Módulo enrollado en espiral que incluye una lámina de membrana con regiones que tienen diferentes permeabilidades.
Un módulo enrollado en espiral (2) que comprende:
un tubo de recogida de permeado (8),
al menos una envolvente de membrana (4) enrollada alrededor del tubo de recogida (8) y que define una primera y segunda cara de desplazamiento (30, 32),
en donde la envolvente de membrana (4) comprende una sección de lámina de membrana (10) que tiene un área de membrana activa, una longitud que corresponde a la distancia entre la primera y segunda caras de desplazamiento (30, 32), una anchura que se extiende en una dirección perpendicular a la longitud, al menos un eje longitudinal que se extiende a lo largo de la longitud de la lámina (10) y que divide la lámina en una región interior y exterior (37, 39) con la región interior (37) situada adyacente al tubo de recogida de permeado (8), y al menos un eje de latitud que se extiende a lo largo de la anchura de la lámina (10) y que divide la lámina (10) en una región de entrada y de salida (41, 43) con la región de entrada (41) situada adyacente a la primera cara de desplazamiento (30),
en donde la lámina de membrana (4) comprende una capa de membrana semipermeable y una capa de soporte, y
en donde el módulo enrollado en espiral (2) se caracteriza por las láminas de membrana (10, 10') que se preparan de manera que el área de membrana activa de la lámina de membrana (10) tiene una permeabilidad al agua media o permeabilidad al soluto media que varía en al menos un 10% entre al menos uno de: i) las regiones interior y exterior (37, 39) y ii) las regiones de entrada y de salida (41, 43).
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2011/056499.
Solicitante: Dow Global Technologies LLC.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 2040 DOW CENTER MIDLAND, MI 48674 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.
Inventor/es: JONS,Steven,D, MARSH III,ALLYN R.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B01D63/10 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL. › B01D SEPARACION (separación de sólidos por vía húmeda B03B, B03D, mesas o cribas neumáticas B03B, por vía seca B07; separación magnética o electrostática de materiales sólidos a partir de materiales sólidos o de fluidos, separación mediante campos eléctricos de alta tensión B03C; aparatos centrifugadores B04B; aparato de vórtice B04C; prensas en sí para exprimir los líquidos de las sustancias que los contienen B30B 9/02). › B01D 63/00 Aparatos en general para los procedimientos de separación que utilizan membranas semipermeables. › Módulos con membranas enrolladas en espiral.
- B01D69/02 B01D […] › B01D 69/00 Membranas semipermeables destinadas a los procedimientos o a los aparatos de separación, caracterizadas por su forma, por su estructura o por sus propiedades; Procedimientos especialmente adaptados para su fabricación. › caracterizadas por sus propiedades.
PDF original: ES-2478966_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
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DESCRIPCIÓN
Módulo enrollado en espiral que incluye una lámina de membrana con regiones que tienen diferentes permeabilidades Campo de la invención La presente invención se dirige hacia módulos enrollados en espiral y métodos para hacer y usar los mismos.
Descripción de la técnica relacionada Los módulos enrollados en espiral (también conocidos como "elementos" enrollados en espiral) son bien conocidos para uso en una variedad de separaciones de fluido incluyendo hiperfiltración. La "Hiperfiltración" es un proceso de separación basado en membrana en el que se aplica presión a una solución de alimentación en un lado de una membrana semipermeable. La presión aplicada hace a un "solvente" (por ejemplo agua) pasar a través de la membrana (es decir formar una solución de permeado) mientras que los "solutos" (por ejemplo sales) se rechazan y permanecen en la solución de alimentación. Para superar la fuerza de impulso natural del solvente para moverse de una concentración baja a alta, la presión de alimentación aplicada debe exceder la presión osmótica. Por esta razón, el término "hiperfiltración" se usa a menudo intercambiable con "ósmosis inversa." Para los propósitos de esta descripción, el término "hiperfiltración" abarca tanto ósmosis inversa (RO) como nanofiltración (NF) . Y se reconoce además que también se pueden usar módulos que contienen membranas de hiperfiltración en procesos de ósmosis directa o hacia delante.
