BRPI0718212A2 - Método para a purificação de um líquido por destilação de membrana, e, aparelho adequado para uso no método. - Google Patents

Método para a purificação de um líquido por destilação de membrana, e, aparelho adequado para uso no método. Download PDF

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Description

"MÉTODO PARA A PURIFICAÇÃO DE UM LÍQUIDO POR DESTILAÇÃO DE MEMBRANA, E, APARELHO ADEQUADO PARA USO NO MÉTODO"
A presente invenção refere-se a um método para a purificação de um líquido por destilação por membrana, em particular para a produção de água dessalinizada de água do mar ou água salobra ou água de processamento, e um aparelho para realizar tal método.
A destilação por membrana difere das técnicas de destilação conhecidas, tais como vaporização instantânea de múltiplos estágios, destilação de múltiplos efeitos e compressão por vapor, em que uma membrana não-seletiva porosa é usada. Esta membrana forma uma separação entre a corrente de retentato vaporizante quente e o produto de condensado, a corrente de destilado. Como conseqüência de uma escolha adequada de material (usualmente polipropileno, polietileno, polivinilidenofluoreto ou politetrafluoroeteno), os poros (diâmetro entre 0,00001 e 0,005 mm, usualmente entre 0,0001 e 0,00005 mm) não são umedecidos pelo líquido; somente vapor passa através da membrana.
A destilação por membrana foi primeiro descrita na US 3.334.186. A intenção era melhorar a eficiência da dessalinização da água do mar pelo uso de uma membrana hidrofóbica porosa carregada de ar. O método aqui envolvido foi chamado destilação por membrana por contato direto: uma corrente de água do mar quente e uma corrente de destilado fria ficam ambas em contato direto com a membrana.
Interesse substancial na destilação por membrana foi gerado nos meados de 1980s quando uma nova geração de membranas hidrofóbicas, altamente porosas, tornou-se disponível. Entretanto, pesquisa mostrou que a destilação por membrana não é menos dispendiosa do que as técnicas competitivas e, portanto, não houve aplicação comercial.
Uma distinção pode ser feita entre quatro tipos de destilação por membrana:
1. Destilação por membrana por contato direto (DCMD), em que tanto a corrente vaporizante quente como a corrente de condensado fria (corrente de destilado) ficam em contato direto com a membrana.
2. Destilação por membrana de vão de ar (AGMD), onde a
superfície do condensador é separada da membrana por vão de ar.
3. Destilação por membrana de gás por varredura (SGMD), em que o destilado é removido em forma de vapor por um gás inerte.
4. Destilação por membrana a vácuo (VMD), em que o destilado é removido em forma de vapor por vácuo.
Até agora a destilação por membrana por contato direto tem atraído muita atenção.
A este respeito referência pode, por exemplo, ser feita a US 4.545.862, que descreve módulos tanto planos como espiralmente enrolados (com membranas planas). Tais módulos foram testados quanto à dessalinização de água salgada. Para estes testes a corrente de destilado foi separada da corrente de água do mar alimentada em contracorrente ao retentato vaporizante e a corrente de água do mar, assim, eficazmente absorveu o calor da condensação. Nesta patente, é descrito um exemplo em que uma taxa de fluxo de 2,21 litros por m2 de área de superfície de membrana total por hora é conseguida com uma diferença de temperatura ΔΤ entre o retentato quente e a água do mar de 4°C, resultando em um consumo de energia de somente 212 kiloJoule por kg de destilado produzido. Por estes
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dados, pode ser calculado que o fluxo específico eleva-se a 1,30,10" m /m .s. Pa, em uma velocidade média relativamente elevada no canal de retentato de 0,09 m/s. Fluxo específico é definido como a taxa de fluxo de destilado por área de superfície de membrana unitária, por diferença de pressão de vapor de água unitária entre a massa do retentato e as correntes de alimentação.
Além do uso de membranas planas, as vantagens de membranas de fibras ocas, para destilação por membrana de contato direto, são conhecidas. Como resultado do adensamento compacto das fibras de membrana, uma área de superfície de até 500 m2 por m3 pode ser obtida, o que torna possível menores custos de equipamento. Além disso, foi proposto (vide K. Schneider, T.J. van Gassel, Membrandestillation, Chem. Ing. Tech. 56 (1984) (514-521) acoplar um módulo de destilação por membrana de contato direto com um módulo trocador de calor em um ciclo e, assim, recuperar o calor de condensação. Também é sugerido introduzir uma pressão de ar reduzida dentro dos poros da DCMD, por desgaseificação do líquido de alimentação e bombeio para fora da corrente de destilado sob pressão subatmosférica, medidas estas tendo mostrado dobrar a taxa de fluxo do destilado. Foi constatado que para dessalinização de água do mar é obtida uma taxa de fluxo de destilado de aproximadamente 5 litros por m por hora para uma ΔΤ de 20°C (diferença de 5 kPa na pressão do vapor) e um consumo de energia específico acima de 1000 kJ por kg de água.
Desde 1984 tem havido pouco progresso discernível no estado da técnica com respeito a DCMD.
