Sistema híbrido RO/PRO.

Un sistema para producir agua de alta calidad a partir de agua salina y producir energía de dos corrientes acuosas de diferentes concentraciones en sal,

cuyo sistema comprende:

un elemento de membrana semipermeable (11) capaz de funcionar en el modo RO o en el modo PRO, cuyo elemento tiene una primera sub-cámara (13) y una segunda sub-cámara (15) separadas por un material de membrana semipermeable (17), y dicho elemento tiene también una entrada (19) y una salida (23) conectadas a dicha primera sub-cámara y los puertos primero y segundo (21, 25) están conectados a dicha segunda sub-cámara, un generador de energía de hidroturbina (31, 33),

un primer medio de conducto (27) que conecta dicha salida de dicha primera sub-cámara de dicho elemento a dicha hidroturbina,

un medio para conducir una corriente de alimentación líquida de agua de alta concentración en sal desde una fuente (53) de semejante agua salina bajo alta presión que incluye un segundo conducto (47) que conduce a la entrada de dicha primera sub-cámara,

un tercer medio de conducto (41) que tiene una primera y una segunda bifurcación conectadas a dicho primer puerto de dicha segunda sub-cámara,

un medio (39) para suministrar agua de baja concentración en sal a dicha segunda sub-cámara a través de dicha primera bifurcación (41a), mientras dicha segunda bifurcación (41b) sirve como un tubo de descarga para permeado acuoso,

un medio (69) para extraer parte del agua de baja concentración en sal de dicho segundo puerto (25) de dicha segunda sub-cámara para conseguir arrastrar el flujo a lo largo de dicho material de membrana semipermeable, y un medio de control (65) para alternativamente hacer funcionar dicho sistema en un modo PRO productor de energía, en el cual dicha primera bifurcación (41a) operativamente se conecta a dicho medio de suministro de agua de baja concentración en sal (39) a dicho primer puerto (21) de dicha segunda cámara, o en un modo RO productor de agua de alta calidad, en el cual dicha segunda bifurcación de descarga (41b) está operativamente conectada a dicha segunda sub-cámara (15) para el flujo del permeado a través de la misma.

Sistema híbrido RO/PRO

(1) Esta invención hace referencia a sistemas para emplear membranas semipermeables en un dispositivo de tal manera que la presión osmótica conduce el agua a través de la membrana desde una solución diluida a una solución concentrada en un modo PRO de funcionamiento para generar energía, y de tal modo que cuando la presión hidráulica se usa para superar la diferencia de presión osmótica a través de la membrana en un modo RO de funcionamiento, se produce un flujo de agua de alta calidad a través de la membrana.

Antecedentes de la invención

(2) La Patente de E.E.U.U. n2 3,96,25 de Sidney Loeb manifestó el concepto básico del uso de líquidos de diferentes presiones osmóticas para generar energía, proponiendo que combinaciones tales como agua de mar y agua fresca, o cuerpos altamente salino (como el Mar Muerto) y agua de mar, así como también otras parejas de líquidos similares, pueden ser aspirantes para semejante programa de generación de energía renovable. Este proceso ha llegado a ser conocido como Presión Retardada Osmosis (PRO). En la patente de Loeb, se describieron varios sistemas que pueden ser empleados cuando semejantes fuentes naturales de líquidos con dos presiones osmóticas ampliamente diferentes no estaban disponibles. La Patente de E.E.U.U. n2 3,978,344 describe un sistema PRO en el que el líquido de alta concentración en sal, de alta presión, ahora diluido, fue descargado a través de toberas para hacer funcionar turbinas.

