BR112015026518B1

BR112015026518B1 - Elemento de osmose, aparelho de osmose, instalação de osmose e método para gerar energia usando uma instalação de osmose

Info

Publication number: BR112015026518B1
Application number: BR112015026518-9A
Authority: BR
Inventors: Boris Liberman
Original assignee: I.D.E. Technologies Ltd
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2022-06-21
Also published as: BR112015026518A2; EP2986849B1; US20160059188A1; CN105121846B; JP6235119B2; JP2016518248A; CN105121846A; US10391451B2; WO2014170816A1; KR20150144335A; GB2499740A; IL242153B; MX2015014697A; GB201307151D0; GB2499740B; MX365272B; AU2014255321A1; EP2986849A1; AU2014255321B2

Abstract

ELEMENTO DE OSMOSE, APARELHO DE OSMOSE, INSTALAÇÃO DE OSMOSE E MÉTODO PARA GERAR ENERGIA USANDO UMA INSTALAÇÃO DE OSMOSE. Um elemento de osmose compreendendo um tubo de permeado central e um elemento de membrana, a membrana tendo uma primeira parte e uma segunda parte, a primeira parte tendo uma borda superior para localização adjacente ao tubo central, a segunda parte sendo disposta na borda oposta, a primeira parte compreendendo um material para permitir água escoar através dela, a segunda parte compreendendo pelo menos dois espaçadores de permeado adjacentes estendendo-se a partir da primeira parte para permitir água escoar através dela, os espaçadores de permeado tendo uma membrana semipermeável ligada a faces opostas dos dois espaçadores de permeado adjacentes, a primeira parte compreendendo uma barreira estendendo-se a partir da vizinhança da borda superior, o tubo central compreendendo uma parede externa e um separador interno estendendo-se longitudinalmente definindo um primeiro canal e um segundo canal cada um estendendo-se longitudinalmente ao tubo de permeado central, pelo menos uma primeira abertura estendendo-se a partir do primeiro canal através da parede externa e pelo menos uma segunda abertura estendendo-se a partir do segundo canal através da parede externa.

Description

Campo técnico

[001] Esta invenção relaciona-se com um elemento de membrana, um tubo central, um elemento de osmose tendo um tubo central e membrana, um aparelho de osmose incluindo um elemento de osmose, e uma instalação, particularmente mas não exclusivamente, para aplicações de osmose retardada por pressão (“PRO”).

Técnica anterior

[002] Osmose é um fenômeno conhecido no qual a água se move através de uma membrana semipermeável entre soluções com menores e maiores concentrações. Em uma osmose direta, a água se move da solução de concentração mais baixa para a solução de concentração mais alta, enquanto em osmose PRO a taxa de fluxo de água pode ser reduzida. Aplicando pressão suficiente ao lado de concentração mais alta, o fluxo de água osmótica pode ser revertido e a água levada a se mover através da membrana semipermeável da solução de concentração mais alta para a mais baixa. As técnicas encontraram uso em um número de campos, incluindo tratamento e dessalinização de água. A osmose retardada por pressão também tem sido aplicada em geração de energia, onde a pressão em uma solução de água salgada é aumentada por osmose a partir de uma fonte de água fresca e a pressão é usada para acionar uma turbina.

[003] Em sistemas de osmose conhecidos, é sabido usar elementos de osmose enrolados em espiral, cada um dos quais é compreendido de uma pluralidade de blocos de construção multicamada básicos em uma ordem repetida. Um tal bloco típico compreende uma folha única de membrana semipermeável que é dobrada sobre uma folha de alimentação. Uma vez que a membrana semipermeável é dobrada sobre o espaçador de folha de alimentação, o espaçador de folha de alimentação separa as duas folhas da folha de membrana semipermeável dobrada. A folha de alimentação é configurada para permitir fluxo de solvente livre ao longo da superfície da membrana semipermeável. A membrana semipermeável é projetada para impedir fluxo de soluto. Este sanduíche de membrana semipermeável dobrada com seu espaçador de alimentação interno é, então, interposto entre espaçadores de permeado espaçados. A área dos espaçadores de permeado é usualmente maior que a área das folhas dobradas da membrana semipermeável em uma dimensão, tal que uma vez que a membrana semipermeável dobrada e o espaçador de alimentação associado sejam interpostos entre espaçadores de permeado espaçados, uma cauda consistindo de espaçadores de permeado só se estende a partir dos espaçadores de permeado e membranas semipermeáveis intercalados. A água de alimentação suprida através da membrana fluirá ao longo dos espaçadores de alimentação contatando a película de rejeição de soluto da membrana semipermeável. Múltiplos blocos básicos como esses são enrolados em espiral ao redor de um tubo central de um modo tal que cada cauda de espaçadores de permeado drene o produto água produzido por cada bloco básico em um tubo central através de furos laterais dedicados. A alimentação de água é forçada a se mover geralmente ao longo da dimensão longitudinal dos espaçadores de alimentação enrolados que é paralela ao tubo, e permeia fluxo através da membrana semipermeável para dentro dos espaçadores de permeado e continua em direção espiral no sentido do tubo central.

