Método de destilación por membrana para la purificación de un líquido.

Método para la purificación de un líquido mediante destilación por membrana,

que comprende:

- pasar una corriente de fracción retenida líquida vaporizante calentada a través de un canal de fracción retenida (9)a lo largo de una membrana porosa hidrofóbica, mediante lo cual el vapor del líquido fluye a través de los poros de lamembrana (10) a la otra cara de dicha membrana, y

- condensar dicho vapor en la otra cara de dicha membrana para producir una corriente de destilado en un canal dedestilado (5), cuyo destilado se crea pasando el calor de condensación (calor latente) hacia una superficie decondensador (3), formando dicha superficie de condensador una separación no porosa entre una corriente dealimentación del líquido a purificar y dicha corriente de destilado, cuya corriente de alimentación se pasa a través deun canal de alimentación (2) en contracorriente con la corriente de fracción retenida y cuyo canal de alimentaciónestá conectado corriente abajo de manera hidráulica con la corriente de fracción retenida, en cuyo canal dealimentación se dispone un material espaciador (4), mediante el cual, como mínimo, una parte del calor latente setransfiere a través de la superficie del condensador a la corriente de alimentación, y mediante el cual se aplica unadiferencia de presión positiva del líquido entre la corriente de la fracción retenida y la corriente de alimentación en lospuntos correspondientes del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación, como mínimo, sobre una partede cada uno del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación.

Método de destilación por membrana para la purificación de un líquido

La presente invención se refiere a un método para la purificación de un líquido mediante destilación por membrana, en particular para la producción de agua desalinizada del agua del mar o agua salobre o agua de un proceso, y a un aparato para llevar a cabo dicho método.

La destilación por membrana se diferencia de técnicas de destilación conocidas, tales como la destilación flash con múltiples etapas, la destilación con múltiples efectos y la compresión de vapor en que se utiliza una membrana porosa no selectiva. Esta membrana forma una separación entre la corriente de fracción retenida caliente vaporizante y el producto condensado, la corriente de destilado. Como consecuencia de una elección adecuada del material (normalmente polipropileno, polietileno, fluoruro de polivinilideno o politetrafluoroeteno) , los poros (diámetro entre 0, 00001 y 0, 005 mm, normalmente entre 0, 0001 y 0, 0005 mm) no están mojados por el líquido; sólo el vapor pasa a través de la membrana.

La destilación por membrana se describió por primera vez en el documento US 3.334.186. El objetivo era mejorar la eficacia de la desalinización del agua del mar mediante la utilización de una membrana hidrofóbica porosa rellena de aire. El método referido en este documento se denominó destilación por membrana de contacto directo: una corriente caliente de agua del mar y una corriente del destilado frío están ambas en contacto directo con la membrana.

Se generó un sustancial interés en la destilación por membrana a mitad de los años 80 cuando se dispuso de una nueva generación de membranas hidrofóbicas altamente porosas. Sin embargo, la investigación demostró que la destilación por membrana no es menos cara que las técnicas competitivas y, por lo tanto, no había una aplicación comercial.

Se puede hacer una distinción entre cuatro tipos de destilación por membrana:

1. Destilación por membrana de contacto directo (DCMD) , en la que tanto la corriente caliente vaporizante como la corriente condensada fría (corriente de destilado) están en contacto directo con la membrana.

2. Destilación por membrana con espacio de aire (AGMD) , en la que la superficie del condensador está separada de la membrana por un espacio de aire.

3. Destilación por membrana con gas de barrido (SGMD) , en la que el destilado se extrae en forma de vapor mediante un gas inerte.

4. Destilación por membrana al vacío (VMD) , en la que el destilado se extrae en forma de vapor mediante vacío.

Hasta ahora la destilación por membrana de contacto directo ha atraído la mayor atención.

En este aspecto, se puede hacer referencia, por ejemplo, al documento US 4.545.862, el cual da a conocer módulos planos y enrollados en espiral (con membranas planas) . Dichos módulos se analizaron para la desalinización del agua salada. Para estos análisis, la corriente de destilado se separó de la corriente del agua del mar alimentada en contracorriente a la corriente de fracción retenida vaporizante y, de este modo, la corriente del agua del mar absorbía de manera eficaz el calor de condensación. En este documento de patente se describe un ejemplo en el que se consigue una velocidad de flujo de 2, 21 litros por m2 de área superficial total de membrana por hora con una diferencia de temperatura LPT entre la corriente de fracción retenida caliente y el agua del mar de 4°C, dando lugar a un consumo de energía de sólo 212 kilojulios por kg de destilado producido. A partir de estos datos, se puede calcular que el flujo específico asciende a 1, 30·10-10 m3/m2·s·Pa, a una velocidad promedio relativamente elevada en el canal de la corriente de fracción retenida de 0, 09 m/s. El flujo específico se define como la velocidad de flujo del destilado por área superficial de membrana unitaria, por diferencia de presión de vapor de agua unitaria entre el volumen de la corriente de fracción retenida y la corriente de alimentación.