(3) Desde entonces se han emitido múltiples patentes de E.E.U.U. y se han escrito artículos describiendo cómo los sistemas PRO pueden ser usados ventajosamente como fuente de energía renovable para generar energía, por ejemplo, energía eléctrica, empleando fuentes de agua disponible naturalmente de concentración de sal ampliamente variables, o empleando las corrientes de descargas disponibles de instalaciones industriales o municipales, tales como efluentes de tratamientos residuales. Ver, por ejemplo, Producción de Energía en el Mar Muerto por Presión Retardada Osmosis: Reto ó Quimera por Sidney Loeb, 15 de Julio 1998, Desalinización 12 (1998) 247-262; Patente de E.E.U.U. n2 6,185,94 B1 emitida el 13 de Febrero, 21 en Prueitt; Publicación de Patente Internacional n2 WO2/13955 A1 publicada el 21 de Febrero de 22 en Statkraft SF; y Publicación de Patente Internacional n2 W25/17352 A1 publicada el 24 de Febrero de 25 en la Universidad de Surrey. Sin embargo, a pesar de la conveniencia de semejantes sistemas propuestos, y a pesar del hecho de que las instalaciones de gran escala de osmosis inversa (RO) para crear agua fresca del agua de mar o fuentes de agua salina están en un uso creciente en todo el mundo, estos sistemas PRO no han llegado a ser comerciales. Se cree que el gran coste de capital involucrado para construir una planta ha disuadido la aceptación comercial de semejantes sistemas como una alternativa a otras fuentes de generación de energía renovable, que han demostrado tener un historial. Como resultado, ha continuado la búsqueda de medios para crear sistemas PRO de forma comercialmente más atractiva.

Resumen de la invención

(4) Se ha descubierto que, diseñando una instalación que puede operar tanto como generador RO de agua fresca, o como generador de energía PRO, resultan ventajas sorprendentes que se espera que aporten oportunidades comerciales para dichas instalaciones. Por la presente, se proporciona semejante sistema que puede operar eficientemente y económicamente tanto en un modo RO como en un modo PRO; se hace referencia al mismo como sistema híbrido RO/PRO, porque en ambos modos de funcionamiento, se usan el mismo depósito de elementos de membrana y el mismo equipo, en donde habrá un flujo de agua a través de una membrana semipermeable entre dos cuerpos de distinta concentración en sal. En una ejecución preferida, la eficiencia en conjunto de un sistema semejante es realzada mediante la incorporación de un dispositivo de transferencia de presión rotativa, que proporciona un control simplificado total del sistema y presuriza muy eficientemente una corriente de alimentación salina, que se suministra a los elementos o cartuchos de material de membrana semipermeable en cualquier modo.

(5) En un aspecto particular, la invención proporciona un sistema para producir agua de alta calidad a partir de agua salina o producir energía a partir de dos corrientes acuosas de diferentes concentraciones de sal, cuyo sistema comprende un elemento de membrana semipermeable capaz de funcionaren un modo RO o en un modo PRO, cuyo elemento tiene una primera sub-cámara y una segunda sub-cámara separadas por un material de membrana semipermeable, dicho elemento teniendo también una entrada y una salida conectadas a dicha primera sub-cámara y, el primer y el segundo puerto conectados a dicha segunda sub-cámara, un generador de energía de hidroturbina, el primer medio de conducto que conecta dicha salida de dicha primera sub-cámara de dicho elemento a la mencionada hidroturbina, medio para conducir una corriente de alimentación líquida de agua de alta concentración en sal de una fuente de semejante agua salina bajo alta presión que incluye un segundo conducto que conduce a dicha entrada de la primera sub-cámara, el tercer medio de conducto que tiene una primera y una segunda bifurcación conectadas a dicho primer puerto de dicha segunda sub-cámara, medio para suministrar agua de baja concentración en sal a dicha segunda sub-cámara a través de dicha primera bifurcación, mientras que dicha segunda bifurcación sirve como tubo de descarga para el permeado acuoso, medio para extraer parte del agua de baja concentración en sal de dicho segundo puerto de dicha segunda sub-cámara para conseguir un flujo de arrastre a lo largo de dicho material de membrana semipermeable, y un medio de control para hacer funcionar el mencionado

sistema en un modo PRO de producción de energía, en el que dicha primera bifurcación conecta operativamente dicho medio de suministro de agua de baja concentración en sal a dicho primer puerto de dicha segunda cámara, o en un modo RO de producción de agua de alta calidad, en el que dicha segunda bifurcación de descarga está operativamente conectada a dicha segunda sub-cámara para el flujo del permeado a través de la misma.

