ES2308159T3 - Dispositivo de filtracion modular de membrana sumergible que tiene elementos de membrana sustituibles. - Google Patents

Abstract

Dispositivo (36) de filtración de membrana modular para filtración en membrana desde fuera hacia dentro de un líquido (40) de alimentación que contiene al menos un sólido suspendido, comprendiendo el dispositivo (36) al menos un módulo (20) que comprende al menos un colector (22, 90, 92) que es un colector (22, 90, 92) de recogida de permeado solidario que tiene una pluralidad de receptáculos (26) para alojar una pluralidad de elementos (24) de membrana, en el que cada elemento (24) de membrana comprende al menos un haz (28) de membrana de fibras huecas encapsuladas que comprende una pluralidad de membranas (30) de fibras huecas orientadas transversales al al menos un colector (22, 90, 92), teniendo cada elemento (24) de membrana una conexión separable entre un extremo (32) encapsulado del haz (28) de membrana de fibras huecas y uno de los receptáculos (26) en el al menos un colector (22, 90, 92) de recogida de permeado, y en el que la conexión separable proporciona una conexión hidráulica estanca al agua entre el al menos un colector (22, 90, 92) de recogida de permeado y luces (34) en las membranas de fibras huecas; caracterizado porque el dispositivo (20) modular comprende además un cierre desprendible para desmontar uno de los elementos (24) de membrana de uno de los receptáculos (26), de manera que cuando el elemento (24) está desmontado, el cierre aísla hidráulicamente el receptáculo (26) sin el elemento (24) de membrana del líquido de alimentación.

Description

Dispositivo de filtración modular de membrana sumergible que tiene elementos de membrana sustituibles.

Antecedentes de la invención

Hay una tendencia creciente hacia el uso de membranas sumergidas para el tratamiento del agua y las aguas residuales. Un sistema de membrana sumergida típico consiste en membranas de fibras huecas o de armazón y placas sumergidas completamente en un tanque que contiene el sustrato que va a filtrarse, y la filtración se efectúa aplicando vacío al lado del filtrado. Una corriente de aire continua o intermitente asciende a lo largo de u ortogonal a la superficie de la membrana y la mantiene limpia lavando por descarga la suciedad depositada sobre la superficie. Los sistemas de membrana sumergida tienen costes de funcionamiento inferiores que los sistemas presurizados debido a la baja presión motriz requerida para efectuar la filtración. Adicionalmente, para las grandes plantas de tratamiento de agua, el coste de inversión de los sistemas de membrana sumergida puede ser significativamente inferior que para los sistemas presurizados.

Se conocen diversos diseños para los sistemas sumergidos. Por ejemplo, la patente estadounidense número
5.639.373 describe una matriz sin armazón para membranas de fibras huecas mantenidas verticalmente con difusores de aire en la parte inferior de la matriz. Un módulo con fibras mantenidas verticalmente entre colectores encapsulados en un módulo cilíndrico se describe en la patente estadounidense número 6.156.200, en el que los extremos de las fibras inferiores están sellados y los orificios de ventilación están en el colector de encapsulación inferior. Pueden instalarse uno o más tubos verticales simétricamente dentro del módulo para la ventilación adicional. En tales diseños, las fibras están encapsuladas permanentemente en el módulo.

Una membrana sumergida y un diseño de armazón y placas se describen por ejemplo en la patente estadounidense número 5.482.625. En un módulo de este tipo, las membranas de láminas planas se mantienen en un compartimento con difusores de aire instalados bajo las membranas. Sin embargo, este diseño tiene desventajas. Debido al diseño de armazón y placas, la densidad de empaquetamiento es baja y las membranas no pueden someterse a retrolavado.

También se conocen diseños que usan membranas de fibras huecas mantenidas horizontalmente, tal como los descritos en la patente estadounidense número 5.922.201, en los que el flujo de aire vertical es ortogonal al eje longitudinal de la membrana. Un diseño alternativo se describe en el documento WO 01/36074A1, que consiste en fibras mantenidas horizontalmente entre colectores que se extienden verticalmente. Este diseño tiene una densidad de empaquetamiento relativamente alta. Sin embargo, en los diseños horizontales, puede que una fracción del área superficial de las fibras no se exponga al aire durante la ventilación.

Se conocen diversos diseños para la conexión de fibras huecas a un colector de recogida. Por ejemplo, la patente estadounidense número 6.325.928 describe un elemento de filtro que tiene un ajuste estanco al agua desprendible y resellable asociado entre el elemento de filtro de fibras huecas y el bastidor de filtración de membrana. En este caso, las fibras huecas están permanentemente encapsuladas en los colectores de recogida del elemento. Este diseño tiene desventajas porque el elemento de filtro, que comprende fibras huecas encapsuladas permanente y directamente en dos colectores de recogida, es la unidad separable más pequeña del sistema de filtración de membrana.

La patente estadounidense número 6.214.226 describe un módulo de membrana de fibras huecas en el que la membrana de fibras huecas está encapsulada directamente en una tubería de recogida de una manera estanca a los fluidos. Pluralidades de los módulos de membrana de fibras huecas están colocadas próximamente para formar una unidad de módulo de membrana de fibras huecas. De nuevo, la desventaja es que el haz de membranas de fibras huecas está encapsulado permanente y directamente en el colector de recogida del módulo haciendo por tanto que el módulo de membrana en su totalidad sea la unidad separable más pequeña en el dispositivo.

La patente estadounidense número 5.405.528 describe un cartucho filtrante sustituible que comprende un haz de fibras huecas que termina en colectores simétricos en extremos opuestos del cartucho. Los colectores comprenden un tubo dentro de una estructura de tubo que puede conducir dos fluidos diferentes independientemente. El cartucho forma una conexión desprendible, estanca a los fluidos con un distribuidor en el extremo del cartucho filtrante. La conexión desprendible, estanca a los fluidos entre el cartucho y el distribuidor se lleva a cabo por medio de uno o más manguitos de conexión axialmente deslizables. Se forman filas de cartuchos filtrantes mediante la conexión de los cartuchos uno junto al otro en el distribuidor. De nuevo, la fibra hueca está encapsulada permanente y directamente en el colector de recogida del cartucho.

La patente estadounidense número 5.480.553 describe un módulo de membrana de fibras huecas que comprende fibras huecas encapsuladas permanente y directamente en un único colector de recogida. Un elemento estructural soporta el colector de recogida y las fibras huecas asociadas y también proporciona un recinto para las fibras huecas. Como en las patentes descritas anteriormente, las fibras huecas están encapsuladas directamente en un colector de recogida haciendo que el módulo de membrana en su totalidad sea la unidad separable más pequeña en el dispositivo.

Cada uno de los documentos US-A-20020148767, WO-A-02094421 y WO-A-0136074 da a conocer un dispositivo de filtración de membrana modular que comprende una pluralidad de elementos de fibras huecas encapsulados que están alojados en un colector de recogida de permeado solidario que tiene una pluralidad de receptáculos y en el que los elementos están alojados de manera desprendible. El documento WO-A-9641676 da a conocer un dispositivo de filtración de membrana modular, en el que los elementos individuales pueden aislarse hidráulicamente del lado del permeado por medio de un pistón. Todos estos módulos de fibras huecas y conexiones conocidos tienen la desventaja de que el mantenimiento de las membranas de fibras es difícil y puede requerir el aislamiento de todo el módulo, dando como resultado por tanto un tiempo de inactividad del sistema de filtración. Por tanto, sigue habiendo una necesidad en la técnica de un sistema de filtración de membrana mejorado diseñado para su fácil capacidad de sustitución de los haces de fibras componentes de la membrana en su uso sin la sustitución simultánea del colector de recogida y que mostraría deseablemente ventilación y limpieza mejoradas.

