WO2013098422A1 - Sistema de regulación de caudal en filtros - Google Patents

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Gorka RETOLAZA GAVIÑA
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Hbio Reto Xxi, S.L.
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    • B01D2315/10—Cross-flow filtration

Definitions

  • the filters on which the proposed regulation system can be used can be membrane, cartridge, mesh filters or by using any filter surface.
  • the present invention characterizes the means used in the flow regulation process, which makes it possible to eliminate elements such as pressure switches, pressure transducers, flow meters, frequency inverters, flow regulating solenoid valves and other elements that are currently being used. in the filtering process regulation system.
  • the present invention is within the scope of systems for regulating filtration processes with any type of filter surface (cross flow, dead end, flat membranes and any other type of membranes and filters).
  • cross flow filtration also known as tangential flow filtration
  • Cross-flow filtration is different from dead-end filtering, also known as "dead-end,” in which the flow is passed through a filter surface, and solids trapped in the filter must be released into the other extreme
  • Cross flow filtration is called that because most of the feed flow travels tangentially through the filter surface.
  • the main advantage of this type of filters is that the filter, which can blind the passage of fluid, reduces the deposition of particles on the filter surface, which increases the amount of time that a filter unit can operate.
  • Flow regulation systems in filters require a frequency converter associated with the pump that regulates the work flow, also, a flow meter that verifies the flow at all times and optionally a regulating solenoid valve of flow, or proportional, that closes a PID control, so that it controls the workflow.
  • the PID control can be performed between the pump and the flowmeter or between the flowmeter and solenoid valve, or any combination, they do not have to be all the elements of the regulation system linked in the PID control.
  • the PID control can regulate the power of the pump, or also regulate the closing of the solenoid valve or it can regulate both, in any case, the control will always be taking as a reference the value of the flowmeter or the value of the transmembrane pressure.
  • the filter flow regulation system consists of a filter surface, which is associated with a flow limiting regulator, a discharge pump, a backwash pump, a non-return valve and a pressure loss valve or an overpressure valve .
  • the filters do not necessarily have to be membrane, they can be cartridge filters, meshes, etc., that is, other filters that instead of using membranes use other filter elements.
  • a load loss valve or an overpressure valve is arranged at the fluid inlet.
  • the pressure loss valve or the overpressure valve is arranged at the fluid inlet.
  • the backwashing process is carried out by means of the backwash pump that drives a fluid on the filter surface of the filter, and in the opposite direction to the filtrate flow, so that it releases and cleanses the filter surface.
  • This cleaning operation of the filter surface can be carried out without having to close the solenoid valve, because the backwash is always carried out with a flow rate much higher than the nominal working flow, so that although part of the fluid follows the circuit of permeated, backwashing continues.
  • the flow limiting regulator throttles the flow so that no more water circulates than the one defined in the design and generates the corresponding loss of load, therefore, the loss of load that will occur in the process will be the one generated at the outlet of the concentrate by means of the valve of loss of load or of overpressure, less the one that is generating the regulator limiting of flow, in this way it is obtained that the filtering surfaces have a protection with respect to the pressure of work because this will never be superior to the value of the pressure loss or overweight valve in the concentrate. This is because in this design after the valve of loss of load (or overpressure) of the concentrate the exhaust is free, at atmospheric pressure. If this is not the case, it may be the case that this maximum pressure value is not met.
  • Figure 3 shows the flow regulation system in tangential filters such as that which is the object of the invention.
  • Figure 4 shows the flow regulation system in blind filters such as that which is the object of the invention.
  • FIG 1 we can observe the configuration of the regulation system currently used in filters with tangential filtration, observing a filter surface (1), which at one of its ends, the inlet, has connected a drive pump (2) that drives the fluid to be filtered (3); a backwash pump (1 1) is connected to the permeate outlet, a non-return valve (9) interposing between the outlet and the backwash pump (1 1).
  • the filter surface (1) on the opposite end to the inlet of the fluid to be filtered (3), has the concentrated fluid outlet (4), a first pressure transducer (5) being associated with this outlet; there is a second outlet of the filter surface (1), where a flow meter (7) is arranged followed by an electrovalve (8) through which the permeate fluid (10) exits.
  • a second pressure transducer (6) is mounted.
  • FIG 2 the configuration of the flow regulation system in blind filters can be observed, which is a similar configuration to the previous one, but that lacks concentrated fluid output (4), as it happened in the tangential filters, and where The first pressure transducer (5) is arranged at the inlet.