El flujo de solvente (Js) de una membrana de hiperfiltración es proporcional al diferencial de presión a través de la membrana menos la diferencia en la presión osmótica entre las soluciones de alimentación y permeado. Ver Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, 2ª Ed. (Kluwer Academic Publishers (1996) . Para alimentaciones acuosas, el flujo de agua (Jw) se puede definir como:
** (Ver fórmula) **
en donde:
"A" es el coeficiente de permeabilidad al agua o "permeabilidad al agua" de la membrana;
"Î"p" es la diferencia en la presión aplicada a través de la membrana (es decir la diferencia de presión de la solución de alimentación y permeado) ; y "Î"Ï?" la diferencia en la presión osmótica entre la solución de alimentación y el permeado en las superficies de membrana.
Durante la operación la solución de alimentación fluye a través de un módulo enrollado en espiral con una parte de solvente (por ejemplo agua) que pasa a través de una membrana semipermeable. Como resultado, la solución de alimentación llega a estar cada vez más concentrada en el soluto (por ejemplo sales) según fluye la alimentación desde el extremo de entrada al de salida del módulo. También, la presión de alimentación aplicada cae según fluye la alimentación a través del módulo. Estos efectos combinados provocan desequilibrios de flujo a través del módulo entre los extremos de entrada y de salida. De manera similar, también puede resultar un desequilibrio de flujo entre el tubo de recogida de permeado y el extremo distal de una hoja de membrana (es decir en una dirección perpendicular al tubo de recogida de permeado) . En este caso, la caída de presión a través del separador de permeado provoca una presión de impulso neta mayor cerca del centro del módulo comparado con su periferia exterior. Estos desequilibrios de flujo contribuyen a la polarización y obstrucción (por ejemplo CHAI ET AL: "Ultrasound, gravimetric, and SEM studies of inorganic fouling in spiral-wound membrane modules", DESALINATION, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 208, nº 1-3, 31 de marzo de 2007 (31-03-2007) , páginas 277293, EP022011394, ISSN: 0011-9164, DOI: 10.1016/J.DESAL.2006-06-018.
Se han propuesto diversas técnicas para reducir los desequilibrios de flujo. Por ejemplo, la US 2007/0272628 describe la combinación de módulos que tienen diferentes características de flujo dentro de un recipiente común. La US 6499606 y EP 1457243 describen módulos de tipo panal de miel con una permeabilidad que varía localmente. Otras técnicas incluyen el uso de longitudes de hojas de membrana más cortas para reducir la caída de presión a lo largo de un separador de permeado. Los separadores de permeado también se pueden elegir que varíen en permeabilidad en la dirección desde el tubo de recogida de permeado a un extremo distal (por ejemplo la US 4792401 y la JP 2009/220070) . Aunque cada uno de estos planteamientos reduce los desequilibrios de flujo, se desean nuevos planteamientos.
Breve resumen de la invención La presente invención se dirige a un módulo enrollado en espiral que incluye una lámina de membrana con regiones que tienen distintas permeabilidades. En una realización el módulo incluye un tubo de recogida de permeado y al E11779899
menos una envolvente de membrana enrollada alrededor del tubo de recogida y que define una primera y segunda cara de desplazamiento. La envolvente de membrana comprende una sección de lámina de membrana que tiene una longitud que corresponde a la distancia entre la primera y segunda caras de desplazamiento, una anchura que se extiende en una dirección perpendicular a la longitud, al menos un eje longitudinal que se extiende a lo largo de la longitud de la lámina y que divide la lámina en una región interior y exterior con la región interior situada adyacente al tubo de recogida de permeado, y al menos un eje de latitud que se extiende a lo largo de la anchura de la lámina y que divide la lámina en una región de entrada y de salida con la región de entrada situada adyacente a la primera cara de desplazamiento. La lámina de membrana se caracteriza por tener una permeabilidad al agua media o de soluto media que varía en al menos un 10% entre al menos uno de: i) las regiones interior y exterior y ii) las regiones de entrada y salida. Se describen muchas realizaciones adicionales que incluyen métodos para hacer y usar tales módulos.
Breve descripción de los dibujos Las Figuras incluidas ilustran varias realizaciones de la invención. Las Figuras no están a escala e incluyen vistas idealizadas para facilitar la descripción. Donde sea posible, se han usado números iguales en todas las Figuras y descripción escrita para designar los mismos rasgos o similares.
La Figura 1 es una vista en perspectiva, parcialmente seccionada de un módulo de filtración enrollado en espiral.
La Figura 2A es una vista en perspectiva (parcialmente seccionada) de un módulo enrollado en espiral montado parcialmente que incluye dos secciones alineadas de lámina de membrana.
