ES2211972T3 - Disco de soporte y almohadilla de membranas para la filtracion y separacion. - Google Patents

Abstract

Elemento de membranas que consta de un disco de soporte (1) y una almohadilla de membranas (2) para la formación de una pila de membranas en dispositivos para la filtración de fluidos mediante membranas; estando dicho elemento de membranas caracterizado por el hecho de que el disco de soporte (1) y la almohadilla de membranas (2) presentan una zona en esencia circular por sobre la cual fluye el fluido; el disco de soporte (1) presenta una abertura de paso tipo rendija (15) que discurre en esencia radialmente dentro de toda la zona por sobre la cual tiene lugar la circulación del fluido; el fluido fluye por ambos lados por sobre la almohadilla de membranas (2), y ésta presenta una rendija (23) que está correspondientemente configurada y al ser efectuado el apilamiento debe ser dispuesta en coincidencia con la abertura de paso tipo rendija (15), y la abertura de paso tipo rendija presenta a lo largo de su extensión radial planos inclinados que han sido formados mediante un doblamiento a un ángulo y al ser efectuado el apilamiento encajan unos en otros de forma tal que el fluido es obligado a desviarse para pasar de un plano de un disco de soporte al siguiente y dicho fluido es asimismo obligado a fluir según una trayectoria circulatoria circular concéntrica por sobre las almohadillas de membranas (2) que están aprisionadas entre los discos de soporte (1).

Description

Disco de soporte y almohadilla de membranas para filtración y separación.

La invención que aquí se describe se refiere a un disco de soporte para el guiamiento del flujo y a una almohadilla de membranas formada convenientemente que son usados como dispositivo para la filtración y separación de líquidos mediante la utilización de membranas de osmosis inversa, de nanofiltración, de ultrafiltración o de microfiltración, siendo las almohadillas de membranas y los discos de soporte dispuestos alternativamente de forma tal que el líquido a tratar fluye por ambos lados por sobre la membrana, mediante sus elementos guiadores y reguladores del flujo el disco de soporte guía y arremolina suficientemente al líquido y lo conduce sin una considerable pérdida de presión al siguiente plano de un disco.

Los discos de soporte y las almohadillas de membranas son parte de un dispositivo que como módulo consta de los discos de soporte, las almohadillas de membranas, las placas extremas de sujeción de la pila, el tirante, las placas de cierre hermético y/o bridas extremas y un tubo de presión cilíndrico. Dentro del marco de las instalaciones globales con las más diversas bombas y etapas de prefiltración y con los más diversos equipos de depuración y con las más diversas unidades de control, estos elementos modulares se aplican individualmente o en colectividad como equipos de filtración para la filtración de medios líquidos.

Forman aparte del estado de la técnica y son conocidos por las más diversas patentes elementos modulares de tipo equiparable para la separación y filtración de fluidos. Con respecto a los nuevos elementos de membranas que aquí se describen se trata de un nuevo desarrollo de discos de soporte y almohadillas de membranas de un módulo de placas. Los módulos de placas tienen en común que los mismos constan de placas de entrada, de estanqueización o terminales, juntas de estanqueidad, bridas, tirantes y cuerpos de presión de los más diversos tipos.

En la DE-A-37 15 183 está descrito un elemento de membranas que es para formar una pila de membranas para la filtración de fluidos mediante membranas y consta de un disco de soporte y una almohadilla de membranas. El disco de soporte contiene una abertura a través de la cual el fluido puede pasar de un lado del disco de soporte al otro. Con esto tiene también lugar una desviación de 180º del fluido.

En un dispositivo de membranas como el que es conocido por la US-A-4613436 tiene lugar una múltiple desviación del fluido. Este dispositivo de membranas contiene una pila de varios discos de soporte y varias almohadillas de membranas. Los pasos interiores para el fluido están formados por entalladuras practicadas en las capas de la pila, teniendo lugar el flujo del fluido de manera alternada radialmente hacia el exterior y radialmente hacia el interior.