A destilação por membrana de vão de ar foi primeiro descrita em 1971 na GB 1 225 254 A. Além do uso de um vão de ar, fluxo em contracorrente de alimentação e retentato (e assim recuperação do calor latente) já foi proposto. Além disso, a AGMD foi descrita em 1982 no DE 3.123.409 (Siemens). Este pedido refere-se ao uso de um vão (com uma espessura de 3 mm), carregado com ar ou, opcionalmente, um gás mais leve, tal como hidrogênio, entre uma membrana porosa plana e uma superfície de condensação fria. O objetivo era reduzir o transporte de calor perceptível por condução através da membrana. Foi estabelecido experimentalmente que o transporte de calor por condução era aproximadamente igual àquele por evaporação. Além disso, foi proposto alimentar água do ar entrante em contracorrente à corrente vaporizante e, assim, recuperar o calor. O uso de calor solar como uma fonte de calor foi também reivindicado. Um caso teórico foi descrito em que uma taxa de fluxo de destilado de 3,36 kg por m por hora foi obtida com uma diferença de temperatura ΔΤ de 5 °C, com uma recuperação de aproximadamente 4,9 % e um consumo de energia acima de 850 kJ por quilograma de água produzida.
O Pedido de Patente Européia 0 164 326 descreve o uso de um vão de ar com destilação por membrana, os vários aspectos sendo construídos na forma de tubos concêntricos. Uma variante disto, em que os pacotes de membranas planas foram usados, é descrita neste artigo "Design and field tests of a new membrane distillation desalination process (Desalination 56 (1985), págs. 345 - 354). É surpreendente que aqui o princípio de fluxo de contracorrente de água do mar e retentato tenha sido abandonado, como resultado do que nenhuma recuperação do calor de evaporação é possível. Os números de consumo de energia não são então também dados. O WO 8607585 A (1986) é baseado nos mesmos dados de modelo que foram usados para o trabalho acima, porém deduz-se destes que uma espessura de vão de ar de 0,2 a 1,0 mm é necessária a fim de obterem-se tanto uma elevada taxa de fluxo como uma baixa perda de calor perceptível (o alvo é 300 - 800 kJ/kg de água). Não são consideradas no modelo de temperatura mudanças nas e dentro das paredes quentes e frias, como resultado do que um quadro demasiado otimista é pintado.
Na US 4.879.041, a destilação por membrana de vão de ar é descrita especificamente para a preparação de água ultrapura para a indústria de semicondutores. Aqui o efeito da espessura do vão de ar, quando utilizando-se folhas de membrana plana, sobre o transporte de massa e transporte de calor foi investigado na região entre 3 e 10 mm. Concluiu-se por estas investigações que o transporte é determinado por difusão nas espessuras menores do que 5 mm e por convecção livre em espessuras de mais do que 5 mm. Os desempenhos medidos foram moderados: taxas de fluxo de destilado máximas de 3,6 kg por rrf por hora para uma diferença de pressão de vapor de aproximadamente 20 kPa. Aqui novamente nenhum calor de condensação é recuperado e é, portanto, também não surpreendente que alguns anos mais tarde não houvesse uma mudança de volta para evaporação de multiestágios convencional sem membrana.
Com base nesta literatura, concluiu-se na EP 1 185 356 que a escolha para um sistema de vão de ar não é uma escolha óbvia quando um consumo de baixa energia é um requisito importante. A literatura recente mostra, entretanto, que um vão de ar com ou sem vácuo é necessário para diminuir o fluxo de calor sensível da corrente de retentato para a corrente de destilado e/ou alimentação, a fim de obter-se um baixo consumo de energia (C.M. Guyt, Influence of membrane properties and air gap on the performance of a membrane distillation modulus. Thesis University of Twente, 2003; K. W. Lawson, D.R. LLoiyd, Membrane distillation, Review, J. Membrana Science 124 (1997) 1 - 25).
O objetivo da presente invenção é, entretanto, obter-se um avanço no desempenho (fluxo específico ou taxa de fluxo de destilado por área de membrana unitária por força de impulsão unitária) da destilação por membrana de contato direto e, assim, apreciavelmente reduzir tanto os custos como consumo de energia de tal sistema de destilação por membrana.
Surpreendentemente, foi agora constatado que isto pode ser estabelecido por meio de um método em que - ao contrário do estado da técnica - um regime especial de pressão de líquido, dentro do módulo de destilação por membrana, é mantido. Portanto, a presente invenção refere-se a um método para a
purificação de um líquido por destilação por membrana, compreendendo:
- passar uma corrente vaporizante aquecida de um líquido (corrente de retentato) através de um canal de retentato, ao longo de uma membrana hidrofóbica porosa, por meio do que vapor do líquido flui via os poros da membrana para o outro lado de dita membrana, e
- condensar dito vapor no outro lado de dita membrana, para fornecer uma corrente de destilado em um canal de destilado, cuja corrente de destilado é criada passando-se o calor da condensação (calor latente) em direção a uma superfície de condensador, dita superfície de condensador formando uma separação não-porosa entre uma corrente de alimentação do líquido a ser purificada e dita corrente de destilado, corrente de alimentação esta sendo passada através de um canal de alimentação em contracorrente com a corrente de retentato, em cujo canal de alimentação um material espaçador é disposto, por meio do que pelo menos parte do calor latente é transferida via a superfície de condensador para a corrente de alimentação, e por meio do que uma diferença de pressão de líquido positiva é aplicada entre a corrente de retentato e a corrente de alimentação, nos correspondentes pontos do canal de retentato e do canal de alimentação através de pelo menos uma parte de cada um do canal de retentato e canal de alimentação.
