DESALINIZACIÓN RENOVABLE DE SALMUERAS.

Se divulgan sistemas y procesos de separación que utilizan sistemas de membrana dirigidos por ósmosis y generalmente involucran la extracción de solvente de una primera solución para concentrar el soluto utilizando una segunda solución concentrada para extraer el solvente de la primera solución a través de una membrana semipermeable;

estos sistemas y procesos involucran la integración de los sistemas de membrana accionados de manera osmótica, tal como ósmosis forzada, con fuentes de energía renovable, tales como plantas de energía térmica solar o instalaciones geotérmicas para la recuperación de los solutos de extracción.

Desalinización renovable de salmueras.

CAMPO DE LA INVENCIÓN 5

Uno o más aspectos generalmente se refieren a la separación osmótica. De manera más particular, uno o más aspectos involucran la integración de procesos de membrana de ósmosis dirigida (ODMP) , tal como ósmosis forzada, con fuentes de energía renovables, tales como plantas de energía solar térmica o instalaciones geotérmicas. 10

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se requieren grandes cantidades de agua dulce para la generación de energía. Específicamente, se consume agua en el proceso de enfriamiento de un ciclo de energía 15 Rankine. Entre las diferentes tecnologías de generación de energía, las plantas de Energía Solar Concentrada (CSP) con enfriamiento húmedo tienen el consumo de agua anual más elevado. Para exacerbar aún más este problema, las CSPs están ubicadas en áreas de alta irradiancia solar, tales como desiertos, que tienen agua de superficie limitada. Algunas plantas CSP han adoptado métodos de enfriamiento seco que reducen en gran medida la 20 entrada de agua, pero conducen a costos de capital incrementados y grandes perdidas de eficiencia en días calurosos.

Los procesos de desalinización de agua de mar existentes, utilizados para proporcionar agua dulce tanto a fuentes municipales como industriales, son procesos de baja 25 recuperación. Las plantas de Ósmosis Inversa para Agua Marina (SWRO) típicamente tienen una recuperación de ~45%, de manera que más de la mitad del agua de mar que entra a la planta es devuelta al mar como un concentrado. Plantas de Destilación por Múltiple Efecto (MED) y Destilación Súbita Multietapa (MSF) operan a niveles de recuperación muy inferiores, típicamente en el rango de 15 a 35%. Por lo tanto, estas 30 plantas gastan energía y tienen costos de pre-tratamiento al llevar una gran cantidad de agua a la planta que posteriormente es devuelta al mar como un desecho. La administración del concentrado es un problema significativo con las plantas de ósmosis inversa de agua salobre (BWRO) terrestre. Estas plantas pueden producir agua dulce a partir de acuíferos salobres y aguas de superficie, pero están plagadas con el problema de qué hacer con el 35 concentrado que se produce. La devolución del concentrado a un cuerpo salino, tal como un mar u océano, no es práctico.

Los recursos geotérmicos de baja entalpía proporcionan fluidos geotérmicos a temperaturas de 150°C y por debajo; sin embargo, esto es una generalización, ya que definiciones 40 industriales no son consistentes. Estos recursos son menores a lo ideal para la generación de energía eléctrica, debido a que la baja temperatura del calor disponible tiene como resultado una baja eficiencia termodinámica y un costo de capital relativamente alto, y dichos sistemas probablemente utilizarían un Ciclo Rankine Orgánico. Sin embargo, estos están disponibles en pozos relativamente superficiales en muchas regiones donde recursos 45 de entalpía superior no están disponibles.

El uso de la energía eléctrica depende de la región. Pero en muchas regiones áridas se consume una cantidad significativa de energía ya sea directamente para la desalinización o indirectamente como una reducción en la salida de la planta de energía debido a la adición 50 de una contrapresión en la turbina de vapor o extracción de vapor de presión superior de una turbina de vapor, por ejemplo en una Planta de Energía y Agua Integrada que utiliza MSF o MED u SWRO.

Por lo tanto, resulta atractivo utilizar recursos geotérmicos de baja entalpía para desalinizar agua directamente y evitar ineficiencias significativas en la generación de energía eléctrica y pérdidas de transmisión, de esta manera reduciendo la generación de gases de invernadero (GHGs) y desplazando el consumo de combustible fósil. En el caso de productores de 5 combustible fósil, este consumo desplazado representa el ingreso de exportación potencial. En el contexto de los recursos renovables de energía para desalinización FO, los recursos geotérmicos son muy deseables ya que no están sujetos a variaciones diurnas o climáticas, lo cual puede negar la necesidad de almacenar calor y puede permitir una operación constante de la desalinización. 10