La Figura 2B es una vista en perspectiva de una sección de lámina de membrana.
La Figura 2C es una vista en perspectiva de una sección de lámina de membrana.
La Figura 3A es una vista en perspectiva de una configuración idealizada para poner en práctica una realización de la invención que muestra un rollo de lámina de membrana que se desenrolla a lo largo de una dirección de rollo paralela a un eje (X) de un tubo de recogida de permeado colocado de manera adyacente.
La Figura 3B es una vista en alzado de una configuración idealizada para poner en práctica otra realización de la invención que muestra dos rollos de lámina de membrana que se desenrollan a lo largo de direcciones de rollo paralelas a un eje (X) de un tubo de recogida de permeado colocado de manera adyacente.
La Figura 4A es una vista en perspectiva que muestra una realización de una envolvente de membrana parcialmente montada.
La Figura 4B es una vista en perspectiva de una envolvente de membrana montada.
La Figura 4C es una vista en perspectiva de un módulo enrollado en espiral montado parcialmente que incluye la envolvente de membrana de la Figura 4B.
La Figura 4D es una vista en perspectiva del módulo enrollado en espiral montado parcialmente de la Figura 3C tomado en un punto posterior de montaje.
La Figura 5A es una vista en perspectiva (parcialmente seccionada) de un módulo enrollado en espiral montado parcialmente que incluye una realización de un paquete de hojas de membrana.
La Figura 5B es una vista en perspectiva (parcialmente seccionada) de un módulo enrollado en espiral montado parcialmente que incluye una envolvente de membrana que está montada con dos paquetes de hojas de membrana.
La Figura 6A es una vista en perspectiva (parcialmente seccionada) de un módulo enrollado en espiral montado parcialmente que incluye una realización alternativa de un paquete de hojas de membrana.
La Figura 6B es una vista en alzado de una realización alternativa de un paquete de hojas de membrana.
La Figura 6C es una vista en alzado de aún otra realización de un paquete... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
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1. Un módulo enrollado en espiral (2) que comprende:
un tubo de recogida de permeado (8) , al menos una envolvente de membrana (4) enrollada alrededor del tubo de recogida (8) y que define una primera y segunda cara de desplazamiento (30, 32) , en donde la envolvente de membrana (4) comprende una sección de lámina de membrana (10) que tiene un área de membrana activa, una longitud que corresponde a la distancia entre la primera y segunda caras de desplazamiento (30, 32) , una anchura que se extiende en una dirección perpendicular a la longitud, al menos un eje longitudinal que se extiende a lo largo de la longitud de la lámina (10) y que divide la lámina en una región interior y exterior (37, 39) con la región interior (37) situada adyacente al tubo de recogida de permeado (8) , y al menos un eje de latitud que se extiende a lo largo de la anchura de la lámina (10) y que divide la lámina (10) en una región de entrada y de salida (41, 43) con la región de entrada (41) situada adyacente a la primera cara de desplazamiento (30) , en donde la lámina de membrana (4) comprende una capa de membrana semipermeable y una capa de soporte, y en donde el módulo enrollado en espiral (2) se caracteriza por las láminas de membrana (10, 10') que se preparan de manera que el área de membrana activa de la lámina de membrana (10) tiene una permeabilidad al agua media o permeabilidad al soluto media que varía en al menos un 10% entre al menos uno de: i) las regiones interior y exterior (37, 39) y ii) las regiones de entrada y de salida (41, 43) .
2. El módulo enrollado en espiral (2) de la reivindicación 1 además caracterizado por la lámina de membrana (10) que tiene una permeabilidad al agua media que varía en al menos un 25% entre al menos una de:
i) las regiones interior y exterior (37, 39) y ii) las regiones de entrada y de salida (41, 43) .
3. El módulo enrollado en espiral (2) de la reivindicación 1 además caracterizado por la lámina de membrana (10) que tiene una permeabilidad al agua media que varía en al menos un 40% entre al menos una de:
i) las regiones interior y exterior (37, 39) y ii) las regiones de entrada y de salida (41, 43) .
4. El módulo enrollado en espiral (2) de la reivindicación 1 en donde la permeabilidad al agua media de la región exterior (43) de la lámina de membrana (10) es al menos un 25% mayor que la permeabilidad al agua media de la región interior (41) .