Sumario de la invención

Los dispositivos de filtración de membrana modulares se proporcionan para la filtración en membrana desde fuera hacia dentro de líquido de alimentación que contiene sólidos suspendidos. Los dispositivos comprenden al menos un módulo que tiene al menos un colector que es un colector de recogida de permeado solidario que tiene una pluralidad de receptáculos para alojar una pluralidad de elementos de membrana. Cada elemento de membrana es un haz de membranas de fibras huecas encapsuladas que comprende una pluralidad de membranas de fibras huecas orientadas transversales a el al menos un colector. Cada elemento de membrana tiene una conexión separable entre un extremo encapsulado del haz de membranas de fibras huecas y un receptáculo en el colector de recogida de permeado, y la conexión separable proporciona una conexión hidráulica estanca al agua entre el colector de recogida de permeado y las luces de las membranas de fibras huecas. El dispositivo modular comprende además un cierre desprendible para desmontar uno de los elementos de membrana de uno de los receptáculos de manera que cuando el elemento está desmontado, el cierre aísla hidráulicamente dicho receptáculo del líquido de alimentación.

Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un conector de haz en el que está encapsulado un extremo de un haz de membranas de fibras huecas. Cada extremo del haz de fibras huecas está equipado con un conector de haz, y los conectores de haces respectivos están insertados en elementos reductores (receptáculos) en colectores de recogida opuestos, que alojan el líquido de permeado procedente de las luces de las fibras huecas. El conector de haz comprende un anillo anular que tiene características interiores para alojar y mantener el extremo encapsulado de un haz de membranas de fibras y características de bloqueo exteriores para formar una conexión de bloqueo por torsión o bloqueo a presión con el receptáculo reductor, que tiene elementos de acoplamiento para enganchar los elementos de bloqueo por torsión o bloqueo a presión del conector de haz. La superficie exterior del conector de haz está equipada con elementos de sellado para formar un sellado entre el exterior del conector de haz y el interior del receptáculo reductor.

Según otro aspecto de la invención, el dispositivo define caras exteriores y comprende un material de revestimiento que recubre las caras exteriores. El material de revestimiento rodea la pluralidad de membranas de fibras huecas y contiene energía producida por la ventilación dentro de un volumen confinado por el material de revestimiento.

Esta invención representa una mejora con respecto a los dispositivos de filtración tratados anteriormente, porque permite que el haz de membranas de fibras huecas esté separado del colector de recogida en uso. Por tanto, los haces de membranas de fibras huecas pueden someterse a mantenimiento independientemente del colector de recogida en uso. Los dispositivos de la técnica anterior no permiten que la membrana de fibras huecas se someta a mantenimiento independientemente del colector de recogida en uso.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos

El sumario anterior, así como la siguiente descripción detallada de la invención, se entenderá mejor cuando se lea junto con los dibujos adjuntos. Para el fin de ilustrar la invención, en los dibujos se muestran las realizaciones que se prefieren actualmente. Sin embargo, debe entenderse que la invención no se limita a las disposiciones y las instrumentalidades precisas mostradas. En los dibujos:

La figura 1 es una vista en perspectiva simplificada de un único módulo de un dispositivo de filtración de membrana según una realización de la presente invención con un material de revestimiento parcialmente separado que recubre las caras abiertas del módulo;

la figura 2 es una vista desde arriba simplificada de un colector de recogida de permeación inferior del módulo de la figura 1 con difusor de ventilación central;

la figura 3 es una vista en perspectiva frontal esquemática de un extremo de haz de membranas de fibras encapsulado en un conector de haz e instalado en un receptáculo de un colector de recogida;

la figura 4 es un diagrama de flujo esquemático de un sistema de filtración de membrana modular sumergido según una realización de la presente invención;

la figura 5 es una vista en perspectiva desde arriba del conector de haz de la figura 3 sin el extremo de haz de fibras encapsulado y no instalado en un receptáculo del colector de recogida;

la figura 6 es una vista en perspectiva desde abajo del conector de haz mostrado en la figura 5;

la figura 7 es una vista en perspectiva desde arriba del conector de haz de la figura 5 instalado en un receptáculo del colector de recogida, pero sin el extremo de haz de fibras encapsulado;

la figura 8 es una vista en perspectiva simplificada de un dispositivo de filtración de membrana modular sumergible que tiene cinco módulos del tipo mostrado en la figura 1 con algunas de las tuberías relacionadas;

la figura 9 es una vista en perspectiva esquemática simplificada, parcialmente en sección, que ilustra un extremo de haz de membranas de fibras encapsulado en un conector de haz e instalado en un receptáculo de un colector de recogida de permeación, con un tubo axial central para el flujo del líquido de alimentación o el fluido de ventilación;

la figura 10 es una vista en perspectiva simplificada desde arriba de un par de módulos de filtración similares a la figura 1, pero con los elementos de membrana que discurren horizontalmente entre colectores de recogida de permeado verticales; y

la figura 11 es una vista en perspectiva esquemática simplificada de un dispositivo de filtración de membrana modular que tiene cuatro conjuntos de módulos de filtración apilados verticalmente con tuberías asociadas.

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Descripción detallada de la invención

Los dispositivos de filtración de membrana modulares sumergibles se proporcionan para la separación con membrana para filtrar sólidos suspendidos a partir de una fase líquida. Tales dispositivos serían particularmente apropiados para la filtración del agua potable municipal, las aguas residuales y el agua del mar, pero también serían aplicables para otras aplicaciones de filtración conocidas o que van a desarrollarse en la técnica.

Tal como se muestra en la figura 1, un dispositivo de filtración comprende preferiblemente al menos un módulo 20. Cada módulo comprende preferiblemente dos colectores 22 y una pluralidad de elementos 24 de membrana separados y definidos. Al menos uno de los colectores es un colector de recogida de permeado solidario que tiene una pluralidad de receptáculos 26 (véase la figura 2). En una realización preferida, ambos colectores son colectores de recogida de permeado. Los colectores de recogida de permeado funcionan para recoger el líquido filtrado y los receptáculos 26, descritos en más detalle más adelante, están diseñados para alojar la pluralidad de elementos 24 de membrana.

Se prefiere que cada módulo comprenda aproximadamente de 1 a 100 elementos de membrana, de manera más preferible aproximadamente de 5 a aproximadamente 15, dependiendo del tamaño deseado del colector. Es preferible hacer funcionar un módulo con un elemento de haz conectado en cada receptáculo, lo que produce la mayor cantidad de permeado y, por tanto, optimiza la economía del procedimiento de filtración. Sin embargo, si el número de elementos de membrana es inferior al número de receptáculos en un colector, los receptáculos no utilizados se sellan deseablemente con un conector de haz que tiene un sobremolde de tapa, o con un tipo similar de cierre que llevaría a cabo los mismos fines.

Tal como se muestra en las figuras 3 y 9, cada elemento de membrana en el dispositivo comprende al menos un haz 28 de membrana de fibras huecas encapsulado que tiene una pluralidad de membranas 30 de fibras huecas orientadas transversales a los planos de los colectores. Se conocen en la técnica diversos tipos de membranas de fibras huecas y haces encapsulados de las mismas y pueden emplearse en los módulos de la presente invención. Cuando un elemento de membrana está insertado en un receptáculo 26 en el colector de recogida de permeado, se forma una conexión separable entre el extremo 32 encapsulado del haz 28 de membranas de fibras huecas y el receptáculo. Esta conexión separable proporciona una conexión hidráulica estanca al agua entre el colector de recogida de permeado y las luces 34 de las membranas en el haz de membranas.

Todo el dispositivo 36 de filtración de membrana modular puede sumergirse en un tanque 38 que contiene la fase 40 líquida que contiene los sólidos suspendidos que van a filtrarse, de manera que una superficie exterior de cada membrana en los módulos componentes está en contacto con la fase líquida. Puede aplicarse vacío dentro de los colectores de recogida de permeado de modo que el agua u otro líquido que va a filtrarse se drena a través de las superficies de la fibra, hacia las luces de la fibra, y el permeado o filtrado fluye hacia los colectores de recogida. Este vacío puede crearse, por ejemplo, mediante un dispositivo de succión, tal como una bomba 42 de vacío, o mediante un sifón creado mediante una diferencia en la elevación entre el colector de recogida de permeado y el nivel de la fase líquida en el tanque. Cuando se someten a retrolavado las fibras con el permeado mediante la bomba 44 de retrolavado para eliminar la suciedad depositada sobre sus superficies, el agua fluye desde los colectores de permeado hacia las luces de las fibras, y después a través de las superficies de membrana hacia el tanque 38 que contiene el líquido que va a filtrarse. Alternativa o adicionalmente, se proporciona una corriente continua o intermitente de aire 46 que asciende a lo largo de u ortogonal a las superficies de membrana para mantenerlas limpias lavando por descarga la suciedad depositada sobre las superficies. El dispositivo de filtración de membrana modular también puede colocarse en un recinto presurizado, tal como un recipiente a presión o un tanque presurizado, de modo que puede usarse la presión en el recinto como fuerza motriz para la filtración de membrana.