(6) En otro aspecto particular, un método para, alternativamente, producir agua de alta calidad a partir de agua salina en un modo RO ó para producir energía a partir de dos corrientes acuosas de diferentes concentraciones en sal en un modo PRO, cuyo método comprende los pasos de proporcionar un elemento de separación de membrana semipermeable capaz de funcionar en el modo RO ó en el modo PRO, cuyo elemento tiene dos sub-cámaras que están separadas por material de membrana semipermeable, y un par de puertos conectados respectivamente a cada mencionada sub-cámara; en el modo PRO: proporcionando una corriente líquida de entrada de una solución acuosa de alta concentración en sal bajo una presión que no es mayor que alrededor del 9% de la diferencia de la presión osmótica entre las dos mencionadas corrientes acuosas a una de las mencionadas sub-cámaras, proporcionando una corriente de líquido de entrada de una solución acuosa de baja concentración en sal a la otra de las mencionadas sub-cámaras de dicho elemento bajo baja presión, extrayendo una cantidad igual a al menos alrededor del 1% del flujo de entrada de dicha corriente de baja concentración en sal desde la otra mencionada sub-cámara para evitar la polarización de concentración de sal adyacente a dicho material de membrana semipermeable, y suministrando al menos parte de una corriente líquida de volumen aumentado que sale de dicha sub-cámara a un generador de energía de hidroturbina; y en el modo RO: proporcionando una corriente de líquido continua de una solución acuosa de alta concentración en sal bajo una presión de al menos alrededor de 48.3 bar (7 psig) a una sub-cámara de dicho elemento de membrana semipermeable, extrayendo una corriente continua de permeado acuoso desde la otra sub-cámara de dicho elemento de membrana semipermeable, extrayendo una corriente continua de agua salada desde la sub-cámara igual a un volumen de al menos alrededor del 4% del volumen de corriente de entrada, y (a) dirigiendo la mencionada corriente de agua salada extraída a la hidroturbina, y/o (b) transfiriendo la presión de la corriente de agua salada extraída para elevar la presión de dicho líquido de alta concentración en sal que es provista a la sub-cámara.

(7) En otro aspecto particular, la invención proporciona un método para alternativamente producir agua de alta calidad a partir de agua salina en un modo RO, ó para producir energía a partir de dos corrientes acuosas de diferentes... [Seguir leyendo]

1a.- Un sistema para producir agua de alta calidad a partir de agua salina y producir energía de dos corrientes acuosas de diferentes concentraciones en sal, cuyo sistema comprende:

un elemento de membrana semipermeable (11) capaz de funcionar en el modo RO o en el modo PRO, cuyo elemento tiene una primera sub-cámara (13) y una segunda sub-cámara (15) separadas por un material de membrana semipermeable (17), y dicho elemento tiene también una entrada (19) y una salida (23) conectadas a dicha primera sub-cámara y los puertos primero y segundo (21,25) están conectados a dicha segunda sub-cámara, un generador de energía de hidroturbina (31,33),

un primer medio de conducto (27) que conecta dicha salida de dicha primera sub-cámara de dicho elemento a dicha hidroturbina,

un medio para conducir una corriente de alimentación líquida de agua de alta concentración en sal desde una fuente (53) de semejante agua salina bajo alta presión que incluye un segundo conducto (47) que conduce a la entrada de dicha primera sub-cámara,

un tercer medio de conducto (41) que tiene una primera y una segunda bifurcación conectadas a dicho primer puerto de dicha segunda sub-cámara,

