ES2202055T3 - Procedimiento de filtracion con flujo transversal. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de filtración con flujo transversal a través de membranas en forma de discos rotativos, siendo conducido el líquido filtrado pasado a través de la(s) membrana(s) en forma de disco, a través del cuerpo hueco del disco (3), radialmente hacia el eje de rotación y siendo evacuado allí hacia el exterior a través del árbol hueco (2, 2¿), y presentando las membranas en forma de discos (3, 8, 9) igual sentido de giro (10, 11) y siendo provocada en la zona de solapamiento (12) de por lo menos dos membranas en forma de discos (8, 9) una turbulencia junto a la superficie de la membrana, caracterizado porque en la superficie de la membrana se generan velocidades de circulación superficial que están dentro del intervalo de 1 a 5 m/s y porque el concentrado (7) es expulsado por sobrepresión, ascendiendo esta sobrepresión a entre 10 y 14 bar.

Description

Procedimiento de filtración con flujo transversal.

La presente invención se refiere a un procedimiento de filtración con flujo transversal a través de membranas en forma de discos rotativos, con el que el líquido filtrado pasado a través de la(s) membrana(s) en forma de disco es conducido, a través del cuerpo hueco del disco, radialmente hacia el eje de rotación y allí es evacuado hacia el exterior a través del árbol hueco, y las membranas en forma de discos presentan igual sentido de giro y en la zona de solapamiento de por lo menos dos membranas en forma de discos se provoca una turbulencia junto a la superficie de la membrana.

Son ya conocidos procedimientos y dispositivos en los que se limpian líquidos a través de membranas fijas como, por ejemplo, membranas tubulares o membranas en forma de discos fijos. En el caso de membranas en forma de discos se aporta la materia a filtrar sobre una cara de la periferia y por el otro lado se recoge el concentrado. El permeato se evacúa tan pronto ha atravesado la membrana. El problema en el caso de membranas tubulares consiste en que sólo se puede aplicar una pequeña superficie filtrante por unidad de espacio. Además, después de un cierto tiempo el filtro tiene que limpiarse mediante caudal de trasiego específico reversible para conseguir nuevamente la completa capacidad de filtración. En el caso de grandes prestaciones de filtración de más de 5-10 m^{3}/h hay que conectar muchos módulos, en paralelo o en serie, respectivamente, para que se consiga la superficie filtrante necesaria. Esto ocasiona un alto gasto en tuberías y una enorme necesidad de espacio. Elevadas pérdidas de presión en los canales conductores del material retenido (Entrada del agua en bruto pendiente de filtración) de los módulos, requieren elevadas prestaciones de bombeo. El documento JP 7-75722 (Agency of Ind.), por ejemplo, muestra un filtro con varias membranas en forma de discos en los que el líquido que se halla dentro del cuerpo del disco es conducido hacia el eje de rotación y desde aquí al exterior a través del árbol hueco. El cuerpo del disco parece consistir en un cuerpo homogéneo de polipropileno (sin canales). El sistema trabaja con presión negativa (presión operativa 0,5 kg/cm^{2}). Los inconvenientes son aquí la gran resistencia al paso de los líquidos por el cuerpo del disco, y al expulsar el líquido filtrado mediante vacío. El documento JP 6-210295 (Hitachi Plant) describe una instalación de floculación y filtración. Se trata de un sistema abierto en el que el líquido filtrado es aspirado por vacío. Mediante esto pretende evitarse el riesgo de atascamientos. Además se inyectan en la suspensión agentes de floculación y un medio regulador del valor pH. Se indica una velocidad periférica del disco de 2,2 m/s. Esto conduce con el modo de funcionamiento indicado y el solapamiento, a velocidades de circulación superficial dentro de la gama de aproximadamente 1 m/s. Debido a ello la limpieza de las membranas en forma de discos sólo se puede efectuar en insuficiente medida.

La presente invención tiene que garantizar un módulo de filtración con una gran superficie filtrante por unidad de espacio y con ello una necesidad de espacio reducida y sin necesidad del lavado por

\hbox{contracorriente}

.