[004] As membranas enroladas em espiral da técnica anterior são projetadas para operar em um processo de osmose reversa no qual água de alimentação de sal pressurizada é desaguada e produz produto água fresca. Para funcionar em outras aplicações que requerem maior área de membrana para volume, tais membranas requerem algumas modificações como ensinado em US 4.033.878. Este documento ensina uma barreira localizada dentro do tubo central para forçar fluxo de fluido a escoar para fora do tubo central para os espaçadores de permeado da membrana enrolada em espiral através dos furos laterais dedicados. Uma trajetória de fluxo de serpentina unidirecional dentro do espaçador de permeado é formada por uma linha de cola bloqueando fluxo que se estende dentro do espaçador de permeado em uma direção que é geralmente perpendicular ao eixo geométrico longitudinal do tubo central. Esta linha de cola adicional divide cada bloco básico do enrolado em espiral como descrito acima, em duas zonas. Todo o fluxo de fluido no tubo central é bloqueado e forçado para fora do tubo central para dentro da cauda de espaçadores de permeado na primeira zona e escoa em um padrão em serpentina ao redor da linha de cola de bloqueio e de volta para o tubo central até um ponto além do meio de bloqueio, e é drenada de volta para dentro do tubo central através da cauda de espaçadores de permeado da segunda zona. A US 4.033.878 ensina adicionalmente um trem de tais elementos de osmose conectados em uma conexão serial. De acordo com a US 4.033.878, em qualquer tal elemento no trem de elementos, todo o fluxo dentro da primeira porção do tubo central antes do meio de bloqueio deve ser desviado e escoar através da membrana enrolada em espiral para alcançar a segunda porção do tubo central além do meio de bloqueio. Esta trajetória serial provoca fortes quedas de pressão e distribuições de pressão e fluxo desiguais entre os elementos que limitam a capacidade do sistema para suportar altas taxas de fluxo.

[005] A US 8.354.026 mostra uma melhoria para esta configuração serial implementando um meio de bloqueio vertical perfurado através do tubo central. Pequenos desvios de tubo internos passando através do meio de bloqueio permitem fluxo paralelo através de todos os elementos de membrana conectados ao longo de um tubo central comum. Isto requer múltiplos desvios de tubos que devem ser acomodados dentro do diâmetro do tubo central. Os desvios de tubos internos são arranjados em configuração alternada, cada um desviando uma seção bloqueada do tubo central. Como um resultado existem muitas súbitas contrações de diâmetro e súbitas expansões de diâmetro ao longo da trajetória de fluxo de fluido. Uma vez que o fluido deixa o tubo central principal e entra em um desvio de tubo existe uma súbita queda de diâmetro ao longo da trajetória de fluxo e uma vez que o fluido deixa o desvio de tubo e entra na próxima seção bloqueada do tubo central existe uma súbita expansão de diâmetro. Isto pode provocar fortes perdas de pressão e novamente distribuição de fluxo desigual entre os elementos de osmose ao longo de uma linha de tubo central comum. Além disso, a utilização de múltiplos desvios de tubos é uma utilização ineficiente da seção transversal do tubo central principal. Para acomodar dois tubos paralelos dentro do tubo central, seu diâmetro máximo deve ser menor que metade do diâmetro do tubo central. Como um resultado, a área combinada da seção transversal de cada desvio de tubo é muito menor que a área da seção transversal do tubo central.

