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Tecnologia

Nonostante la separazione a membrana di liquidi da solidi ha goduto di crescente popolarità negli ultimi 20 anni, questa tecnologia ha il suo tallone d'Achille che colpisce tutti i dispositivi di questo genere: sporcamento o fouling. Questa crescente perdita di capacità di flusso è dovuta principalmente alla formazione di uno strato limite laminare che si accumula naturalmente sulla superficie e tra i pori della membrana durante il processo di filtrazione. Oltre a ridurre le prestazioni della membrane, lo strato formato agisce come una membrana secondaria modificando le caratteristiche progettuali iniziali della membrane in uso. Questa incapacità di gestire l'accumulo di solidi ha limitato l'impiego di membrane a bassa concentrazione di solidi.

   Figura 1

 
   
 

Per minimizzare lo strato superficiale, i progettisti del sistema a filtrazione a membrane hanno utilizzato un metodo noto come filtrazione ad Alimentazione Tangenziale o Cross Flow basato sul’elevata velocità del fluido pompato che attraversa tangenzialmente la superficie della membrane. (Vedi Figura 1). Con questo metodo, le membrane sono collocate in moduli piani (o plate and frame), tubolari (o tubular) e ad avvolgimento a spirale (o spiral wound), in cui la sostanza da filtrare, o alimento, viene pompata rapidamente.

Nel progetto del CrossFlow non è economico  creare forze tangenziali di dimensioni superiori a 10-15 mila secondi inversi, limitando così l'uso di flussi tangenziali a bassa viscosità. Inoltre, l’aumento di velocità di flusso provoca un significativo calo di pressione dall'ingresso (alta pressione) all'uscita (bassa pressione) del dispositivo, con conseguente incrostazione prematura della membrana e una diminuzione inaccettabile delle prestazioni.

 Figura 2

   
 

New Logic, tuttavia, ha sviluppato un metodo alternativo per produrre le intense onde di taglio sulla superficie della membrana. La tecnica si chiama Vibratory Shear Enhanced Processing (VSEP). In un sistema VSEP, il fluido di alimentazione rimane quasi stazionario, muovendosi lentamente tra membrane parallele. La membrane vibrando vigorosamente azionano il processo di pulizia in direzione tangenziale alla superficie della membrana. (Vedi Figura 4).

Le onde prodotte dalla vibrazione della membrana sollevano i solidi dalla superficie della stessa, che vengono rimescolati con il materiale che attraversa il sistema. In questo modo i pori della membrane raggiungono un elevato livello di permeabilità che è generalmente tra 3 e 10 volte il rendimento dei convenzionali sistemi. (Vedi figura 2, sopra).

Il filter pack (o blocco dei filtri) di VSEP è costituito da strati di elementi disposti come dischi paralleli e separati da guarnizioni, una pila di dischi simili a una piastra di un lettore con membrane su entrambi i lati.

  Figura 3

   
 

Il filter pack viene spostato avanti e dietro di circa 2,22 centimetri (7/8 pollici) mediante una molla a torsione (torsion spring). Questo movimento è analogo all’ agitatore di una lavatrice, ma si verifica ad una velocità superiore di quella che può essere percepita dall'occhio umano.
L'oscillazione prodotta in corrispondenza della superficie della membrana è circa 150.000 secondi inversi (equivalente a oltre 200 G di forza), approssimativamente dieci volte superiore ai migliori sistemi convenzionali di questo genere. Ancora più importante, il movimento è focalizzato sulla superficie della membrana dove è conveniente e più utile nella prevenzione delle incrostazioni, mentre il fluido si muove molto poco tra i dischi della membrana.

Figura 4

 
 
 

Poiché VSEP non dipende dal flusso di alimentazione indotto dalla forza trasversale, il fluido da trattare può diventare estremamente viscoso ed essere ancora correttamente diluito. Il concentrato è essenzialmente estruso tra gli elementi a disco vibranti ed esce dalla macchina, una volta raggiunto il livello di concentrazione desiderato. Quindi, i sistemi VSEP possono essere eseguiti in un singolo passaggio attraverso il sistema, eliminando la necessità di serbatoi, attrezzature ausiliarie e relative valvole.

Il volume del filter pack con 130 metri quadrati (1400 ft2) di superficie della membrana, è inferiore a 189 litri (50 gallons). Di conseguenza, il recupero dei prodotti in processi in serie può essere estremamente elevato e il suo rifiuto inferiore a 11 litri (3 gallons).

Funzionamento del sistema VSEP:

All'avvio, il sistema VSEP viene alimentato con il liquido da filtrare e la valvola di concentrazione è chiusa. Durante la filtrazione i solidi nella miscela si accumulano all’interno del filter pack del sistema VSEP. Dopo un intervallo di tempo programmato, la valvola di concentrazione si apre per rilasciare i solidi accumulati. La valvola viene poi chiusa per consentire l’alimentazione del materiale addizionale. Questo ciclo si ripete all'infinito.

La selezione della membrana è il parametro più importante, influenzando la qualità della separazione. Altri importanti parametri che influiscono sulle prestazioni del sistema sono pressione, temperatura, ampiezza della vibrazione e tempo. Tutti i valori di questi parametri sono ottimizzati durante il test e inseriti nel Programmable Logic Controller (PLC) che controlla il sistema.

La pressione di esercizio viene creata dalla pompa di alimentazione. Le macchine VSEP possono funzionare normalmente con pressioni fino a 1.000 psig (68,95 BAR). Mentre, pressioni superiori spesso producono un aumento di portata, ma allo stesso tempo maggiore utilizzo di energia. Pertanto è usata una pressione di esercizio che ottimizza l'equilibrio tra portata e consumo energetico.

Nella maggior parte dei casi, il tasso di filtrazione può essere ulteriormente migliorato aumentando la temperatura di esercizio. Il limite di temperatura su un sistema VSEP standard è 79°C (175°F), significativamente superiore alla tecnologia a membrana competitiva. Strutture a temperatura ancora più elevate sono anche disponibili.

L'ampiezza della vibrazione e la velocità tangenziale o di taglio corrispondente possono essere variate, incidendo direttamente sui tassi di filtrazione. Il taglio è prodotto dall'oscillazione torsionale del filter pack (blocco dei filtri). Tipicamente il filter pack oscilla con un'ampiezza di 1,9 a 3,2 cm  (3/4 a 1 1/4 pollici). La frequenza di oscillazione è di circa 53 Hz e l’intensità è di circa 150.000 secondi inversi.

Il tempo di permanenza della miscela è determinato dalla frequenza di apertura e chiusura della valvola di uscita (valvola 1). Il livello di solidi nel fluido aumenta mentre il fluido rimane nella macchina.Occasionalmente, un pulitore viene aggiunto nel blocco di filtri e la continua oscillazione aiuta a pulire la membrana in pochi minuti. Questo processo può essere automatizzato e utilizza solo 189 litri (50 galloni) di soluzione riducendo così i problemi di smaltimento del detergente rispetto altri sistemi di filtrazione a membrana.


  

 
 
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