La presente invención está caracterizada porque en la superficie de las membranas se generan velocidades de circulación superficial que oscilan entre 1 y 5 m/s y el concentrado (7) se expulsa por sobrepresión que oscila entre 10 y 14 bar.

Con estas velocidades de circulación superficial se puede garantizar una buena limpieza de la superficie de las membranas con lo cual se impide, o por lo menos se minimiza, la acumulación de una capa interceptora. Gracias a la sobrepresión sobre el lado del concentrado de la membrana, que al contrario de un vacío sobre el lado del permeato, puede ser considerablemente más alta, se puede conseguir adicionalmente una filtración considerablemente mejor.

Una configuración ventajosa de la presente invención se caracteriza porque los discos presentan una sección transversal rectangular.

Un perfeccionamiento favorable de la presente invención se caracteriza porque los discos presentan una sección transversal triangular.

Un perfeccionamiento favorable de la presente invención se caracteriza porque los membranas en forma de discos giran con números de revoluciones diversos. De este modo se puede graduar una deseada velocidad de circulación superficial o velocidad relativa, respectivamente, en el área de superposición.

Una ventajosa configuración de la presente invención se caracteriza por que el permeato se evacúa bajo presión negativa, y esta presión negativa puede ser de hasta 0,5 bar. De este modo se genera una correspondiente caída de presión (presión transmembránica) para la filtración.

La presente invención se describirá mediante ejemplos basados en los dibujos que representan:

la figura 1 una variante de la presente invención,

la figura 2 una vista en planta de la figura 1,

la figura 3 una vista en planta de otra variante de la presente invención,

la figura 4 una variante de las formas de las membranas,

la figura 5 una variante de las formas de las secciones transversales,

la figura 6 una variante del ensamblaje de las membranas,

la figura 7 una variante favorable del ensamblaje de las membranas, y

la figura 8 una distribución de velocidades a lo largo de los radios de los discos de membrana.

La figura 1 muestra un módulo de filtración "Crossflow" 1 según la presente invención. Sobre los árboles huecos 2, 2' se fijan aquí en cada caso varios membranas en forma de discos 3. El líquido o suspensión a filtrar es conducido a un recipiente 4 a través de un conducto 5. Aquí se halla representado un recipiente cerrado 4. El recipiente puede también ser abierto, y las membranas están inmersas en el líquido. Los membranas en forma de discos 3 presentan aquí una sección transversal cilíndrica. La materia a filtrar entra a través de la membrana en el cuerpo de discos 3 hueco y es conducido como permeato hacia el centro del disco, y a través del árbol hueco 2, 2' hacia el exterior por un conducto 6. El concentrado limpiado es evacuado en la posterior secuencia por el conducto 7. El módulo de membrana 1 se puede hacer que actúe tanto con sobrepresión por el lado del concentrado, como también por presión negativa por el lado del permeato. De este modo el módulo 1 se puede aplicar dentro de una carcasa cerrada 4 o como membranas inmersas. La sobrepresión puede ser en este caso hasta 10 a 14 bar. La temperatura de la solución a filtrar asciende según el caso de aplicación hasta 70 a 80ºC.

Las membranas en forma de discos 3 pueden consistir tanto en cuerpos inorgánicos como también en cuerpos de soporte de una membrana de un polímero. La construcción es apropiada tanto para una limpieza química de las membranas en funcionamiento por corriente continua, como también para el lavado automático por contracorriente con permeato. Los módulos de filtración 1 pueden aplicarse, según la membrana, para: microfiltración a partir de aproximadamente 0,3 \mum, ultrafiltración, nanofiltración (hasta aproximadamente 4.000 Dalton) y hasta ósmosis de inversión, en los campos de: acondicionamiento de agua potable, acondicionamiento de agua para procesos, depuración de aguas residuales comunales e industriales y también en la filtración de productos. Se consiguen aquí rendimientos de permeato de 10 a 20 m^{3}/h por módulo de filtración.