  • the drive pump works regulated by a PID, increases its power to reach the required flow rate (which measures the flowmeter), and / or the regulating solenoid valve varies its section of He passed.
  • the transmembrane pressure increases, with a difference value between that marked by the pressure transducer (5) and the maximum allowable pressure transducer (6).
  • Figure 3 shows the configuration of the flow regulation system in tangential filters that has a filter surface (1) on whose inlet end of the fluid to be filtered (3) has an associated pump (2), a the permeate outlet has a backwash pump (1 1) connected by means of a non-return valve (9); on the other hand, at the outlet of the concentrated fluid (4) there is a pressure loss valve (13) or an overpressure valve, and at the permeate outlet a flow limiting regulator (12), the positions of the pressure loss (13) or pressure valve and the flow restrictor regulator (12) exchanged.
  • the system for a blind filter is observed, which shares the essentiality of the object of the invention in its entirety, which differs from the tangential filter, in that since there is no concentrated fluid outlet, the loss valve of load or overpressure (13) is disposed at the inlet of the filter surface after the discharge pump (2) of the fluid to be filtered (3), obtaining after the pressure loss valve (13) or the overpressure valve a unfiltered fluid (14).
  • the positions of the pressure loss valve (13) or the overpressure valve and that of the flow restrictor regulator (12) can be interchanged.
  • the backwash process is performed by stopping the drive pump for filtering and activating the backwash pump. In this operation the backwash fluid will circulate towards the flow limiting regulator. This will once again limit the flow rate and therefore the rest of the flow rate will continue in the opposite direction to that of the filtration, thus backwashing the filter surface.
  • the drive pump works at a working point without changing it, called the design point, so that the flowmeter, the pump frequency inverter and the PID can be eliminated of pump regulation.
  • the maximum transmembrane pressure is equal to the value of the pressure loss or overpressure valve, while the transmembrane working pressure is equal to valve value of the pressure loss or overpressure minus the pressure loss generated by the flow restrictor regulator.
  • a filter surface since the filters do not necessarily have to be membrane, being able to be cartridges, meshes, or employ any other filter surface.

Abstract

Sistema que cuenta con una superficie filtrante (1) sobre cuyo extremo de entrada del fluido a filtrar (3) tiene asociada una bomba de impulsión (2), cuenta con una válvula de pérdida de carga (13)o una válvula de sobrepresión y un regulador limitador de caudal (12) dispuesto a la salida de lasuperficie filtrante, opcionalmente puede contar con una bomba de retrolavado; en caso de ser utilizado para filtros tangenciales la válvula de pérdida de carga (13)o la válvula de sobrepresión, se dispone a la salida de la superficie filtrante (1), mientras que en filtros ciegos la válvula de pérdida de carga (13)o de sobrepresión, se dispone a la entrada de la superficie filtrante (1). Se consigue un sistema más económico que ahorra en el consumo energético, además las superficies filtrantes pasan a tener protección frente a la presión de trabajo, donde la bomba de impulsión trabaja en el punto de diseño sin aumentar caudal ni presión y la válvula de pérdida de carga o de sobrepresión tiene un valor fijo que no puede variar sin actuación externa al sistema.

Description

SISTEMA DE REGULACIÓN DE CAUDAL EN FILTROS
DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, un sistema de regulación de caudal en procesos de filtración, también conocidos dentro del sector como filtración "cross-flow" o filtros de flujo cruzado y filtración "dead end" o filtración ciega (o de callejón sin salida).
Los filtros sobre los que puede utilizarse el sistema de regulación propuesto, pueden ser filtros de membrana, de cartucho, de mallas o mediante el empleo de cualquier superficie filtrante.
Caracteriza a la presente invención los medios empleados en el proceso de regulación de caudal, que hace posible eliminar elementos tales como presostatos, transductores de presión, caudal ímetros, variadores de frecuencia, electroválvulas reguladoras de caudal y otros elementos de los que se vienen utilizando actualmente en los sistema de regulación del proceso de filtrado.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de sistemas de regulación de los procesos de filtrado con cualquier tipo de superficie filtrante (cross flow, dead end, membranas planas y cualquier otro tipo de membranas y filtros).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En ingeniería química, ingeniería bioquímica, purificación de proteínas, el tratamiento de aguas, la filtración de flujo cruzado, también conocido como filtración de flujo tangencial, es un tipo de filtración. La filtración de flujo cruzado es diferente de la filtración de callejón sin salida, también conocida como "dead-end", en la que se pasa el flujo a través de una superficie filtrante, y los sólidos atrapados en el filtro deben ser liberados en el otro extremo.
