nitruros, los carburos u otros materiales cerámicos y sus mezclas y, en particular, de óxido de titanio, de alúmina, de circonio o de una de sus mezclas, de nitruro de titanio, de nitruro de aluminio, de nitruro de boro, de carburo de silicio eventualmente mezclado con otro material cerámico.

17. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los canales (4i) presentan diámetros hidráulicos que pertenecen a la gama que va de 0,5 mm 20 mm.

18. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada canal (4i) presenta un diámetro hidráulico constante o variable.

19. Elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el soporte (2) presenta un diámetro medio de poros que pertenecen a la gama que va de 4 pm a 100 pm.

20. Elemento de separación por flujo tangencial según la reivindicación 19, caracterizado porque el diámetro medio de los poros corresponde al valor d50 de la distribución volumétrica para la que el 50 % del volumen total de los poros corresponde al volumen de los poros de diámetro inferior a este d50; siendo obtenida la distribución volumétrica por penetración de mercurio, por ejemplo según la técnica descrita en la Norma ISO 15901 -1: 2005.

21. procedimiento de fabricación de un elemento de separación por flujo tangencial según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el soporte se realiza por formación de estratos elementales superpuestos y unidos sucesivamente entre sí, con el fin de hacer crecer progresivamente la forma tridimensional del soporte en el que está dispuesto al menos un canal flexuoso (4i) conforme a una de las reivindicaciones 1 a 20.

22. Procedimiento según la reivindicación 21, caracterizado porque consiste en realizar el soporte por técnica aditiva para la que gracias a una lógica de concepción por ordenador, la forma del soporte se corta en rodajas, estando realizadas estas rodajas una a una, bajo la forma de estratos elementales superpuestos y unidos de manera sucesiva entre sí, por la repetición de las dos etapas siguientes: depósito de un lecho continuo, homogéneo y de espesor constante de una materia en polvo destinada a formar el soporte, cubriendo el lecho una superficie superior a la sección de dicho cuerpo poroso a formar, tomada al nivel del sustrato; consolidación localizada según un motivo determinado parea cada estrato, de una parte de la materia depositada para crear el estrato elemental, siendo repetidas estas dos etapas con el fin de permitir en cada repetición la unión simultánea del estrato elemental así formado al estrato formado anteriormente, con el fin de hacer crecer progresivamente la forma del soporte.