Aparato para tratar soluciones de resistencia osmótica alta.

Un aparato para purificar agua, que comprende:

un recipiente (40) de filtración a presión que tiene unos extremos opuestos de entrada (46) y salida (48),

unasaberturas (42, 44) para hacer pasar una solución de alimentación y retirar una solución de concentrado, al menosuna abertura (62) de permeado, y que contiene al menos tres elementos enrollados en espiral (50, 52, 54), teniendocada elemento enrollado en espiral al menos una envolvente de membranas (2), una lámina separadora (4) dealimentación y un tubo (6) de recogida de permeado, donde los elementos enrollados en espiral se conectancoaxialmente en serie en el interior del recipiente (40) de filtración a presión; en donde los elementos enrollados enespiral en serie comprenden:

a. un elemento de cabeza (50) con una entrada en comunicación con el extremo (46) de entrada del recipiente(40) de filtración a presión;

b. un elemento intermedio (52) conectado a un elemento aguas arriba y a un elemento aguas abajo, de modoque el elemento intermedio (52) está soportado y alineado axialmente en el interior del recipiente (40) defiltración a presión; y

c. un elemento de cola (54) con una abertura de salida en comunicación con el extremo (48) de salida delrecipiente (40) de filtración a presión;

caracterizado por que:

- los elementos enrollados en espiral tienen diferentes flujos específicos estándar, y comprenden unelemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor máximo, un elementoenrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor mínimo, y un elemento enrollado enespiral que tiene un flujo específico estándar de valor intermedio;

- el flujo específico estándar de valor máximo dividido por el flujo específico estándar de valor mínimo esmayor que 2; y el elemento intermedio tiene un flujo específico estándar cuyo valor es intermedio entre 1,25por el valor mínimo y 0,85 por el máximo, y por que

- el flujo específico estándar del elemento de cola (54) dividido por el flujo específico estándar del elementode cabeza (50) es mayor que 2.

Aparato para tratar soluciones de resistencia osmótica alta.

Campo de la invención Esta invención es un aparato y un método para tratar soluciones de resistencia osmótica alta, especialmente agua de mar, haciendo pasar la solución a través de un recipiente que contiene unos elementos para ósmosis inversa o nanofiltración enrollados en espiral. La invención permite una distribución más regular del flujo en el interior del recipiente. Las propiedades ventajosas del rendimiento comparadas con los métodos convencionales incluyen una mayor productividad del recipiente, un aumento de la recuperación y una exigencia menor en la presión aplicada.

Antecedentes La ósmosis es un procedimiento por el que un solvente pasa a través de una membrana semipermeable y se desplaza desde una solución de baja concentración de soluto a una solución de alta concentración de soluto, diluyéndose esta última. En la ósmosis inversa (OI) , en el lado de la membrana de alta concentración de soluto se aplica presión y se invierte el gradiente de potencial químico que impulsa la ósmosis. El resultado es un flujo de solvente a través de la membrana, desde el lado de alta concentración de soluto hacia concentraciones de soluto más bajas, lo que produce una solución de solvente purificada. En la actualidad, la ósmosis inversa se usa comúnmente para generar agua potable a partir de agua de mar.

La nanofiltración (NF) es similar a la ósmosis inversa por que la presión aplicada en la membrana supera la diferencia de presión osmótica y obliga a que el agua pase a través de la membrana. Las membranas de nanofiltración se distinguen por el hecho de que algunas sales las atraviesan sustancialmente, mientras que otras sales son retenidas selectivamente. La NF se aplica lo más comúnmente con corrientes de alimentación que tienen una baja concentración de sales, pero también se han usado para retirar selectivamente los componentes del agua de mar. Por ejemplo, la patente US-6.508.936 describe el uso de la NF como un pretratamiento que puede retirar ventajosamente los iones de dureza del agua de mar. La patente US-4.723.603 describe el uso de la NF como medio para reducir los iones sulfato en el agua de mar, antes de su inyección al fondo de pozo.

Típicamente, las membranas de OI y NF se configuran en una serie de elementos enrollados en espiral, ya que tales elementos permiten empaquetar una mayor cantidad de superficie de membrana en un volumen pequeño. En la técnica se ha descrito la construcción de elementos enrollados en espiral usados en la purificación de agua (véase las patentes de EE.UU. números 5.538.642 y 5.681.467) . Los elementos enrollados en espiral y los recipientes correspondientes están disponibles comercialmente en varios diámetros estándar (p. ej. 4, 5, 6, 3, 10, 15, 20 cm) , pero actualmente lo normal para grandes sistemas son los elementos de un metro de longitud con un diámetro nominal de 20 cm. En aplicaciones para agua de mar, cada elemento de 20 cm de diámetro típicamente contiene entre 26, 5 m2 (285 ft2) y 35, 3 m2 (380 ft2) de superficie activa de membranas.

