Un sistema de separación (10) que comprende:

una vasija de presión alargada (12) que tiene una entrada de corriente de alimentación (24),

una salida de corrienteresidual (26) y al menos una salida de corriente de permeado (28);

un primer ensamblaje de hojas de tubos (32) dispuesto en el interior de la vasija de presión (12) y que define unprimer depósito de permeado (36) entre ellos, incluyendo el primer ensamblaje de hojas de tubos (32) un primer parde hojas de tubos (38) y una pluralidad de primeros manguitos (50, 110) dispuestos entre ellas, estando el primerdepósito de permeado (36) en comunicación fluida con la al menos una salida de corriente de permeado (28);un primer depósito de fluido (34) dispuesto en el interior de la vasija de presión (12) entre un primer extremo (16) dela vasija de presión (12) y el primer ensamblaje de hojas de tubos (32); y una pluralidad de ensamblaje de cartuchosde membrana (70, 210) dispuestos en el interior de la vasija de presión (12) y que se extienden entre el primerextremo (16) y un segundo extremo (18) de la vasija de presión (12), incluyendo al menos un ensamblaje decartuchos de membrana (70, 210) un primer adaptador de permeado (214, 310) y un cartucho de membrana (212),el primer adaptador de permeado (214, 310) unido a un primer extremo (216) del cartucho de membrana (212) ydispuesto en el interior de uno de los primeros manguitos (50, 110), el primer adaptador de permeado (214, 310) encomunicación fluida con el primer depósito de fluido (34) y el primer depósito de permeado (36), en donde el almenos un ensamblaje de cartuchos de membrana (70, 210) incluye adicionalmente un tubo de paso de permeado(228) que se extiende desde el primer extremo (216) del cartucho de membrana (212) a un segundo extremo (220)del cartucho de membrana (212), y en donde el primer adaptador de permeado (214, 310) comprende:una porción anterior (312);

una porción posterior (314); y

una porción de cuerpo (316) que se extiende entre la porción anterior (312) y la porción posterior (314),definiendo la porción de cuerpo (316) un orificio ciego central (318) para alojar un primer extremo (234) deltubo de paso de permeado (228), una pluralidad de primeras aberturas de descarga de permeado (320) quese extienden radialmente desde el orificio ciego central (318) a una superficie exterior (322) de la porción decuerpo (316), y una pluralidad de aberturas de fluido (332) que se extienden paralelamente al orificio ciegocentral (318) desde la porción anterior (312) a la porción posterior (314) y dispuestas entre primerasaberturas de descarga de permeado adyacentes (320).

Recipiente multitubular a presión para filtración con membranas

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a la separación de fluidos y, más particularmente, a separación de 5 fluidos por medio de cartuchos o módulos múltiples de membrana dispuestos dentro de una vasija de presión.

Antecedentes de la invención

Una diversidad de procesos comerciales están basados en el uso de técnicas de separación de fluidos a fin de separar uno o más componentes fluidos deseables de una mixtura. En particular, diversos procesos de este tipo pueden implicar la separación de mixturas líquidas, la separación de vapores o gases de líquidos, o la separación de

gases entremezclados.

Por ejemplo, en la producción de gas natural, es típicamente necesario que el productor separe del dióxido de carbono del gas natural a fin de cumplir los requerimientos reguladores del gobierno. Asimismo, típicamente es deseable en muchos procesos químicos que el hidrógeno se separe y se recupere de corrientes gaseosas de proceso.

El uso de membranas para separaciones de fluidos ha alcanzado una popularidad creciente sobre otras técnicas conocidas de separación. Tales separaciones con membrana están basadas generalmente en las permeabilidades relativas de diversos componentes de la mixtura fluida, resultantes de un gradiente de fuerzas impulsoras, tales como presión, presión parcial, concentración y temperatura. Dicha permeación selectiva da como resultado la separación de la mixtura de fluidos en porciones a la que se hace referencia comúnmente como "retenido", v.g.,

compuesto generalmente por componentes lentamente permeables, y "permeado", v.g. compuesto generalmente por componentes que migran con mayor rapidez.

