Sistema y procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera y agua de mar.

Sistema y procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre el agua de mar (1) previamente filtrada y la salmuera (5) procedente de una planta de desalación (6) consistente en añadir una etapa adicional (6) compuesto por una cámara isobárica (9) que aumenta la presión de la salmuera (14),

un bastidor de membranas de ósmosis natural (10) alimentada por la salmuera (14) y agua de mar (1) filtrada, una bomba tipo Booster (11) y una turbina hidráulica (12) alimentada por un caudal igual a la transferencia de caudal entre el agua de mar (1) y la salmuera (5) dentro del bastidor 1.

Sistema y procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera yagua de mar.

Sector de la técnica.

La presente invención se refiere a un sistema y su procedimiento para el aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera de rechazo de una planta desaladora y el agua de mar previamente filtrada antes de su vertido al mar. Por tanto, esta invención se encuadra dentro del sector de la técnica de desalación de agua de mar.

Estado de la Técnica.

La ósmosis es un fenómeno físico-químico relacionado con el comportamiento del agua como solvente de una solución ante una membrana semipermeable para el solvente, agua, pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión simple a través de la membrana, sin aportación de energía desde el exterior. Se produce el fenómeno de ósmosis cuando se enfrentan, por medio de una membrana semipermeable, dos soluciones de agua de diferente concentración, produciéndose un flujo natural de agua, a través de la membrana, que tiende a igualar las concentraciones en ambas caras de la misma:

La energía osmótica, conocido como energía azul, es la obtenida por la diferencia en la concentración de sal entre el agua salada a diferentes concentraciones, con el uso de membranas de iones específicos.

La presión osmótica (TT) es la presión la cual es aplicada, naturalmente, a la solución con menor concentración en sales lo cual permite un paso de agua dulce (o libre de sales) a través de la membrana semipermeable, con la finalidad de igualar las concentraciones a ambas caras de dicha membrana.

En base a esto, se establece que el flujo de agua que es transportado a través de la membrana se determina por:

Jw = A (cr~1t-~P)

Siendo:

• Jw: Flujo de agua a través de la membrana

• A: Constante de permeabilidad al agua de la membrana

• a: Coeficiente de reflexión

• ~P: Presión aplicada en contra del flujo osmótico natural

Las patentes españolas 2.192.966 y 2.199.370 Y documentos US 6.190.566, US 5.306.428, exponen diferentes procedimientos de separación por ósmosis inversa en varias etapas con utilización de bombas intermedias cuyo objeto es recuperar energía. No obstante, ninguna de estas propuestas se centra en la utilización de un proceso de recuperación de la energía basado en la ósmosis natural que se produce entre la salmuera procedente del sistema de desalinización y el agua salada que alimenta a la planta de desalinización.

Explicación de la invención.

El objeto de la presente invención tiene su origen en el flujo de agua que es transportado a través de la membrana, el cual, tal y como se ha indicado anteriormente, se determina por:

De esta manera tenemos que, cuando el parámetro ~P es cero, se trata de un proceso de ósmosis natural o directa, conocido en el estado del arte por el acrónimo inglés FO (Forward Osmosis) , si ~P> ~IT el flujo tomaría la dirección "no natural" lográndose la ósmosis inversa, cuyo acrónimo en inglés es RO (Reverse Osmosis) . En un último caso, si ~IT > ~P el flujo seguiría manteniéndose en la dirección general, pero en menor cuantía debido a la existencia de esta contrapresión, conociéndose este caso intermedio entre el FO y RO como proceso de presión osmótica retardada (PRO ó Pressure Retarded Osmosis) .

Basándose en este principio, la presente invención presenta un procedimiento para el aprovechamiento energético de la salmuera de rechazo de una planta desaladora, a través de un proceso PRO entre esta salmuera y el propio agua de mar. El residuo de este proceso será una mezcla de salmuera yagua de mar que será vertido al mar como residuo final del proceso de desalación.

