Un aparato de intercambiador de presión.

Un aparato de intercamblador de presión (11) para transferir energía de presión de un primer fluido a altapresión a un segundo fluido a una presión más baja para obtener un segundo fluido presurizado.

Este aparatoincluye las siguientes partes:

Un rotor cilíndrico con montaje rotatorio (15) que cuenta con un par de superficies planas opuestas entre sícon, al menos, dos canales (16) que se extienden axialmente a través y entre las aberturas situadas enlas mencionadas superficies planas.

Un par de cubiertas de extremo (19, 21) con superficies hacia el interior y exterior (67, 61). Estas superficieshacIa el interior (67) se conectan entre sí deslizándose y sellándose con las caras del mencionado motor(16). Cada cubierta de extremo dispone de un paso de acceso (63) y otro paso de descarga (65). Estospasos deberán estar situados, de tal modo, que el paso de acceso en la cubierta correspondiente estéalineado con uno de los canales (16) mencionados en el rotor cuando el paso de descarga en la otracubierta esté alineado también con el mismo canal. Estos pasos mencionados de acceso y descarga encada una de las placas de extremo permanecen constantemente cerrados herméticamente entre sí duranteel funcionamiento mediante una zona de sellado en la interfaz entre las superficies mencionadas del rotor yla cubierta de extremo (67). En estas superficies se alinean total o parcialmente en secuencias alternas lasreferidas aberturas de canal durante el giro del rotor con un paso de acceso en una de las cubiertas deextremo mencionadas y un paso de descarga en la otra cubierta de extremo respectiva para luego alinearsenuevo parcial o totalmente con un paso de descarga en una de las cubiertas de extremo indicadas y unpaso de acceso en la otra cubierta de extremo respectiva.

Un aparato de intercambiador de presión.

Ambito de invención (0001) La invención se refiere a un intercambiador de presión en el que !Jn primer fluido se comunica hidráulicamente a alta presión con un segundo fluido a una presión más baja y transfiere presión entre los fluidos. Esta invención particularmente se refiere a un intercambiador de presión rotatorio en el que se compensan las fuerzas que, de otro modo, distorsionarían los componentes.

Informacíón previa sobre la invención (0002) En numerosos procesos industriales, especialmente químicos, se opera a grandes presiones. Estos procesos requieren una alimentación de fluido a alta presión que puede ser un gas, un líquido o un lodo. Estos últimos forman un producto fluido o efluente. Una vía para lograr una alimentación de fluido a alta presión en dichos procesos industriales consíste en introducir un flujo a una presión relativamente baja a través de un intercambiador de presión para cambiar la presión entre el flujo elevado de residuos y el flujo de alimentación a baja presión. Un tipo de intercambiador de presión especialmente eficaz es un iniercambiador rotatorio en el que un rotor giratorio establece una comunicación hidráulica mediante sus canales axiales entre el fluido de alta presión y el de baja presión alternando las secuencias.

(0003) En las patentes estadounidenses 2.800.120 (este documento es la base del preámbulo de la Reivindicación 1) 4.887.942, 5.338.158, 6.537.035, 6.540.487, 6.659.731 Y 6.773.226 se analizan los intercambíadores de presión rotatorios de tipo general descritos en la presente patente para transferir la presión de un fluido a otro. Este tipo de intercambiador de presión constituye una aplicación directa de la Ley de Pascal: "La presión aplicada a un fluido dentro de un recipiente se transmite por igual a todos los puntos del fluido y en las paredes del recipiente que lo contiene." La Ley de Pascal sostiene que si se establece un contacto hidráulico entre un fluido a alta presión con otro a baja presión, se reducirá la presión del fluido a alta presión y el de baja presión se incrementará. Además, este tipo de intercambio de presión se logra con el mínimo mezclado. En un intercambiador de presión rotatorio de este tipo, se aplica el Principio de Pascal estableciendo un contacto hidráulico alternativa y secuencialmente a través de un canal que contiene un fluido a una presión más baja con otro fluido a una presión superior, por lo tanto, presurizando un fluido en el canal y provocando la salida de parte del fluido que estaba en él, de tal modo, que el fluido de mayor presión ocupa su lugar correspondiente y el canal entra en contacto hidráulico con una segunda cámara que contiene la corriente entrante del fluido a una presión más baja que presuriza lo suficiente al fluido en la cámara como para provocar que parte del otro fluido que se encontraba en la cámara salga a una presión aún más baja.

