Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10), caracterizado porque:

una pluralidad de membranas de ósmosis inversa en forma de bolsa (2), elementos de paso de líquido filtrado (3) dispuestos en el interior de dichas membranas de ósmosis inversa (2), y una pluralidad de elementos de paso de líquido de alimentación (4) intercalados entre las dichas membranas de ósmosis inversa (2) están enrollados alrededor de una superficie externa de un tubo hueco (1) de modo que sólo los interiores de dichas membranas de ósmosis inversa (2) comunican con orificios de paso (1a) formados en la superficie de dicho tubo hueco (1); cada uno de los dichos elementos de paso de líquido de alimentación (4) es un elemento en malla que tiene una serie de mallas cuadriláteras formadas por una pluralidad de elementos lineales que se cruzan; dos puntos opuestos de convergencia (7c, 7d) sobre cuatro puntos de convergencia (7c, 7d, 7e, 7f) de cada una de dichas mallas cuadriláteras están ajustados paralelamente a una dirección axial de dicho tubo hueco (1); y se satisfacen las relaciones 2 mm ≤q X ≤q 5 mm y X ≤q Y ≤q 1,8X donde X designa una distancia entre los dichos puntos de convergencia (7e, 7f) en una dirección perpendicular a la dirección axial de dicho tubo hueco (1) e Y designa una distancia entre los dichos puntos de convergencia (7c, 7d) en la dirección axial de dicho tubo hueco, caracterizado porque dicho elemento de paso de líquido filtrado (3) comprende un elemento de tejido o tejido de punto (8b) de 0,15 a 0,4 mm de espesor medio que tiene una pluralidad de ranuras (8a) por lo menos sobre uno de sus lados y un elemento de tela permeable al líquido (8c) de 0,05 a 0,2 mm de espesor medio colocado sobre la superficie ranurada de dicho elemento de tejido o tejido de punto (8b)

Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa.

Campo de la técnica

La invención presente se relaciona con un elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa como se define en la reivindicación 1 capaz de producir agua filtrada con una pequeña cantidad de energía de entrada a bajo coste, una gran expulsión de sal y una alta velocidad de permeación de agua o velocidad del caudal del agua cuando se aplica a la desalinización del agua de mar, y se relaciona con un módulo de membrana de ósmosis inversa utilizando el elemento ya mencionado, un aparato de separación de ósmosis inversa que incorpora el módulo, y un método de separación de ósmosis inversa.

Antecedentes de la técnica

Un método de separación de ósmosis inversa es un método para obtener líquido filtrado que tiene una baja concentración de soluto pasando una disolución por una membrana de ósmosis inversa a una presión más alta que su presión osmótica para así separar y quitar parte de un soluto. El método de separación de ósmosis inversa se adopta en campos técnicos como la desalinización del agua de mar, desalinización de agua salobre, producción de agua ultrapura, concentración de aguas residuales, y la recuperación de objetos de valor de las aguas residuales.

Sobre todo en la desalinización del agua de mar, el método de separación de ósmosis inversa se empieza a utilizar ampliamente ya que no implica un cambio de fase, necesita menos energía y es más fácil de controlar en comparación con un método de evaporación convencional.

Para realizar el método de separación de ósmosis inversa, se utiliza un elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa, por ejemplo, cuya estructura será descrita abajo en referencia a los dibujos.

La figura 1 es una vista esquemática en corte de la perspectiva del elemento, y la figura 2 es una vista transversal tomada a lo largo de la línea II-II de la figura 1.

El elemento tiene un tubo hueco 1 dispuesto en el centro del elemento y que tiene una superficie del mismo formado con una pluralidad de orificios 1a. Membranas de ósmosis inversas 2, elementos de paso de líquido filtrado 3, y elementos de paso de líquido de alimentación 4 están arrollados alrededor de la superficie externa del tubo hueco 1 de una manera descrita abajo.