Sumário da invenção

[006] De acordo com um primeiro aspecto da invenção é provido um elemento de osmose compreendendo um tubo de permeado central e um elemento de membrana, a membrana tendo uma primeira parte e uma segunda parte, a primeira parte tendo uma borda superior para localização adjacente ao tubo central, a segunda parte sendo disposta na borda oposta, a primeira parte compreendendo um material para permitir água escoar através dela, a segunda parte compreendendo pelo menos dois espaçadores de permeado adjacentes estendendo-se a partir da primeira parte para permitir água escoar através dela, os espaçadores de permeado tendo uma membrana semipermeável ligada às faces opostas de dois espaçadores de permeado adjacentes, a primeira parte compreendendo uma barreira estendendo-se a partir da vizinhança da borda superior, o tubo central compreendendo uma parede externa e um separador interno estendendo-se longitudinalmente definindo pelo menos um primeiro canal e pelo menos um segundo canal cada um estendendo-se longitudinalmente do tubo de permeado central, pelo menos uma primeira abertura estendendo-se a partir do pelo menos um primeiro canal através da parede externa e pelo menos uma segunda abertura estendendo-se a partir do pelo menos um segundo canal através da parede externa.

[007] O elemento de membrana pode ser enrolado ao redor do tubo de permeado central tal que água possa passar entre o primeiro canal e o elemento de membrana e o segundo canal e o elemento de membrana, e a barreira é disposta para impedir fluxo de água através da primeira parte entre a pelo menos uma primeira abertura e a pelo menos uma segunda abertura.

[008] A barreira pode compreender uma linha de cola.

[009] Cada espaçador de permeado pode ser ligado a uma membrana semipermeável adjacente por uma linha de cola estendendo-se ao redor de suas bordas comuns.

[0010] O elemento de osmose pode compreender um espaçador de alimentação localizado entre as membranas semipermeáveis ligadas a espaçadores de permeado adjacentes.

[0011] A primeira parte pode compreender uma pluralidade de espaçadores de permeado.

[0012] Pelo menos uma primeira abertura e pelo menos uma segunda abertura podem ser deslocadas longitudinalmente e/ou angularmente.

[0013] O elemento de osmose pode compreender pelo menos uma de uma pluralidade de primeiras aberturas e uma pluralidade de segundas aberturas.

[0014] O separador longitudinal pode ser disposto tal que não exista comunicação fluida entre o pelo menos um primeiro canal e o pelo menos um segundo canal.

[0015] Pelo menos um primeiro canal e pelo menos um segundo canal podem ter uma seção transversal substancialmente constante ao longo do comprimento do tubo de permeado central.

[0016] De acordo com um segundo aspecto da invenção é provido um aparelho de osmose compreendendo uma pluralidade de elementos de osmose de acordo com o primeiro aspecto da invenção.

[0017] Os tubos de permeado centrais de elementos de osmose adjacentes podem estar em comunicação fluida através de um conector, o conector tendo pelo menos um primeiro canal conector e pelo menos um segundo canal conector tendo a mesma seção transversal que o pelo menos um primeiro canal e o pelo menos um segundo canal.

[0018] O elemento de osmose pode ser localizado em um vaso de pressão.

[0019] O aparelho de osmose pode compreender pelo menos uma primeira entrada para fornecer uma solução de concentração mais alta para o vaso de pressão e pelo menos uma segunda entrada para fornecer água de concentração mais baixa para os elementos de osmose.

[0020] De acordo com um terceiro aspecto da invenção é provida uma instalação de osmose compreendendo um aparelho de osmose de acordo com o segundo aspecto da invenção.

[0021] A instalação de osmose pode compreender uma usina elétrica.

[0022] De acordo com um quarto aspecto da invenção é provido um método para gerar energia usando uma instalação de osmose, a instalação de osmose compreendendo uma pluralidade de elementos de osmose de acordo com o primeiro aspecto da invenção, os elementos de osmose sendo localizados em um vaso de pressão, o vaso de pressão compreendendo pelo menos uma primeira entrada conectada ao vaso de pressão e pelo menos uma segunda entrada conectada aos elementos de osmose e uma saída a partir do vaso de pressão, o método compreendendo fornecer uma solução de concentração mais alta para a primeira entrada, fornecer água de concentração mais baixa para a segunda entrada para provocar um aumento de pressão na saída e fornecer uma proporção de solução de concentração mais alta a partir da saída para um aparelho de geração.

