SISTEMA HÍBRIDO MODULAR DE CÁMARAS ESTÁTICAS CON ROTACIÓN VIRTUAL PARA AHORRO ENERGÉTICO EN DESALACIÓN POR OSMOSIS INVERSA.

Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa de los que comprenden una instalación de ósmosis con membrana donde se separa el agua de mar en agua desalada y en salmuera de rechazo a elevada presión,

la cual se hace pasar por una o varias cámaras tubulares presurizables. El sistema comprende una serie de elementos unitarios cada uno de los cuales cuenta con una cámara tubular convencional con dos válvulas antirretorno en uno de los extremos y por el otro extremo se instala una válvula de tres vías servopilotada de pistón o membrana, que es accionada por la presión de la salmuera de rechazo que procede directamente de la membrana. Los elementos unitarios se encuentran supervisados y controlados por un equipo electrónico que consigue mediante el manejo de las válvulas una secuencia que, sin necesidad de rotar físicamente las cámaras, hace que los flujos de agua se comporten exactamente igual que lo harían en un sistema convencional de cámaras rotatorias.

Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa.

Sector técnico de la invención La presente invención describe un sistema de cámaras presurizadas estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación de agua de mar por ósmosis inversa.

Antecedentes de la invención La tecnología de mayor eficacia que se emplea en la actualidad para el ahorro de energía en la desalación por ósmosis inversa comprende la utilización de cámaras que se presurizan alternativamente, tal y como se explica a continuación.

El procedimiento para la desalinización de agua de mar, según el principio de ósmosis inversa, consiste en hacer circular, impulsado por una bomba de alta presión, una corriente de agua de mar pretratada por una instalación de ósmosis con membrana, donde se separa en agua pura sin presión y una solución con alto contenido en salmuera todavía a elevada presión. La energía de ese concentrado que sale a alta presión será la que se aproveche para el ahorro de energía.

Para conseguir ese ahorro energético, se hace uso de un cilindro o cámara tubular provisto en su interior de un émbolo cuyo rozamiento es mínimo. Un lado de dicho cilindro (por ejemplo, lado izquierdo) cuenta con dos válvulas, la V2 de salida de agua de mar hacia las membranas y la V3 de entrada de agua de mar a la cámara. El otro extremo del cilindro (por ejemplo, extremo derecho) se conecta una válvula V1 de entrada de salmuera de rechazo procedente de la membrana y una válvula V4 de salida de salmuera al mar.

Al comienzo del ciclo, la cámara se rellena con agua de mar teniendo la válvula V3 abierta y desplazando el émbolo al lado derecho. Cuando la cámara se llena de agua de mar se abre la válvula V1 y comienza a entrar salmuera de rechazo a alta presión, empujando al agua de alimentación que sale por la válvula V2 abierta hacia las membranas produciéndose el agua producto desalada por el fenómeno de la inversión de la ósmosis.

Cuando el émbolo llega al extremo izquierdo, la válvula V1 se cierra abriéndose la V4. En tal circunstancia entra a través de la válvula V3 abierta agua de mar a baja presión que expulsa la salmuera por V4 rellenando la cámara de agua de mar. A partir de este momento comenzaría un nuevo ciclo.

El dispositivo descrito necesita resolver un problema para funcionar correctamente.

Este problema se debe a que la transferencia de presión al agua de mar por parte de la salmuera debe ser continua. En el caso descrito, mientras el émbolo se mueve hacia la derecha, no impulsa agua de mar, lo que no es aceptable para las membranas ya que se quedarían sin agua. Este problema se resuelve instalando en paralelo al menos una segunda cámara (segundo cilindro) cuyo funcionamiento debe estar desfasado respecto al primero de manera que las membranas estén recibiendo permanentemente agua de mar a alta presión procedente de las cámaras. Aún así existe un pequeño periodo de tiempo que se corresponde con el cambio de llenado de agua en las cámaras, en el que la alimentación de agua de mar por V3 se para, lo que origina que todo ese agua en movimiento produzca un golpe de ariete muy peligroso para la instalación de baja presión de la desaladora.