(0004) El resultado neto del proceso de intercambio de presión según la Ley de Pascal consiste en lograr que las presiones provocadas en dos fluidos se aproximen entre sí. En procesos químicos como en la ósmosis inversa de agua de mar, el resultado que se obtiene es que el agua de mar a baja presión y la salmuera a alta presión se pueden introducir en este tipo de intercambiador con la ventaja de que se logra presurizar el agua de mar y despresurizar la salmuera empleando una presión elevada, por ejemplo, de 700-1.200 libras por pulgada cuadrada o psi (del inglés "pounds per square ínch") (equivalentes a 5-8 MPa) , con un agua de mar normalmente disponible a una presión baja, por ejemplo, a una presión atmosférica de aprox. 50 psi (0, 3 MPa) y con una salmuera a alta presión alrededor de unos 700-1.200 psi (5-8 MPa) . El efecto ventajoso del iníercambiador de presión en procesos industriales de este tipo consiste en la reducción de la capacidad de bombeo a presiones elevadas. Esta capacidad se requiere para aumentar el flujo de alimentación hasta alcanzar la alta presión deseada y lograr un funcionamiento eficaz. Esta reducción puede provocar a menudo una disminución de energía de hasta un 65% en procesos de este tipo, lo que da como resultado, por lo tanto, la reducción de tamaño correspondiente de la bomba requerida.

(0005) En estos intercambiadores de presión rotatorios existe, por lo general, un rotor con múltiples canales de extremo abierto. Es harto conocido que la rotación del motor está impulsada o bien por una fuerza externa o por la dirección de entrada del fluido a alta presión en los canales. La rotación proporciona una comunicación hidráulica por turnos en un solo canal entre el fluido y el flujo entrante a alta presión en uno de los extremos opuestos de la cámara. Luego, en un intervalo de tiempo muy breve, se establece esta misma comunicación con un fluido entrante a baja presión en el otro extremo de la cámara. Como resultado de lo expuesto, se produce un flujo alternado axial a contracorriente del fluido en cada canal del rotor, creándose dos flujos de descarga, por ejemplo, una corriente de salmuera a presión reducida y otro flujo de agua de mar a presión aumentada.

(0006) En estos intercambiadores de presión rotatorios que cuentan con un rotor giratorio y múltiples canales que, por lo general, se extienden longitudinalmente a través de dicho rotor, se originan numerosos intervalos muy breves de comunicación hidráulica entre las cámaras con los extremos opuestos de los dos fluidos que, de otro modo, permanecerían aislados hidráulicamente entre sí. En estos canales se produciría una mínima mezcla entre los fluidos debido a que la operación se realiza, de tal modo, que dichos canales presentarian cada uno una zona de flujo muerto que actúa como tapón o punto de contacto en el canal entre los fluidos que entran y salen de cada uno de los respectivos extremos. Esto último permite que la salmuera a alta presión transfiera su presión al flujo entrante de agua de mar a baja presión sin que se mezclen.

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(0007) Normalmente, el rotor gira en un casquillo o caja cilíndricos con sus superficies planas deslizables y selladas que se conectan con las cubiertas de los extremos. Estas cubiertas apoyan sus bordes manteniendo el contacto con el casquillo y presentan una entrada por separado asi como aberturas de descarga para acoplarse alternativamente S a los canales en el rotor. Como resultado, en estos canales, conectados hidráulicamente por turnos, por ejemplo, primero con un flujo entrante de salmuera a alta presión y luego con otro flujo entrante de agua de mar a baja presión, se produce una descarga de liquido procedente de su extremo opuesto. A medida que e[ rotor gira durante los intervalos de alternancia de comunicación hidráulica, se cierran ambas aberturas de cada canal durante un breve espacio de tiempo en cada una de [as cubiertas de los extremos.

(0008) A menudo, el rotor en el intercambiador de presión está alojado en un cojinete hidrostático e impulsado o bien por la corriente de fluidos que entran y atraviesan sus canales o bien por un motor. Para lograr una fricción extremadamente baja se han sustituido los cierres herméticos giratorios por selladores anaeróbicos y rodamientos por fluido. Con el objetivo de minimizar al máximo las fugas, se emplean ajustes con tolerancias extremadamente estrechas entre sí.

(0009) Para minimizar estas fugas y mejorar la estabilidad dimensional de los materiales de construcción, se está investigando continuamente en mejoras en este tipo de intercambiadores de presión rotatorios.

Resumen de la Invención (0010) La cubiertas de los extremos que cuentan con superficies planas hacia el interior que se deslizan y sellan con las superficies planas de [os extremos del rotor constituyen piezas importantes de este tipo de intercambiadores de presión rotatorios. Durante el servicio y, particularmente, durante su funcionamiento a alta presión, como suele ser

usual en e[ procedimiento de ósmosis inversa de agua de mar (OIAM) , la corriente entrante de salmuera puede estar a una presión mayor de 700-1.200 psi (5-8 MPa) por encima de [a de la corriente entrante de agua de mar. Con el objetivo de establecer una estabilidad dimensional de dichos componentes, hemos observado que reviste una gran importancia prestar atención a estas grandes diferencias de presión.