De acordo com a presente invenção, um desempenho superior pode ser estabelecido. A este respeito é observado que um fluxo específico mais elevado do que 1,5 .IO"10 m3/m2.s. Pa pode ser estabelecido, que é tipicamente em torno de 50% mais elevado do que os fluxos obtidos em condições de processamento similares em processos conhecidos. O fluxo específico é definido como a taxa de fluxo de destilado por área de superfície de membrana unitária, por diferença de pressão de vapor de água unitária entre a massa do retentato e as correntes de alimentação.
Preferivelmente, a diferença de pressão de líquido positiva entre a corrente de retentato e a corrente de alimentação nos correspondentes pontos do canal de retentato e do canal de alimentação é aplicada sobre pelo menos 50% do comprimento total de cada um do canal de retentato e canal de alimentação e, mais preferivelmente, sobre pelo menos 75% do comprimento total de cada um do canal de retentato e canal de alimentação. De acordo com a presente invenção, são obtidos resultados atrativos particulares quando a membrana porosa tem uma espessura na faixa de 50 a 1000 μπι. Preferivelmente, a membrana porosa tem uma espessura na faixa de 100 a 600 μηι, mais preferivelmente na faixa de 125 a 500 μπι e, muitíssimo preferivelmente, na faixa de 150 a 400 μπι.
Os canais de retentato são delimitados por membranas hidrofóbicas porosas (porosidade maior do que 70% e, preferivelmente, maior do que 80% e tamanho de poro menor do que 2,0 μιτι., preferivelmente entre 0,01 a 0,5 μηι). Observamos que as membranas hidrofóbicas porosas não são umectáveis por um líquido. Em conseqüência, somente vapor, não líquidos, podem passar através de tais membranas. As membranas envolvidas podem ser membranas comercialmente disponíveis, produzidas de materiais tais como PTFE, PVDF, PP e PE e similares. As membranas porosas a serem usadas de acordo com a presente invenção podem ser laminadas com outros materiais (p.ex., materiais não tecidos de PP, PET etc.), que protegem as membranas contra abrasão e/ou fornecem suporte mecânico. As chamadas membranas de microfiltragem e ultrafiltragem assimétricas, produzidas de materiais tais como polietersulfona, polissulfona, poliacrilonitrila, poliamidas etc. podem também ser usadas. Neste contexto é preferível tornar as superfícies destas membranas completa ou parcialmente adicionalmente hidrofóbica, por exemplo, por meio de um revestimento ou outra modificação de superfície. Na forma de realização mais simples, os canais de retentato consistem de envelopes de membranas planas ou fibras ocas ou membranas capilares colocados em paralelo. O retentato flui através do lado interno dos envelopes ou do lúmen destas fibras/capilares. Quando membranas assimétricas são usadas, a camada ativa da membrana, com os poros mais estreitos, fica no lado do retentato. Os canais de retentato podem também ser formados por membranas de placa plana ou folhas de membrana, opcionalmente em uma configuração espiralmente enrolada. Os canais de alimentação, através dos quais a corrente de alimentação corre, são igualmente formados preferivelmente por envelopes planos ou fibras/capilares ocos produzidos de material hidrofílico ou hidrofóbico, colocado em paralelo. As paredes destes canais são agora não- porosas, isto é, não são permeáveis a vapor ou são raramente permeáveis a vapor. Tipicamente, ditas paredes têm uma espessura tipicamente entre 10 e 200 μιη, preferivelmente entre 20 e 200 μπι, em formato folha ou fibra/capilar. Elas podem ser produzidas de materiais poliméricos (PP, PE, PET, náilons/PA etc.; com ou sem materiais de carga, a fim de, p.ex., melhorar a condutividade térmica), de metais (aço, Al, etc.) ou de laminados deste materiais etc. Além disso, o material de condensador pode receber um tal formato que a área efetiva resultante para a transferência de calor é mais elevada do que a área da membrana, p.ex., por nervuras, dobras ou outras corrugações, pelo uso de uma pluralidade de fibras/capilares etc. De acordo com a presente invenção, um material espaçador é
disposto no canal de alimentação. Preferivelmente, o inteiro canal de alimentação é enchido com o material espaçador. Adequadamente, no canal de retentato também é disposto um material espaçador. Preferivelmente, o inteiro canal de alimentação é carregado com o material espaçador. Além disso, se desejado, dentro do canal de destilado também pode ser disposto um material espaçador. Nos respectivos canais o mesmo tipo de material espaçador ou diferentes tipos de material espaçador podem ser aplicados. Adequadamente, tanto no canal de alimentação como no canal de retentato um tipo similar de material espaçador é aplicado. Os materiais espaçadores podem adequadamente consistir de redes, tecidos técnicos e similares, produzidos de filamentos tecidos ou não-tecidos de vários formatos, de polímeros como PP, PE, EVA etc. Formatos adequados incluem quadrados simétricos, retângulos, losangos, ondas etc.; também formatos assimétricos e filamentos podem ser usados. Formatos preferidos de material espaçador são configurações de losango não tecidas.
A descarga da corrente de destilado pode ocorrer via material hidrofílico ou poroso (tal como um pano, ou bastões) que foi aplicado dentro do canal de destilado. É também possível manter os canais de destilado vazios de outro material que não a própria água produzida e descarregar a corrente de destilado por pressão (construída durante produção do destilado) ou por gravidade ou por sucção.