Cada membrana de ósmosis inversa 2 tiene una forma parecida a una bolsa en su conjunto, y está dispuesto un elemento de paso de líquido filtrado 3. Las membranas de ósmosis inversa en forma de bolsa 2 se sujetan a la superficie externa del tubo hueco 1 con sus aperturas 2a envolviendo orificios de paso 1a formados en el tubo hueco 1 de modo que el interior de las membranas de ósmosis inversas 2 y los elementos de paso de líquido filtrado 3 puedan comunicarse con los orificios 1a.

Cada elemento de paso de líquido de alimentación 4 está dispuesto entre membranas de ósmosis inversas 2 conectadas entre sí, y elementos de armazón 5 configurados para permitir que el líquido pase a través de ellos, están conectados a ambos extremos de la membrana y al montaje de elemento de paso, por el cual se alcanza la estructura en espiral.

El elemento arriba mencionado se dispone en un recipiente a presión y se adapta para ser suministrado en su extremo (lado corriente arriba) con el líquido de alimentación 6 a una presión predeterminada.

Como el líquido de alimentación 6 fluye a lo largo de los elementos de paso de líquido de alimentación 4, experimenta la separación de ósmosis inversa por las membranas de ósmosis inversas 2, para ser separado en el líquido filtrado y un soluto. El líquido filtrado, que pasa por las membranas de ósmosis inversas 2 y que tiene una baja concentración de soluto, fluye por orificios 1a y se acaba en el tubo hueco 1. El líquido filtrado 6a es entonces sacado del lado corriente abajo del elemento.

El líquido de alimentación que no ha pasado por las membranas de ósmosis inversas 2 sigue fluyendo a lo largo de los elementos de paso de líquido de alimentación 4 hacia el lado corriente abajo. En el curso del flujo, el líquido de alimentación recoge el soluto separado del líquido de alimentación y a la izquierda sobre las superficies de la membrana, para volverse líquido concentrado 6b que tiene una alta concentración de soluto.

Hay un problema crítico en el funcionamiento del elemento ya que el rendimiento de elemento baja debido a la polarización de la concentración.

La polarización de la concentración es un fenómeno donde las sustancias contaminantes, como impurezas y contaminantes contenidos en el líquido de alimentación, están enriquecidos sobre las superficies de membranas de ósmosis inversas 2 que están en contacto con elementos de paso de líquido de alimentación 4, de modo que el soluto y la concentración de sustancia que contamina el líquido de alimentación se hace mayor sobre la superficie de la membrana. Por consiguiente, la presión osmótica se hace más alta.

Cuando se produce la polarización de la concentración, la cantidad de líquido filtrado disminuye e impurezas como el gel y sarro se precipitan sobre la superficie de la membrana. Por esta razón, la membrana de ósmosis inversa no puede desarrollar su capacidad y baja el rendimiento del elemento.

El acontecimiento de la polarización de la concentración puede ser suprimido haciendo turbulento el flujo del líquido de alimentación sobre la superficie de la membrana. Por ejemplo, el flujo turbulento se produce más fácilmente utilizando el elemento de paso de líquido de alimentación 4 de un grosor más pequeño para aumentar la velocidad lineal del líquido de alimentación sobre la superficie de la membrana, de modo que la capa de la polarización de la concentración pueda disminuir.

Con el elemento de paso de líquido de alimentación 4 teniendo un grosor más pequeño, sin embargo, el paso definido por el elemento de paso de líquido de alimentación 4 se obstruye fácilmente con las sustancias de contaminación contenidas en el líquido de alimentación como impurezas y microorganismos. Por consiguiente, baja el rendimiento del elemento y aumenta la pérdida de presión en el líquido de alimentación. Para mantener la calidad y la cantidad de líquido filtrado, debe ser alcanzada la presión necesaria que opera en el líquido de alimentación, y por ello se debe proporcionar una bomba de alta presión que requiera energía eléctrica para manejar y presionar tubos, causando un aumento de costes de producción de líquidos.

