Un sistema de purificación de agua de ósmosis inversa que comprende:

una fuente de agua que ha de ser purificada; una turbina de impulso (103; 224) para proporcionar una recuperación de energía; una bomba de alimentación (101; 201) conectada operativamente a la turbina de impulso para alimentar una fuente de agua a alta presión que ha de ser purificada; un turbocompresor hidráulico (108; 208) que tiene un extremo T de turbina y un extremo P de bomba, teniendo el extremo P de bomba una entrada para recibir un suministro de agua sin purificar presurizada por la bomba de alimentación (101; 201) y una salida que descarga el agua sin purificar a alta presión; una cámara de membrana de purificación (112; 212) que tiene una entrada conectada operativamente al extremo P de bomba del turbocompresor hidráulico (108; 208) para recibir agua sin purificar a alta presión, teniendo la cámara de membrana de purificación (112; 212) una salida para descargar agua purificada en la cámara de membrana (112; 212), teniendo la cámara de membrana de purificación (112; 212) una abertura de descarga para descargar agua sin purificar a alta presión desde la cámara de membrana de purificación (112; 212), estando conectada operativamente la abertura de descarga para agua sin purificar descargada que ha de ser conducida al extremo T de la turbina del turbocompresor hidráulico (108; 208); y a la turbina de impulso (224),

por lo que el agua sin purificar a alta presión de la cámara de membrana (112; 212) de purificación puede ser usada para accionar el extremo T de turbina del turbocompresor hidráulico (108; 208) y/o para accionar la turbina de impulso (103; 224)

Método y aparato para mejorar la eficiencia de un sistema de ósmosis inversa.

Antecedentes del invento

El invento se refiere a un sistema de recuperación de energía nuevo y útil para reducir los requisitos de energía de muchos procesos industriales y de purificación de líquidos que implican el bombeo de líquidos o gases a presiones elevadas. Este invento es particularmente muy adecuado para usar en procesos de ósmosis inversa que son usados para eliminar la sal del agua de mar. En el sistema de ósmosis inversa y otros sistemas en los que el invento es particularmente muy adecuado para su uso, un líquido o gas es bombeado a alta presión a una cámara. En la cámara una parte del líquido o gas es purificada o tratada de otro modo y extraída de la cámara. El resto del gas o líquido a alta presión es descargado desde la cámara como residuo que es desechado. El residuo está usualmente a una presión muy elevada y esta presión debe ser disipada a través del uso de una válvula de estrangulación u otro dispositivo. Usualmente la válvula de estrangulación reduce la presión en la corriente de residuo a 0 bares esencialmente de modo que toda la energía de presión en la corriente de residuo es disipada y no proporciona beneficio adicional al proceso. Estas pérdidas de energía pueden ser muy significativas y dar como resultado una ineficiencia básica en el sistema. En el uso de métodos de ósmosis inversa para eliminar la sal del agua de mar estos costes elevados de energía asociados con tal sistema ineficiente tienen severamente limitadas las aplicaciones comerciales de la tecnología.

Se han intentado varios métodos para recuperar la energía en la corriente de residuo con el fin de reducir los costes operativos de procesos industriales o de purificación de líquidos. Con respecto a sistemas de ósmosis inversa, se han usado pistones con válvulas accionadas mecánicamente que están posicionados en dispositivos que se parecen a máquinas de pistón de vapor. Sin embargo, estos dispositivos no han encontrado aceptación comercial debido al elevado coste y elevado mantenimiento requeridos debido a los diseños mecánicamente complejos del sistema. Además, estos sistemas producen ondas de choque fuertes en el flujo de alimentación denominadas ariete de agua, cada vez que una válvula se abre o se cierra dando como resultado un posible daño a los componentes del sistema de ósmosis inversa.

Otros sistemas han usado una turbina accionada por el residuo a alta presión que es descargado desde el sistema. La turbina está conectada al motor que acciona la bomba de alimentación. Para una buena eficiencia, una turbina debe funcionar a velocidades muy elevadas, excediendo usualmente de 15.000 rpm. Esta velocidad elevada significa que debe instalarse una caja de engranajes reductores entre la unidad de turbina y el motor de la bomba de alimentación para transferir efectivamente la potencia de la turbina al motor de la bomba de alimentación. La caja de engranajes reductores es una pieza de equipamiento muy cara y requiere mucha habilidad para instalarla y mantenerla apropiadamente. Una caja de engranajes también requiere medios externos de lubricación aumentando además los costes de mantenimiento. También es posible que la lubricación pueda contaminar el agua que es alimentada al sistema de ósmosis inversa. También deben preverse cierres herméticos de alta velocidad en el árbol entre la turbina y la caja de engranajes reductores de la velocidad. Estos cierres herméticos de alta velocidad también son caros y usualmente no muy fiables en aplicaciones de campo. Por las razones anteriores ha habido una aceptación comercial muy limitada de este tipo de sistema de recuperación de potencia para usar en procesos de ósmosis inversa.