Las membranas de separación de gases se fabrican comúnmente en una de dos formas: chapa lisa o fibra hueca. Las chapas lisas se combinan típicamente en un elemento enrollado en espiral, mientras que las fibras huecas están dispuestas comúnmente en haces de una manera similar a un cambiador de calor tubular.

En las configuraciones típicas enrolladas en espiral, dos chapas lisas de membrana con un espaciador intercalado se unen, v.g., se pegan por encolado a lo largo de tres de sus lados para formar una envoltura, es decir, una "hoja", que está abierta por un extremo. Muchas de estas envolturas están separadas por espaciadores de alimentación y envueltas alrededor de un mandril o envueltas de otro modo alrededor de un tubo de permeado con los extremos abiertos de las envolturas orientados hacia el tubo de permeado. El gas de alimentación entra a lo largo de un lado

de la membrana y pasa a través de los espaciadores de alimentación que separan las envolturas. A medida que el gas avanza entre las envolturas, los compuestos altamente permeables permean o migran hacia el interior de la envoltura. Estos compuestos permeados tienen una sola salida disponible: los mismos tienen que desplazarse en el interior de la envoltura hasta el tubo de permeado. La fuerza impulsora de dicho transporte es la diferencia de presión entre la baja presión del permeado y la alta presión de la alimentación. Los compuestos permeados entran

en el tubo del permeado, por ejemplo a través de orificios que atraviesan el tubo. Los compuestos permeados se desplazan luego a través del tubo para unirse a los compuestos permeados de otro de los tubos. Los componentes del gas de alimentación que no permean o migran al interior de las envolturas abandonan el elemento por el lado opuesto al lado de la alimentación.

En los elementos de fibra hueca, fibras huecas muy finas están envueltas alrededor de un tubo central en un patrón

de alta densidad. En un patrón de envoltura de este tipo, ambos extremos de la fibra terminan en un calderín de permeado en un lado del elemento. El gas de alimentación fluye por encima y entre las fibras, y algunos componentes del gas de alimentación permean o migran hacia el interior de las fibras. Tales componentes se desplazan luego por el interior de la fibra hasta que la misma llega al calderín de permeado, donde aquélla se mezcla con los componentes permeados procedentes de otras fibras. Los componentes recogidos en el calderín de

45 permeado salen del elemento a través de un conducto o tubo. Los componentes del gas de alimentación que no permean o migran hacia el interior de las fibras llegan finalmente al tubo central del elemento, que está típicamente perforado de modo análogo al tubo de permeado en el elemento enrollado en espiral. En este caso, sin embargo, el tubo central tiene por finalidad la recogida del residuo o producto retenido, no la recogida del permeado.

Como se apreciará, cada tipo de elemento tiene ciertas ventajas. Por ejemplo, los elementos enrollados en espiral

50 pueden admitir típicamente presiones más altas, son más resistentes al ensuciamiento y tienen una larga historia de servicio en el endulzamiento del gas natural. En contraste, los elementos de fibra hueca tienen típicamente mayor densidad de empaquetamiento. Por consiguiente, una instalación basada en fibra hueca es típicamente más ventajosa para membranas con permeabilidad baja.

En cualquier caso, las membranas, una vez transformadas en elementos, se conforman típicamente en módulos o

55 cartuchos, v.g., un tubo que contiene una pluralidad de elementos de separación de membrana. Los módulos pueden utilizarse aisladamente o, con mayor frecuencia, interconectados en disposiciones o redes en serie o en paralelo. Típicamente, una instalación puede tener desde al menos 2 hasta varios centenares de módulos en una red. Cada módulo tiene una corriente de entrada (v.g., alimentación) , una corriente de salida o residual que contiene las sustancias que no habían atravesado el elementos de separación de membrana, y una corriente de permeado que contiene las sustancias que atraviesan, v.g., permean, el elemento de separación de membrana.