(0011) En este sentido, hemos constatado que se puede lograr una mejora en el funcionamiento y estabilidad de los intercambiadores de presión rotatorios empleando tales cubiertas e introduciendo caras hacia el interior en las superficies mencionadas, preferentemente para equilibrar las fuerzas a las que se ven sometidas constantemente... [Seguir leyendo]

1a._ Un aparato de intercamblador de presión (11) para transferir energía de presión de un primer fluido a alta presión a un segundo fluido a una presión más baja para obtener un segundo fluido presurizado. Este aparato incluye las siguientes partes:

Un rotor cilíndrico con montaje rotatorio (15) que cuenta con un par de superficies planas opuestas entre sí con, al menos, dos canales (16) que se extienden axialmente a través y entre las aberturas situadas en las mencionadas superficies planas.

Un par de cubiertas de extremo (19, 21) con superficies hacia el interior y exterior (67, 61) . Estas superficies hacIa el interior (67) se conectan entre sí deslizándose y sellándose con las caras del mencionado motor (16) . Cada cubierta de extremo dispone de un paso de acceso (63) y otro paso de descarga (65) . Estos pasos deberán estar situados, de tal modo, que el paso de acceso en la cubierta correspondiente esté alineado con uno de los canales (16) mencionados en el rotor cuando el paso de descarga en la otra cubierta esté alineado también con el mismo canal. Estos pasos mencionados de acceso y descarga en cada una de las placas de extremo permanecen constantemente cerrados herméticamente entre sí durante el funcionamiento mediante una zona de sellado en la interfaz entre las superficies mencionadas del rotor y de la cubierta de extremo (67) . En estas superficies se alinean total o parcialmente en secuencias alternas las referidas aberturas de canal durante el giro del rotor con un paso de acceso en una de las cubiertas de extremo mencionadas y un paso de descarga en la otra cubierta de extremo respectiva para luego alinearse de nuevo parcial o totalmente con un paso de descarga en una de las cubiertas de extremo indicadas y un paso de acceso en la otra cubierta de extremo respectiva.

Este aparato se caracteriza por incluir las siguientes piezas:

Un casquillo tubular (17) que rodea al mencionado rotor, dentro del cual, los extremos opuestos de dicho casquíllo se conectan respectivamente con las superficies hacia el interior de las citadas cubiertas de extremo (19, 21) a lo largo de sus bordes.

Una cámara de admisión de entrada (53) que comunica un fluido con la superficie hacia el exterior de la primera de las referidas cubiertas de extremo y constituye un límite para la superficie hacia el exterior de la primera cubierta de extremo. A través de esta cámara se suministra el primer fluido mencionado a alta presión a la primera de las cubiertas señaladas.

Una cámara de admisión de descarga (45) que comunica un fluido con la superficie hacia el exterior de la segunda de las referidas cubiertas de extremo y constituye un límite para la superficie hacia el exterior de la segunda cubierta de extremo. A través de esta cámara, el aparato de intercambiador de presión descarga el segundo fluido presurizado.

Por último, la fijación de una zona central se efectuará, como minimo, en una de las superficies referidas hacia el interior (67) de una de las cubiertas de extremo (19) , de tal modo, que la fuerza axial que ejerza el primer líquido a alta presión o el segundo líquido presurizado en la superficie hacia el exterior (61) no deforme la respectiva cubierta.

Dentro del ámbito de los medios de fijación se incluyen:

Como minimo, una cámara de compensación de presión (75) que comunica un fluido con la superficie hacia el interior (77) de al menos una de las cubiertas de extremo mencionadas (19) ,

Una pieza (73) que conecta dicha cámara o bien al primer fluido a alta presión o bien al segundo fluido presurizado, de tal modo, que la cubierta de extremo mencionada en último lugar (19) esté sometida a fuerzas axiales relativamente iguales en sus respectivas superficies hacia el interior y exterior.

, _ El aparato según la Reivindicación 1 en el que las cámaras de compensación de presión (75) cuentan con una superficie adyacente hacia el interior (67) en cada cubierta de extremo mencionada. Estas cámaras comunican un fluido con otro, de tal modo, que ambas cubiertas de extremo (19, 21) estén sujetas a fuerzas relativamente iguales en sus respectivas superficies hacia el interior y exterior.

3a, _ El aparato según la Reivindicación 2 en el que, por lo general, una cavidad axial (25) se extiende a través del citado rotor entre las superficies opuestas y comunica un fluido con las cámaras señaladas de compensación de presión (75) .

4a, _ El aparato según cualquiera de las Reivindicaciones anteriores, en el que al menos una cubierta de extremo incluye una cavidad axial (27) que comunica con la citada cámara de compensación de presión (75) y en la que el fluido se comunica entre dicha cámara de compensación de presión (75) y el fluido a alta presión con un paso, por lo general, radial (73) situado en la mencionada cubierta de extremo que se abre hacia el paso de acceso o de descarga, de tal modo, que el fluido a mayor presión en dicha cubierta de extremo se comunique con la cavidad axial.