Tal como se muestra en las figuras 1, 3 y 9, ambos extremos de cada haz de membranas de fibras están encapsulados en una parte de extremo preferiblemente cilíndrico o conector 48 de haz para fijar firmemente los extremos de las fibras. Se conocen en la técnica materiales 66 de encapsulación adecuados, por ejemplo, resinas epoxídicas, y métodos de encapsulación, y no se describirán adicionalmente en el presente documento. El conector 48 de haz cilíndrico tiene preferiblemente de aproximadamente 20 a 100 mm de diámetro, dependiendo del diámetro externo de las fibras que van a encapsularse y de la densidad de empaquetamiento de las fibras deseada. La "densidad de empaquetamiento de las fibras" se refiere al porcentaje del área superficial interna del conector de haz encapsulado que está ocupado por fibras. Por ejemplo, un haz de 2 pulgadas (50,8 mm) de diámetro interno que contiene 14.300 fibras de polipropileno de 0,3 mm de DE tiene una densidad de empaquetamiento del 47%. Se prefiere que la densidad de empaquetamiento de los elementos de haz sea de aproximadamente el 30% a aproximadamente el 90%, más preferiblemente de aproximadamente el 40% a aproximadamente el 60%. El conector 48 de haz es distinto del colector 22 de recogida de permeado y puede insertarse de manera extraíble en un receptáculo 26 en el colector, tal como se describe más en detalle más adelante.

Cada uno de los colectores en un módulo (siendo ambos preferiblemente colectores de recogida de permeado) son solidarios; las piezas preformadas, tal como se muestra en la figura 2, que pueden estar moldeadas por inyección, moldeadas por soplado, moldeadas por rotación, moldeados por inyección/soplado o mecanizadas, por ejemplo. Los colectores se forman preferiblemente a partir de un material polimérico, tal como resina de polipropileno, poli(óxido de fenileno) (PPO), polietileno, polisulfona, polietersulfona, poli(cloruro de vinilo) o resina de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). El material polimérico puede ser opcionalmente combinado, tal como con vidrio o talco, para proporcionar un mayor límite elástico y para manejar mejor la gran presión de retrolavado. Un colector que se prefiere actualmente está moldeado por soplado a partir de polipropileno.

Preferiblemente, los colectores son paralelos entre sí y pueden estar espaciados verticalmente (tal como se muestra en las figuras 1, 8 y 11) u horizontalmente (tal como se muestra en la figura 10) a una distancia fija. En ambas realizaciones, los haces de membranas de fibras huecas están ubicados entre dos colectores opuestos y orientados transversales a los planos principales de los colectores, de manera que las fibras sean paralelas a u ortogonales al suelo. Se prefiere una disposición vertical de las fibras porque toda la superficie de la fibra está expuesta al aire durante la ventilación cuando las burbujas de aire ascendentes ventilan uniformemente la superficie de la fibra. En contraposición, en una disposición horizontal, una fracción del área superficial de las fibras (en la circunferencia superior de las fibras) no está expuesta a la acción de limpieza de la ventilación. Sin embargo, puede ser deseable una disposición horizontal debido a que el flujo de aire libre, particularmente alrededor de los extremos de las fibras, puede reducir o evitar la acumulación de sólidos en los extremos encapsulados de las fibras, lo que puede producirse en una orientación vertical, en la que el flujo de líquido y las burbujas de aire ascendentes se bloquean mediante la encapsulación.

Tal como se muestra en las figuras 1 y 10, al menos un elemento rígido, preferiblemente una barra o placa 50 de metal o plástico, fijada a los colectores 22 paralelos mantiene la distancia vertical u horizontal deseada entre ellos. En la realización de la figura 10, los colectores orientados verticalmente están conectados mediante dos estructuras 50 de soporte paralelas verticales, formadas preferiblemente de plástico rígido, que están unidas cada una de ellas a los extremos de los dos colectores opuestos. Estas estructuras de soporte actúan como paredes para mantener la separación entre los colectores y también contienen la energía de ventilación producida dentro del módulo. Sin embargo, también está dentro del alcance de la invención un módulo que tiene una o más barras que conectan los colectores paralelos, tal como una barra en una o más esquinas de cada colector opuesto.

La longitud del(de los) elemento(s) 50 rígido(s) proporciona una longitud en exceso de las fibras preferiblemente de aproximadamente el 0,2% a aproximadamente el 20%, más preferiblemente superior a del 5% a aproximadamente el 10%. En otras palabras, la longitud de las fibras puede ser de aproximadamente el 0,2% a aproximadamente el 20% más larga que la distancia entre los colectores opuestos, distancia que se mantiene mediante el material rígido.

Se prefiere que cada membrana de fibras huecas en un elemento de membrana tenga una longitud longitudinal de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2 m y un diámetro externo de aproximadamente 0,1 a 2 mm. Cada haz de membranas de fibras huecas encapsulado tiene preferiblemente un diámetro de aproximadamente 20 a 100 mm. En el caso de las fibras de polipropileno de 0,3 mm de DO, por ejemplo, cada haz preferiblemente contiene aproximadamente de 5000 a 25.000 fibras, más preferiblemente de aproximadamente 12.000 a aproximadamente 18.000, y lo más preferiblemente de aproximadamente 14.000. Como otro ejemplo, en el caso de las fibras de polietileno de 0,7 mm de DO, cada haz de fibras contiene aproximadamente de 2.000 a 5.000 fibras. Tal como se explicó anteriormente, cada una de las membranas de fibras huecas tiene deseablemente una longitud en exceso de aproximadamente el 0,2% a aproximadamente 20%, y más preferiblemente superior a del 5% a aproximadamente el 10% de la distancia entre los colectores opuestos.

La "densidad de empaquetamiento" de los módulos describe la razón del área superficial exterior total de todas las fibras en el módulo con respecto al volumen ocupado por el módulo. La densidad de empaquetamiento de los módulos puede ser de aproximadamente 250 a aproximadamente 900 m^{2}/m^{3}, y es preferiblemente de aproximadamente 400 a aproximadamente 800 m^{2}/m^{3}.

En una realización, cada colector 22 de recogida de permeado contiene al menos una fila de receptáculos 26 en la forma de hendiduras o aberturas en la cara opuesta al otro colector (véase la figura 2). Cada fila contiene preferiblemente de aproximadamente 2 a 50 hendiduras, y cada colector de recogida de permeado contiene preferiblemente de 1 a 50 filas de hendiduras. Un colector preferido contiene dos filas de seis hendiduras, tal como se muestra en la figura 2 y, por tanto, pueden colocarse hasta doce haces de membranas dentro de los receptáculos en el colector (véase la figura 1). La forma de las hendiduras deseablemente es circular, pero también puede ser cuadrada, rectangular, ovalada, romboidal, o de cualquier forma contemplada por un experto en la técnica.

Cada colector de recogida de permeado contiene preferiblemente al menos un puerto 52 de permeado (véase la figura 2), que está conectado a un sistema de tuberías externo o distribuidor 54 de permeado (véanse las figuras 8, 10 y 11), tal como en una planta, mediante una unión o tipo de ajuste similar. El puerto 52 de permeado puede insertarse en un acoplamiento en el distribuidor 54 mediante sellados de junta tórica radiales en las ranuras 53 del puerto. El puerto de permeado puede diseñarse alternativamente con roscas machos o hembras, o como un ajuste de casquillo o ajuste de llave. Sin embargo, el tipo de conexión no es crítico para la invención.