La problemática específica es la de que en todos los módulos de placas se producen en el módulo pérdidas de presión relativamente considerables. El objetivo del desarrollo es el de reducir considerablemente esta pérdida de presión, es decir la caída de presión a través del módulo.

Esto tiene importancia en particular porque mediante una disminución de las pérdidas de presión en el módulo puede ser considerablemente reducida la energía eléctrica a aplicar, y se cuenta con posibilidades de circuitado considerablemente modificadas (conexionados en tándem, en serie o en forma de espina de pescado). En particular para aplicaciones dentro del sector del tratamiento de aguas residuales o del reciclaje de productos, donde se trata de limitar considerablemente la cantidad de concentrado para reducirla por regla general al mínimo volumen posible, esto aporta considerables ventajas en materia de los costes de inversión y de los costes de explotación. Estas ventajas son aún a más considerables cuando en la tecnología de las membranas se aplican técnicas de alta presión, que dan lugar a un consumo particularmente considerable de energía.

El elemento de membranas según la presente invención está definido por las características de la reivindicación 1.

La invención se refiere además a un disco soporte con las características de la reivindicación 8, así como a una almohadilla de membranas con las características de la reivindicación 9.

En los sectores de la nanofiltración, la ultrafiltración y la microfiltración, donde los módulos de placas conocidos no podían ser aplicados hasta la fecha debido a las altas pérdidas de presión inherentes a los módulos, se conquista mediante la invención un nuevo campo de aplicación.

Gracias al fundamentalmente nuevo guiamiento circular del flujo que se logra con el dispositivo descrito, en particular entre los discos de soporte y las almohadillas de membranas, así como gracias a los elementos guiadores del flujo que han sido elegidos en los discos de soporte, se ha logrado disminuir las pérdidas de presión en más de un 50% en comparación con los módulos habituales, y se ha logrado con ello incrementar considerablemente la rentabilidad de la aplicación y ampliar el campo de aplicación.

Gracias a la forma y a la ejecución del disco de soporte, y en particular gracias al hecho de que el guiamiento del flujo es efectuado a la manera de un guiamiento mediante planos inclinados para así hacer que el flujo pase de un disco de soporte al siguiente, según la invención se da lugar a que el fluido fluya según una trayectoria circular por sobre la almohadilla de membranas. Esto se logra mediante una abertura de paso tipo rendija que es en esencia radial y a la manera de una rampa guía al flujo haciendo así que éste pase de un disco de soporte al siguiente. De esta manera se evita lo que típicamente tiene lugar en todos los otros sistemas de módulos de placas, que es concretamente una brusca y repetida desviación de 180º del flujo, que es la que principalmente ocasiona la pérdida de presión. En otros sistemas de módulos de placas el medio circulante es desviado 180º y conducido al nivel siguiente al menos una vez por cada disco de soporte del módulo de placas.

La ventaja del disco de soporte según la invención consiste esencialmente en que el fluido pasa en toda la superficie y sin obstáculos por ambos lados por sobre la almohadilla de membranas y no es conducido de un plano de soporte del módulo de placas al siguiente plano de soporte para pasar a la siguiente almohadilla de membranas con una brusca desviación de 180º de su flujo, o sea con una desviación de su flujo como la de siempre, sino que al final de una trayectoria circular es conducido como en rampa y sin una considerable variación de la dirección de su flujo hacia a la siguiente almohadilla de membranas, y aquí pasa de nuevo por ambos lados por sobre la siguiente almohadilla de membranas.

Se describe a continuación la invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos.