5a._ El aparato según las Reivindicaciones 1 ó 2, en el que el rotor indicado y las cubiertas de extremo mencionadas 5

cuentan con cavidades coaxiales (25, 29) que se extienden a través de ellos.

ea._ El aparato según la Reivindicación 5 ó 4, siempre y cuando dependa de la Reivindicación 3, en el que una barra (23) se extiende entre las cubiertas de extremo referidas y a través de las cavidades axiales en las cubiertas de extremo yen el rotor para crear una unidad integral.

7a._ El aparato según cualquiera de las Reivindicaciones anteriores, en el que la mencionada cámara de compensación de presión (75) incluye una superficie hacia el interior (77) .

aa. El aparato según cualquiera de las Reivindicaciones anteriores, en el que la mencionada cámara de 15 compensación de presión está situada en el centro de la referida superficie hacia el interior (67) de, al menos, una de las cubiertas de extremo mencionadas (19) .

9a._ Un método para transferir energía de presión desde una corriente de un primer fluido a alta presión hasta otra corriente de un segundo fluido a una presión más baja empleando un intercambiador de presión (11) que incluye los 20 siguientes pasos:

-Suministrar la corriente del primer fluido a alta presión a través de un paso de acceso (63) en una primera cubierta de extremo (21) a uno de los extremos del intercambiador de presión para dirigir el mencionado primer fluido hacia un rotor cilíndrico giratorio (15) que dispone de un par de superficies opuestas, por lo

general, planas, con, al menos, dos canales (16) que se extienden axial mente a través de las aberturas y entre las mismas situadas en las caras opuestas del rotor.

-Suministrar la corriente del segundo fluido a una presión más baja a través de un paso de acceso (63) en una segunda cubierta de extremo (19) al extremo opuesto del intercambiador de presión para dirigir este 30 segundo líquido hacia los extremos opuestos de los canales hasta entrar en el rotor giratorio, en el que cada cubierta de extremo cuenta con una superficie hacia el interior y exterior respectivamente. Particularmente, las superficies hacia el interior (67) se deslizan y sellan con las caras respectivas del rotor. Cada cubierta de extremo también dispone de un paso de descarga (65) añadido al paso de acceso. Estos pasos (63, 65) en cada cubierta están separados angularmente entre sí, de tal modo, que cada canal (16)

sólo se pueda comunicar simultáneamente en el rotor con un único paso de cada cubierta.

-Girar el rotor mencionado dentro de un casquillo tubular (17) rodeando a dicho rotor. Dentro de dicho casquillo, sus extremos opuestos conectan con las superficies hacia el interior de las cubiertas de extremo a lo largo de sus bordes. Esta rotación provoca que se abran los canales en una secuencia alterna. De este 40 modo, se logra una alineación parcial o completa de dichos canales con un paso de acceso en una cubierta de extremo y con un paso de descarga en la otra cubierta de extremo para después conseguir otro alineamiento parcial o completo con un paso de descarga en uno de las cubiertas de extremo y con un paso de acceso en la otra cubierta. Durante este proceso, se suministra el primer fluido a alta presión a una primera cubierta de extremo (21) a través de una cámara de admisión de entrada (53) que comunica el 45 fluido con la cara hacia el exterior de la primera cubierta de extremo. Para dicha cámara, esta cara hacia el exterior de la segunda cubierta de extremo constituye, al menos, un límite. Asimismo, durante el mencionado proceso, se descarga también el segundo fluido presurizado desde el intercambiador de presión a través de la cámara de admisión de descarga (45) que comunica el fluido con la cara hacia el exterior de la segunda cubierta mencionada. Para dicha cámara, esta cara hacia el exterior de la segunda

SO cubierta de extremo constituye, como mínimo, un límite.

-Fijar y proteger una región central de las caras hacia el interior (67) de las cubiertas contra deformaciones provocadas por las fuerzas axiales que originan las corrientes de un primer fluido a alta presión y un segundo fluido presurizado en las superficies hacia el exterior de dichas cubiertas. Para ello, se incorpora,

como mínimo, una cámara de compensación de presión (75) que comunica el fluido con la superficie hacia el interior (77) de, al menos, una de las cubiertas de extremo asi como con la corriente del primer fluido entrante a alta presión o con la corriente del segundo fluido presurizado que se está descargando del intercambiador de presión.

10a." El método según la Reivindicación 9, en el que la cámara de compensación de presión comunica el fluido con una cámara (25) que se extiende axialmente a través del rotor mencionado que, a su vez, comunica con una cámara similar de compensación de presión situada en la otra cubierta de extremo.

INTERCAMBIADOR DE PRESION 1

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