La figura 2 presenta una vista en planta del módulo de filtración 1 de la figura 1. Se reconocen aquí los árboles huecos 2, 2' que sirven para la evacuación del permeato. Alrededor de estos árboles huecos 2, 2' giran: una membrana rotativa primaria 8 y una membrana rotativa secundaria 9. La membrana rotativa primaria 8 gira en el sentido 10 y la membrana rotativa secundaria 9 gira en el sentido 11. En la zona de cruzamiento 12 se produce una zona de limpieza con turbulencia. Esta turbulencia es originada por las membranas que giran en sentidos contrarios en la zona de cruzamiento 12. Mediante esta turbulencia se produce un efecto limpiador adicional sobre la superficie de la membrana. Las turbulencias se pueden generar también mediante deflectores especiales para arremolinar los líquidos en circulación. Gracias al accionamiento mecánico de los membranas en forma de discos 8 y 9, a la circulación turbulenta de los líquidos y al consecuente alto rendimiento específico de filtración, se obtienen unos costes de explotación muy bajos. La potencia específicamente necesaria para el accionamiento asciende a aproximadamente 2,5 kWh/m^{3} de permeato. El intervalo de limpieza química puede aumentarse, según cada caso de aplicación en particular, desde actualmente 50 a 100 horas hasta aproximadamente 200 a 500 horas de

\hbox{funcionamiento}

.

Si se requiere un número de revoluciones más elevado, y en consecuencia hay que reducir el diámetro de los discos, para la consecución de por lo menos igual superficie filtrante, se aplican varios árboles huecos con las membranas en forma de discos a ellos fijados. La figura 3 ilustra en forma de ejemplo una variante con tres árboles huecos 2, 2', 2'' y las correspondientes membranas en forma de discos 8, 10, 13. Debido a la rotación del disco 13 en el sentido 14, se origina otra zona de limpieza por turbulencia 15.

La figura 4 muestra una alternativa a las membranas en forma de discos, que se aplican aquí en forma de placas con membranas 16, 16'. Mientras que la placa 16 está montada fija, la placa 16' se mueve de manera excéntricamente oscilante según la flecha 17, de tal forma que sobre las superficies de las membranas se produce una turbulencia, gracias a la cual las superficies se mantienen ampliamente libres de depósitos. La evacuación del permeato tiene lugar a través de los conductos 18, 18', y para una mejor evacuación pueden montarse unos conductos adicionales 19, 19' en el lado opuesto de las placas 16, 16'. Los conductos 18, 19 que están unidos a las placas 16 en movimiento, pueden estar previstos en este caso constituidos por un tubo flexible o por unas correspondientes mangueras, respectivamente.

La figura 5 muestra un sector de un módulo de filtración 1 en vista lateral. Aquí se reconocen las membranas en forma de discos 20, 20' especialmente configuradas con una forma de sección transversal triangular. Además de esta forma y de la forma de sección transversal rectangular según la figura 1, las membranas en forma de discos pueden presentar también formas de sección transversal libremente definidas para ejecuciones especiales. Las formas triangulares de sección transversal se aplican también allí donde es necesaria una gran superficie filtrante dentro de un espacio lo más estrecho posible. La sección transversal de los discos 20, 20' está dimensionada aquí de manera que se ensancha en la dirección de la evacuación del permeato hacia los árboles huecos 2, 2' y en correspondencia con la mayor cantidad de permeato. Las ventajas del módulo de filtración según la presente invención frente a módulos de membrana según el estado de la técnica, radican sobre todo en la poca necesidad de espacio, el poco gasto en tuberías y el bajo consumo de energía. Además, no es necesaria ninguna bomba en el circuito para la generación del Crossflow, con sus correspondientes costes.