Fig. 1: Disco de soporte en vista en planta

Fig. 2: Sección B-B del disco de soporte (a escala ampliada)

Fig. 3: Detalle A: abertura de paso tipo rendija (a escala ampliada)

Fig. 4: Detalle C: forma de los elementos guiadores y reguladores del flujo (a escala ampliada)

Fig. 5: Almohadilla de membranas en vista en planta y en sección

Fig. 6: Esquema de principio del guiamiento del flujo, estando representados tres discos de soporte incluyendo las correspondientes almohadillas de membranas

Fig. 7: Dispositivo representado en forma de una representación de conjunto en sección de un módulo de placas

Lista de signos de referencia

1	Disco de soporte
10	Ranura de alojamiento de una junta tórica
11	Reborde circular
12	Orificio central
13	Tetón
14	Reborde de centraje
15	Abertura de paso tipo rendija
16	Nervio
17	Seguro contra el giro relativo de las membranas con respecto a los discos de soporte y viceversa
18	Elemento guiador y regular del flujo
180	Cúspide
181	Lado menor
182	Lado mayor
2	Almohadilla de membranas
20	Superficie de la membrana
200	Espaciador para el permeato
201	Capa inferior realizada en forma de membrana
202	Capa superior realizada en forma de membrana
21	Costura de soldadura
22	Orificio central
23	Rendija
S1	Flujo del fluido sobre el disco de soporte
S2	Flujo del fluido en la abertura de paso tipo rendija
P	Dirección de permeación
3	Módulo
31	Tirante central
32	Casquillo de sujeción
33	Tuerca de sujeción
34	Placa extrema superior de sujeción de la pila
340	Taladros

35	Placa extrema inferior de sujeción de la pila
36	Disco superior desviador del flujo
37	Disco inferior desviador del flujo
38	Brida extrema superior
39	Brida extrema inferior
40	Conectador tubular de alimentación
41	Manguito colector del concentrado
42	Conectador tubular para el concentrado

Se representa en sección en la Fig. 7 y se describe a continuación para facilitar la comprensión de todas las interrelaciones el módulo de placas 3, que constituye el dispositivo descrito para osmosis inversa, nanofiltración, ultrafiltración y microfiltración. El módulo de placas consta de un cuerpo tubular de presión 30 que queda estanqueizado hacia el exterior por medio del disco superior desviador del flujo y del disco inferior desviador del flujo 36, 37, así como de la brida extrema superior e inferior 38, 39. Por medio del tirante central 31 y de la placa extrema superior de sujeción de la pila y de la placa extrema inferior de sujeción de la pila 34, 35 son sujetados en mutua unión en el módulo los discos de soporte 1 y las almohadillas de membranas 2. La precarga es ajustada mediante la tuerca de sujeción 33, siendo la fuerza de precarga transmitida mediante el casquillo de sujeción 32.

El funcionamiento del módulo 3 tiene lugar de la manera siguiente: El fluido llega al interior del módulo a través de la entrada del agua no depurada 40, circula por en torno a la pila de elementos y pasa a través de las aberturas de paso 340 de la placa extrema superior 34 de sujeción de la pila al primer disco de soporte 1. El fluido circula según una trayectoria circular por sobre este disco de soporte y es entonces conducido a través de una abertura de paso tipo rendija 15 al siguiente disco de soporte situado debajo y a la correspondiente almohadilla de membranas distanciada. El agua no depurada circula por sobre la almohadilla de membranas 2 tanto por la cara superior como por la cara inferior. Tras un recorrido circular tiene lugar la siguiente desviación en rampa para pasar al plano siguiente. El fluido atraviesa de esta manera toda la pila de elementos del módulo. La ventaja decisiva de esta forma de circulación es la de que el flujo se configura de manera muy uniforme y sin bruscos cambios de dirección. El flujo volumétrico entrante dispone de una sección transversal siempre uniforme para el paso del flujo, con lo cual no se producen variaciones de la velocidad de la corriente circulatoria. La configuración de la abertura de paso tipo rendija 15 es tal que también aquí se mantiene constante la velocidad de la corriente circulatoria. Mientras el fluido pasa por sobre la almohadilla de membranas, una fracción del flujo de material atraviesa la capa 201, 202 realizada en forma de membrana hacia el interior hacia espaciador 200 para el permeato. Este permeato es evacuado a lo largo del tirante central 31 y por su interior hacia abajo hacia el tubo flexible colector del permeato. La parte restante del agua no depurada (concentrado) sale del módulo por el manguito 41 colector del concentrado y por el conectador tubular 42 para el concentrado.