La filtración de flujo cruzado se llama así porque la mayoría del flujo de alimentación viaja tangencialmente a través de la superficie del filtro. La principal ventaja de este tipo de filtros es que el filtro, que puede cegar el paso del fluido, reduce la deposición de partículas en la superficie filtrante, lo que aumenta la cantidad de tiempo que una unidad de filtro puede operar.
Los sistemas de regulación del caudal en filtros bien sean de membrana o de cualquier otro tipo, precisan un variador de frecuencia asociado a la bomba que regula el caudal de trabajo, también, un caudalímetro que verifique el caudal en todo momento y opcionalmente una electroválvula reguladora de caudal, o proporcional, que cierre un control PID, de manera que controle el flujo de trabajo. El control PID, puede realizarse entre la bomba y el caudalímetro o entre el caudalímetro y electroválvula, o cualquier combinación, no tienen por qué estar todos los elementos del sistema de regulación vinculados en el control PID. El control PID puede regular la potencia de la bomba, o también regular el cierre de la electroválvula o puede regular ambos, en cualquier caso, el control siempre será tomando como referencia el valor del caudalímetro o el valor de la presión transmembrana. Sin embargo, estos sistemas de regulación son susceptibles de ser mejorados empleando unos medios diferentes que permiten la eliminación de presostátos, transductores de presión, caudalímetro, variador de frecuencia, electroválvula proporcional, PID de regulación y pudiendo llegar a eliminarse el PLC o tarjeta de programación, consiguiéndose un ahorro económico en inversión y consumo energético. Otro aspecto susceptible de ser mejorado es la protección de las superficies filtrantes respecto de la presión de trabajo, que con el sistema actual la protección depende del correcto funcionamiento de elementos electrónicos (protección activa). Mediante la presente invención la seguridad de las superficies filtrantes está garantizada por diseño (protección pasiva) convirtiendo en innecesaria la protección activa
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un sistema de regulación de los procesos de filtrado que supere los inconvenientes apuntados o aspectos susceptibles de mejoras, logrando un sistema de filtrado que sea más económico y en el que las superficies filtrantes pasen a tener una protección respecto de la presión de trabajo, desarrollando un sistema como el que a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la reivindicación primera.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema de regulación de caudal en filtros consta de una superficie filtrante, a la que se asocian un regulador limitador de caudal, una bomba de impulsión, una bomba de retrolavado, una válvula antiretorno y una válvula de pérdida de carga o una válvula de sobrepresión.
Los filtros no necesariamente tienen por qué ser de membrana, pueden ser filtros de cartucho, de mallas, etc., es decir, otros filtros que en lugar de usar membranas usan otros elementos filtrantes.
Sobre un extremo de la superficie filtrante entra el fluido a filtrar impulsado por la bomba de impulsión. En el caso de filtración tangencial, sobre el extremo opuesto, (salida del filtro pero sin filtrar), al de entrada del fluido se dispone una válvula de pérdida de carga o una válvula de sobrepresión. En el caso que tratáramos con una filtración ciega o "dead-end", la válvula de pérdida de carga o la válvula de sobrepresión se dispone en la entrada del fluido. Por la salida del permeado, (salida del filtro tras la filtración), disponemos de un regulador limitador de caudal, que además de realizar las funciones propias, presenta la particularidad de no precisar alimentación eléctrica. El limitador regulador de caudal es un dispositivo para limitar el flujo de un fluido, en este caso el flujo del fluido a filtrar. Estrangula el fluido en caso de recibir más caudal del definido en diseño llevándolo a valores de diseño.
El proceso de retrolavado se lleva a cabo por medio de la bomba de retrolavado que impulsa un fluido sobre la superficie filtrante del filtro, y en dirección contraria al flujo de filtrado, de manera que libera y limpia la superficie filtrante. Esta operación de limpieza de la superficie filtrante se puede llevar a cabo sin necesidad de tener que cerrar la electroválvula, porque el retrolavado se realiza siempre con un caudal muy superior al caudal nominal de trabajo, por lo que aunque parte del fluido siga el circuito de permeado, el retrolavado se sigue dando.
El regulador limitador de caudal estrangula el caudal para que no circule más agua que la definida en el diseño y genera la correspondiente pérdida de carga, por lo tanto, la pérdida de carga que se dará en el proceso será la que se genere en la salida del concentrado mediante la válvula de pérdida de carga o de sobrepresión, menos la que esté generando el regulador limitador de caudal, de esta manera se consigue que las superficies filtrantes tengan una protección respecto de la presión de trabajo porque ésta nunca será superior al valor de la válvula de pérdida de carga o de sobrepesión que se encuentra en el concentrado. Esto es así porque en este diseño tras la válvula de pérdida de carga (o de sobrepresión) del concentrado el escape es libre, a presión atmosférica. Si no fuera así podría darse el caso de no cumplirse este valor máximo de presión.