Descrição resumida dos desenhos

[0023] Configurações da presente invenção serão agora descritas por meio de exemplo somente com referência aos desenhos anexos onde: - a Figura 1 é uma ilustração diagramática de uma usina elétrica PRO; - a Figura 2 é uma vista diagramática de um elemento de osmose configurando a presente invenção; - a Figura 3 é um corte na linha A-A da Figura 2; - a Figura 4 é um corte na linha B-B da Figura 2; - a Figura 5 é uma seção transversal de um aparelho de osmose incluindo pelo menos um elemento de osmose da Figura 2; - a Figura 6 é uma ilustração diagramática de um par de elementos de osmose conectados em uma primeira configuração; - a Figura 7 é uma ilustração diagramática de quatro elementos de osmose conectados em uma configuração adequada; - a Figura 8 é uma ilustração diagramática de um par de elementos de osmose conectados em uma segunda configuração; - as Figuras 9a e 9b são ilustrações diagramáticas de configurações de fluxo para um aparelho de osmose; - as Figuras 10a a 10j são vistas de seções transversais perpendiculares alternativas de um tubo central longitudinal de um elemento de pressão da Figura 3; - a Figura 11 é uma seção transversal longitudinal através de um tubo central longitudinal alternativo de um elemento de pressão da Figura 3; - a Figura 12 é uma vista diagramática de um elemento de osmose incluindo o tubo central da Figura 11; e - a Figura 13 é uma vista em perspectiva de um espaçador de permeado alternativo.

Descrição das configurações preferidas

[0024] Com referência específica agora aos desenhos em detalhes, é ressaltado que os particulares mostrados são para fins de exemplo e para propósitos de discussão ilustrativa das configurações preferidas da presente invenção somente e são apresentados com a finalidade de prover a que é acreditada a ser a mais útil e prontamente compreendida descrição dos princípios e aspectos conceituais da invenção. A este respeito, nenhuma tentativa é feita para mostrar detalhes estruturais da invenção em mais detalhes do que seja necessário para uma compreensão fundamental da invenção, a descrição tomada com os desenhos tornando aparente àqueles experientes na técnica como as várias formas da invenção podem ser configuradas na prática.

[0025] Antes de explicar pelo menos uma configuração da invenção em detalhes, deve ficar entendido que a invenção não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e ao arranjo de componentes registrados na descrição seguinte ou ilustrados nos desenhos. A invenção é aplicável a outras configurações ou pode ser praticada ou executada de vários modos. Também, deve ficar entendido que a fraseologia empregada aqui é com o propósito de descrição e não deve ser vista como limitante.

[0026] Referindo-se à Figura 1, uma ilustração diagramática de uma usina elétrica PRO é mostrada em 10. Água fresca e água do mar são introduzidas na alimentação 11, 12, respectivamente, e filtradas em filtros apropriados 13, 14. A água do mar filtrada e água fresca são supridas para um elemento osmótico 15, onde água a partir da corrente de água fresca passa através da membrana 16 para dentro da corrente de água do mar, aumentando a pressão na corrente de água do mar. Cerca de um terço da corrente de água do mar pressurizada é suprido para uma turbina 17, e cerca de dois terços são retornados, como mostrado, pela conexão 18 para um trocador de pressão 19, onde a alimentação de água do mar de entrada é pressurizada. A água salobra resultante é descarregada como mostrado em 20.

[0027] Referindo-se agora à Figura 2, um elemento de osmose configurando a presente invenção é mostrado em 30. O elemento de osmose 30 compreende um tubo central 31 tendo um primeiro canal 31a e um segundo canal 31b estendendo-se longitudinalmente entre seções extremas 32a, 32b. As seções extremas 32a, 32b têm cada uma um diâmetro maior que a largura combinada dos canais 31a, 31b. Os canais 31a, 31b são separados por um separador central 33, tal que os canais 31a, 31b não estejam em comunicação fluida. Em posições longitudinalmente deslocadas, cada um dos canais 31a, 31b tem pelo menos uma abertura e neste exemplo um respectivo conjunto de aberturas 34a, 34b estendendo-se através de uma parede externa 35 do tubo central 31. Neste exemplo como visto na Figura 3, as aberturas 34a, 34b estão longitudinalmente deslocadas tal que não exista porção longitudinal de sobreposição entre elas. Como visto nas Figuras 3 e 4, o tubo central 31 neste exemplo tem seção transversal circular. As aberturas 34a, 34b são deslocadas angularmente, neste exemplo por cerca de 120°. Será aparente que as aberturas podem estar em linha, em lados opostos do tubo 31, podem se sobrepor longitudinalmente com a ressalva que a barreira 45 (veja abaixo) impeça fluxo direto entre as aberturas 34a, 34b, não necessitam estar alinhadas paralelas ao eixo geométrico longitudinal, e podem geralmente estar arranjadas de outra forma como adequado. Como visto nas Figuras 2 a 4, os canais 31a, 31b têm substancialmente a mesma seção transversal ao longo de seus comprimentos, tal que não exista mudança substancial de área de seção transversal, evitando ou minimizando assim quedas de pressão e irregularidades de fluxo. Neste exemplo, os canais 31a, 31b são do mesmo tamanho, mas podem ser dimensionados diferentemente como mostrado abaixo.