Por tanto, dentro del marco de desalación de agua de mar, el procedimiento propuesto unifica la optimización de los procesos de aprovechamiento energético. Para ello se aprovechará la presión osmótica de dos fluidos a diferentes concentraciones utilizando las tecnologías de membranas que optimizan este tipo de flujos por ósmosis natural, es decir, membranas tipo "Forward Osmosis Membranes", u optimizadas para el proceso PRO.

El procedimiento general de funcionamiento comienza con la entrada de agua de alimentación salada, en la planta de desalación la cual utiliza una fuente de energía ya sea eléctrica, térmica o combinación de ambas para realizar el proceso de desalación. La planta de desalación produce agua desalada y un rechazo o salmuera. El objeto de la presente invención es añadir una nueva etapa, denominada de recuperación de la presión osmótica, PRO, la cual está alimentada directamente por la salmuera generada por la planta de desalación y por agua de mar o salobre. Fruto de este proceso PRO se genera una energía y se elimina un rechazo compuesto por una mezcla de agua de mar y salmuera procedente de la planta de desalación.

El proceso PRO, que recibe como alimentación salmuera, proveniente de cualquier tipo de planta de desalación existente en el mercado, yagua de mar,

o agua proveniente de procesos de depuración. El rechazo vertido al mar tras la etapa PRO tiene una concentración salina inferior a la salmuera generada por los procedimientos de desalinización conocidos y que es vertida directamente al mar. Esta salmuera vertida directamente al mar produce un efecto negativo sobre el medio ambiente debido a su alta concentración en sal, algo que se minimiza usando el paso intermedio PRO.

Centrándonos en el proceso PRO objeto de esta invención, el proceso de recuperación de energía se realiza utilizando los siguientes elementos:

• Una cámara isobárica a la que llega la salmuera procedente del rechazo de una planta de desalación a baja presión así como el flujo de agua salada a la que se le ha amentado la presión proveniente de un bastidor de membranas de ósmosis natural. La cámara isobárica aumenta la presión de la salmuera procedente de la planta de desalación y disminuye la presión flujo agua salada procedente de una bomba Booster.

• Un bastidor de membranas de ósmosis natural, conocido con el acrónimo de FO. Esta cámara está alimentada por agua de mar directa y salmuera de rechazo de planta desalada a alta presión tras pasar por una cámara isobárica. Este bastidor FO (Bastidor formado por membranas tipo FO membranes) genera dos caudales de producto de agua salada con una concentración salina superior al agua de mar pero inferior a la salmuera procedente de la planta de desalación.

• Una bomba tipo Booster que aumenta parte del producto o flujo de agua salada obtenida del bastidor FO y cuya salida conecta con la cámara isobárica.

• Una turbina hidráulica que transforma en energía parte del flujo de agua salada generado por el bastidor FO.

El procedimiento de recuperación de energía comienza con la salmuera procedente del rechazo de una planta de desalación a baja presión que alimenta con un caudal (QO) y presión (PO') una cámara isobárica, la cual también es alimentada por un caudal de agua a alta presión (P1) . La cámara isobárica proporciona un caudal de salmuera que proviene del proceso de desalación a alta presión (P1) Y caudal (QO) el cual se introduce en el bastidor de membranas de ósmosis natural (FO) con una presión (P1) , siempre menor que la presión osmótica entre la salmuera y el agua de mar (rr) . Al mismo tiempo, también es introducido un caudal (Q1) de agua de mar, previamente filtrada, con una simple presión de circulación (PO) .

Dentro del bastidor de membranas FO, se produce el fenómeno de ósmosis natural, pasando un caudal (Qx) del agua de mar, a través de la membrana, a la salmuera, siguiendo el principio ya expuesto:

Qx = A (j~1t- (P1-PO) )

Esta presión (P1) será la que optimice el aprovechamiento energético en la turbina hidráulica, el cual dependerá del tipo de salmuera, diferente para los diferentes procesos de desalación, y del agua de mar de alimentación. Dado que este aprovechamiento energético depende de la presión de salida del bastidor (P1 ') , la cual es algo menor que P1 debido a las pérdidas en las membranas, y del caudal de paso a través de las membranas Qx; la presión P1 será la que optimice el valor (P1' . Qx) en función del tipo de fluido que se emplee.