Los extremos encapsulados preferiblemente cilíndricos del haz de membranas de fibras, tal como se describe en detalle más adelante, están insertados en las hendiduras u otros receptáculos en las caras opuestas de los colectores para producir una conexión hidráulica estanca al agua entre los colectores y las luces en la pluralidad de membranas de fibras huecas. Sin embargo, los extremos encapsulados del haz de membranas de fibras pueden extraerse fácilmente de los colectores, de manera que existe una conexión separable entre los extremos encapsulados y el receptáculo. El colector de recogida de permeado tiene cierres desprendibles (no mostrados), tales como pero sin limitarse a válvulas o mecanismos accionados por resorte, que permiten el aislamiento hidráulico de las hendiduras u otros receptáculos en el colector de la pluralidad de luces en las membranas de fibras huecas y el líquido de alimentación. El cierre se libera cuando se elimina la presión de la inserción del extremo encapsulado del elemento de membrana en la hendidura, permitiendo que se use todo el módulo para la filtración mientras que se está sustituyendo o falta un elemento defectuoso, y permitiendo también la desviación de un elemento particular en el módulo.

Cada haz de fibras para su uso en la presente invención es modular, permitiendo por tanto el fácil mantenimiento y sustitución de los haces de fibras. En una realización, cada haz de fibras está encapsulado en ambos extremos en un conector de haz o ajuste de una única individual moldeado de manera única, que preferiblemente está moldeado por inyección, de modo que hay dos conectores de haces en cada elemento de haz de fibras modular. La zona de encapsulación en el conector de haz preferiblemente es circular, pero también puede tener una forma tal como cuadrada, ovalada, etc., sin afectar a la invención. En una realización preferida, hay dos "sostenes" o sujeciones orientados 180 grados entre sí en el conector de haz que se acoplan con lengüetas de montaje en el colector cuando el conector de haz está asentado apropiadamente sobre el receptáculo del colector. También puede lograrse la conexión mediante ajustes de conexión rápida, tal como se describió anteriormente. Una o más juntas tóricas en cada receptáculo en el colector proporcionan sellados estancos al agua y al aire entre el receptáculo del colector y la conexión de haz. Cuando se extraen los haces defectuosos para su reparación, los receptáculos del colector abiertos resultantes se cubren preferiblemente con un sobremolde de tapa o dispositivo similar, de modo que puede continuar la filtración utilizando el módulo.

En una realización preferida, en referencia a la figura 1, el elemento 24 de filtración de membrana se compone de un haz 28 de membranas de fibras huecas y dos conectores 48 de haces. Los extremos opuestos del haz 28 de membranas de fibras huecas están encapsulados en un conector 48 de haz (un conector en cada extremo del haz 28 de membranas de fibras huecas). El conector 48 de haz permite un sellado separable y hermético entre las luces del haz 28 de membranas de fibras huecas y el receptáculo 26 de acoplamiento en el colector 22 de recogida. El conector 28 de haz se sella a la superficie interna de un receptáculo 26 de acoplamiento en el colector 28 de recogida mediante dos juntas tóricas (no mostradas) proporcionadas en las ranuras 56 alrededor de la periferia externa del conector 28 de haz (véanse las figuras 5 y 6). Por tanto, el conector de haz constituye un sellado radial con la superficie interior del receptáculo de acoplamiento en el colector de recogida.

Tal como se muestra en la figura 1, doce elementos 24 de filtración, con sus respectivos conectores de haz se insertan (de manera sustituible) en dos colectores 22 de recogida de un módulo 20 de filtración. Tal como se muestra en la figura 8, cinco de estos módulos 20, por ejemplo, pueden combinarse en un bastidor de un dispositivo 36 de filtración modular.

En referencia a las figuras 5 a 7, el conector 48 de haz tiene dos orejas 60 o salientes externos con forma de gancho orientados con 180 grados entre sí. Con una pequeña rotación en sentido horario del conector de haz de las dos orejas 60 en el dispositivo se enganchan mediante ranuras 62 orientadas hacia dentro con dos lengüetas 64 de acoplamiento en el receptáculo 26 en el colector de recogida. El fin de estas orejas 60 es impedir el desenganche del conector de haz del receptáculo en el colector de recogida durante el funcionamiento. Las orejas 60 en el conector de haz y las lengüetas 64 en el receptáculo tienen características que permiten que el conector de haz y el receptáculo se enganchen y se bloqueen entre sí fácilmente. Los dos pueden desengancharse fácilmente sin destruir ni el conector 48 de haz ni el receptáculo 26. Las partes de acoplamiento en el conector de haz y el receptáculo también incorporan topes (no mostrados) que evitan que las orejas 60 en el conector de haz giren pasando las lengüetas 64 en el receptáculo en el colector de recogida.

Aunque el conector 48 de haz en los dibujos se muestra con dos orejas que enganchan con dos lengüetas, se entenderá que el conector de haz podría tener dos o más orejas orientadas preferiblemente en intervalos igualmente espaciados alrededor de la periferia del conector de haz, y que enganchan con un número similar de lengüetas correspondientes espaciadas alrededor del receptáculo 26 de acoplamiento. También se entenderá que las lengüetas y las orejas podrían invertirse, de modo que las orejas estén en el receptáculo y las lengüetas estén en el conector de haz.

Las orejas deberían engancharse con las lengüetas de acoplamiento con una pequeña rotación en sentido horario o antihorario de tal manera que se impida que el conector de haz se desenganche del receptáculo del colector de recogida durante el funcionamiento del sistema, es decir, evitando la rotación en el sentido opuesto. Esto se evita mediante características de bloqueo en las orejas y/o lengüetas. Las características de bloqueo entre las orejas y las lengüetas pueden tener cualquier diseño que permita que los dos componentes se bloqueen entre sí y se desbloqueen fácilmente sin destruir ni el conector de haz ni el receptáculo en el colector de recogida. Por ejemplo, las características de bloqueo podrían incluir un sistema de muesca y tope circular moldeado por inyección, un sistema de bola y fiador accionado por resorte, un sistema de pasador y orificio, o similar (no mostrados). El conector de haz y/o el receptáculo pueden tener además características de tope positivo que evitan que las respectivas orejas del conector de haz se enganchen con las lengüetas de receptáculo si se gira en el sentido incorrecto. Las orejas y/o las lengüetas del conector de haz y el receptáculo también pueden tener características de tope que evitan que las orejas del conector de haz giren más allá de las lengüetas de acoplamiento en el receptáculo durante el movimiento de bloqueo.

El conector de haz puede fabricarse de cualquier material que permita la adhesión óptima entre el conector de haz y el material de encapsulación para las fibras huecas. El conector de haz se fabrica preferiblemente de polisulfona, pero pueden utilizarse otros materiales, tales como polietersulfonas, ABS, PVC, poliolefina, o incluso un metal tal como acero inoxidable 316. Tal como se muestra en la figura 3, el extremo de un haz 28 de membranas de fibras huecas está fijado en el conector 48 de haz mediante un material 66 de encapsulación adecuado, normalmente resina epoxídica, aunque pueden utilizarse en su lugar otros materiales de encapsulación. La encapsulación del extremo del haz de fibras huecas en el conector de haz puede llevarse a cabo de una manera convencional, normalmente sellando los extremos de la luz, insertando el extremo del haz de fibras huecas en el conector de haz, y colocando entonces el extremo del haz de fibras huecas en un baño de resina líquida para permitir que la resina permee hacia arriba y alrededor de las fibras individuales del haz mediante acción capilar.

La resina epoxídica u otro material de encapsulación puede extenderse por encima del borde superior del conector de haz por medio de una "extensión de pared" extraíble colocada alrededor del diámetro interno o diámetro externo del conector de haz. La resina epoxídica puede rellenarse entonces hacia el borde superior de la extensión de pared. Es preferible poder extraer esta pared después de que se haya endurecido la resina epoxídica, formando de ese modo una extensión de resina epoxídica por encima de la superficie superior del conector de haz. Esta extensión de pared puede formarse como parte del conector de haz o insertarse en el conector de haz como una pieza separada antes de verter la resina epoxídica. La extensión de pared insertada como una pieza separada puede formarse de cinta, película de polietileno, película de polipropileno, o la extensión insertada como una pieza separada puede formarse de cinta, película de polietileno, película de polipropileno, u otro material flexible. Si la extensión de pared se forma como parte del conector de haz, el material de la extensión de pared será obviamente el mismo material que el resto del conector de haz.