En la Fig. 1 se representa el disco de soporte 1 según la invención en vista en planta, y en la Fig. 2 se representa dicho disco de soporte en la sección B-B. El disco de soporte forma en esencia un cuerpo circular con forma de disco que presenta en su parte más exterior un reborde circular 11 y en el centro y en torno a un orificio central 12 una pluralidad de tetones 13 que con correspondientes espacios intermedios discurren hasta el orificio central. Los tetones 13 están dispuestos uniformemente en toda la circunferencia del orificio central. A continuación de los tetones 13 viene el reborde de centraje 14 y una ranura 10 de alojamiento de una junta tórica, estando dicha ranura de alojamiento prevista para alojar un elemento de estanqueización (junta tórica) que separa con estanqueidad el lado del agua no depurada del lado del permeato. Discurre radialmente desde la zona central hasta el reborde exterior una abertura de paso tipo rendija 15 por medio de la cual el fluido fluye de un plano de un disco de soporte al siguiente plano de un disco de soporte tras haber circulado según una trayectoria circular concéntrica S1 por sobre el disco de soporte y por sobre la almohadilla de membranas. Esto se logra gracias al hecho de que la abertura de paso presenta a lo largo de su extensión radial planos inclinados que han sido formados mediante un doblamiento a un ángulo y al ser efectuado el apilamiento encajan unos en otros de forma tal que tiene lugar una desviación del fluido en virtud de la cual el mismo pasa de un plano de un disco de soporte al siguiente. Para guiar el flujo y para apoyar y fijar las membranas, la abertura de paso tipo rendija 15 presenta varios nervios 16. En la parte interior del disco de soporte, p. ej. en el borde exterior de la abertura de paso se encuentra en anclajes tipo espiga un seguro 17 contra el giro relativo de las membranas con respecto a los discos de soporte y viceversa, protegiendo este seguro tanto a la membrana como a los discos de soporte contra el giro relativo de una con respecto a los otros. Para guiar y regular el flujo se encuentran sobre el disco de soporte elementos 18 guiadores y reguladores del flujo que están representados a escala ampliado en la Fig. 4. Además de desempeñar la función de regular el flujo, los elementos guiadores y reguladores del flujo desempeñan también la función de distanciar la almohadilla de membranas del disco de soporte.

Los elementos 18 guiadores y reguladores del flujo que están representados en la Fig. 4 son ovales en la vista en planta. Debido a ello se tiene un lado mayor 182 y un lado menor 181. La disposición de los elementos sobre el disco de soporte 1 está elegida de la manera siguiente: En círculos concéntricos en torno al orificio central 12 se encuentran en cada uno de dichos círculos concéntricos elementos 18 guiadores y reguladores del flujo cuyo número es el mismo en cada círculo, siendo distinta la orientación con respecto a la dirección de la corriente circulatoria principal. En las cortas y por consiguiente preferidas trayectorias de la parte interior, el lado mayor 182 del elemento guiador y regulador del flujo opone mayor resistencia al flujo, mientras que en las largas trayectorias de la parte exterior, que están por consiguiente en desventaja, el lado menor 181 del elemento opone menor resistencia al flujo. En la parte intermedia, los elementos guiadores y reguladores del flujo están correspondientemente dispuestos de manera uniforme con mayor o menor oblicuidad. Gracias a ello se tiene una uniforme distribución de la velocidad por sobre el disco de soporte 1 y la almohadilla de membranas 2 dentro de toda la sección transversal de paso de la corriente circulatoria. La cúspide 180 del elemento 18 guiador y regulador del flujo tiene una forma redondeada para no dañar a la delicada almohadilla de membranas 2 al quedar en contacto con la misma. El elemento 18 guiador y regulador del flujo posee además la deseada propiedad de arremolinar al medio circulante y producir con ello una turbulencia que es favorable para el rendimiento de separación de la membrana.