La figura 6 ilustra una vista en sección a través de la estructura de un módulo de filtración. Junto a los dos árboles huecos 2, 2' se hallan dispuestos, por ejemplo, membranas en forma de discos 3 de sección transversal rectangular. Para graduar la separación de las membranas en forma de discos 3 entre sí se utilizan unos casquillos intercambiables 21 dispuestos alrededor de los árboles huecos 2, 2'. Mediante la longitud de estos casquillos 21 se puede graduar, de acuerdo con las necesidades, el canal de material retenido 22, es decir, la separación en la zona de solapamiento entre dos membranas en forma de discos 3 fijados a distintos árboles huecos 2, 2'. La anchura del canal de material retenido 22 está esencialmente en función de la viscosidad del material retenido.

Alternativamente, las membranas en forma de discos 23 pueden estar juntadas a tope directamente ente sí, como está representado en la figura 7. Con una adecuada elección de la forma de la sección lateral, y mediante una ranura 24 con anillo de junta 25 se pueden montar por deslizamiento los membranas en forma de discos 23 directamente unas junto a otras sobre los árboles huecos 2, 2'. El canal de material retenido 26 resulta entonces de la configuración de los membranas en forma de discos 23.

La figura 8 ilustra una vista en planta análoga a la figura 2. El disco de membrana 8 gira aquí en el sentido 27 y el disco de membrana 9 en el sentido 28. Tomando como eje de abscisas la recta de unión 29 de ambos árboles huecos 2, 2' se han representado en ordenadas las velocidades periféricas de los distintas membranas formadas por discos individuales 8, 9 así como la velocidad relativa de ello resultante. Para el disco 8 resulta una velocidad periférica máxima 30, que en dirección al eje va a cero. De ello resulta una distribución de velocidad 31. Análogamente resulta para el disco 9 con una velocidad periférica máxima 32, una distribución de velocidad 33. La velocidad relativa resultante 34 es entonces constante, con igual número de revoluciones de ambas membranas en forma de discos. Mediante variación de los números de revoluciones se puede regular la velocidad relativa

\hbox{deseada}

. Ejemplos de formas de realización

En una instalación que contiene membranas en forma de discos inorgánicas (50 nm de tamaño de poros, \diameter 152 mm), se filtraron o concentraron, respectivamente, diversos medios.

En los ensayos con agua de desgotado del campo de las máquinas papeleras resultó, con una concentración inicial de 0,1% de sustancia seca y una concentración final de 11 % de sustancia seca, un rendimiento medio de filtración específica de 270 l/m^{2}h. La velocidad de circulación superficial fue en este
caso de 2 m/s.

El intervalo necesario para la limpieza química se pudo establecer en 450 horas.

Normalmente se eligen velocidades de circulación superficial de entre 1 y 5 m/s y presiones entre 0,5 y 6 bar. Asimismo se ha puesto de manifiesto que según el medio y las materias contenidas, según el número de revoluciones y la separación de las membranas en forma de discos o según las presiones y temperaturas de filtración ajustadas, respectivamente, se consiguió un caudal de trasiego específico (rendimiento específico de las membranas) más elevado que con la operación convencional "Crossflow" con membranas
tubulares.

Claims (6)

1. Procedimiento de filtración con flujo transversal a través de membranas en forma de discos rotativos, siendo conducido el líquido filtrado pasado a través de la(s) membrana(s) en forma de disco, a través del cuerpo hueco del disco (3), radialmente hacia el eje de rotación y siendo evacuado allí hacia el exterior a través del árbol hueco (2, 2'), y presentando las membranas en forma de discos (3, 8, 9) igual sentido de giro (10, 11) y siendo provocada en la zona de solapamiento (12) de por lo menos dos membranas en forma de discos (8, 9) una turbulencia junto a la superficie de la membrana, caracterizado porque en la superficie de la membrana se generan velocidades de circulación superficial que están dentro del intervalo de 1 a 5 m/s y porque el concentrado (7) es expulsado por sobrepresión, ascendiendo esta sobrepresión a entre 10 y 14 bar.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las membranas en forma de discos presentan una sección transversal rectangular.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las membranas en forma de discos presentan una sección transversal triangular.

4. Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque las membranas en forma de discos giran con números de revoluciones diversos.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el permeato (6) es evacuado bajo presión negativa.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque la presión negativa asciende hasta
0,5 bar.