De manera convencional, se utiliza extensamente un elemento de red que tiene una estructura de red como se muestra en la figura 3 como un elemento de paso de líquido de alimentación 4, El elemento de red tiene mallas en forma de series de cuadriláteros formados por elementos lineales 7a y 7b que se cruzan uno con el otro. El elemento de red se dispone entre membranas de ósmosis inversas 2 y se arrolla alrededor del tubo hueco de manera que dos puntos opuestos de convergencia 7c, 7d de cada cuatro puntos de convergencia 7c, 7d, 7e, 7f de los elementos lineales 7a, 7b están en línea en la dirección de flujo del líquido de alimentación 6, p. ej., en paralelo con la dirección axial del tubo hueco 1. Esta clase de estructura de red es eficaz disminuyendo la polarización de la concentración, porque el líquido de alimentación 6 que fluye a lo largo de la estructura de red forma un flujo turbulento con eficacia.

En este elemento de red convencional, la malla cuadrilateral está hecha en forma cuadrada, es decir los cuatro lados de la malla cuadrilátera tienen la misma longitud, y la distancia (X) entre los puntos de convergencia 7e, 7f es igual a la distancia (Y) entre los puntos de convergencia 7c, 7d. El valor absoluto de un ángulo α entre la línea que conecta los puntos de convergencia 7c, 7d y el elemento lineal (pata de malla) 7a (7b) es de 45º.

Cuando el elemento de red convencional que tiene el tamaño y la forma descrita arriba se utiliza como un elemento de paso de líquido de alimentación, el flujo del líquido de alimentación puede hacerse turbulento. Sin embargo, hay un problema de pérdida de presión en los aumentos de líquido de alimentación, de modo que el coste de la operación y el coste del equipo pueden aumentar.

La Publicación Provisional japonesa de la Patente Nº 5-168869 describe un elemento especial de red que comprende primeros elementos lineales dispuestos en paralelo a la dirección...

1. Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10), caracterizado porque:

una pluralidad de membranas de ósmosis inversa en forma de bolsa (2), elementos de paso de líquido filtrado (3) dispuestos en el interior de dichas membranas de ósmosis inversa (2), y una pluralidad de elementos de paso de líquido de alimentación (4) intercalados entre las dichas membranas de ósmosis inversa (2) están enrollados alrededor de una superficie externa de un tubo hueco (1) de modo que sólo los interiores de dichas membranas de ósmosis inversa (2) comunican con orificios de paso (1a) formados en la superficie de dicho tubo hueco (1);

cada uno de los dichos elementos de paso de líquido de alimentación (4) es un elemento en malla que tiene una serie de mallas cuadriláteras formadas por una pluralidad de elementos lineales que se cruzan; dos puntos opuestos de convergencia (7c, 7d) sobre cuatro puntos de convergencia (7c, 7d, 7e, 7f) de cada una de dichas mallas cuadriláteras están ajustados paralelamente a una dirección axial de dicho tubo hueco (1); y

se satisfacen las relaciones 2 mm ≤q X ≤q 5 mm y X ≤q Y ≤q 1,8X donde X designa una distancia entre los dichos puntos de convergencia (7e, 7f) en una dirección perpendicular a la dirección axial de dicho tubo hueco (1) e Y designa una distancia entre los dichos puntos de convergencia (7c, 7d) en la dirección axial de dicho tubo hueco, caracterizado porque dicho elemento de paso de líquido filtrado (3) comprende un elemento de tejido o tejido de punto (8b) de 0,15 a 0,4 mm de espesor medio que tiene una pluralidad de ranuras (8a) por lo menos sobre uno de sus lados y un elemento de tela permeable al líquido (8c) de 0,05 a 0,2 mm de espesor medio colocado sobre la superficie ranurada de dicho elemento de tejido o tejido de punto (8b).

2. Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10) según la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor medio de dicho elemento de paso de líquido de alimentación (4) es de 0,5 a 1 mm.

3. Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque una gama variable de espesores de dicho elemento de paso de líquido de alimentación (4) está comprendida entre valores que representan 0,9 veces y 1,1 veces dicho espesor medio, respectivamente.

4. Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho elemento de paso de líquido de alimentación (4) es realizado a partir de polietileno o a partir de polipropileno.

5. Elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el valor absoluto de un ángulo entre una línea que enlaza los puntos de convergencia (7c, 7d) que están ajustados en la dirección axial de dicho tubo hueco (1) y una pata de malla (7a, 7b) se encuentra dentro de una gama de 29 a 45º.