Ese conjunto de cámaras que forman el sistema pueden ser de dos tipos: estáticas o rotatorias.

Los sistemas estáticos, manejan grandes volúmenes de agua por lo general dos cámaras las cuales por medio de un mecanismo común que las relaciona en todo momento, hace que mientras una trabaja aportando agua a las membranas, la otra cámara se repone con agua de mar mientras tira la salmuera que ha quedado como rechazo o residuo. Por lo general, cuanto mayor se quiere hacer el sistema, mayores son las cámaras y nunca se dividen en cámaras mas pequeñas conectadas en paralelo. Estos sistemas estáticos cuentan con grandes válvulas y grandes mecanismos de accionamiento. Una pareja de tubos tiene por un extremo cuatro válvulas antirretorno de 2 vías (ocho vías en total) y por el otro extremo cuatro válvulas pilotadas de dos vías, (otras ocho vías) que, en algún caso, para simplificar, se utiliza una sola válvula de cinco vías accionada por sistemas neumáticos o hidráulicos o eléctricos.

Los sistemas rotatorios (cuyo precursor fue Klaus Eimer, 1979) son sumamente sencillos porque no tienen válvulas, pues el efecto de estas se consigue con la utilización de un tambor perforado con agujeros longitudinales (del orden de 10 a 12) que hacen de pequeñas cámaras, con dos tapas en sus bases a modo de lumbreras, por donde entra y sale el agua, las cuales se conectan y desconectan secuencialmente al girar el tambor. El principal inconveniente de este sistema es que las tapas de las bases del cilindro tienen que estar bien apretadas para conseguir una buena estanqueidad, para que el agua que se encuentra a alta presión no se escape, pero que si se excede en el ajuste, se puede llegar a frenar el giro del tambor rotatorio. Por lo tanto, este sistema requiere de una gran precisión en su fabricación siendo el material utilizado por excelencia la alúmina, ya que se requiere una gran dureza para soportar la fricción a más de 1200 rpm teniendo agua como lubricante.

Las cámaras estáticas son para mayores volúmenes de producción y las rotatorias, por la simplicidad del sistema, se construyen para caudales pequeños, ya que si se emplean para plantas de gran tamaño, hay que conectar muchos de estos pequeños aparatos en paralelo.

La empresa Calder comercializa un sistema de cámaras estáticas denominado Dweer (Dual Work Exchanger Energy Recover y ) consistente en dos cámaras de tipo convencional y con la válvula de cinco vías accionada por una centralita oleohidráulica.

El sistema de ahorro de energía comercializado por Siemag es similar al anterior a excepción de que lo conforman básicamente tres cámaras estáticas cilíndricas con válvulas, conectadas en paralelo.

En la patente número ES2153290 del mismo solicitante describe una pareja de cámaras estáticas que se presurizan alternativamente con la novedad de tratarse de un ciclo cinético continuo, en el que el agua no se para en las cámaras cuando estas se presurizan, despresurizan, expulsan la salmuera o cogen el agua de mar, evitando de esta forma el consumo de energía cinética que supondría la parada de la masa de agua que circula por dichas cámaras. Esta invención supuso la resolución de un problema técnico existente hasta ese momento que consistía en evitar la pérdida de energía cinética que tenía la masa de agua de las cámaras generada por la parada que sufría al tratarse de un ciclo interrumpido y no continuo.

El documento US4887942 de Hauge divulga un sistema de cámaras rotatorias consistente en un cilindro perforado a modo de tambor de revólver cuyo funcionamiento se basa en el giro de dicho tambor cerrando y abriendo lumbreras que permiten el vaciado y llenado de las cámaras para renovar el agua de mar expulsando la salmuera.

Habiendo visto el estado de la técnica más cercano, se comprueba que existen una serie de problemas técnicos para los sistemas estáticos:

• Requieren unas grandes válvulas comandadas, generalmente de cilindro y corredera de cinco o más vías.

• Requiere el uso de motores o pequeñas centrales hidráulicas para el manejo de dichas válvulas.