Muchas de tales aplicaciones de separación requieren presiones bastante altas. En muchos casos, las presiones en tales procesos están comprendidas en el intervalo de 35 kg/cm2 a 210 kg/cm2 (500 libras por pulgada cuadrada a 3000 libras por pulgada cuadrada) . Cuando se trabaja con tales presiones, además de tener un espesor de pared suficiente, es necesario contar con cierres de presión satisfactorios. Las diversas corrientes de flujo del proceso

(v.g., corrientes de alimentación, residual y permeado) deben mantenerse adecuadamente separadas. Cualquier entre mezclado de estas corrientes reduce la eficiencia del proceso.

Las configuraciones de vasijas de presión para separación de gases con membranas enrolladas en espiral son un producto de la industria de ósmosis inversa, en la que tales configuraciones han sido el estándar durante muchos años. Este concepto de vasija fue diseñado para aplicaciones en las cuales podían incorporarse fácilmente tubos de

plástico enrollados en filamentos, v.g., el diámetro interior del tubo de plástico podía fabricarse fácilmente a dimensiones exactas a medida que la banda de membrana se enrollaba sobre un mandril.

La industria de las membranas de gases ha tenido que modificar la configuración de las vasijas estándar de ósmosis inversa para cumplir o satisfacer sus rendimientos de proceso singulares. Por ejemplo, pueden incorporarse tubos o conductos de permeado mayores en algunas configuraciones de vasija a fin de tratar mejor los mayores flujos de

permeado posibles. Adicionalmente, con objeto de cumplir los requerimientos de operación a alta presión típicos asociados con la industria de procesamiento de gases y las especificaciones estrictas de redondez y diámetro requeridas para un empaquetamiento eficiente de módulos múltiples, se ha empleado tubo de acero con el diámetro interior del tubo de acero rectificado para un acabado superficial adecuadamente alto, v.g., 125 RMS o menos.

Además, una configuración de estirado por un extremo, tal como la usada en los procesos de ósmosis inversa, se ha

utilizado también típicamente en aplicaciones de separación de gases con membranas. Tales configuraciones de estirado por un extremo dan típicamente como resultado que el colector de permeado se extienda más allá de los extremos de los tubos de presión. Así, tales configuraciones dan generalmente... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de separación (10) que comprende:

una vasija de presión alargada (12) que tiene una entrada de corriente de alimentación (24) , una salida de corriente residual (26) y al menos una salida de corriente de permeado (28) ;

un primer ensamblaje de hojas de tubos (32) dispuesto en el interior de la vasija de presión (12) y que define un primer depósito de permeado (36) entre ellos, incluyendo el primer ensamblaje de hojas de tubos (32) un primer par de hojas de tubos (38) y una pluralidad de primeros manguitos (50, 110) dispuestos entre ellas, estando el primer depósito de permeado (36) en comunicación fluida con la al menos una salida de corriente de permeado (28) ; un primer depósito de fluido (34) dispuesto en el interior de la vasija de presión (12) entre un primer extremo (16) de

la vasija de presión (12) y el primer ensamblaje de hojas de tubos (32) ; y una pluralidad de ensamblaje de cartuchos de membrana (70, 210) dispuestos en el interior de la vasija de presión (12) y que se extienden entre el primer extremo (16) y un segundo extremo (18) de la vasija de presión (12) , incluyendo al menos un ensamblaje de cartuchos de membrana (70, 210) un primer adaptador de permeado (214, 310) y un cartucho de membrana (212) , el primer adaptador de permeado (214, 310) unido a un primer extremo (216) del cartucho de membrana (212) y

dispuesto en el interior de uno de los primeros manguitos (50, 110) , el primer adaptador de permeado (214, 310) en comunicación fluida con el primer depósito de fluido (34) y el primer depósito de permeado (36) , en donde el al menos un ensamblaje de cartuchos de membrana (70, 210) incluye adicionalmente un tubo de paso de permeado