Otros métodos incluyen los sistemas de turbina de bomba de recuperación de potencia que han sido descritos en las Patentes Norteamericanas nº 4.983.305; nº 4.966.708 y nº 5.048.045, que fueron inventadas por el mismo inventor de la presente.

Sumario del invento

De acuerdo con el presente invento se ha proporcionado un sistema de purificación de agua de ósmosis inversa que comprende:

una fuente de agua que ha de ser purificada;

una turbina de impulso para proporcionar la recuperación de energía;

una bomba de alimentación conectada operativamente a la turbina de impulso para alimentar una fuente de agua a presión elevada que ha de ser purificada;

un turbocompresor hidráulico que tiene un extremo de turbina T y un extremo de bomba P, teniendo el extremo de bomba P una entrada para recibir un suministro de agua sin purificar presurizada por la bomba de alimentación y una salida que descarga el agua sin purificar a presión elevada;

una cámara de membrana de purificación que tiene una entrada conectada operativamente al extremo P de bomba del turbocompresor hidráulico para recibir agua sin purificar a presión elevada, teniendo la cámara de membrana de purificación una salida para descargar agua purificada en la cámara de membrana, teniendo la cámara de membrana de purificación una abertura de descarga para descargar agua sin purificar a presión elevada desde la cámara de membrana de purificación, estando conectada operativamente la abertura de descarga para agua sin purificar descargada que ha de ser conducida al extremo T de turbina del turbocompresor hidráulico; y la turbina de impulso.

por lo que el agua sin purificar a presión elevada de la cámara de membrana de purificación puede ser usada para accionar el extremo T de turbina del turbocompresor hidráulico y/o para accionar la turbina de impulso.

En una realización del invento la cámara de membrana de purificación que tiene una entrada conectada al extremo de bomba del turbocompresor hidráulico es una segunda cámara de membrana de purificación; una primera cámara de membrana de purificación tiene una entrada conectada operativamente a la bomba de alimentación para recibir un suministro de agua sin purificar a presión elevada procedente de la bomba libre, teniendo la primera cámara de membrana de purificación una salida para descargar agua purificada en la primera cámara de membrana de purificación, y teniendo la primera cámara de membrana de purificación una abertura de descarga para descargar agua sin purificar a presión elevada desde la primera cámara de membrana de purificación; y el extremo de bomba del turbocompresor hidráulico tiene una entrada para recibir el agua sin purificar a presión elevada desde la primera cámara de membrana de purificación.

De acuerdo con otra construcción la entrada del extremo de bomba del turbocompresor hidráulico recibe un suministro de agua sin purificar procedente de la bomba de alimentación.

El presente invento es un perfeccionamiento de la patente norteamericana nº 4.983.305 que fue inventado por el mismo inventor de la presente. La Patente nº 4.983.305 describe el uso de un turbocompresor hidráulico para proporcionar un aumento de presión a un vapor de agua salada o salmuera de un sistema de ósmosis inversa de dos etapas que tiene al menos dos cámaras de membrana de purificación. El flujo y presión que han estimulado la sección de turbina del turbocompresor fue el residuo (agua salada) de la segunda etapa. Aumentando la presión entre la primera y segunda etapas ha proporcionado varias ventajas. En primer lugar, la presión aumentada incrementó la producción de agua de la segunda etapa. Sin embargo, se ha requerido una presión elevada para corresponder con la presión osmótica aumentada debido a la mayor salinidad de la segunda etapa de alimentación de agua. En segundo lugar, la presión aumentada equilibró sustancialmente el caudal entre la membrana de la primera y la segunda etapa, impidiendo por ello la superproducción perjudicial de la membrana de la primera etapa. En tercer lugar, la velocidad de flujo incrementada disminuyó la polarización de la capa de agua en la superficie de membrana que también aumentó la producción del agua de producto purificada. En cuarto lugar, la mayor presión y velocidad del sistema aumentado entre etapas también dio como resultado en una menor cantidad de sólidos disueltos totales del agua de producto. Finalmente, usando un turbocompresor hidráulico, la energía necesaria para proporcionar el aumento de presión fue energía recuperada de la salmuera de la segunda etapa, haciendo este tipo de sistema de ósmosis inversa el más eficiente de energía sobre una base de Kw/l.