EXPLICACION DE LAS FIGURAS Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.
En la figura 1 , podemos observar la representación de un sistema de regulación de flujo en filtros tangenciales o "cross flow", tal y como se viene realizando hasta el momento.
En la figura 2, podemos observar la representación de un sistema de regulación de flujo en filtros ciegos o "dead-end", tal y como se viene realizando hasta el momento
En la figura 3 se muestra el sistema de regulación de flujo en filtros tangenciales como el que es objeto de la invención.
En la figura 4 se muestra el sistema de regulación de flujo en filtros ciegos como el que es objeto de la invención
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.
En la figura 1 podemos observar la configuración del sistema de regulación actualmente utilizado en filtros con filtración tangencial, observándose una superficie filtrante (1 ), que en uno de sus extremos, el de entrada, tiene conectada una bomba de impulsión (2) que impulsa el fluido a filtrar (3); a la salida del permeado tiene conectada una bomba de retrolavado (1 1 ), interponiéndose entre la salida y la bomba de retrolavado (1 1 ), una válvula antiretorno (9). La superficie filtrante (1 ), sobre el extremo opuesto al de entrada del fluido a filtrar (3), tiene la salida del fluido concentrado (4), estando asociada a esta salida un primer transductor de presión (5); existe una segunda salida de la superficie filtrante (1 ), donde se dispone un caudalímetro (7) seguido de una electroválvula (8) a través de la cual sale el fluido permeado (10). Asociada la salida del permeado hay montado un segundo transductor de presión (6).
En la figura 2 se puede observar la configuración del sistema de regulación de caudal en filtros ciegos, que es una configuración similar a la anterior, pero que carece de salida de fluido concentrado (4), como sucedía en los filtros tangenciales, y en donde el primer transductor de presión (5) se dispone a la entrada. En ambas realizaciones mostradas en las figuras 1 y 2, la bomba de impulsión trabaja regulada por un PID, aumenta su potencia para alcanzar el valor exigido de caudal, (que mide el caudalímetro), y/o la electroválvula de regulación varía su sección de paso. Además en ambas realizaciones a medida que se colmata la superficie filtrante la presión transmembrana aumenta, habiendo un valor de diferencia entre el marcado por el transductor de presión (5) y el transductor de presión (6) máximo admisible.
En la figura 3 se puede observar la configuración del sistema de regulación de caudal en filtros tangenciales que cuenta con una superficie filtrante (1 ) sobre cuyo extremo de entrada del fluido a filtrar (3) tiene asociada una bomba de impulsión (2), a la salida del permeado tiene conectada una bomba de retrolavado (1 1 ) conectada por medio de una válvula antiretorno (9); por otro lado, a la salida del fluido concentrado (4) se dispone una válvula de pérdida de carga (13) o una válvula de sobrepresión, y a la salida del permeado un regulador limitador de caudal (12), pudiendo estar las posiciones de la válvula de pérdida de carga (13) o de presión y la del regulador limitador de caudal (12) intercambiadas. En la figura 4, se observa el sistema para un filtro ciego, que comparte la esencialidad del objeto de la invención en su práctica totalidad, que se diferencia del filtro tangencial, en que como no hay salida de fluido concentrado, la válvula de pérdida de carga o de sobrepresion (13) se dispone a la entrada de la superficie filtrante tras la bomba de impulsión (2) del fluido a filtrar (3), obteniéndose tras la válvula de pérdida de carga (13) o de la válvula de sobrepresion un fluido no filtrado (14). Al igual que en el caso anterior las posiciones de la válvula de pérdida de carga (13) o de la válvula de sobrepresion y la del regulador limitador de caudal (12) pueden estar intercambiadas.
Mediante la utilización de un limitador regulador de caudal (12) y la válvula de pérdida de carga (13) se pueden eliminar presostatos / transductores de presión (5) y (6), el caudalímetro (7), la electroválvula de regulación (8) y el PID con dicha electroválvula. La eliminación de estos elementos, además de producir el consiguiente ahorro económico por no ser necesaria su instalación, también, supone una ventaja adicional económica al no realizar consumo energético alguno.