un medio (39) para suministrar agua de baja concentración en sal a dicha segunda sub-cámara a través de dicha primera bifurcación (41a), mientras dicha segunda bifurcación (41b) sirve como un tubo de descarga para permeado acuoso,

un medio (69) para extraer parte del agua de baja concentración en sal de dicho segundo puerto (25) de dicha segunda sub-cámara para conseguir arrastrar el flujo a lo largo de dicho material de membrana semipermeable, y un medio de control (65) para alternativamente hacer funcionar dicho sistema en un modo PRO productor de energía, en el cual dicha primera bifurcación (41a) operativamente se conecta a dicho medio de suministro de agua de baja concentración en sal (39) a dicho primer puerto (21) de dicha segunda cámara, o en un modo RO productor de agua de alta calidad, en el cual dicha segunda bifurcación de descarga (41b) está operativamente conectada a dicha segunda sub-cámara (15) para el flujo del permeado a través de la misma.

2a.- El sistema según la reivindicación 1a, que incluye un dispositivo de transferencia de presión isobárica (29) que tiene un puerto de entrada de alta presión (59), un puerto de entrada de baja presión (57), un puerto de salida de alta presión (49) y un puerto de salida de baja presión (61), y dicho primer medio de conducto (27) incluye una bifurcación (27a) que lleva a dicho puerto de entrada de alta presión de dicho dispositivo de transferencia de presión, y dicho medio de conducción de corriente de alimentación incluye (a) un medio de suministro (53) para suministrar una corriente continua de agua de alta concentración en sal a dicho puerto de entrada de baja presión (19) de dicho dispositivo de transferencia de presión, (b) una primera bifurcación de dicho segundo conducto (47) que está conectado a dicho puerto de salida de alta presión de dicho dispositivo de transferencia de presión, (c) una bomba de incremento (51) en dicha primera bifurcación, (d) una segunda bifurcación (47a) de dicho segundo conducto que está conectado a una fuente de agua salina, y (e) una bomba de alta presión (77) en dicha segunda bifurcación.

3a.- El sistema según la reivindicación 1a ó 2a, en el que dicho medio de conducción de corriente de alimentación incluye una primera bomba de baja presión (55) en un medio de suministro (a) y un par de válvulas de enlace (81a y 81 b) que directamente fluyen dentro y fuera de dichas primera y segunda sub-cámaras (13, 15).

4a.- El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1a a 3a, en el que dicho primer medio de conducto contiene una válvula (79) aguas arriba de dicha hidroturbina que puede ser cerrada.

5a.- El sistema según la reivindicación 2a, en el que dicha segunda bifurcación (d) contiene una válvula (75) aguas abajo de dicha bomba de alta presión que puede ser cerrada.

6a.- El sistema según la reivindicación 2a, en el que una bomba de suministro (39) está contenida en dicha primera bifurcación (41a) de dicho tercer medio de conducto (41), y dicho tercer medio de conducto contiene una válvula de tres vías (43) para interconectar dicha segunda sub-cámara (15) con dicha primera bifurcación (41a) o con dicha segunda bifurcación (41b).

7a.- El sistema según la reivindicación 2a, en el que dicho dispositivo de transferencia de presión isobárica (29) es un dispositivo de transferencia de presión rotativo.

8a.- El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1a a 7a, en el que dicho medio de extracción incluye un conducto de recirculación (67) que contiene una bomba de recirculación (69) que está conectada a dichos puertos primero y segundo de dicha segunda sub-cámara.

9a.- El sistema según la reivindicación 8a, en el que dicho tercer medio de conducto (41) contiene una válvula de tres vías (43) de dicha segunda sub-cámara que en el modo RO permite a la bomba de recirculación conducir agua de permeado a dicha segunda bifurcación (41b).

1a.- El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1a a 9a, en el que dicho medio de extracción incluye un medio (7) para desviar una parte del agua de baja concentración en sal que sale de dicha segunda cámara para la descarga.