Cuando la eficiencia del turbocompresor resulta lo bastante elevada, por ejemplo aproximadamente del 55%, entonces se consigue un nivel suficiente de aumento de presión en la segunda...

1. Un sistema de purificación de agua de ósmosis inversa que comprende:

una fuente de agua que ha de ser purificada; una turbina de impulso (103; 224) para proporcionar una recuperación de energía; una bomba de alimentación (101; 201) conectada operativamente a la turbina de impulso para alimentar una fuente de agua a alta presión que ha de ser purificada; un turbocompresor hidráulico (108; 208) que tiene un extremo T de turbina y un extremo P de bomba, teniendo el extremo P de bomba una entrada para recibir un suministro de agua sin purificar presurizada por la bomba de alimentación (101; 201) y una salida que descarga el agua sin purificar a alta presión; una cámara de membrana de purificación (112; 212) que tiene una entrada conectada operativamente al extremo P de bomba del turbocompresor hidráulico (108; 208) para recibir agua sin purificar a alta presión, teniendo la cámara de membrana de purificación (112; 212) una salida para descargar agua purificada en la cámara de membrana (112; 212), teniendo la cámara de membrana de purificación (112; 212) una abertura de descarga para descargar agua sin purificar a alta presión desde la cámara de membrana de purificación (112; 212), estando conectada operativamente la abertura de descarga para agua sin purificar descargada que ha de ser conducida al extremo T de la turbina del turbocompresor hidráulico (108; 208); y a la turbina de impulso (224),

por lo que el agua sin purificar a alta presión de la cámara de membrana (112; 212) de purificación puede ser usada para accionar el extremo T de turbina del turbocompresor hidráulico (108; 208) y/o para accionar la turbina de impulso (103; 224).

2. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de la reivindicación 1, en el que:

la cámara de membrana de purificación (112; 212) que tiene una entrada conectada operativamente al extremo P de la bomba del turbocompresor hidráulico (108; 208) es una segunda cámara de membrana de purificación (112; 212); una primera cámara de membrana de purificación (104) tiene una entrada conectada operativamente a la bomba de alimentación para recibir un suministro de agua sin purificar a alta presión desde la bomba de alimentación (101), teniendo la primera cámara de membrana de purificación (104) una salida para descargar agua purificada en la primera cámara de membrana de purificación (104), y teniendo la primera cámara de membrana de purificación (104) una abertura de descarga para descargar agua sin purificar a alta presión desde la primera cámara de membrana de purificación (104); y el extremo P de la bomba del turbocompresor hidráulico (108) tiene una entrada para recibir el agua purificada a alta presión desde la primera cámara de membrana de purificación (104).

3. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de la reivindicación 2, en el que una válvula de derivación de la segunda etapa (124) está posicionada entre la segunda cámara de membrana de purificación (112) y la turbina de impulso (103).

4. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de las reivindicaciones 2 o 3, en el que una válvula de aguja (122) de entrada de la turbina de impulso está posicionada entre la segunda cámara de membrana de purificación (112) y la turbina de impulso hidráulico (103).

5. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de las reivindicaciones 2, 3 o 4, en el que la turbina de impulso (103) está conectada operativamente en una configuración en paralelo con una válvula de derivación (124) y la bomba de alimentación (101).

6. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de la reivindicación 3, en el que la turbina de impulso (103) está conectada operativamente en una configuración en serie con una válvula de aguja (122) de entrada de la turbina de impulso, una válvula de derivación (124) y la bomba de alimentación (101).

7. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de la reivindicación 1, en el que la entrada del extremo de bomba del turbocompresor hidráulico (208) recibe un suministro de agua sin purificar desde la bomba de alimentación (201).

8. El sistema de purificación de agua de ósmosis inversa de la reivindicación 7, en el que una válvula de aguja (230) de área variable está posicionada entre la turbina de impulso (224) y la cámara de membrana de purificación (212).