6. Módulo de membrana de ósmosis inversa (M), caracterizado porque por lo menos un elemento de membrana en espiral de ósmosis inversa (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 está dispuesto en un recipiente a presión (9a) teniendo una entrada para el líquido de alimentación a nivel de un extremo y una salida para el líquido concentrado resultante a nivel del otro extremo.

7. Módulo de membrana de ósmosis inversa (M) según la reivindicación 6 donde dos elementos de membrana en espiral de ósmosis inversa (10) o más son enlazados en serie y dispuestos en el recipiente a presión (9a).

8. Aparato para la separación de ósmosis inversa (S₀), que comprende:

una sección de separación de líquido de alimentación (T₁) que comprende módulos de membrana de ósmosis inversa (M) según la reivindicación 6 ó 7, que son enlazados en forma de multifases y medios de presión de líquido de alimentación (P₁) dispuestos por el lado corriente arriba de dicha sección de separación (T₁).

9. Aparato para la separación de ósmosis inversa (S₀) según la reivindicación 8, caracterizado porque dicha sección de separación (T₁) comprende módulos de membrana de ósmosis inversa (M) según la reivindicación 6 ó 7.

10. Aparato para la separación de ósmosis inversa (S₀) según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque los dichos medios de presión (P₁) es una bomba a presión de turbocompresor (P_T).

11. Aparato para la separación de ósmosis inversa (S₀) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque una válvula de control de contra-presión está prevista en un paso para el líquido filtrado que se extiende a partir de la sección de separación (T₁).

12. Aparato para la separación de ósmosis inversa (S₁) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque dicho líquido de alimentación es agua de mar, los dichos módulos de membrana de ósmosis inversa (M) son enlazados por lo menos en forma de dos etapas, una bomba de alta presión eléctrica (P₀) está dispuesta por un lado aguas arriba una membrana de ósmosis inversa (M₀) en la etapa precedente, una bomba de presurización de turbocompresor (P_T) está dispuesta entre el módulo de membrana de ósmosis inversa (M₀) en la etapa precedente y un módulo de membrana de ósmosis inversa (M) en una etapa subsiguiente, y se proporciona un sistema de paso para suministrar el fluido concentrado a partir del módulo de membrana de ósmosis inversa (M₀) en la etapa precedente a una sección de compresor de dicha bomba de presurización (P_T) y para hacer circular el líquido concentrado a partir del módulo de membrana de ósmosis inversa (M) en la etapa subsiguiente hasta una sección de turbina de dicha bomba de presurización (P_T).

13. Procedimiento de separación de ósmosis inversa, que comprende:

una etapa que consiste en alimentar líquido de alimentación (6) a medios a presión (P₁) de un aparato para la separación de ósmosis inversa (S₀) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12 y poner a presión el líquido de alimentación (6), y

una etapa que consiste en alimentar el líquido de alimentación a presión (6) a una sección de separación (T₁) del aparato (S₀) y separar el líquido de alimentación a presión (6) en líquido filtrado (6a) y el líquido concentrado (6b).

14. Procedimiento de separación de ósmosis inversa de agua de mar utilizando un aparato para la separación de ósmosis inversa (S₁) según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12 que comprende:

una primera etapa de separación que consiste en alimentar el agua de mar bajo presión obtenida accionando la bomba de alta presión eléctrica (P₀) hacia un módulo de membrana de ósmosis inversa (M₀) en una etapa precedente y separar el agua de mar bajo presión en agua filtrada (6a₁) y agua concentrada (6b₁);

una segunda etapa de separación que consiste en alimentar el agua concentrada (6b₁) producida en dicha primera etapa de separación a un módulo de membrana de ósmosis inversa (M) en una etapa subsiguiente vía la sección de compresor de la bomba de presurización de turbocompresor (P_T) y separar dicha agua concentrada (6b₁) en agua filtrada (6a₂) y en agua concentrada (6b₂); y

una etapa que consiste en hacer circular el agua concentrada (6b₂) producida en dicha segunda etapa de separación hacia la sección de turbina de dicha bomba de presurización (P_T).