En la Fig. 2 se representa el disco de soporte 1 en una vista en sección practicada según la línea de sección B - B. Desde el eje central, que representa el centro del orificio central 12 mediante el cual es guiado el tirante central 31 del módulo, el disco de soporte presenta los tetones 13 que ya han sido descritos anteriormente. Los tetones están dispuestos de forma tal que están desplazados un 50% hacia arriba con respecto a la parte central del espesor del disco de soporte, para que sea posible lograr un exacto ajuste en el apilamiento de los discos de soporte incluyendo las almohadillas de membranas que quedan situadas entre los mismos.

La Fig. 3 muestra como detalle la abertura de paso tipo rendija 15 incluyendo los nervios 16 para la fijación de las almohadillas de membranas. La configuración a la manera de una rampa se logra gracias al hecho de que en una abertura de paso tipo rendija practicada en el disco de soporte 1 están formados dos planos inclinados que están realizados mediante un doblamiento a un ángulo determinado (que es de entre 30º y 60º, y preferiblemente de 40º). Al ser efectuado el apilamiento de los discos de soporte 1, estos planos inclinados encajan unos en otros, de tal manera que queda así preestablecido que la corriente circulatoria se vea obligada a pasar al plano siguiente situado más abajo (véase también la Fig. 6). Para la fijación de la almohadilla de membranas en la zona de la abertura de paso están previstos nervios 16. Las partes superiores de los nervios están aplanadas, para así aprisionar y asegurar la costura de soldadura 21 de la almohadilla de membranas.

Puesto que los discos de soporte 1 están expuestos en el módulo 3 a considerables fuerzas de precarga y de trabajo, los discos de soporte 1 se fabrican a base de un plástico que permite que sea lo menor posible la fluencia del producto y al que por consiguiente le es añadido en el proceso de producción un porcentaje de elementos textiles para reforzarlo.

La Fig. 5 muestra en una vista en planta y en sección la almohadilla de membranas 2. Dicha almohadilla de membranas consta en total de tres capas, que son el espaciador 200 para el permeato en el centro, la capa inferior 201 realizada en forma de membrana y la capa superior 202 realizada en forma de membrana. Estas tres capas son soldadas unas con otras en un procedimiento especial. La soldadura hace que el permeato que se reúne en la parte interior de la almohadilla de membranas, es decir en el espaciador 200 para el permeato, pueda escapar tan sólo hacia el centro, y por consiguiente hacia el tirante central, para ser ahí recogido y evacuado. La superficie de membrana 20 tiene la propiedad de dejar pasar tan sólo una determinada fracción del agua no depurada (membrana semipermeable). La dirección de permeación P está representada en la sección ampliada. La membrana posee un orificio central 22 que mediante los tetones 13 del disco de soporte 1 es centrado sobre éste. La membrana presenta además una rendija 23 que al ser efectuado el apilamiento de la pila del módulo debe ser dispuesta en coincidencia con la abertura de paso tipo rendija 15 del disco de soporte 1.

En la Fig. 6 se representa esquemáticamente en la vista en sección de la abertura de paso cómo discurre el flujo S2 del fluido en la abertura de paso tipo rendija de tres discos de soporte 1 apilados. Las almohadillas de membranas 2 son aprisionadas en sus costuras de soldadura 21 entre dos nervios 16, y son con ello fijadas. Con ello queda garantizado que llegue a la parte superior e inferior de las membranas aproximadamente la misma cantidad de medio circulante.