O método de acordo com a presente invenção pode ser implementado em numerosas formas de realização. Adequadamente, pode ser feito uso de folhas ou placas de membrana plana, opcionalmente em uma configuração enrolada em espiral, ou estruturas semelhante a placa, consistindo de múltiplos canais semelhantes a capilar, para limitar os canais de fluxo para a corrente de retentato. Além disto, também formações de fibra ou capilar oco podem ser usadas. O mesmo se aplica aos canais de alimentação, em que a alimentação a ser purificada escoa em contracorrente com a corrente de retentato, e aos canais de destilado, através dos quais o condensado (destilado) flui no mesmo sentido ou em contracorrente ou fluxo cruzado etc. com a corrente de retentato.
Aquelas formas de realização são usualmente construídas de diversos envelopes paralelos ou formações de fibras capilares/ocas, colocadas juntas por técnicas de ligação adequada (potes utilizando resinas adequadas de epóxi, poliuretano etc.; colas usando p.ex., polissiloxano, poliuretano etc., como formulações de um ou dois/multicomponentes; materiais de fusão a quente; técnicas de soldagem térmica ou ultrassônica; e todas as outras técnicas conhecidas de peritos em ligação.
Em uma primeira forma de realização do método de acordo com a presente invenção, a corrente de alimentação a ser aquecida flui em virtualmente contracorrente ideal à corrente de retentato vaporizante e a corrente de destilado condensado foi no mesmo sentido com a corrente de retentato e/ou em contracorrente à corrente de alimentação, por cujo meio o calor sensível da corrente de destilado é recuperado para dentro da corrente de alimentação.
Com respeito a esta forma de realização, observa-se que a US 4.545.862 descreve um método em que um módulo tanto plano como (preferivelmente) espiralmente enrolado é aplicado, usando-se membranas de PTFE hidrofóbicas e finas. O método foi testado para dessalinização de água salgada. Para estes testes, a corrente de destilado foi separada da corrente de água do mar alimentada em contracorrente ao retentato vaporizante e à corrente de água do mar, assim eficazmente absorvendo o calor de condensação. Após testar duas opções de descarga da corrente de destilado, isto é, tanto do lado frio do módulo (entrada de alimentação, saída de retentato) como do lado quente do módulo (saída da alimentação, entrada de retentato), constatou-se surpreendentemente que o desempenho (fluxo) do módulo aumentou consideravelmente quando aplicando-se a primeira opção. Isto foi atribuído a uma efeito de "ordenha", devido à deformação local do material de membrana em uma direção perpendicular à superfície da folha de condensador, que é mais rígida do que o material de membrana excessivamente flexível e elástico, e assim pressiona a última parcialmente para dentro do material espaçador (rede) que forma o canal de retentato; e à aplicação ao fluxo cocorrente de correntes de retentato e destilado, "forçando" o destilado para escoar para fora. Além disso, na US 4.545.862, a recuperação do calor latente é conseguida por fluxo de contracorrente das correntes de alimentação e retentato. Tipicamente, a alimentação é bombeada para dentro do canal de alimentação sob pressão mais elevada do que a pressão da corrente de retentato de evaporação penetrando no canal de retentato.
A presente invenção, entretanto, difere essencialmente do método acima mencionado e conhecido, em que é feito uso de uma diferença de pressão de líquido positiva entre a corrente de retentato e a corrente de alimentação, nos correspondentes pontos de cada um do canal de retentato e do canal de alimentação, através de pelo menos parte de cada um dos canais de retentato e alimentação. Assim procedendo, a membrana será pressionada contra a superfície de condensador não-permeável ou quando aplicada contra um material de descarga de destilado colocado entre a superfície de condensador e a membrana. A parede de condensador, ou sua volta, será pressionada contra o material espaçador colocado dentro do canal de alimentação. Observa-se que, na US 4.545.862, esta configuração não é possível, como é mostrado nas Figs. IA, IB e 3 e descrito na coluna 6, linha 52 - linha 63 e coluna 8, linha 13 - linha 24 e linha 42 - linha 68, porque:
- Nenhum material espaçador está presente no canal de alimentação 30.
- O material de folha de condensador relativamente rígido 12 pressiona contra o material espaçador 54 do canal de retentato 20.
- As forças atuando na direção perpendicular à superfície de condensador, como resultado da diferença de pressão entre a alimentação e o retentato, são sempre da alimentação para o retentato; somente naquele caso o descrito "efeito de ordenha" é obtenível.
- Isto essencialmente significa que a diferença de pressão de líquido entre o canal de retentato e o canal de alimentação é sempre negativa.
Na presente invenção, o canal de alimentação contém um material espaçador, o material de folha de condensador é pressionado contra este material pela diferença de pressão de líquido positiva entre o canal de retentato e de alimentação e por isto um "efeito de ordenha", como descrito na US 4.545.862, essencialmente não é possível obter-se. Além disso, observamos que o processo de acordo com a presente invenção não pode ser realizado usando-se a configuração como descrita na US 4.545.862.
Em outra forma de realização do método de acordo com a presente invenção, dentro do canal de retentato um outro canal é disposto, através do qual um fluido é passado, por meio do que uma diferença de pressão de líquido positiva é aplicada entre a corrente de retentato e a corrente de fluido. Preferivelmente, dita corrente de fluido passa através do outro canal em direção cocorrente com dita corrente de retentato e a corrente de fluido preferivelmente compreende uma corrente de calor residual (calor de escape ou calor derivado de líquidos quentes etc.). Preferivelmente, o outro canal compreende paredes não-permeáveis, através das quais um fluido quente pode adequadamente ser bombeado cocorrentemente com dita corrente de retentato, em uma pressão de fluido igual ou preferivelmente ligeiramente mais elevada do que aquela de dita corrente de retentato, induzindo uma pressão extra e assim vantajosa sobre os canais de alimentação/destilado/retentato.