La Fig, 1 representa un elemento enrollado en espiral típico. Una o más envolventes de membranas (2) y una lámina separadora (4) de alimentación se fijan por un extremo a un tubo central (6) de recogida de permeado. Las envolventes (2) comprenden dos láminas de membranas (8) , generalmente rectangulares, que rodean a una lámina soporte (10) del permeado. Esta estructura del tipo “sándwich” se mantiene conjuntamente a lo largo de tres aristas (14, 16, 18) , mientras que la cuarta arista (20) de la envolvente (2) se apoya en el tubo (6) de recogida de permeado, de modo que la lámina soporte (10) del permeado esté en contacto fluido con las aberturas (22) del tubo (6) de recogida de permeado. Una lámina separadora (4) de alimentación separa cada envolvente (2) . La lámina separadora (4) de alimentación está en contacto fluido con ambos extremos del elemento (24, 26) y este actúa como un conducto para la solución de alimentación a través de la superficie frontal (28) de la membrana (8) . Las láminas separadoras de alimentación y las envolventes se enrollan alrededor del tubo de recogida de permeado, de modo que la estructura adopta una forma cilíndrica, y se colocan en un alojamiento.

Durante la operación, la alimentación fluye sobre la superficie de la membrana desde un extremo al otro del alojamiento. Conforme el agua fluye a través de la película y adentro del tubo de permeado, el soluto se vuelve más concentrado en el agua de alimentación, lo que se puede referir como concentrado o fluido retenido; cuando la corriente de alimentación sale del recipiente a presión, la corriente de salida se refiere como concentrado, o fluido retenido.

Con el fin de que el elemento enrollado en espiral funcione en ósmosis inversa, la corriente de alimentación debe estar bajo presión. Por lo tanto, los elementos enrollados en espiral operan en el interior de un recipiente a presión. Típicamente, el recipiente a presión contiene más de un elemento conectado en serie. En la técnica se conocen tales recipientes a presión y se ejemplifican mediante la patente de EE.UU. nº 6.074.595 y la patente de EE.UU. nº 6.165.303. Los recipientes a presión se pueden combinar, además, con otros recipientes a presión en serie o en paralelo, para crear un sistema de filtración por membranas. En la aplicación comercial de la OI, un sistema grande de filtración se puede componer de más de 10.000 elementos, normalmente distribuidos en unos recipientes a presión que contienen de 4 a 8 elementos cada uno.

Con referencia a la Fig. 3, el recipiente (40) a presión tiene unas aberturas (42, 44) en unos extremos opuestos (46, 48) para hacer pasar la solución de alimentación adentro del recipiente y retirar la solución de concentrado. La solución de alimentación fluye desde el elemento de cabeza (50) situado en el extremo (46) de entrada del recipiente (40) , a través de los elementos intermedios (52) , al elemento de cola (54) situado en el extremo (48) opuesto de salida del recipiente (40) . Entre los elementos y el recipiente se puede usar unos cierres herméticos (56) a la salmuera, para evitar que este flujo de alimentación bordee los elementos. Los interconectadores (58) se usan para conectar los tubos (6) de permeado de elementos adyacentes, y el permeado combinado se retira por al menos una abertura (62) de permeado del recipiente (40) . Como alternativa a los interconectadotes, en los elementos se puede usar unos casquillos de extremo que permitan la conexión directa con los elementos adyacentes; en la patente de EE.UU. nº 6.632.356 se describen unos casquillos de extremo tales.

Los fabricantes de elementos enrollados en espiral proporcionan diseñadores de sistemas de filtración con unos límites de operación como criterios de diseño de los sistemas. Típicamente, para un elemento se puede especificar un límite superior de la presión aplicada, un máximo caudal de alimentación, un mínimo caudal de concentrado y una máxima recuperación (volumen de permeado dividido por el volumen de alimentación) . Véase, por ejemplo, “Membranes System Design Guidelines for 8-inch FILMTECT Elements”, Form Nº 609-21010-702XQRP, FilmTec Corp., Edina, MN, 18/12/03. El fabricante sugiere unos límites de operación en un elemento para agua de mar FILMTECT SW30HR-380 que incluyen usar una presión aplicada a circuito abierto de aspiración <69 bar (<1.000 psi) , un caudal de alimentación <338 m3/día (<62 gpm) y un caudal de concentrado >98 m3/día (>18 gpm) . Otros fabricantes han establecido unos criterios similares, aunque a menudo la máxima recuperación en el elemento sustituye a las especificaciones de caudales de alimentación y de concentrado, y recientemente los esfuerzos se han encaminado a permitir mayores presiones aplicadas en los sistemas para agua de mar.