Para ayudar adicionalmente a atrapar o retener el material de encapsulación en el conector de haz, el conector de haz puede dotarse con una o más características de retención en la forma de irregularidades superficiales sobre su superficie interna. Tales características incluyen, por ejemplo, una rugosidad o textura superficial interna, o una o más ranuras 68, para aumentar al área superficial de contacto; un ángulo de tracción en la superficie interna del conector de haz, que puede estar entre aproximadamente 0,5 y 6 grados desde el eje longitudinal, inclinándose hacia fuera desde el extremo distal hasta el extremo proximal del conector de haz; bordes 70 sesgados en el extremo distal del conector de haz; y/o extrusiones 72 de reborde axiales en la superficie interna (en el presente documentos se muestran adyacentes al extremo distal del conector de haz), para evitar el movimiento de rotación del material de encapsulación solidificado en el conector de haz. Se entenderá que también podrían utilizarse otras orientaciones de estas irregularidades superficiales, tales como rebordes anulares, ranuras axiales, rebordes y/o ranuras diagonales, etc.

Aunque en los dibujos se muestra el conector de haz que tiene una sección transversal, pueden emplearse otras geometrías de conector de haz, que incluyen la rectangular, cuadrada, ovalada, elíptica, hexagonal, etc. El conector de haz tiene preferiblemente un diámetro interno, basándose en una sección transversal circular, en un intervalo de aproximadamente 10 a 2.000 mm, preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 10 a 100 mm.

La superficie exterior del conector de haz tiene una forma y un tamaño que se ajustan estrechamente a la superficie interior del receptáculo 26 de acoplamiento. El receptáculo en el colector de recogida puede ser una pieza sin juntas del propio colector de recogida, o puede ser un componente separado que esté unido de manera permanente o no permanente al colector de recogida. Por lo tanto, es posible sustituir el haz de fibras encapsuladas más los conectores de haz unidos sin tener que sustituir todo el colector de recogida con todos los demás haces de fibras (que pueden ser funcionales todavía) del módulo. En el caso de un conector de haz y receptáculo que tienen secciones transversales circulares, el sellado hermético entre el conector de haz y el receptáculo puede formarse mediante una o más juntas tóricas en la superficie interior del receptáculo y/o la superficie exterior del conector de haz. En el caso de geometrías de conector de haz no circulares, pueden emplearse juntas de estanqueidad conformadas y dimensionadas adecuadamente para efectuar el sellado. Las irregularidades superficiales en la forma de salientes de junta solidarios pueden proporcionarse adicional o alternativamente en las superficies de receptáculo y/o conector de haz.

Obviamente, se entenderá que en el caso de geometrías de conector de haz no circulares, que el enganche de las orejas y lengüetas de acoplamiento para bloquear el conector de haz en su sitio en el receptáculo no puede tener lugar mediante un movimiento de bloqueo de torsión, sino que en su lugar se producirá, por ejemplo, mediante un movimiento de bloqueo a presión cuando los bordes inferiores de las orejas 60 encajen a presión en las lengüetas 64. En cualquier caso, el enganche de las orejas y las lengüetas sirve para sujetar el conector de haz firmemente en el receptáculo en un estado sellado herméticamente. Además de bloquear el conector de haz en el receptáculo, las orejas o las lengüetas en el exterior del conector de haz pueden utilizarse como asas externas para la sujeción de herramientas durante el montaje del haz de membrana de fibras huecas. Adicional o alternativamente, el conector de haz puede agarrarse en las superficies 63 planas adyacentes al extremo proximal del conector de haz. Las orejas o lengüetas también permiten que se bloquee fácilmente el conector de haz en dispositivos tal como para probar el equipo durante la fabricación o el montaje en el campo.

En una realización alternativa mostrada en la figura 4, se extiende un tubo 74 de malla de caucho o elastomérico alrededor del extremo del haz 28 de fibras huecas antes de la encapsulación del extremo de haz en el conector 48 de haz. Este tubo de malla no permite que las fibras se muevan de manera apreciable en la región de encapsulación durante las operaciones normales para las que está previsto el elemento de filtración. En su lugar, cualquier movimiento de las fibras se desvía hacia el extremo de la malla de caucho, que puede extenderse, por ejemplo, de aproximadamente un cuarto a varias pulgadas desde la superficie de contacto de encapsulación. Por tanto, las fibras huecas utilizadas para ultra y microfiltración son delicadas y están sometidas a daño de fatiga y fuerzas excesivas por la repetida flexión. En la superficie de contacto con el material de encapsulación, las fibras son propensas a dañarse por tensiones de fuerzas hidráulicas durante la filtración. La tracción y flexión se producen en esta ubicación. El tubo de malla de caucho sirve para minimizar la tracción y flexión cerca de la superficie de contacto y las transfiere hacia las secciones que se mueven más libremente de las fibras que pueden tolerar la tracción y flexión más fácilmente.

En lugar de un tubo malla, puede utilizarse un tubo de caucho continuo. El tubo continuo o de malla tiene preferiblemente una lectura de durómetro de 70 o menos en la escala A. Si se utiliza una malla, puede estar extruida, tricotada o tejida. Un elastómero particularmente preferido es Kraton®, que está disponible comercialmente en calidades aprobadas por la FDA. La razón para el requisito de durómetro bajo es que muchas fibras huecas utilizadas para la filtración son propensas a deformarse si se aprietan entre superficies duras. Sin embargo, el tubo continuo o de malla de caucho flexible de esta realización se adapta a la forma de las fibras cuando se presiona contra las mismas, cuando los haces de fibras se manejan frecuentemente durante la fabricación. Esto minimiza las tensiones y el daño resultante a las fibras en la zona de la encapsulación.

Se entenderá, particularmente en el caso de un tubo de malla, que el material del tubo se incorporará en el propio material de encapsulación, especialmente en el caso de haces de baja densidad de empaquetamiento. Es decir, en lugar de ubicarse entre el interior del conector y el exterior de la encapsulación, el tubo se ubicará adyacente al interior del conector y en o sobre la encapsulación. Además, el tubo no es necesariamente elastomérico, sino que puede ser un material rígido o semirrígido que tenga una superficie blanda y no abrasiva que se circunscriba a la zona en la encapsulación rellenada con las membranas de fibras.

En otra realización (no mostrada), las fibras también se encapsulan en un segundo ajuste moldeado. Cuando se insertan completamente en el segundo ajuste, una pestaña en el extremo encapsulado hace tope con una pestaña en el segundo ajuste, evitando por tanto que el extremo encapsulado se deslice a través del segundo ajuste. Adicionalmente, esta disposición permite que el haz de fibras encapsuladas gire libremente dentro el segundo ajuste, de modo que el haz de fibras no se retuerce durante el montaje o la sustitución del haz. Juntos, el haz de fibras encapsuladas, las pestañas y el segundo ajuste comprenden un "conjunto de haz de fibras". Este conjunto de haz de fibras también realiza una conexión estanca al aire y al agua con las hendiduras de alojamiento preferiblemente circulares u otros receptáculos tanto en los colectores superiores como inferiores en una disposición vertical, o en los colectores adyacentes opuestos en una configuración horizontal. Tal como se describió anteriormente, tal conexión estanca también se consigue por medio de un esquema de unión segura entre el conjunto de haz de fibras, los receptáculos en los colectores opuestos, y una o más juntas tóricas ubicadas en el receptáculo y/o el haz de fibras encapsuladas.