Esta forma de realização tem a vantagem de que uso total é feito do calor residual e de que a força impulsora em direção ao lado interno da corrente de alimentação é mantida por uma diferença de temperatura elevando-se. Os módulos adequados para isto podem ser de uma construção extra compacta e barata.
Em uma outra forma de realização do método de acordo com a presente invenção, a corrente de destilado é descarregada no lado quente do canal de destilado, assim em fluxo de contracorrente com a corrente de retentato. Esta variante tem a vantagem de corrente de destilado quente ser produzida, levando o calor sensível para longe da corrente de alimentação, agora escoando cocorrente com a corrente de destilado, pelo que a corrente de alimentação pode absorver mais calor latente, assim mas vapor podendo ser condensado, produzindo mais destilado.
Em ainda outra forma de realização atrativa do método de acordo com a presente invenção, a corrente de destilado é descarregada no lado quente do canal de destilado. Assim, a corrente de destilado é descarregada em fluxo de contracorrente com a corrente de retentato. Adequadamente e com ou sem aquecimento extra, dita corrente de destilado pode ser introduzida no canal adicional que é disposto dentro do canal de retentato, como descrito acima. Esta forma de realização tem as vantagens de que mais destilado é produzido em um dado fluxo de corrente de alimentação e que o calor sensível retirado da corrente de alimentação é cocorrentemente transferido para a corrente de retentato, assim reduzindo a quantidade de calor que tem que ser introduzido para formação de vapor, resultando em uma redução muito atrativa de consumo de energia no método.
A presente invenção é particularmente adequada para a dessalinização de água do mar. As tecnologias existentes para isto, tais como destilação flash de multiestágios e osmose inversa, foram otimizadas para virtualmente a máxima extensão e, por causa de um consumo de energia demasiado elevado e demasiado nível de investimento por produto unitário, são demasiados caras em comparação com as técnicas de produção de purificação na costa. Pelo uso da presente invenção, resultados espetaculares são conseguidos com respeito a uma elevada taxa de fluxo, uma baixa perda de calor, um muito baixo consumo de energia, uma elevada recuperação de água, boa qualidade da água e um avanço nos custos de produção de água. O método é adequado para uso em temperatura relativamente baixa (calor de baixo-grau, calor residual, coletores de calor solares etc.). Uma melhoria substancial na eficiência de energia é antecipada, especialmente no caso de aplicação de pequena escala.
A presente invenção também refere-se a um aparelho adequado para uso no método de acordo com a presente invenção, aparelho este compreendendo um segmento compreendendo um canal de alimentação, em que um material espaçador é disposto, um canal de destilado e um canal de retentato, por meio do que o segmento tem uma primeira câmara de distribuição para um líquido de alimentação a ser suprido, uma segunda câmara de distribuição localizada oposta à primeira câmara de distribuição para alimentar líquido a ser descarregado, uma terceira câmara de distribuição para corrente de retentato a ser suprida e uma quarta câmara de distribuição oposta à terceira câmara de distribuição para a corrente de retentato a ser descarregada, por meio do que o segmento é provido com uma primeira bomba para bombear a pressão da corrente de alimentação para dentro do segmento e uma segunda bomba que é disposta a jusante da segunda câmara de distribuição ou a jusante do trocador de calor, para bombear a corrente de retentato sob pressão mais elevada (relacionada com a pressão dentro dos canais de alimentação) para dentro do trocador de calor e/ou a câmara de distribuição dos canais de retentato, a parede entre o canal de alimentação e o canal de destilado compreendendo uma superfície de condensador na forma de uma membrana não-porosa e a parede entre o canal de retentato e o canal de destilado compreendendo uma membrana porosa.
Preferivelmente, a membrana porosa tem uma espessura na faixa de 100 a 600 μηι, mais preferivelmente na faixa de 125 a 500 μιτι e muitíssimo preferivelmente na faixa de 150 a 400 μηι.
Em uma forma de realização muito atrativa da presente invenção, o aparelho compreende numerosos segmentos (módulos) como descrito acima, que são conectados em paralelo entre si. Nesse caso, uma primeira bomba é adequadamente disposta a montante da série de segmentos conectados, enquanto que uma ou mais bombas adicionais é (são) adequadamente dispostas a jusante da série de segmentos conectados ou no meio dos respectivos segmentos que são conectados entre si. Deve ser entendido que uma ou mais bombas pode(m) ser aplicada(s) entre os respectivos segmentos que são conectados em paralelo entre si, a fim de controlar mais precisamente as pressões dentro dos canais de retentato versus a pressão dentro dos canais de alimentação.
Em uma forma de realização muito atrativa, dentro do canal de retentato, mais um canal é disposto, através do qual um fluido é passado, por meio do que a pressão de líquido da corrente fluida é igual a ou superior à pressão de líquido da corrente de retentato. Preferivelmente, dita corrente fluida passa através do outro canal em direção cocorrente com dita corrente de retentato e a corrente de fluido preferivelmente compreende uma corrente de calor residual. Preferivelmente, o outro canal compreende paredes não- permeáveis, através das quais um fluido quente pode adequadamente ser bombeado cocorrentemente com dita corrente de retentato, em uma pressão de fluido igual ou preferivelmente ligeiramente mais elevada do que aquela de dita corrente de retentato, induzindo uma pressão extra e assim vantajosa sobre os canais de membrana/destinado/condensador.