Además de la utilización de membranas planas, son conocidas las ventajas de las membranas de fibras huecas para la destilación por membrana de contacto directo. Como resultado del empaquetamiento compacto de fibras de membrana, se puede obtener un área superficial de hasta 500 m2 por m3, lo que posibilita unos costes de equipamiento inferiores. Además, se ha propuesto (véase K. Schneider, T.J. van Gassel, Membrandestillation, Chem. Ing. Tech. 56 (1984) 514-521) el acoplamiento de un módulo de destilación por membrana de contacto directo con un módulo intercambiador de calor en un ciclo y, de este modo, recuperar el calor de condensación. Además, se sugiere introducir una presión de aire reducida en el interior de los poros de DCMD mediante desgasificación del líquido de alimentación y la extracción por bombeo de la corriente de destilado bajo una presión subatmosférica, cuyas mediciones mostraron ser el doble de la velocidad de flujo del destilado. Se observó que para la desalinización del agua del mar se obtiene una velocidad de flujo del destilado de aproximadamente 5 litros por m2

por hora para una LT de 20°C (diferencia de 5 kPa en la presión de vap or) y un consumo específico de energía por encima de 1.000 kJ por kg de agua.

Desde 1984 ha habido un progreso poco apreciable en el estado de la técnica en relación a DCMD.

La destilación por membrana con espacio de aire se describió por primera vez en 1971 en el documento GB 1 225 254 A. Además de utilizar un espacio de aire, ya se propone el flujo a contracorriente de la alimentación y la corriente de fracción retenida (y, de este modo, la recuperación del calor latente) . Además, la AGMD se describió en 1982 en el documento DE 3.123.409 (Siemens) . Esta solicitud se refiere a la utilización de un espacio (con un grosor de 3 mm) , relleno de aire, u opcionalmente, un gas más ligero, tal como hidrógeno, entre una membrana porosa plana y una superficie de condensación fría. El objetivo era reducir el transporte de calor perceptible mediante la conducción a través de la membrana. Se estableció experimentalmente que el transporte de calor mediante conducción era aproximadamente igual al transporte mediante evaporación. Además, se propuso alimentar al agua de mar entrante en contracorriente con la corriente de vaporización y, de este modo, recuperar calor. También se reivindicó la utilización de energía solar como fuente de calor. Se describió un caso teórico en el que se consiguió una velocidad de flujo de destilado de 3, 36 kg por m2 por hora con una diferencia de temperatura LT de 5°C, con una recuperación de aproximadamente el 4, 9 % y un consumo de energía de más de 850 kJ por kilogramo de agua producida.

La solicitud de patente europea 0164326 da a conocer la utilización de un espacio de aire con destilación por membrana, construyéndose las diversas características en forma de tubos concéntricos. Una variante de ésta en la que se utilizaron paquetes de membranas planas se da a conocer en el artículo "Design and field tests of a new membrane distillation desalination process” (“Diseño y pruebas de campo de un nuevo proceso de desalinización por destilación por membrana”) (Desalination 56 (1985) , págs. 345-354) . Es sorprendente que en este documento se abandona el principio de flujo a contracorriente del agua del mar y la corriente de fracción retenida, como resultado de lo cual no es posible la recuperación del calor de evaporación. Por tanto, no se proporcionan tampoco los valores del consumo de energía. El documento WO8607585 A (1986) se basa en datos del mismo modelo que se utilizaron para el trabajo anterior, pero deduce a partir de éstos que es necesario un grosor del espacio de aire de 0, 2 a 1, 0 mm a efectos de conseguir tanto una velocidad de flujo elevada como una pérdida baja de calor perceptible (el objetivo es 300 - 800 kJ/kg de agua) . No se tienen en cuenta en el modelo los cambios de temperatura en las paredes caliente y fría y el interior de las mismas, como resultado de lo cual se representa un panorama demasiado optimista.

En el documento US 4.879.041, se da a conocer una destilación por membrana con espacio de aire específicamente para la preparación de agua ultrapura para la industria de los semiconductores. En este documento, se investigó el efecto del grosor del espacio de aire, cuando se utilizaban láminas de membranas planas, sobre el transporte de la masa y el transporte del... [Seguir leyendo]

1. Método para la purificación de un líquido mediante destilación por membrana, que comprende:

- pasar una corriente de fracción retenida líquida vaporizante calentada a través de un canal de fracción retenida (9) a lo largo de una membrana porosa hidrofóbica, mediante lo cual el vapor del líquido fluye a través de los poros de la membrana (10) a la otra cara de dicha membrana, y

- condensar dicho vapor en la otra cara de dicha membrana para producir una corriente de destilado en un canal de destilado (5) , cuyo destilado se crea pasando el calor de condensación (calor latente) hacia una superficie de condensador (3) , formando dicha superficie de condensador una separación no porosa entre una corriente de alimentación del líquido a purificar y dicha corriente de destilado, cuya corriente de alimentación se pasa a través de un canal de alimentación (2) en contracorriente con la corriente de fracción retenida y cuyo canal de alimentación está conectado corriente abajo de manera hidráulica con la corriente de fracción retenida, en cuyo canal de alimentación se dispone un material espaciador (4) , mediante el cual, como mínimo, una parte del calor latente se transfiere a través de la superficie del condensador a la corriente de alimentación, y mediante el cual se aplica una diferencia de presión positiva del líquido entre la corriente de la fracción retenida y la corriente de alimentación en los puntos correspondientes del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación, como mínimo, sobre una parte de cada uno del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación.