En los módulos de filtración conocidos para aplicaciones de membrana sumergida, las fibras se encapsulan directamente en colectores de recogida de permeado, fijando por tanto los extremos de fibras y proporcionando un conducto para la recogida de permeado. La encapsulación de fibras en colectores es normalmente un procedimiento de múltiples etapas, que puede ser muy sensible a las condiciones ambientales y a menudo se vuelve cada vez más difícil de llevar a cabo con un aumento en el tamaño y área de sección transversal del colector de recogida de permeado en el que se encapsulan las fibras. Según la presente invención, la parte encapsulada de las membranas y el colector de recogida de permeado son unidades físicas independientes, en lugar de fibras huecas que se encapsulan directamente en el colector de recogida de permeado. Las fibras encapsuladas pueden conectarse al colector insertando la parte encapsulada circular en las hendiduras circulares u otro receptáculo en el colector de permeado. La ventaja del diseño separado es que la parte encapsulada puede extraerse fácilmente del colector.

En otra realización (no mostrada), los elementos de membrana de fibras huecas encapsuladas se proporcionan como haces conformados en U de membranas de fibras huecas, de manera que dos extremos encapsulados preferiblemente cilíndricos del haz pueden insertarse en dos hendiduras o receptáculos en la misma fila o en filas adyacentes del mismo colector de recogida de permeado. Aunque tal configuración puede ser deseable por razones económicas, la ventilación puede ser más problemática y hay una probabilidad superior de que se enreden las fibras.

En otra realización, los extremos de fondo de las fibras están sellados, lo que puede ser deseable para longitudes de fibra más cortas. Por en contrario, fibras más largas requieren succión de permeado desde ambos extremos debido a la caída de presión sustancial a través de la luz de fibra. Si la succión se realiza desde sólo un extremo, podría dar como resultado un diferencial de presión a lo largo de la longitud de las fibras, lo que conduce al crecimiento de la capa suciedad irregular porque la capa de suciedad cerca del extremo de la fibra más cercana al colector crecería a una tasa muy superior al extremo sellado, donde la presión de succión es inferior. Sin embargo, la succión desde ambos extremos de haces de fibras largas garantiza un crecimiento de capa de suciedad igual (o casi igual) a lo largo de la longitud de las fibras. Si los extremos inferiores de las fibras están sellados, se prefiere que sólo un colector, el colector superior en una orientación vertical, sea un colector de recogida de permeado.

En las dos últimas realizaciones descritas, puede ser necesario o deseable sólo un colector para cada módulo. Tales configuraciones pueden ser deseables porque el uso de sólo un colector reduce tanto el coste del módulo como el número de piezas contenidas en el mismo.

En una realización mostrada en la figura 9, cada receptáculo 26 en un colector 22 tiene un paso 76 cilíndrico concéntrico central para el flujo del líquido de alimentación. Este paso está conectado hidráulicamente con el líquido de alimentación cuando se inserta un elemento de membrana en el receptáculo. El paso 76 cilíndrico abarca el espesor del colector y sale en la cara 78 superior del colector de manera que se evita que el líquido de alimentación, que fluye libremente a través del paso cilíndrico, se mezcle con el permeado presente dentro del colector. En consecuencia, se evita que el flujo del líquido de alimentación (cuando asciende debido a la acción de agitación de limpieza por ventilación u otros medios) se oriente a un extremo muerto en la parte superior del elemento donde las fibras entran en el extremo 32 encapsulado.

Alternativamente, tal como se muestra también en la figura 9, el paso 76 cilíndrico también puede utilizarse para insertar un tubo 80 de ventilación vertical que abarca la distancia entre los dos colectores paralelos. Cuando se inserta un elemento 24 de membrana en el receptáculo 26, este tubo 80 de ventilación se ubica concéntrica y centralmente de manera preferible dentro del elemento. El tubo tiene preferiblemente una pluralidad de aberturas 82 cuyo tamaño depende de la presión de aire y el caudal deseados. El tubo de ventilación efectúa la ventilación en una dirección hacia fuera radialmente, que expone toda la longitud de los haces de fibras a una acción de limpieza homogénea y muy minuciosa. El tubo está conectado a una tubería de aire (no mostrada) ubicada dentro del volumen interior del colector, que conecta hasta una tubería de alimentación de aire principal o distribuidor 86 (véanse las figuras 8 y 11) ubicado dentro del colector. La tubería de aire en el colector está por tanto aislada del permeado que fluye a través del colector. El tubo de ventilación vertical está configurado para o bien ventilación continua o bien aplicación de aire como impulsos presurizados intermitentes (espumado por aire). Este modo de ventilación radial puede utilizarse exclusivamente o además de ventilación desde difusores ubicados a continuación de colectores de fondo y/o paralelos a y fuera de los haces de fibras.

Específicamente, puede proporcionarse ventilación desde al menos un difusor de ventilación, tal como se muestra en las figuras 2, 4, 8 y 10. Preferiblemente, hay un difusor 84 de ventilación para cada fila de haces y cada difusor de ventilación preferiblemente tiene al menos un orificio o abertura para cada haz en la fila. Los orificios 82 en dos difusores de ventilación son preferiblemente circulares, pero pueden ser de cualquier otra forma, tal como cuadrada, triangular, ovalada, etc. Los orificios 82 están orientados preferiblemente verticalmente, pero también pueden orientarse hacia las filas de haces. En otra realización, un difusor de ventilación comprende tubos paralelos igualmente espaciados entre filas de haces, un tubo por fila de haces, y cada tubo contiene un orificio para cada haz en la fila. En ambas realizaciones, cada orificio emite aire presurizado que proporciona energía de ventilación, espumado, y descarga para los dos haces de fibras en cualquier lado del difusor o tubo. Por tanto, el aire fluye a través del volumen interior del difusor de ventilación, a través de los orificios en el difusor de ventilación, y luego hacia arriba a lo largo del exterior de las longitudes activas de los haces de fibras.

Los difusores de ventilación pueden prepararse a partir de los materiales descritos anteriormente por cualquier método conocido en la técnica tal como se describió anteriormente. Cada difusor de ventilación tiene de manera deseable dos extremos para la unión a las estructuras de soporte del módulo, sin utilizar preferiblemente dispositivos de sujeción, y un puerto de conexión para conectar a un sistema 86 de tubería de aire exterior. El puerto del difusor de ventilación se conecta preferiblemente a un sistema de tuberías de aire en una planta, preferiblemente a través de una unión o ajuste de tubería similar, y está diseñado preferiblemente con roscas macho o hembra, o como un ajuste de casquillo o llave. Sin embargo, los medios de conexión no son críticos para la invención.

Si los colectores en un módulo están espaciados verticalmente, formando un colector superior y uno inferior, tal como se muestra en las figuras 1, 2 y 8, el colector inferior es preferiblemente un colector de recogida de permeado y el(los) difusor(es) 84 de ventilación está(n) ubicado(s) preferiblemente adyacente(s) a este colector inferior, paralelo(s) a la fila de receptáculos en el mismo. Por tanto, el difusor de ventilación efectúa ventilación a lo largo de toda la longitud de membrana activa. Si el colector contiene más de una fila de receptáculos 26, el/los difusor(es) de ventilación está(n) ubicado(s) preferiblemente entre las filas. Pueden ubicarse difusores de ventilación adicionales en el mismo plano horizontal que el primer difusor y entre dos módulos adyacentes en un dispositivo.

Alternativamente, si los colectores están orientados en una configuración espaciada horizontalmente con respecto a otra, dos difusores 84 de ventilación son preferiblemente paralelos al eje longitudinal de los elementos de membrana y están por debajo del elemento de membrana más inferior, tal como se muestra en la figura 10. Si hay más de un difusor de ventilación, son preferiblemente coplanares.

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Los difusores de ventilación pueden integrarse en la estructura del módulo de membrana de modo que se moldean o mecanizan con el resto del colector de recogida de permeado, lo que podría reducir el coste y el número de piezas en el módulo. Alternativamente, el(los) difusor(es) de ventilación puede(n) instalarse por separado en una relación espacial deseada con respecto al resto de los haces de fibras, lo que reduciría el gasto asociado con moldear piezas complejas.

Por tanto, puede exponerse un haz de fibras a ventilación desde el fondo, desde ambos lados y/o opcionalmente desde el interior (ventilación radial), lo que mejora la acción de limpieza. El modo de ventilación utilizado puede ser ventilación continua o espumado por aire en la forma de impulsos intermitentes.