Claims (9)

1. Elemento de membranas que consta de un disco de soporte (1) y una almohadilla de membranas (2) para la formación de una pila de membranas en dispositivos para la filtración de fluidos mediante membranas;

estando dicho elemento de membranas caracterizado por el hecho de que

el disco de soporte (1) y la almohadilla de membranas (2) presentan una zona en esencia circular por sobre la cual fluye el fluido;

el disco de soporte (1) presenta una abertura de paso tipo rendija (15) que discurre en esencia radialmente dentro de toda la zona por sobre la cual tiene lugar la circulación del fluido;

el fluido fluye por ambos lados por sobre la almohadilla de membranas (2), y ésta presenta una rendija (23) que está correspondientemente configurada y al ser efectuado el apilamiento debe ser dispuesta en coincidencia con la abertura de paso tipo rendija (15), y la abertura de paso tipo rendija presenta a lo largo de su extensión radial planos inclinados que han sido formados mediante un doblamiento a un ángulo y al ser efectuado el apilamiento encajan unos en otros de forma tal que el fluido es obligado a desviarse para pasar de un plano de un disco de soporte al siguiente y dicho fluido es asimismo obligado a fluir según una trayectoria circulatoria circular concéntrica por sobre las almohadillas de membranas (2) que están aprisionadas entre los discos de soporte (1).

2. Elemento de membranas según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que los planos inclinados que están presentes en la abertura de paso tipo rendija (15) del disco de soporte (1) presentan un ángulo de inclinación de 30º a 60º.

3. Elemento de membranas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que gracias a la configuración de los nervios (16) en la zona de la abertura de paso tipo rendija (15) se tiene una fijación de la almohadilla de membranas (2) en la zona de la costura de soldadura (21) de forma tal que al entrar en el siguiente plano de circulación el medio circulante es repartido uniformemente de tal manera que aproximadamente un 50% del mismo pasa a la parte superior de la almohadilla de membranas (2) y aproximadamente la misma cantidad del mismo pasa a la parte inferior de dicha almohadilla de membranas.

4. Elemento de membranas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el disco de soporte (1) presenta en su cara superior y en su cara inferior un gran número de protuberancias o elementos (180, 181, 182) guiadores y reguladores del flujo que son preferiblemente ovales en su sección transversal y se estrechan progresivamente en su sección longitudinal pero tienen la cúspide redondeada, haciendo dichos elementos guiadores y reguladores del flujo gracias a su disposición, a su forma y a su posición angular sobre el disco de soporte (1) que el flujo del fluido sea uniformemente guiado y arremolinado y que la almohadilla de membranas (2) quede suficientemente distanciada de la superficie del disco de soporte (1).

5. Elemento de membranas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que para la fijación de los discos de soporte entre sí en la pila de membranas el disco de soporte (1) presenta anclajes (17) tipo espiga en la parte del interior y/o en la parte del exterior, y preferiblemente en la parte del exterior.

6. Elemento de membranas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el disco de soporte (1) presenta en la parte del interior dos juntas tóricas que al haber sido aplicada la presión de apriete fijan las almohadillas de membranas (2) en la pila creando ahí un cierre hermético.

7. Elemento de membranas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el disco de soporte (1) está hecho de plástico que ha sido mezclado con hasta un 20% de elementos textiles para ser así reforzado.

8. Disco de soporte (1) para un elemento de membranas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que el disco de soporte (1) presenta una zona en esencia circular por sobre la cual fluye el fluido y una abertura de paso tipo rendija (15) que discurre en esencia radialmente dentro de toda la zona por sobre la cual fluye el fluido, y la abertura de paso tipo rendija presenta a lo largo de su extensión radial planos inclinados que han sido formados mediante un doblamiento a un ángulo y al ser efectuado el apilamiento encajan unos en otros de forma tal que el fluido es obligado a desviarse para pasar de un plano de un disco de soporte al siguiente y dicho fluido es asimismo obligado a fluir según una trayectoria circulatoria circular concéntrica por sobre ambas caras de las almohadillas de membranas (2) que están aprisionadas entre los discos de soporte (1).

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9. Almohadilla de membranas (2) para un elemento de membranas según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la almohadilla de membranas (2) presenta una zona en esencia circular por sobre la cual fluye el fluido y una rendija (23) que discurre en esencia radialmente dentro de toda la zona por sobre la cual fluye el fluido, debiendo ser dicha rendija al ser efectuado el apilamiento dispuesta en coincidencia con la abertura de paso tipo rendija (15) del disco de soporte (1).