Em outra forma de realização atrativa, de um ou de ambos os lados dos segmentos (módulos) a serem usados, uma pressão pode ser aplicada que é igual a ou superior à pressão de fluido da corrente de retentato. Desta maneira, uma pressão adicional pode vantajosamente ser induzida nos canais de membrana/destilado/condensador. Dita pressão adicional pode ser estabelecida utilizando-se um meio em um ou ambos os lados do(s) segmento(s) a ser(em) usado(s), o volume de cujo meio pode ser aumentado introduzindo-se dentro de dito meio um fluido adequado (p.ex., um óleo, água, ar ou outro gás). Desta maneira, uma estrutura do tipo balão pode ser obtida em um ou ambos os lados do(s) segmento(s), estrutura pressurizada fazendo surgir a pressão adicional nos canais de membrana/destilado/condensador. Deve ser entendido que tal meio usualmente será feito de um material flexível.
A presente invenção será agora descrita mais detalhadamente com base nas Figuras 1 - 5, em que várias formas de realização atrativas da presente invenção são mostradas.
Na Figura 1, uma pluralidade de canais e materiais colocados paralelos, chamados "módulo", é representada de acordo com a invenção. O módulo é dividido em um lado frio C e um lado quente H. Uma corrente de alimentação relativamente fria 1 é bombeadas com a bomba de alimentação IP para dentro dos canais de alimentação paralelos 2, no lado frio C. Estes canais de alimentação são construídos pelas paredes não-porosas 3 e um material espaçador 4. Nestes canais de alimentação 2 a corrente de alimentação é aquecida absorvendo calor dos canais de destilado mais quentes no outro lado das paredes 3. Assim, gradualmente a corrente de alimentação torna-se mais quente e deixa o módulo como corrente 6 no lado quente H, com o auxílio da bomba 6P. Esta bomba assegura por sucção que a pressão dentro dos canais de alimentação 2 seja relativamente baixa; tipicamente entre 0,1 e 3,0 bara (pressão absoluta). A corrente de alimentação relativamente quente 6 é bombeada para dentro de um dispositivo de troca de calor 7, onde ela é aquecida mais por uma entrada de calor externo 15 (o calor usado pode ser calor residual, calor solar, vapor, material sólido quente etc.) e deixa o dispositivo como corrente de retentato relativamente quente 8. A Corrente 8 penetra no módulo no lado quente H e flui através dos canais de retentato colocados paralelos 9 em fluxo mais ou menos contracorrente com a corrente 1. Os canais de retentato 9 são construídos pelas membranas permeáveis por vapor 10 e o material espaçador 11. Nestes canais de retentato, a corrente de retentato 8 gradualmente torna-se mais fria por causa da evaporação do vapor d'água e alguma condução de calor, através das membranas 11 para dentro dos canais de destilado 5, onde o vapor d'água condensa-se formando um destilado líquido puro 13. Os canais de destilado são delimitados por uma membrana 10 em um lado e uma parede de condensador não porosa 3 no outro lado. Dentro dos canais 5, um material espaçador 12 pode ser colocado. Entretanto, este não é estritamente necessário em todas as aplicações da presente invenção. O calor liberado nos canais de destilado 5 é na maior parte transferido através das paredes 3 para dentro da corrente de alimentação 1, escoando dentro dos canais de alimentação 2. O destilado líquido deixa o módulo preferivelmente no lado frio C, pelo qual também calor sensível da corrente 13 é recuperado e transferido para dentro da corrente 1. Ele pode, entretanto, também ser descarregado em ambos os lados C e H do módulo. Esta descarga pode ocorrer por gravidade, bombeando-se e/ou por acúmulo de pressão dentro dos canais 5, como resultado da água produzida. A corrente de retentato relativamente fria e concentrada deixa o módulo no lado frio C como corrente 14. Para uma grande parte do módulo, especialmente o lado quente H, a pressão líquida absoluta dentro dos canais de retentato 9 é mais elevada do que nos correspondentes canais de alimentação 2. Pressões de líquido absolutas dentro dos canais de retentato variam entre 1,0 e 4,0 bara. Na Figura 2, uma segunda forma de realização da invenção é
mostrada. Esta forma de realização difere da mostrada na Figura 1 por meio da introdução de um quarto tipo de canais 17 dentro dos canais de retentato 9. Dentro destes canais 17, a pressão de líquido é preferivelmente igual ou superior do que a pressão dentro da correspondente parte do canal 9. Isto pode ser estabelecido introduzindo-se um fluido 16 (líquido, gás ou dispersão etc.) dentro destes canais 17. Preferivelmente, o fluido 16 tem uma temperatura igual ou superior à do retentato 8 fluindo cocorrentemente através dos canais 9, assim passando calor para a corrente 8. Os canais 17 são construídos por duas paredes não porosas, condutivas de calor 20, produzidas de material similar (porém não necessariamente o mesmo) ao das paredes 3, e um material espaçador 18.
As Figuras 3 e 4 mostram uma terceira forma de realização da invenção, respectivamente sem e com um quarto canal, diferindo das formas de realização mostradas nas Figuras 1 e 2 pelo fato de que a corrente de destilado 13 é descarregada exclusivamente no lado quente H do módulo.