El uso de recursos geotérmicos para la desalinización del agua ya se había propuesto antes. Bechtel propuso una planta de agua y energía combinada en los 60's. El Departamento de los Estados Unidos de Reclamación construyó una planta en Holtville en 1972. Esto fue probablemente con un recurso de entalpía superior. En Francia y Túnez se han instalado 15 dos plantas pequeñas utilizando evaporadores y condensadores de polipropileno con rangos de temperatura de operación de 60 a 90°C. Una planta MED Alpha Laval de dos etapas que opera a 61°C fue el proyecto piloto en la Isla Griega de Kimolos con una capacidad de producción de 80 m3/día. Parece no haber ejemplos de desalinización geotérmica de baja entalpía de una escala mayor que la planta piloto o instalaciones con una alta eficiencia (con 20 un número significativo de efecto) . En general, MED es una tecnología obvia de opción para acoplarse a recursos geotérmicos de baja entalpía. En general, MSF requiere una temperatura de entrada térmica muy alta para obtener un número suficiente de etapas para lograr una relación de rendimiento efectiva, debido a la termodinámica adversa en comparación con MED. 25

También vale la pena observar que a las temperaturas disponibles en técnicas del sistema de baja entalpía, tal como la compresión térmica de vapor (TVC) , la cual mejora la eficiencia del sistema, no son posibles sin una bomba de calor externa, lo cual sería un consumidor significativo de energía eléctrica importante o una fuente de calor de alta calidad. De manera 30 similar, la compresión mecánica de vapor (MVC) utilizaría una cantidad significativa de electricidad, lo cual puede negar los beneficios en el uso del recurso geotérmico para desalinizar.

La necesidad y ocurrencia de la desalinización de agua de mar es mayor en regiones con 35 alta irradiancia solar. De manera similar, muchas plantas solares en tierra están ubicadas en regiones de alta irradiancia solar que con frecuencia son regiones áridas donde el acceso al agua es limitado, lo cual obstaculiza la operación de la planta solar y crea una oportunidad para aligerar la escasez de agua local.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Aspectos de la invención generalmente se refieren a los sistemas y procesos de membrana de ósmosis dirigida, incluyendo separación por ósmosis forzada (FO) , concentración osmótica directa (DOC) , ósmosis forzada asistida por presión (PAFO) , y ósmosis por presión 45 retardada (PRO) . De manera más particular, la invención se refiere a sistemas y métodos que integran fuentes de energía renovable con los sistemas y procesos de membrana de ósmosis dirigida (generalmente, ODMP) .

Generalmente, los sistemas aquí descritos son concentradores de salmuera térmicamente accionados por otros tipos de ODMP que pueden recuperar cantidades significativas de 50 concentrados salinos del agua. Los sistemas pueden producir agua dulce a partir del concentrado residual de SWRO, MED y MSF (o directamente desde otras fuentes de agua) y pueden reducir dramáticamente el volumen de agua requerido, por ejemplo, para una planta CSP. Esta agua ya ha sido tratada para alimentar la operación de desalinización corriente arriba, y la capacidad de la planta se puede incrementar con las estructuras de entrada y salida existentes, sin incrementar el costo del pre-tratamiento, convirtiendo un desperdicio en un producto valioso. Debido a que el ODMP es un proceso térmicamente dirigido, éste se integra bien con plantas térmicas solares. Algunos recursos de calor pueden 5 ser capturados desde plantas CSP con una inversión marginal muy pequeña. Además, debido a que el ODMP puede ser dirigido por calor de bajo grado (baja temperatura) , generadores de vapor solar y calentadores de agua solares proporcionan un enfoque de bajo costo para energizar la concentración de salmuera cuando la concentración de salmuera no está co-ubicada con una planta CSP. 10

A continuación se describen los requerimientos CAPEX mínimos estimados para proporcionar energía térmica a los sistemas divulgados para la concentración de salmuera utilizando energía tirada y Fluido de Transferencia de Calor (HTF) frío como fuentes de energía térmica, tal como se analiza con mayor detalle a continuación. Para una planta CSP 15 de 50 MWe, un sistema de concentración de salmuera de capacidad promedio de 1300 m3/día (0.34 MGD) virtualmente puede no ser un OPEX al utilizar la energía tirada. Se puede capturar energía térmica adicional del HTF frío por...

1. Un sistema para extracción osmótica de un solvente a partir de una primera solución, que comprende:

una unidad de ósmosis forzada que comprende:

una primera cámara que tiene una entrada acoplada de manera fluida a una fuente 5 de la primera solución;

una segunda cámara que tiene una entrada acoplada de manera fluida a una fuente de una solución de extracción concentrada; y

un sistema de membrana semipermeable que separa la primera cámara de la segunda cámara y configurado para separar de manera osmótica el solvente de la primera 10 solución, formando así una segunda solución en la primera cámara y una solución de extracción diluida en la segunda cámara;

una fuente de energía térmica de una fuente de energía renovable; y

un sistema de separación en comunicación de fluido con la unidad de ósmosis forzada y la fuente de energía térmica y configurado para separar la solución de extracción 15 diluida en la solución de extracción concentrada y una corriente de solvente, el sistema de separación comprendiendo:

una primera entrada acoplada de manera fluida a una salida de la segunda cámara de la unidad de ósmosis forzada para recibir la solución de extracción diluida de la misma;

una segunda entrada para recibir la fuente de energía térmica; 20

una primera salida acoplada de manera fluida a la segunda cámara de la unidad de ósmosis forzada para introducir la solución de extracción concentrada a la unidad de ósmosis forzada; y

una segunda salida para emitir el solvente.