5. El módulo enrollado en espiral (2) de la reivindicación 1 en donde la permeabilidad al agua media de la región de salida (43) de la lámina de membrana (10) es al menos un 25% mayor que la permeabilidad al agua media de la región de entrada (41) .
6. El módulo enrollado en espiral de la reivindicación 1 en donde la sección de lámina de membrana tiene un área, en donde las regiones interior y exterior cada una comprende un 25% de dicho área y en donde la región exterior tiene una permeabilidad al agua media al menos un 10% mayor que la permeabilidad al agua media de la región interior.
7. El módulo enrollado en espiral de la reivindicación 1 en donde la sección de lámina de membrana tiene un área, en donde las regiones de entrada y de salida cada una comprende un 25% de dicho área y en donde la región de salida tiene una permeabilidad al agua media al menos un 25% mayor que la permeabilidad al agua media de la región de entrada.
8. Un método para hacer un módulo enrollado en espiral que comprende:
proporcionar un tubo de recogida de permeado;
proporcionar al menos un rollo de lámina de membrana, en donde la lámina de membrana comprende: una capa de membrana semipermeable y una capa de soporte que se enrollan en una dirección de rollo;
eliminar una primera y segunda sección rectangular de lámina de membrana a partir de al menos un rollo, en donde cada sección incluye: cuatro bordes, dos lados opuestos que incluyen un lado de membrana y un lado de soporte, una longitud en la dirección del rollo, una anchura que se extiende en una dirección perpendicular a la longitud, al menos un eje longitudinal que se extiende a lo largo de la longitud de la sección y que divide la lámina de membrana en una región interior y exterior, y al menos un eje de latitud 13
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que se extiende a lo largo de la anchura y que divide la lámina de membrana en una región de entrada y de salida, en donde cada sección tiene una permeabilidad al agua media que varía en al menos un 10% entre al menos uno de: i) las regiones interior y exterior y ii) las regiones de entrada y de salida;
formar una envolvente de membrana mediante: el solapamiento de la primera sección de lámina de membrana en la segunda sección de manera que: la dirección del rollo de ambas secciones son paralelas entre sí, y las regiones interior, exterior, de entrada y de salida de cada sección de lámina de membrana están opuestas directamente entre sí; alinear los bordes de ambas secciones de lámina de membrana entre sí; sellar ambas secciones de lámina de membrana juntas a lo largo de tres de los bordes alineados de manera que un cuarto borde no sellado es paralelo a la dirección del rollo de ambas secciones y define un borde proximal; y enrollar la envolvente de la membrana concéntricamente alrededor del tubo de recogida de permeado de manera que el borde proximal de la envolvente de membrana está en una posición proximal a lo largo del tubo de recogida de permeado.
9. El método de la reivindicación 8 además caracterizado por cada sección de lámina de membrana que tiene una permeabilidad al agua media que varía en al menos un 25% entre al menos una de:
i) las regiones interior y exterior y ii) las regiones de entrada y salida.
10. El método de la reivindicación 8 en donde la permeabilidad al agua media de la región exterior de cada sección de lámina de membrana es al menos un 25% mayor que la permeabilidad al agua media de la región interior.
11. El método de la reivindicación 8 en donde la permeabilidad al agua media de la región de salida de cada sección de lámina de membrana es al menos un 25% mayor que la permeabilidad al agua media de la región de entrada.
12. El método de la reivindicación 8 en donde la capa de membrana semipermeable comprende una membrana de hiperfiltración.
13. El método de la reivindicación 8 en donde cada sección de lámina de membrana tiene un módulo elástico, y en donde el módulo elástico en la dirección de rollo es al menos 1, 5 veces mayor que el módulo elástico en una dirección perpendicular a la dirección del rollo.
14. El método de la reivindicación 8 en donde el tubo de recogida de permeado tiene una longitud, el rollo de lámina de membrana tiene una anchura, y en donde el paso de eliminar las secciones rectangulares de la lámina de membrana del rollo comprende:
desenrollar y separar las secciones rectangulares de lámina de membrana de al menos un rollo, en donde cada sección tiene una longitud que se extiende en la dirección de rollo que corresponde a la longitud del tubo de recogida de permeado y una anchura que corresponde a la anchura del rollo; y en donde la longitud de sección de la lámina de membrana es al menos dos veces más grande que la anchura.
15. El método de la reivindicación 8 en donde el módulo enrollado en espiral es al menos de 1, 75 metros de largo.
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