Por lo tanto, sólo se aprovechará energéticamente el caudal de paso entre las membranas (Qx) , devolviéndose nuevamente el caudal inicial (QO) a la cámara isobárica, pasando antes por una bomba Booster que devuelve a este fluido la presión perdida en el proceso de ósmosis natural, pasa de P1' a P1, el cual cede su presión a la salmuera de...

1. Sistema para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la el agua de alimentación como la del mar (1) previamente filtrada y la salmuera proveniente de una planta de desalación (2) consistente en añadir una etapa adicional (6) a la salmuera (5) proveniente de una planta de desalación (2) caracterizado por que esta etapa de recuperación comprende:

• una cámara isobárica (9) cuya entrada a baja presión conecta con el conducto de rechazo o salmuera (5) procedente de una planta de desalación (6) y cuya entrada a alta presión conecta con la salida de una bomba tipo Booster (11) conectando su salida a alta presión con un conducto de salmuera (14) que conecta con un bastidor de membranas de ósmosis natural (10) Y la salida de baja presión con un conducto de fluido salado a baja presión (15) ,

• un bastidor de membranas de ósmosis natural (10) con una entrada

(1) directa de alimentación agua salada (1) y otra entrada conectada al conducto de salmuera (14) a alta presión estando la salida procedente de la salmuera conectada al conducto del producto (17) de fluido salado del bastidor FO (10) Y la salida procedente del fluido de alimentación (1) conectado con el conducto de fluido salado de rechazo (16) del bastidor FO (10) ,

• el conducto de fluido del producto (17) se bifurca en dos conductos de fluidos salados (18, 19) siendo el conducto de fluido (18) de menor caudal que el conducto fluido (19) ,

• una bomba tipo Booster (11) cuya entrada se empalma al conducto de fluido (19) y la salida se empalma con el conducto de fluido (13) correspondiente a la entrada a alta presión de la cámara isobárica (9) .

2. Sistema para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera yagua de mar según reivindicación 1 caracterizado por que la etapa de recuperación incluye una turbina hidráulica (12) cuya entrada conecta al conducto de fluido (18) y la salida conecta al conducto de fluido salado (21) .

3. Sistema para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera yagua de mar según reivindicación 1 caracterizado por que la etapa de recuperación incluye una segunda cámara isobárica (23) cuya entrada (28) a baja presión conecta con una entrada de agua de mar o salobre y cuya entrada a alta presión conecta con el conducto de flujo salado (18) y la salida a alta presión conecta con el conducto del caudal

(24) de agua de mar que conecta con una bomba tipo Booster (25) y la salida de baja presión con un conducto de caudal a baja presión rechazo

(27) y por que el conducto del caudal de rechazo (29) total conecta con el conducto del caudal agua saliente de la cámara isobárica a baja presión (15) y el conducto de la suma de rechazos (16 y 27) .

4. Sistema para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera (5) yagua de alimentación (1) previamente filtrada según reivindicación 2 y 3 caracterizado por que la membrana del bastidor (10) es del tipo de ósmosis natural o directa, conocida en el estado del arte como membrana FO.

5. Procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre agua de alimentación (1) como la del mar previamente filtrada y la salmuera (5) proveniente de una planta de desalación (2) caracterizado por que el procedimiento de recuperación de energía de la etapa (6) comprende las siguientes etapas:

• etapa de aumento de presión de la salmuera (5) consistente en que la salmuera (5) procedente de la planta de desalación (2) a baja presión alimenta con un caudal 00 y presión PO' a una cámara isobárica (9) la cual también es alimentada por otro caudal (13) de agua salada a alta presión P1 y caudal 00 generando la cámara isobárica (9) un flujo de salmuera (14) a alta presión P1 y un caudal de agua salada (15) a baja presión PO', siendo los caudales de salida (14, 15) QO igual que los de entrada (5, 13) QO,