Típicamente, en un recipiente a presión dado los elementos se seleccionan de un mismo tipo, teniendo las mismas especificaciones para el flujo, el caudal, la recuperación y el tamaño físico. La alimentación presurizada fluye axialmente a través de cada elemento, mientras que los tubos de permeado se conectan entre sí y se cierran herméticamente a la alimentación. Conforme la alimentación fluye a través de los elementos sucesivos, la concentración de soluto en la alimentación aumenta y el flujo (caudal volumétrico de agua permeada por unidad de superficie de membranas) disminuye. La disminución del flujo da lugar a una disminución de la utilización de las membranas. El cambio del flujo desde la entrada a la salida del recipiente a presión también se refiere como desequilibrio de flujo. El desequilibrio de flujo... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para purificar agua, que comprende:

un recipiente (40) de filtración a presión que tiene unos extremos opuestos de entrada (46) y salida (48) , unas aberturas (42, 44) para hacer pasar una solución de alimentación y retirar una solución de concentrado, al menos una abertura (62) de permeado, y que contiene al menos tres elementos enrollados en espiral (50, 52, 54) , teniendo cada elemento enrollado en espiral al menos una envolvente de membranas (2) , una lámina separadora (4) de alimentación y un tubo (6) de recogida de permeado, donde los elementos enrollados en espiral se conectan coaxialmente en serie en el interior del recipiente (40) de filtración a presión; en donde los elementos enrollados en espiral en serie comprenden:

a. un elemento de cabeza (50) con una entrada en comunicación con el extremo (46) de entrada del recipiente

(40) de filtración a presión;

b. un elemento intermedio (52) conectado a un elemento aguas arriba y a un elemento aguas abajo, de modo que el elemento intermedio (52) está soportado y alineado axialmente en el interior del recipiente (40) de filtración a presión; y

c. un elemento de cola (54) con una abertura de salida en comunicación con el extremo (48) de salida del recipiente (40) de filtración a presión;

caracterizado por que:

- los elementos enrollados en espiral tienen diferentes flujos específicos estándar, y comprenden un elemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor máximo, un elemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor mínimo, y un elemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor intermedio;

- el flujo específico estándar de valor máximo dividido por el flujo específico estándar de valor mínimo es mayor que 2; y el elemento intermedio tiene un flujo específico estándar cuyo valor es intermedio entre 1, 25 por el valor mínimo y 0, 85 por el máximo, y por que

- el flujo específico estándar del elemento de cola (54) dividido por el flujo específico estándar del elemento de cabeza (50) es mayor que 2.

2. El aparato de la reivindicación 1, donde el elemento de cabeza, el elemento intermedio y el elemento de cola son, cada uno, de un tipo diferente de elemento.

3. El aparato de la reivindicación 1, en donde el flujo específico estándar del elemento de cola (54) es mayor que 1, 5 l/m2/h/bar.

4. El aparato de la reivindicación 1, en donde la lámina separadora (4) de alimentación del elemento de cola (54) tiene un gradiente de presión estándar que es 50% mayor que el gradiente de presión estándar de la lámina separadora (4) de alimentación del elemento de cabeza (50) .

5. Un procedimiento para purificar agua, que comprende las etapas de:

a. hacer fluir una solución de alimentación a través de un recipiente (40) de filtración a presión que tiene unos extremos opuestos (46, 48) y que contiene al menos tres elementos enrollados en espiral (50, 52, 54) en serie, incluyendo los elementos en serie:

- un elemento de cabeza (50) con una entrada en comunicación con el extremo (46) de entrada del recipiente (40) de filtración a presión;

- un elemento intermedio (52) conectado a un elemento aguas arriba y a un elemento aguas abajo, de modo que el elemento intermedio (52) está soportado y alineado axialmente en el interior del recipiente

(40) de filtración a presión; y

- un elemento de cola (54) con una abertura de salida en comunicación con el extremo (48) de salida del recipiente (40) de filtración a presión.

b. aplicar filtración a presión a la solución de alimentación para provocar que el permeado pase a través de cada elemento del interior del recipiente (40) de filtración a presión, y

c. retirar las soluciones de permeado y concentrado del recipiente (40) de filtración a presión,

caracterizado por que:

- los elementos enrollados en espiral tienen diferentes flujos específicos estándar, y comprenden un elemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor máximo, un elemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor mínimo, y un elemento enrollado en espiral que tiene un flujo específico estándar de valor intermedio;

- el flujo específico estándar de valor máximo dividido por el flujo específico estándar de valor mínimo es mayor que 2; y el elemento intermedio tiene un flujo específico estándar cuyo valor es intermedio entre 1, 25 por el valor mínimo y 0, 85 por el máximo,

- el flujo específico estándar del elemento de cola (54) dividido por el flujo específico estándar del elemento de cabeza (50) es mayor que 2; y

- la solución de alimentación tiene una presión osmótica mayor que 20 bar en el extremo (46) de entrada del recipiente (40) de filtración a presión.