[0028] Um elemento de membrana 40 é provido para fornecer uma trajetória de fluxo entre as aberturas 34a, 34b. Nas Figuras 2 a 4, o elemento de membrana 40 é mostrado em uma posição desenrolada. Como ilustrado pelas setas C, para montar o elemento de osmose 30 o elemento de membrana 40 é enrolado ou embrulhado ao redor do tubo central 31. O elemento de membrana 40 compreende uma pluralidade de camadas 41a, cada uma compreendendo um espaçador de permeado através do qual água pode passar ou escoar facilmente, tal como um material poroso. O elemento de membrana 40 compreende uma primeira parte extrema proximal 41, com uma borda superior para localização adjacente ao tubo central 31, tal que a primeira parte extrema 41 que está localizada adjacente ao tubo central 31 quando o elemento de membrana está enrolado ao redor do tubo central 31. A primeira parte extrema 41 tem um comprimento suficiente para se estender completamente pelo menos uma vez ao redor do tubo de permeado central 31 (isto é, a primeira parte tem um comprimento de 2πR onde R é o raio do tubo de permeado central 31). As camadas 41a na primeira parte 41 são unidas entre si. Na segunda parte 42 localizada na borda oposta da primeira parte extrema 41 até a borda superior, os espaçadores de permeado 41a são separados, e uma membrana semipermeável dobrada 43 está localizada entre espaçadores de permeado adjacentes 41a tal que uma linha de dobra 43a da membrana 43 fique localizada contra a primeira extremidade 41, cada membrana semipermeável formando um par de folhas 43b, 43c. Cada folha 43b, 43c da membrana 43 está colada a uma camada de espaçador de permeado adjacente 41a por uma barreira compreendendo uma linha de cola periférica 44, como visto na Figura 3. A linha de cola 44 provê uma barreira impermeável ou pelo menos resistente a fluxo de água ao redor das bordas comuns das membranas 43 e espaçadores de permeado 41a na segunda parte 42, e ao redor das bordas de espaçadores de permeado na primeira parte 41. Para permitir um fluxo livre de água adjacente às membranas 43, os espaçadores de alimentação 49 são localizados entre folhas adjacentes 43b, 43c para manter as folhas 43b, 43c separadas. Os espaçadores de alimentação 49 podem compreender grelhas plásticas, por exemplo.

[0029] Para impedir água de escoar diretamente a partir das aberturas 34a para 34b dentro da primeira extremidade 41, uma barreira compreendendo uma linha de cola central 45 estende- se geralmente centralmente do elemento de membrana 40 a partir da vizinhança da borda superior localizada adjacente ao tubo central 31 na direção contra uma borda externa distal 46, definindo uma primeira zona 41b e 41c da primeira parte extrema proximal 41. Uma folga sem cola 47 é deixada entre a borda distal 46 e a linha de cola 45. A linha de cola 45 está localizada tal que, quando o elemento de membrana 40 é enrolado ao redor do tubo central 30, a linha de cola 45 forme uma barreira entre as aberturas 34a, 34b. A água que escoa entre os canais 31a, 31b é forçada a seguir uma trajetória em loop como mostrada pela seta 48 através do elemento de membrana 40 e ao redor da extremidade da linha de cola 45. O tamanho, área e localização das aberturas 34a, 34b podem ser selecionados de acordo com a taxa de fluxo desejada entre o tubo central 31 e o elemento de membrana 40. Embora o elemento de membrana descrito tenha uma pluralidade de camadas de espaçadores de permeado 41a que são unidas para formar a primeira parte extrema proximal 41, será aparente que a primeira parte 41 pode ser formada monoliticamente ou separadamente da segunda parte 42, ou de outra forma.