El proceso de retrolavado se realiza parando la bomba de impulsión para el filtrado y activando la bomba de retrolavado. En esta operación el fluido de retrolavado circulará hacia el regulador limitador de caudal. Éste limitará una vez más el caudal y por tanto el resto del caudal seguirá el sentido contrario al de la filtración realizándose así el retrolavado de la superficie filtrante.
Además, en ambas realizaciones mostradas en las figuras 3 y 4, la bomba de impulsión trabaja en un punto de trabajo sin variarlo, llamado punto de diseño, por lo que se puede eliminar el caudalímetro, el variador de frecuencia de la bomba y el PID de regulación de la bomba. Por otro lado, la presión transmembrana máxima es igual al valor de la válvula de pérdida de carga o de sobrepresion, mientras que la presión transmembrana de trabajo es igual al valor de la válvula de la pérdida de carga o de sobrepresion menos la pérdida de carga generada por el regulador limitador de caudal.
Por lo tanto, gracias al sistema descrito se logra por un lado un ahorro económico al no tener que instalar los elementos mencionados, un ahorro en el consumo energético, porque el regulador limitador de caudal, no tiene consumo eléctrico, frente a los elementos necesarios anteriormente utilizados), por otro lado, las superficies filtrantes pasan a tener protección frente a la presión de trabajo, ya que el regulador limitador de caudal genera la pérdida de carga necesaria para que no circule más agua de la definida en el diseño, la bomba trabaja en el punto de diseño sin aumentar caudal ni presión y la válvula de pérdida de carga o de sobrepresion tiene un valor fijo que no puede variar sin actuación externa al sistema. Además, el sistema de regulación de caudal en filtros objeto de la invención no requiere de lógica de control (PLC, PID, controlador, tarjeta...) para autorregularse y trabajar siempre en condiciones óptimas sin riesgo para las superficies filtrantes.
En la realización preferente se hace referencia a una superficie filtrante, ya que los filtros no necesariamente tienen que ser de membrana, pudiendo ser de cartuchos, de mallas, o emplear cualquier otra superficie filtrante.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . - Sistema de regulación de caudal en filtros caracterizado porque cuenta con:
- una superficie filtrante (1 ) sobre cuyo extremo de entrada del fluido a filtrar (3) tiene asociada una bomba de impulsión (2);
- cuenta con una válvula de pérdida de carga (13) o una válvula de sobrepresion;
- un regulador limitador de caudal (12).
2. - Sistema de regulación de caudal en filtros, según la reivindicación 1 , caracterizado porque en caso de ser utilizado para filtración tangencial o "cross-flow" la válvula de pérdida de carga (13) o de sobrepresion, se dispone a la salida de la superficie filtrante (1 ), y a través de dicha válvula de pérdida de carga (13) o de la válvula de sobrepresion, sale el fluido concentrado (4), mientras que el regulador limitador de caudal (12) se dispone a la salida de la superficie filtrante, pudiendo estar la posiciones de la válvula de pérdida de carga (13) o válvula de sobrepresion y del regulador limitador de caudal (12) intercambiadas a las mencionadas en primer lugar.
3. - Sistema de regulación de caudal en filtros, según la reivindicación 2, caracterizado porque en caso de ser utilizado para filtración ciega o "dead-end" la válvula de pérdida de carga (13) o la válvula de sobrepresion, se dispone a la entrada de la superficie filtrante (1 ), tras la bomba de impulsión (2), saliendo a través de esta válvula (13) un fluido no filtrado, mientras que el regulador limitador de caudal (12) se dispone a la salida de la superficie filtrante, pudiendo estar las posiciones de la válvula de pérdida de carga (13) o la de la válvula de sobrepresion y del regulador limitador de caudal intercambiadas a las mencionadas en primer lugar.
4. - Sistema de regulación de caudal en filtros, según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque cuenta con una bomba de retrolavado (1 1 ) dispuesta a la salida del permeado (10), disponiéndose entre la salida del permeado (10) y la bomba de retrolavado (1 1 ) una válvula antiretorno (9).
5. - Sistema de regulación de caudal en filtros, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la superficie filtrante (1 ) es una membrana, siendo de aplicación el sistema de regulación para filtros de membrana.
6. - Sistema de regulación de caudal en filtros, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 anteriores caracterizado por que la superficie filtrante (1 ) es un cartucho, siendo de aplicación el sistema de regulación para filtros de cartucho.
7. - Sistema de regulación de caudal en filtros, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 anteriores caracterizado por que la superficie filtrante (1 ) es una malla, siendo de aplicación el sistema de regulación para filtros de malla.
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