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de ósmosis forzada comprende una pluralidad de sistemas de membrana semipermeables.

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la 30 fuente de energía renovable comprende una planta de energía solar concentrada.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de energía térmica comprende al menos uno de calor residual, calor almacenado o 35 una fuente de vapor.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el calor residual comprende calor rechazado por una planta de energía solar concentrada.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el calor almacenado comprende al menos uno de un fluido de transferencia de calor caliente, un fluido de transferencia de calor frío, y/o una fuente de agua caliente de una planta de energía solar concentrada.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la fuente de vapor comprende al menos uno de una parte del vapor emitido desde un generador de vapor, un supercalentador solar y/o un condensador de vapor de una planta de energía solar concentrada.

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de separación comprende un módulo de destilación.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el módulo de destilación comprende al menos uno de una columna de destilación y/o un módulo de destilación de membrana.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la fuente de vapor está directamente acoplada al módulo de destilación.

11. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de energía térmica se utiliza para producir vapor o una fuente de energía mecánica 10 para uso en el sistema de separación.

12. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un sistema de pre-tratamiento en comunicación de fluido con la fuente de energía térmica para 15 acondicionar la primera solución.

13. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un sistema de post-tratamiento en comunicación de fluido con la fuente de energía térmica para acondicionar al menos una de la segunda solución, la solución de extracción concentrada, 20 y/o el solvente.

14. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende un sistema de almacenamiento osmótico para almacenar la solución de extracción concentrada y el solvente que sale del sistema de separación en aislamiento fluido para posterior 25 reintroducción a la unidad de ósmosis forzada como la primera solución y la solución bruta concentrada.

15. Un método para extraer de manera osmótica un solvente de una primera solución, el método comprende los pasos de: 30

proporcionar una unidad de ósmosis forzada, donde la unidad de ósmosis forzada comprende:

una primera cámara que tiene una entrada acoplada de manera fluida a una fuente de la primera solución, una segunda cámara que tiene una entrada acoplada de manera fluida a una fuente 35 de una solución de extracción concentrada; y

un sistema de membrana semipermeable que separa la primera cámara de la segunda cámara y configurado para separar de manera osmótica el solvente de la primera solución, formando así una segunda solución en la primera cámara y una solución de extracción diluida en la segunda cámara; 40

acoplar de manera fluida un sistema de separación con la unidad de ósmosis forzada, en donde el sistema de separación está configurado para separar la solución de extracción diluida en la solución de extracción concentrada y una corriente de solvente y comprende:

una entrada acoplada de manera fluida a una salida de la segunda cámara de la 45 unidad de ósmosis forzada para recibir la solución de extracción diluida de la misma;

una primera salida acoplada de manera fluida a la segunda cámara de la unidad de ósmosis forzada para introducir la solución de extracción concentrada a la unidad de ósmosis forzada; y

una segunda salida para emitir el solvente; y 50

introducir una fuente de energía térmica desde una fuente de energía renovable al sistema de separación.

16. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el paso de introducir una fuente de energía térmica comprende dirigir al menos uno de calor residual, calor almacenado y una fuente de vapor desde una planta de energía solar concentrada al sistema de separación.

17. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el sistema de separación comprende al menos un módulo de destilación y el paso de introducir una fuente de energía térmica comprende dirigir una fuente de vapor que comprende al menos uno de una porción de una salida de vapor desde un generador de vapor, un supercalentador solar, y/o un condensador de vapor. 10

18. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el paso de introducir una fuente de energía térmica comprende dirigir la fuente de energía térmica a un generador de vapor para proporcionar vapor al sistema de separación.

19. El método de conformidad con la reivindicación 15, que además comprende el paso de introducir una parte de la fuente de energía térmica al menos a uno de un proceso de pre-tratamiento y/o post-tratamiento para acondicionar al menos una de la primera solución, la según da solución y/o el solvente.

20. El método de conformidad con la reivindicación 15, que además comprende los pasos de almacenar el solvente y la solución de extracción concentrada generada mediante el sistema de separación en aislamiento fluido para posterior reintroducción como la primera solución y la solución de extracción concentrada al módulo de ósmosis forzada.