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el flujo específico estándar en el elemento aguas abajo dividido por el flujo específico estándar en el elemento de cabeza (50) es mayor que 1, 5.

7. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el elemento aguas abajo tiene un flujo específico estándar que es mayor que 1, 5 l/m2/h/bar.

8. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde la presión motriz neta media en el elemento de cabeza (50) dividida por la presión de filtración motriz neta media en el elemento aguas abajo es mayor que 2.

9. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el recipiente (40) contiene al menos cinco elementos enrollados en espiral en serie, el volumen de la solución de concentrado producida no es mayor que dos veces el volumen de la solución de permeado producida, el flujo medio en el recipiente (40) es al menos 70% del flujo medio en el elemento de cabeza (50) , y el elemento de cabeza (50) tiene un flujo medio entre 10 y 27 l/m2/h.

10. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el elemento de cabeza (50) opera con un flujo medio menor que 34 l/m2/h y el recipiente opera con un flujo medio mayor que 24 l/m2/h.

11. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde la solución de concentrado tiene una presión osmótica que es mayor que dos veces la presión osmótica a la entrada.

12. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el área de la sección transversal del separador de alimentación del elemento aguas abajo es al menos 15% menor que el área de la sección transversal del separador de alimentación del elemento de cabeza.

13. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el elemento aguas abajo tiene un paso de NaCl mayor que 20% cuando el elemento se ensaya individualmente usando un flujo de 27 l/m2/h, una recuperación de 8%, y una solución de alimentación a 25ºC que consiste en 32.000 ppm de NaCl en agua, y en donde el elemento aguas abajo tiene un paso de sulfato menor que 1% cuando se ensaya individualmente usando un flujo de 27 l/m2/h, una recuperación de 8%, y una solución de alimentación a 25ºC que consiste en 32.000 ppm de NaCl y 2.000 ppm de MgSO4 en agua.

14. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde la lámina separadora (4) de alimentación del elemento de cola

(54) tiene un gradiente de presión estándar que es 50% mayor que el gradiente de presión estándar de la lámina separadora (4) de alimentación del elemento de cabeza (50) .

15. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el recipiente (40) de filtración a presión es un recipiente de dos

o más recipientes de filtración a presión en paralelo de un sistema de filtración.

16. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el elemento de cabeza, el elemento intermedio y el elemento de cola son, cada uno, de un tipo de elemento diferente.

17. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde el recipiente (40) de filtración a presión comprende además una barrera (66) posicionada, o bien en el interior del tubo (6) de recogida de permeado de un elemento enrollado en espiral, o bien entre los tubos (6) de recogida de permeado de dos elementos adyacentes; donde la barrera (66) define unas corrientes de permeado combinadas primera y segunda; donde la corriente de permeado combinada primera comprende el permeado procedente del elemento de cabeza (50) y la corriente de permeado combinada segunda comprende el permeado procedente del elemento (54) aguas abajo; donde la barrera (66) evita además la mezcladura del permeado entre las corrientes de permeado combinadas; y en donde la corriente de permeado combinada primera tiene una presión mayor que la presión de la corriente de permeado combinada segunda de al menos 1, 5 bar; donde la corriente de permeado combinada primera comprende la totalidad del permeado del elemento que tiene el flujo específico estándar de valor máximo, donde la corriente de permeado combinada primera es la corriente de alimentación a un recipiente de filtración segundo.

18. El procedimiento de la reivindicación 5, en donde la etapa de retirada del permeado del recipiente (40) de filtración a presión comprende retirar una corriente de permeado por ambos extremos (46, 48) del recipiente (40) de filtración a presión.

19. El procedimiento de la reivindicación 16, en donde la corriente de permeado procedente del extremo (46) de entrada del recipiente (40) de filtración a presión es de una calidad mayor que la corriente de permeado procedente del extremo (48) aguas abajo, y en donde la corriente de permeado del extremo (48) aguas abajo del recipiente (40) de filtración a presión se somete a unas etapas de tratamiento adicionales.

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4