(228) que se extiende desde el primer extremo (216) del cartucho de membrana (212) a un segundo extremo (220) del cartucho de membrana (212) , y en donde el primer adaptador de permeado (214, 310) comprende:

una porción anterior (312) ; una porción posterior (314) ; y una porción de cuerpo (316) que se extiende entre la porción anterior (312) y la porción posterior (314) , definiendo la porción de cuerpo (316) un orificio ciego central (318) para alojar un primer extremo (234) del tubo de paso de permeado (228) , una pluralidad de primeras aberturas de descarga de permeado (320) que

se extienden radialmente desde el orificio ciego central (318) a una superficie exterior (322) de la porción de cuerpo (316) , y una pluralidad de aberturas de fluido (332) que se extienden paralelamente al orificio ciego central (318) desde la porción anterior (312) a la porción posterior (314) y dispuestas entre primeras aberturas de descarga de permeado adyacentes (320) .

2. El sistema de separación (10) de la reivindicación 1 en donde cada primer manguito (50, 110) incluye una

pluralidad de primeras aberturas de salida de permeado (118) al menos parcialmente alineadas con la pluralidad de primeras aberturas de descarga de permeado (320) del primer adaptador de permeado (214, 310) dispuestos en su interior.

3. El sistema de separación (10) de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un segundo ensamblaje de hojas de tubos (44) dispuesto en el interior de la vasija de presión (12) y que define un segundo depósito de

permeado (48) entre ellos, incluyendo el segundo ensamblaje de hojas de tubos (44) un segundo par de hojas de tubos (62, 64) y una pluralidad de segundos manguitos (66, 110) dispuestos entre ellos, correspondiendo la pluralidad de segundos manguitos (66, 110) a la pluralidad de primeros manguitos (50, 110) .

4. El sistema de separación (10) de la reivindicación 3 que comprende adicionalmente un segundo depósito de

fluido (46) dispuesto en el interior de la vasija de presión (12) entre el segundo extremo (18) de la vasija de presión 40 (12) y el segundo ensamblaje de hojas de tubos (44) .

5. El sistema de separación (10) de la reivindicación 4 en donde el al menos un ensamblaje de cartuchos de membrana (70, 210) comprende adicionalmente un segundo adaptador de permeado (218, 310) unido a un segundo extremo (220) del cartucho de membrana (212) , el segundo adaptador de permeado (218, 310) dispuesto en el interior del segundo manguito correspondiente (66, 110) y en comunicación fluida con el segundo depósito de

45 permeado (48) y el segundo depósito de fluido (46) .

6. El sistema de separación (10) de la reivindicación 5 en donde el segundo adaptador de permeado (218, 310)

comprende: una porción anterior (312) ; una porción posterior (314) ; y

50 una porción de cuerpo (316) que se extiende entre la porción anterior (312) y la porción posterior (314) , definiendo la porción de cuerpo (316) un orificio ciego central (318) para alojar un segundo extremo (238) del tubo de paso de permeado (228) , una pluralidad de segundas aberturas de descarga de permeado (320) que se extienden radialmente desde el orificio ciego central (318) a una superficie exterior (322) de la porción de cuerpo (316) , y una pluralidad de aberturas de fluido (332) que se extienden paralelamente al orificio ciego

55 central (318) desde la porción anterior (312) a la porción posterior (314) y dispuestas entre segundas aberturas de descarga de permeado adyacentes (320) .

7. El sistema de separación (10) de la reivindicación 6 en el cual cada segundo manguito (66, 110) incluye una pluralidad de segundas aberturas de salida de permeado (118) al menos parcialmente alineadas con la pluralidad de segundas aberturas de descarga de permeado (320) del segundo adaptador de permeado (218, 310) dispuestas en su interior.

FIG.1

FIG.2