En una realización, cada colector 22 de recogida de permeado comprende además una zona abierta entre dos filas de receptáculos 26 o hendiduras, tal como se muestra en la figura 2. La zona abierta es preferiblemente rectangular en general, pero también puede ser cuadrada, circular, elíptica, o de cualquier otra forma. La zona abierta está diseñada para el flujo libre del líquido que va a filtrarse. En la orientación vertical de los colectores de recogida de permeado, el(los) difusor(es) 84 de ventilación está(n) ubicado(s) preferiblemente en la zona abierta del colector de recogida de permeado inferior.

En una realización, el dispositivo de filtración de membrana modular según la invención comprende al menos dos módulos, cada uno tal como se describió anteriormente. En una realización, los módulos 20 se apilan en columnas verticales de manera que un módulo se coloca sobre la parte superior de otro módulo, tal como se muestra por ejemplo en la figura 11, que representa varios dispositivos juntos. Los módulos 20, cada uno configurado de manera que los planos de colectores están en orientación horizontal, se apilan uno sobre la parte superior del otro de manera que el colector 90 inferior de un módulo está sobre la parte superior de y recubre completamente el colector 92 superior de un segundo módulo. En una realización preferida, el dispositivo contiene aproximadamente de dos a ocho módulos individuales, que son preferiblemente idénticos. Sin embargo, también está dentro del alcance de la invención utilizar un número de módulos superior, que pueden ser diferentes entre sí.

Tal como se muestra en la figura 8, los módulos en un dispositivo pueden conectarse entre sí mediante los soportes o barras rígidas que mantienen las distancias fijas entre cada colector. La conexión para formar un banco de dispositivos o módulos puede llevarse a cabo conectando o indexando módulos o dispositivos lado por lado. Cada colector está conectado preferiblemente a una tubería horizontal o distribuidor 54 de permeado a través de un puerto 52 de recogida de permeado presente en cada colector. Todas las tuberías horizontales, que conectan los colectores de módulos individuales, se conectan a una tubería 55 de recogida de permeado principal en el sistema. Los módulos están configurados de manera que puede aplicarse vacío simultáneamente a todos los módulos componentes en un banco.

Se observará, por ejemplo en la figura 8, que los módulos 20 separados están dispuestos lado por lado de una manera a modo de cajón. Estos módulos se proporcionan en un armazón o bastidor 96 que tiene carriles 97 de guía interiores sobre los que deslizan los colectores para permitir que el módulo deslice hacia dentro y hacia fuera del armazón. Puesto que las conexiones de extremo del colector (puertos de permeado) se insertan en un acoplamiento en el distribuidor de permeado, los módulos pueden retirarse fácilmente del distribuidor cuando se tira del módulo desde el armazón para el mantenimiento. En uso, los módulos se sujetan en el armazón mediante barras 98 de bloqueo.

Alternativamente, tal como se muestra en la figura 10, un módulo puede contener dos soportes verticales paralelos, en los que la anchura de cada soporte es aproximadamente igual a la anchura de los colectores. Cada colector está unido preferiblemente con cuatro dispositivos de sujeción (no mostrados) a los soportes, dos en cada soporte. Sin embargo, los medios de sujeción no son críticos para la invención. Los soportes tienen preferiblemente características de retención para un difusor de ventilación de una única pieza que proporciona la ventilación para cada fila de haces de fibras en el módulo. En la figura 11, se ilustra un dispositivo de filtración que comprende cuatro pilas verticales de dos módulos cada una (representadas con colectores y membranas simplificados). Tales dispositivos pueden indexarse lado por lado, formando un banco que contiene módulos apilados verticalmente, de manera que la energía de ventilación del módulo inferior proporciona ventilación parcial al módulo directamente por encima del mismo.

Además de los difusores de ventilación en los módulos individuales que comprenden el dispositivo de filtración, el dispositivo puede comprender además difusores de ventilación adicionales ubicados entre módulos adyacentes y paralelos al difusor de ventilación en cada módulo.

También se proporciona un dispositivo que tiene múltiples módulos que contienen elementos de membrana horizontales, tal como se describió anteriormente en referencia a la figura Fig. 10. En un dispositivo de este tipo, los módulos se apilan unos sobre la parte superior de otros, de manera que los planos de colectores forman una columna vertical. Por tanto, los colectores forman paredes que se extienden verticalmente espaciadas horizontalmente en las que los colectores 22 de recogida de permeado definen canales de flujo verticales que soportan los elementos 24 de membrana orientados horizontalmente. El dispositivo que tiene membranas horizontales puede comprender además una fila de difusores 84 de ventilación por debajo de las membranas más bajas en el módulo más bajo para proporcionar ventilación y/o espumado por aire para todos los módulos en la columna.

En cualquier configuración vertical u horizontal, el dispositivo contiene preferiblemente un material 94 de revestimiento que recubre las caras más exteriores (véase la figura 1). El material de revestimiento funciona para contener la energía asociada con la ventilación y, en particular, la energía resultante de la pulsación de aire en un procedimiento de espumado por aire. Las paredes o revestimiento alrededor del módulo atrapan las burbujas que fluyen hacia arriba dentro del volumen del módulo de modo que las burbujas chocan con las fibras. La utilización de estas burbujas impide que escapen fuera, donde se perdería su energía. El revestimiento 94 también funciona para rodear membranas de fibras huecas dentro de los confines del volumen del módulo. Sin un revestimiento circundante, las fibras pueden dispersarse fuera del volumen del módulo y volverse susceptibles al daño por módulos cercanos que están moviéndose hacia dentro y hacia fuera del tanque alimentado para el mantenimiento, por ejemplo.

El material de revestimiento puede ser un material poroso, no poroso, rígido, no rígido, tejido, tricotado, extruido o elástico. Por ejemplo, el material de revestimiento puede ser un material rígido, tal como polipropileno, polietileno o PVC; un material elástico, tal como una lámina de caucho; o un material tejido, no rígido, tal como una lámina de material textil. En la realización mostrada en la figura 10, las dos estructuras de soporte (membranas 50 rígidas) en el módulo, que se moldean por inyección preferiblemente a partir de un material de polipropileno con relleno de vidrio para proporcionar rigidez a las estructuras, proporcionan un revestimiento o pared sobre dos lados del módulo. Debido a que los módulos pueden indexarse lado por lado en un banco, las paredes pueden no ser necesarias en los dos lados que se tocan. Sin embargo, pueden ser deseables paredes adicionales en las extremidades de un sistema de módulos o banco. Los revestimientos 94 pueden proporcionarse entre los módulos.

La presente invención tiene varias ventajas sobre la técnica anterior. Por ejemplo, el pequeño diámetro de los haces de fibras (preferiblemente de aproximadamente 20 a 100 mm) simplifica el procedimiento de encapsulación y lo hace más controlable y adecuado para técnicas de encapsulación automatizadas tales como la encapsulación centrífuga. En tal método, los haces se insertan en una centrífuga justo después de que se vierta la resina epoxídica. La centrífuga impone fuerzas sobre la resina epoxídica de curado que ayudan a eliminar burbujas en la resina epoxídica, que son problemáticas porque son una fuente de fugas en la resina epoxídica. Esto puede reducir el coste de mano de obra y tiempo requeridos para la encapsulación, mejorar la reproducibilidad en la encapsulación, y aumentar el rendimiento del procedimiento.

En los módulos de filtración tradicionales, un módulo que contiene una fibra defectuosa debe aislarse hidráulicamente del resto del sistema para reparar o sustituir la fibra. Puesto que todo el módulo debe ponerse fuera de línea, puede perderse una fracción significativa del área superficial de membrana total en el sistema de filtración durante el tiempo requerido para reparar o sustituir la fibra. Por el contrario, en los módulos según la presente invención, los haces de membranas encapsulados se extraen fácilmente del módulo y pueden simplemente desconectarse de sus receptáculos. Por lo tanto, sólo es necesario extraerse el haz de fibras que tiene la fibra defectuosa para la reparación, mientras que el resto del módulo todavía está disponible para la filtración. En consecuencia, la acción de filtración del área superficial de membrana disponible total perdida durante la reparación o sustitución de fibras se reduce significativamente.