11a.- Un método para producir agua de alta calidad a partir de agua salina en un modo RO y para producir energía a partir de dos corrientes acuosas de diferentes concentraciones en sal en un modo PRO, cuyo método comprende los pasos de:

proporcionar un elemento de separación de membrana semipermeable (11) capaz de funcionar en el modo RO o el modo PRO, cuyo elemento tiene dos sub-cámaras (13, 15) que están separadas por un material de membrana semipermeable (17), y un par de puertos conectados respectivamente a dicha sub-cámara;

en el modo PRO:

proporcionando una corriente líquida de entrada de una solución acuosa de alta concentración en sal bajo una presión que no es mayor que alrededor del 9% de la diferencia de presión osmótica entre dichas dos corrientes acuosas a una de dichas sub-cámaras,

proporcionando una corriente líquida de entrada de una solución acuosa de baja concentración en sal a otra de dichas sub-cámaras de dicho elemento bajo baja presión,

extrayendo una cantidad igual de al menos alrededor del 1% del flujo de entrada de dicha corriente de baja concentración en sal desde dicha otra sub-cámara para evitar la polarización de concentración de sal adyacente a dicho material de membrana semipermeable, y

conduciendo al menos parte de una corriente líquida de volumen aumentado que sale de dicha sub-cámara a un generador de energía de hidroturbina (31, 33); y

en el modo RO:

proporcionando una corriente de líquido continua de solución acuosa de alta concentración en sal bajo una presión de al menos alrededor de 48,3 bar (7 psig) a una sub-cámara de dicho elemento de membrana semipermeable, extrayendo una corriente continua de permeado acuoso desde la otra sub-cámara de dicho elemento de membrana semipermeable,

extrayendo una corriente continua de agua salada desde la sub-cámara igual a un volumen de al menos alrededor del 4% del volumen de la corriente de entrada, y

(a) dirigiendo dicha corriente extraída de agua salada a la hidroturbina (31,33), y / ó

(b) transfiriendo la presión de la corriente de agua salada extraída para elevar la presión de dicho líquido de alta concentración en sal que se suministra a la sub-cámara.

12a.- El método según la reivindicación 11a, en el que un dispositivo de transferencia de presión (29) tiene un puerto de entrada de alta presión (59), un puerto de entrada de baja presión (57), un puerto de salida de alta presión (49) y un puerto de salida de baja presión (49), en el que la mayor parte de dicha corriente de volumen aumentado se conduce en dicho modo PRO al puerto de entrada de alta presión del dispositivo de transferencia de presión líquida, y en el que el líquido de alta concentración en sal entrante es suministrado a dicho puerto de entrada de baja presión de dicho dispositivo de transferencia de presión y es presurizado allí, y en el que el líquido de alta concentración en sal presurizado desde dicho puerto de salida de alta presión de dicho dispositivo de intercambio de presión es conducido a dicha sub-cámara como dicho suministro entrante después de aumentar más la presión.

13a.- El método según la reivindicación 12a, en el que dicho dispositivo de transferencia de presión isobárica es un dispositivo de transferencia de presión rotativo (29) y en el que dicha extracción incluye desviar al menos una parte de dicha corriente extraída para la descarga.

14a.- El método según cualquiera de las reivindicaciones 11a a 13a, en el que dicho líquido de alta presión es suministrado a la misma sub-cámara de dicho elemento de separación (11) en el modo RO así como en el modo PRO, como resultado de lo cual el flujo permeado a través del material de membrana semipermeable va en direcciones opuestas en los modos RO y PRO.

15a.- El método según cualquiera de las reivindicaciones 11a a 13a, en el que dicho líquido de alta presión es suministrado a sub-cámaras opuestas de dicho elemento de separación (11) en el modo RO y en el modo PRO, de manera que el flujo de permeado a través del material de membrana semipermeable en dicho elemento va en la misma dirección tanto en el modo RO como en el modo PRO, y en el que dicha primera sub-cámara (13) de dicho elemento de separación es drenado cuando se cambia del modo PRO al modo RO.