Na Figura 5, uma quarta forma de realização da invenção é mostrada, diferindo das Figuras 2 e 4 pelo fato de que o fluido que é bombeado para dentro do quarto canal 17 é a própria corrente de destilado 13, que é descarregada no lado quente H do módulo, de acordo com a terceira forma de realização descrita acima. Dito fluido (corrente de destilado 13) é preferivelmente mais aquecido em um dispositivo de troca de calor 21, empregando-se uma entrada de calor 22 (ambos podem ser iguais ao dispositivo 7, respectivamente entrada quente 15) e subseqüentemente bombeado como corrente de destilado aquecida 23 (usando-se se necessário a bomba 23P) para dentro dos canais 17. Assim fazendo, a maior parte do calor da corrente 23 é transferida para os canais de retentato 9 e o destilado esfriado deixa o módulo no lado frio C como corrente 24. Exemplos Exemplo 1
Um módulo de destilação por membrana foi construído usando-se 6 folhas PET da espessura de 75 μιη, largura de 0,50 m, comprimento de 1,50 m e um material espaçador de polipropileno da espessura de 2 mm, para formar 3 envelopes de condensador, assim 3 canais de alimentação. Outrossim, 4 folhas de PTFE expandido poroso (porosidade 80%, espessura 120 μηι) de tamanho similar fora usadas para formar 2 envelopes de membrana, dentro de cujos envelopes 2 canais de calor residual extras (os "outros canais" 17 da Figura 2) foram colocados usando-se 4 folhas PET adicionais e dois materiais espaçadores PP de 0,8 mm de espessura. Empregando-se dentro de cada envelope de membrana 2 materiais espaçadores 2 PP de espessura de 1,6 mm, foi obtido um módulo tendo (Figura): quatro canais de retentato 9 em torno de dois "outros canais" 17, quatro canais de retentato 5 e três canais de alimentação 2.
A área de superfície de membrana total do módulo assim obtido era de 3,0 m2. Um experimento de destilação por membrana com água do mar artificial foi realizado com este módulo em uma temperatura média dentro dos canais de retentato de 550C e uma velocidade de fluxo média nos canais de retentato de ca. de 0,04 m/s. Usando-se uma configuração de pressão do Estado da técnica (isto é, em que a pressão no canal de alimentação é mais elevada do que a pressão no canal de retentato, ao contrário da configuração de acordo com a presente invenção), as seguintes pressões absolutas foram medidas: Alimentação-P 1 = 1,56 bara, Alimentação-P 6 = 1,50 bara, Retentato-P 8 = 1,42 bara e Retentato-P 14 = 1,08 bara. Um fluxo específico de 1,15 .IO"10 m3/m2.s.Pa foi medido. Empregando-se uma configuração de pressão de acordo com a presente invenção, as seguintes pressões absolutas foram medidas: alimentação-P 1 = 0,99 bara, alimentação-P = 0,62 bara, retentato P- 8 = 1,54 bara e retentato-P 14 = 1,12 bara. Um fluxo específico de 1,70 .IO"10 m3/m2.s.Pa. foi medido; este foi quase 50% superior ao obtido de acordo com o processo do estado da técnica. Exemplo 2
O mesmo módulo e condições de processo aplicadas no Exemplo 1 foram usados, somente o fluxo de alimentação tendo sido aumentado para obter-se uma velocidade de fluxo média nos canais de retentato de 0,06 m/s.
Usando-se uma configuração de pressão do Estado da técnica (vide acima), as seguintes pressões absolutas foram medidas: alimentação-P 1 = 2,35 bara, alimentação-P 6 = 2,25 bara, retentato-P 8 = 2,05 bara e retentato-P 14 = 1,14 bara. Um fluxo específico de 1,125 .IO"10 m3/m2.s.Pa foi medido. Usando-se uma configuração de pressão de acordo com a presente invenção, as seguintes pressões absolutas foram medidas: alimentação-P 1 = 1,11 bara, alimentação-P 6 = 0,73 bara, retentato-P 8 = 1,35 bara e retentato-P 13 = 1,14 bara. Um fluxo específico de 1,75 .IO"10 m3/m2.s.Pa foi medido; este foi 40% superior ao obtido por meio do processo do estado da técnica. Exemplo 3
Os mesmos módulo e condições de processo aplicadas no Exemplo 2 foram usados, com a mesma velocidade de fluxo média nos canais de retentato de 0,06 m/s. Somente agora a pressão nos "outros canais" foi aumentada a um valor igual ou superior àquele nos canais de retentato. Empregando-se a configuração de pressão do Estado da técnica (vide acima), as pressões absolutas a seguir foram medidas: alimentação-P 1 = 1,93 bara, alimentação-P 6 = 1,83 bara, retentato-P 8 = 1,70 bara e retentato-P 14 = 1,12 bara. Um fluxo específico de 1,25 .IO"10 m3/m2.s.Pa foi medido. Usando-se uma configuração de pressão de acordo com a presente invenção, as seguintes pressões absolutas foram medidas: alimentação-P 1 = 0,88 bara, alimentação- P 6 = 0,49 bara, retentato-P 8 = 1,40 bara e retentato-P 14-1,13 bara. As pressões no quarto canal foram a montante (vide linha 23) 1,47 bara e a jusante (vide linha 24) 1,38 bara. Um fluxo específico de 1,90 .IO"10 m3/m2.s.Pa foi medido; este não foi menor do que 60% mais elevado quando comparado com o resultado obtido de acordo com o processo do estado da técnica.