Además, en los módulos según la invención, los elementos de membrana son relativamente más pequeños y tienen áreas superficiales de membrana inferiores que las membranas tradicionales, así como que son sustituibles de manera conveniente e independiente. En consecuencia, las membranas para su uso en los módulos pueden formarse de fibras con resistencia a la ruptura media, que son relativamente económicas, tales como propileno. Sin embargo, cualquier material de fibra conocido en la técnica sería apropiado para la presente invención. La opción de utilizar fibras de resistencia a la ruptura media representa una ventaja económica significativa con respecto a algunos módulos de la técnica anterior, en los que se utilizaban fibras más costosas, tales como las que contienen refuerzo, para reducir defectos de fibras y para reducir la frecuencia de poner un módulo entero fuera de línea para reparación o sustitución de fibras. Según la presente invención, puesto que los haces de membranas pueden sustituirse de manera conveniente e independiente sin tener que poner el módulo fuera de línea durante periodos de tiempo significativos, no necesitan reforzarse necesariamente con coste de fabricación adicional. Si una fibra se rompe, una pequeña fracción de todo el sistema estaría fuera de línea durante un periodo de tiempo más corto.

Finalmente, el diseño de módulo según la invención hace las membranas más adecuadas para la limpieza utilizando espumado por aire aplicando aire como impulsos intermitentes. El procedimiento de espumado por aire reduce significativamente la tasa de suciedad de las membranas y representa una reducción significativa en los costes de ventilación en comparación con los modos continuos o intermitentes de ventilación que se utilizan normalmente en aplicaciones de membranas sumergidas. La constitución del módulo como una recopilación de elementos de membrana (haces) más pequeños ayuda a la disipación uniforme de energía asociada con un impulso de aire, lo que a su vez mejora la eficacia de limpieza. Adicionalmente, el material de revestimiento que rodea las filas de módulos apilados ayuda a contener la energía asociada con los impulsos de aire dentro del dispositivo.

Claims (23)

1. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular para filtración en membrana desde fuera hacia dentro de un líquido (40) de alimentación que contiene al menos un sólido suspendido, comprendiendo el dispositivo (36) al menos un módulo (20) que comprende al menos un colector (22, 90, 92) que es un colector (22, 90, 92) de recogida de permeado solidario que tiene una pluralidad de receptáculos (26) para alojar una pluralidad de elementos (24) de membrana, en el que cada elemento (24) de membrana comprende al menos un haz (28) de membrana de fibras huecas encapsuladas que comprende una pluralidad de membranas (30) de fibras huecas orientadas transversales al al menos un colector (22, 90, 92), teniendo cada elemento (24) de membrana una conexión separable entre un extremo (32) encapsulado del haz (28) de membrana de fibras huecas y uno de los receptáculos (26) en el al menos un colector (22, 90, 92) de recogida de permeado, y en el que la conexión separable proporciona una conexión hidráulica estanca al agua entre el al menos un colector (22, 90, 92) de recogida de permeado y luces (34) en las membranas de fibras huecas; caracterizado porque el dispositivo (20) modular comprende además un cierre desprendible para desmontar uno de los elementos (24) de membrana de uno de los receptáculos (26), de manera que cuando el elemento (24) está desmontado, el cierre aísla hidráulicamente el receptáculo (26) sin el elemento (24) de membrana del líquido de alimentación.

2. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 1, en el que el al menos un módulo (20) comprende dos colectores (90, 92) y al menos algunas de la pluralidad de membranas (30) de fibras huecas tienen una longitud en exceso de aproximadamente el 0,2% al 20% de una distancia entre los dos colectores (90, 92).

3. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 2, en el que la longitud en exceso es de superior al 5% a aproximadamente el 10%.

4. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el al menos un módulo (20) comprende dos colectores (90, 92) espaciados vertical u horizontalmente y en el que el dispositivo (36) comprende además un soporte (50) rígido que conecta los dos colectores (90, 92) para mantener una distancia fija.

5. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el al menos un colector (22) de recogida de permeado comprende al menos una fila de receptáculos (26) para alojar la pluralidad de elementos (24) de membrana.

6. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada uno de los receptáculos (26) tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en circular, ovalada, cuadrada, rectangular y romboidal.

7. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cierre se selecciona del grupo que consiste en una válvula y un mecanismo accionado por resorte.

8. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo (20) modular comprende un dispositivo (48) para la unión o el desmontaje rápidos del elemento (24) de membrana de la pluralidad de receptáculos (26).

9. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo (20) comprende al menos dos colectores (90, 92) de recogida de permeado espaciados en una configuración paralela, y comprende además al menos un difusor (84) de ventilación que tiene una pluralidad de aberturas (82) para suministrar un gas en proximidad exterior a las membranas (30) de fibras huecas.

10. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 9, en el que el tubo (84) de ventilación está configurado para la ventilación continua y para la aplicación de aire como impulsos intermitentes.

11. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, que comprende una pluralidad de difusores (84) de ventilación dispuestos adyacentes a una parte inferior del al menos un módulo (20).

12. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que los difusores (84) de ventilación comprenden tubos de ventilación perforados dispuestos paralelos a un eje longitudinal del haz (28) de membrana de fibras huecas.

13. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 12, en el que los tubos de ventilación perforados están dispuestos uno dentro de cada haz (28) de membrana de fibras huecas.

14. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el que el al menos un colector (90, 92) de recogida de permeado comprende al menos dos filas de receptáculos (26) y al menos una zona abierta entre las al menos dos filas de receptáculos (26) para el flujo libre del líquido de alimentación, y en el que la al menos una zona abierta contiene al menos un difusor (84) de ventilación.

15. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el al menos un módulo (20) comprende dos colectores (90, 92) espaciados horizontalmente en una configuración paralela con elementos (24) de membrana que tienen ejes longitudinales que se extienden de manera sustancialmente horizontal entre los colectores, y que comprende además al menos un difusor (84) de ventilación dispuesto paralelo a un eje longitudinal de al menos uno de la pluralidad de elementos (24) de membrana y por debajo de la pluralidad de elementos (24) de membrana.

16. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo comprende al menos dos módulos (20) que comprenden cada uno dos colectores (90, 92) espaciados verticalmente para formar un colector (90, 92) superior y uno inferior, y los al menos dos módulos (20) están apilados uno sobre el otro para formar una columna vertical de módulos (20) de manera que un colector (92) superior de un primer módulo (20) se encuentra por debajo de un colector (90) inferior de un segundo módulo (20), y en el que el dispositivo (36) defines caras exteriores.

17. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 16, en el que el dispositivo (36) comprende aproximadamente de dos a ocho módulos (20).

18. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones 16 ó 17 dependiente de la reivindicación 9, que comprende además un material (94) de revestimiento que recubre las caras exteriores abiertas del al menos un módulo (20), en el que el material (94) de revestimiento rodea la pluralidad de membranas (24) de fibras huecas y contiene energía producida por la ventilación dentro de un volumen de módulo confinado por el material (94) de revestimiento.

19. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 18, en el que el material (94) de revestimiento se selecciona del grupo que consiste en un material poroso, un material no poroso, un material tejido, un material tricotado, un material extruido, un material rígido, un material elástico y un material no rígido.

20. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo (36) es sumergible.

21. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 20, en el que el dispositivo (36) es sumergible en un líquido (40) de alimentación de manera que la filtración de membrana puede resultar afectada por un vacío creado en las luces (34) de las membranas (30) de fibras huecas mediante un dispositivo de succión.

22. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 20, en el que el dispositivo (36) puede colocarse en un recinto presurizado de manera que la filtración de membrana puede resultar afectada por la presión en el recinto.

23. Dispositivo (36) de filtración de membrana modular según la reivindicación 9, en el que el al menos un módulo (20) define caras exteriores y comprende un material (94) de revestimiento que recubre al menos una cara exterior abierta de las caras exteriores, en el que el material (94) de revestimiento rodea la pluralidad de membranas (24) de fibras huecas y contiene energía producida por la ventilación dentro de un volumen confinado por las caras exteriores del dispositivo (36).