• etapa de osmosis natural consistente en que un bastidor de membranas de ósmosis natural (10) es alimentado por un caudal Q1 de agua de alimentación (1) , previamente filtrada, con una presión de circulación PO y por un caudal QO de salmuera (14) a presión P1 menor que la presión osmótica entre la salmuera (14) generando el bastidor (10) un producto de flujo de agua salada (17) con un caudal suma del caudal QO de alimentación de salmuera (14) más Qx procedente del flujo osmótico de agua a través de la membrana (31) así como otro rechazo (16) de caudal Q1 menos Qx con agua procedente del agua de alimentación (1) con una mayor concentración salina, siendo la presión del flujo del producto (17) inferior a la presión de alimentación P1 de la salmuera (14) a la entrada del bastidor (10) , y la presión PO" del rechazo (16) inferior a la presión de alimentación PO del agua de alimentación (1) ,

• etapa de distribución del flujo del producto (17) consistente en que el producto (17) se divide en un flujo (19) con caudal (QO) y un flujo (18) restante compuesto por el caudal Qx siendo la presión del presión P1' inferior a la presión de alimentación P1 del bastidor FO (10) ,

• etapa de realimentación de la cámara isobárica (9) consistente en que el flujo saliente (19) se dirige a una bomba tipo Booster (11) que aumenta su presión hasta P1 siendo el flujo (13) de agua salada saliente de la bomba (11) el que alimenta la cámara isobárica (9) con un caudal igual al inicial QO y una presión P1.

6. Procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre agua de alimentación (1) como la del mar previamente filtrada y la salmuera (5) proveniente de una planta de desalación (2) según reivindicación 5 caracterizado por que el procedimiento de recuperación de energía de la etapa (6) comprende:

• etapa de alimentación de la turbina (12) consistente en que el flujo (18) con un caudal Qx y presión P1' inferior a la presión de alimentación P1 del bastidor (10) alimenta a la turbina (12) generadora de energía,

• una etapa de evacuación de rechazo consistente en sumar los rechazos de agua salada procedentes de la cámara isobárica (9) , bastidor (10) y turbina hidráulica (12) en un solo flujo (22) que se vierten conjuntamente al mar siendo el caudal del flujo (22) igual a la suma del caudal QO más Q1 y su presión P'" inferior al agua de alimentación (1) de alimentación.

7. Procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre agua de alimentación (1) previamente filtrada y la salmuera (5) proveniente de una planta de desalación (2) según reivindicación 5 caracterizado por que el procedimiento de recuperación de energía de la etapa (6) comprende una segunda etapa de aumento de presión de agua de mar o salobre en una cámara isobárica (23) consistente en que el caudal (18) con un caudal Qx y presión P1' alimenta a una cámara isobárica (23) la cual también está alimentada por otro caudal (27) de agua de mar o salobre a baja presión con un caudal Qx generando la cámara isobárica (23) un caudal de alta presión (24) agua de mar o salobre y un rechazo a baja presión del caudal (27) y por que el caudal

(24) conecta con una bomba booster (25) que alimenta a las membranas de un sistema ósmosis inversa (30) y por que la etapa de evacuación de rechazo consistente en sumar los rechazos (15, 16, 27) de agua salada procedentes de la cámara isobárica (9) , bastidor (10) y cámara isobárica

(23) en un solo flujo (29) que se vierten conjuntamente al mar siendo el caudal del flujo (29) igual a la suma del caudal QO más Q1 y su presión inferior al agua de alimentación (32) de alimentación.

8. Procedimiento para aprovechamiento energético de la ósmosis natural entre la salmuera (5) yagua de alimentación (1) previamente filtrada según 5, 6 Y 7 caracterizado por que la presión de circulación PO' del caudal de salmuera (5) es igual a la presión PO de entrada de agua de alimentación (1) .