• Debido a las grandes dimensiones de estos sistemas, tanto las válvulas como los elementos de unión entre las válvulas y las cámaras tienen un gran peso y unas grandes dimensiones lo que implica un alto coste tanto de fabricación como de mantenimiento.

• Debido a su diseño, no resulta rentable su fabricación para volúmenes pequeños, menores de 5000 m3/día.

• En el cambio de una cámara a la otra se requiere que ambas cámaras, por un momento, se mantengan presurizadas para que no caiga la presión de alta de las membranas, lo que implica que la entrada de agua de alimentación a las cámaras se bloquee. Esto origina un golpe de ariete que rompe con facilidad la instalación de baja presión. Como solución o se emplean enormes vasos de expansión o se tira al mar ese agua, que previamente ha sido tratado.

Los sistemas de cámaras rotatorias también presentan una serie de problemas, como son:

• Debido a la gran velocidad de giro del rotor (1200 rpm) y a no tener tiempo de presurizar/despresurizar las 10 ó 12 cámaras que componen el rotor, se originan verdaderas explosiones que emiten un ruido que sobrepasa todos los rangos admisibles, por encima de los 90 db.

• No se puede fabricar para volúmenes de más de 2000 m3/día porque la fuerza...

1. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa de los que comprenden una instalación de ósmosis con membrana (8) donde se separa el agua de mar (7) en agua desalada (12) y en salmuera de rechazo a elevada presión (13) , la cual se hace pasar por una o varias cámaras tubulares presurizables (1) caracterizado porque el sistema comprende una serie de elementos unitarios cada uno de los cuales cuenta con una cámara tubular convencional (1) con dos válvulas antirretorno en uno de los extremos (2, 3) y por el otro extremo se instala una válvula de tres vías (4, 5) servopilotada de pistón o membrana, que es accionada por la presión de la salmuera (13) de rechazo que procede directamente de la membrana (8) ; donde los elementos unitarios se encuentran supervisados y controlados por un equipo electrónico que consigue mediante el manejo de las válvulas una secuencia que, sin necesidad de rotar físicamente las cámaras, hace que los flujos de agua se comporten exactamente igual que lo harían en un sistema convencional de cámaras rotatorias.

2. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa según reivindicación 1 caracterizado porque la válvula de tres vías (4, 5) se fabrica con materiales, ya sean metales o polímeros, que resisten la alta corrosividad de la salmuera.

3. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa según reivindicación 1 caracterizado porque el funcionamiento del rotor virtual hace que desaparezca la zona neutra (15) , es decir, no existe un separador físico de las cámaras de alta presión con las cámaras de baja presión que bloquee al menos dos cámaras diametralmente opuestas (101, 106) , por lo que todas las cámaras (201210) se encuentran operativas en todo momento.

4. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa según reivindicación 3 caracterizado porque se introduce un desfase en la zona de transición de las presiones que adelanta o retrasa la entrada del agua en las cámaras (201-210) de manera que se puede seleccionar el número de elementos unitarios que funcionan en la zona de alta presión y el número de elementos unitarios que funcionan en la zona de baja presión.

5. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa según reivindicación 4 caracterizado porque el sistema es capaz de detectar averías o roturas en alguna de las cámaras, de forma que el equipo electrónico aplica inmediatamente un desfase de manera que el número de cámaras que están suministrando el agua a las membranas se mantenga constante y la cámara que falta se pase a la zona de baja presión, no afectando de forma significativa al funcionamiento de la planta.

6. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa según reivindicación 5 caracterizado porque el sistema permite la reparación de una de las cámaras sin necesidad de parar el funcionamiento de la planta, ya que se instalan válvulas manuales de bloqueo en ambos extremos de la cámara (1) para poder desmontarla sin que afecte al funcionamiento correcto del sistema, no produciéndose pérdidas de presión.

7. Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa según reivindicación 1 caracterizado porque al tratarse de un sistema modular a base de elementos unitarios sin rotación física, la distribución de dichos elementos se puede adaptar al espacio disponible, originando diferentes configuraciones, como puede ser en forma matricial ya sea rectangular, lineal, polar...