Pelos resultados acima será óbvio para a pessoa hábil que uma considerável melhoria é estabelecida de acordo com a presente invenção, quando comparada com o processo do estado da técnica.

Claims (20)

1. Método para a purificação de um líquido por destilação de membrana, caracterizado pelo fato de compreender: - passar uma corrente vaporizante aquecida de um líquido (corrente de retentato) através de um canal de retentato ao longo de uma membrana hidrofóbica porosa, por meio do que vapor do líquido escoa via os poros da membrana para o outro lado de dita membrana, e - condensar dito vapor no outro lado de dita membrana para fornecer uma corrente de destilado em um canal de destilado, cujo destilado é criado passando-se o calor de condensação (calor latente) em direção a uma superfície de condensador, dita superfície de condensador formando uma separação não-porosa entre uma corrente de alimentação do líquido a ser purificado e dita corrente de destilado, corrente de alimentação esta sendo passada através de um canal de alimentação em contracorrente com a corrente de retentato, em cujo canal de alimentação um material espaçador é disposto, por meio do que pelo menos parte do calor latente é transferida via a superfície de condensador para a corrente de alimentação e por meio do que uma diferença de pressão de líquido positiva é aplicada entre a corrente de retentato e a corrente de alimentação, nos correspondentes pontos do canal de retentato e do canal de alimentação através de pelo menos uma parte de cada um do canal de retentato e canal de alimentação.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a diferença de pressão de líquido positiva ser aplicada entre a corrente de retentato e a corrente de alimentação nos pontos correspondentes do canal de retentato e do canal de alimentação através de pelo menos 50% de cada do comprimento total do canal de retentato e canal de alimentação.
3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a diferença de pressão de líquido positiva ser aplicada entre a corrente de retentato e a corrente de alimentação nos correspondentes pontos do canal de retentato e do canal de alimentação através de pelo menos 75% do comprimento total de cada um do canal de retentato e canal de alimentação.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a membrana porosa ter uma espessura entre 100 e 600 μηι.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a membrana porosa ter uma espessura entre 125 e 500 μηι.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a membrana porosa ter uma espessura entre 200 e 400 μιτι.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de no canal de retentato um outro canal ser aplicado, através do qual uma corrente de fluido escoa para a corrente de retentato, por meio do que a pressão de líquido da corrente de fluido é igual a ou superior à pressão de líquido da corrente de retentato.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a corrente de fluido escoar através do outro canal em concorrência com a corrente de retentato e a corrente de fluido aquecer a corrente de retentato.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a corrente de retentato ser aquecida por meio de calor residual.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de a corrente de destilado ser descarregada no lado quente do canal de destilado, fluindo cocorrentemente com a corrente de alimentação.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de a corrente de destilado ser descarregada sob uma pressão mais elevada do que a atmosférica.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ali, caracterizado pelo fato de a corrente de destilado ser descarregada no lado quente do canal de destilado, calor ser adicionado à corrente de destilado descarregada e a corrente de destilado aquecida assim obtida ser passada através do outro canal aplicado no canal de retentato.
13. Aparelho adequado para uso no método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, IOe 11, caracterizado pelo fato de compreender um segmento compreendendo um canal de alimentação em que um material espaçador é disposto, um canal de destilado e um canal de retentato, por meio do que o segmento tem uma primeira câmara de distribuição para um líquido de alimentação ser suprido, uma segunda câmara de distribuição localizada oposta à primeira câmara de distribuição para líquido de alimentação ser descarregado, uma terceira câmara de distribuição para corrente de retentato ser suprida e uma quarta câmara de distribuição oposta à terceira câmara de distribuição para a corrente de retentato ser descarregada, por meio do que o segmento é provido com uma primeira bomba para bombear a pressão de corrente de alimentação para dentro do segmento e uma segunda bomba que é disposta a jusante entre a segunda câmara de distribuição, para bombear a corrente de retentato sob pressão para dentro do canal de retentato, a parede entre o canal de alimentação e o canal de destilado compreendendo uma superfície de condensador na forma de uma membrana não porosa e a parede entre o canal de retentato e o canal de destilado compreendendo uma membrana porosa.
14. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a membrana porosa ter uma espessura na faixa de 100 a 600 μηι.
15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de a membrana porosa ter uma espessura na faixa de 125 a 500 μηι.
16. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a membrana porosa ter uma espessura na faixa de 200 a 400 μηι.
17. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações13 a 16, caracterizado pelo fato de compreender um número de segmentos como descritos nas reivindicações 13 a 16, que são conectados em paralelo entre si.
18. Aparelho de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de um primeiro meio de pressão ser disposto a montante da série de segmentos conectados e uma ou mais outras bombas ser(em) dispostas(s) a jusante da série de segmentos conectados ou entre os respectivos segmentos que são conectados em paralelo entre si.
19. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 18, caracterizado pelo fato de, dentro do canal de retentato, um outro canal ser disposto para permitir que uma corrente de fluido seja trazida para contato de transferência de calor com a corrente de retentato.
20. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 19, caracterizado pelo fato de um ou ambos os lados do(s) segmento(s) compreender(em) um meio pelo qual o volume pode ser aumentado introduzindo-se dentro dito meio um fluido adequado, por meio do que, em operação, o volume aumentado de dito meio faz surgir uma pressão adicional nos canais de membrana/destilado/condensador.
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