2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque la diferencia de presión positiva del líquido se aplica entre la corriente de la fracción retenida y la corriente de alimentación en los puntos correspondientes del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación, como mínimo, sobre el 50% de la longitud total de cada uno del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación.

3. Método, según la reivindicación 2, caracterizado porque la diferencia de presión positiva del líquido se aplica entre la corriente de la fracción retenida y la corriente de alimentación en los puntos correspondientes del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación, como mínimo, sobre el 75% de la longitud total de cada uno del canal de la fracción retenida y el canal de alimentación.

4. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la membrana porosa presenta un grosor entre 100 y 600 µm.

5. Método, según la reivindicación 4, caracterizado porque la membrana porosa presenta un grosor entre 125 y 500 µm.

6. Método, según la reivindicación 5, caracterizado porque la membrana porosa presenta un grosor entre 200 y 400 µm.

7. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque en el canal de la fracción retenida se aplica un canal adicional (17) a través del cual fluye una corriente de fluido a la corriente de la fracción retenida, mediante lo cual la presión del líquido de la corriente del fluido es igual o superior a la presión del líquido de la corriente de la fracción retenida.

8. Método, según la reivindicación 7, caracterizado porque la corriente de fluido fluye a través del canal adicional a favor de corriente con la corriente de la fracción retenida, y la corriente de fluido calienta la corriente de la fracción retenida.

9. Método, según la reivindicación 8, caracterizado porque la corriente de la fracción retenida se calienta mediante el calor residual, siendo dicho calor residual calor sobrante o calor derivado de líquidos calientes.

10. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque la corriente de destilado se descarga en la cara caliente del canal de destilado, fluyendo a favor de corriente con la corriente de alimentación.

11. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque la corriente de destilado se descarga bajo una presión más elevada que la presión atmosférica.

12. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizado porque la corriente de destilado se descarga en la cara caliente del canal de destilado, se añade calor a la corriente de destilado descargado y la corriente de destilado calentada obtenida de este modo se pasa a través del canal adicional aplicado en el canal de la fracción retenida.

13. Aparato adecuado para utilizar en el método, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, 10 y 11, cuyo aparato comprende un segmento que comprende un canal de alimentación (2) en el que se dispone un material espaciador

(4) , un canal de destilado (5) y un canal de fracción retenida (9) , mediante lo cual el segmento tiene una primera cámara de distribución para suministrar un líquido de alimentación, una segunda cámara de distribución localizada frente a la primera cámara de distribución para descargar el líquido de alimentación, una tercera cámara de distribución para suministrar la corriente de la fracción retenida y una cuarta cámara de distribución frente a la 5 tercera cámara de distribución para la descarga de la corriente de la fracción retenida, mediante lo cual el segmento se dispone con una primera bomba (1P) para bombear la presión de la corriente de la alimentación en el segmento y una segunda bomba (6P) que está provista corriente abajo de la segunda cámara de distribución para bombear la corriente de la fracción retenida bajo presión en el canal de la fracción retenida, la pared entre el canal de alimentación y el canal de destilado comprende una superficie de condensador (3) en forma de una membrana no

porosa, y la pared entre el canal de la fracción retenida y el canal de destilado comprende una membrana porosa (10) .

14. Aparato, según la reivindicación 13, caracterizado porque la membrana porosa presenta un grosor en el

intervalo entre 100 y 600 µm. 15

15. Aparato, según la reivindicación 14, caracterizado porque la membrana porosa presenta un grosor en el intervalo entre 125 y 500 µm.

16. Aparato, según la reivindicación 13, caracterizado porque la membrana porosa presenta un grosor en el 20 intervalo entre 200 y 400 µm.

17. Aparato, según cualquiera de las reivindicaciones 13-16, caracterizado porque el aparato comprende un número de segmentos, según las reivindicaciones 13-16, que están conectados en paralelo entre sí.

18. Aparato, según la reivindicación 17, caracterizado porque un primer medio de presión está provisto corriente arriba de la serie de segmentos conectados y una o más bombas adicionales están provistas corriente abajo de la serie de segmentos conectados o entre los segmentos respectivos que están conectados en paralelo entre sí.

19. Aparato, según cualquiera de las reivindicaciones 13-18, caracterizado porque en el interior del canal de la

fracción retenida se dispone un canal adicional (17) para permitir que la corriente de fluido entre en contacto por transferencia de calor con la corriente de la fracción retenida.

20. Aparato, según cualquiera de las reivindicaciones 13-19, caracterizado porque una o ambas caras del segmento o segmentos comprenden un medio del que se puede incrementar el volumen mediante la introducción en

dicho medio de un fluido adecuado, mediante lo cual en la operación el volumen incrementado de dicho medio provoca una presión adicional sobre los canales de membrana/destilado/condensador.