[0030] Consequentemente, quando água de baixa salinidade é suprida através do primeiro canal 31a do tubo central 31, parte da água passa através das aberturas 34a e para dentro da primeira zona 41b do elemento de membrana 40. A linha de cola 45 força a água a passar para dentro da segunda extremidade 42 do elemento de membrana 40 e escoar ao longo das camadas separadas 41a. Dentro da segunda extremidade 42, parte da água passará através da membrana semipermeável 43 para dentro da água de alta salinidade escoando através dos espaçadores de alimentação 49. O restante da água passará para dentro da segunda zona 41c do elemento de membrana 40, através das aberturas 34b e para dentro do segundo canal 31b.

[0031] A Figura 5 mostra um vaso de pressão de osmose compreendendo um elemento de osmose 30 (na prática, como discutido abaixo, o vaso de pressão pode conter pelo menos dois elementos de osmose 30). Como visto na Figura 5, o elemento de osmose 30 é montado dentro de um vaso de pressão 50 tendo um recipiente externo 51 fechado por tampas de extremidade 52. Os elementos de membrana 40 são enrolados ao redor do tubo central 31 e são contidos dentro de um revestimento cilíndrico (não mostrado). Uma primeira entrada 53 alimenta água de alta salinidade sob pressão para dentro do vaso de pressão 50, onde ela passa longitudinalmente ao vaso através dos espaçadores de alimentação 49 e sai através da saída 54. Conectores 55 são mostrados recebidos em seções extremas 32a, 32b do elemento de osmose 30 e, similarmente,compreendem primeiro e segundos canais 55a, 55b separados por um separador central 55c, tal que o canal 31a esteja em comunicação fluida com o canal 55a e o canal 31b esteja em comunicação fluida com o canal 55b. Para prover suprimento de água de alta salinidade para o elemento de osmose 30, conectores de extremidade são providos como mostrados em 60, cada um tendo um segundo orifício de entrada 61 em comunicação fluida com o canal 55a e um orifício de saída 62 em comunicação fluida com o canal 55b. Onde o vaso de pressão 50 contém uma pluralidade de elementos de osmose, então as seções extremas 32a, 32b pertencerão a elementos de osmose diferentes.

[0032] Consequentemente, em operação, água fresca ou de baixa salinidade é suprida para os orifícios de entrada 61 dos conectores de extremidade 60 e passa para dentro do canal 31a do elemento de osmose 30. A água fresca passa através das aberturas 34a e em direção, geralmente espiral, através das camadas 41a. Água do mar ou uma solução de concentração mais alta, é introduzida no vaso de pressão sob pressão na entrada 53 e escoa no sentido do comprimento do vaso de pressão ao longo dos espaços definidos pelos espaçadores 49. A água fresca se dispersa a partir do elemento de membrana 40 através das membranas semipermeáveis 43 para dentro da água do mar, aumentando portanto a pressão na alimentação de saída 54.

[0033] Uma vantagem da presente invenção é que uma pluralidade de elementos de osmose 30 podem ser conectados em configurações alternativas dependendo da operação requerida, como ilustrado nas Figuras 6 a 9. As Figuras 6 e 7 mostram dois elementos de osmose 30 conectados via um conector 70. O conector 70 tem uma dimensão externa tal que ele se encaixe justamente dentro das seções extremas 32a, 32b, preferivelmente para prover um encaixe selante. O conector 70 tem primeiro e segundos canais 71a, 71b separados por uma partição central 72, tendo as mesmas dimensões dos canais 31a, 31b e separador central 33. O conector 70 portanto provê uma conexão ininterrupta entre elementos de osmose adjacentes 30 sem provocar qualquer constrição ou interrupção de fluxo. Elementos de interencaixe (não mostrados) podem ser providos no elemento de osmose 30 e conector 70 para garantir que os canais 71a, 71b fiquem corretamente alinhados com os canais 31a, 31b. Se preferido, claro, o conector 70 pode ser dimensionado para contatar as superfícies externas dos tubos de permeado centrais 31.

[0034] Na Figura 6, os elementos de osmose 30 são conectados efetivamente em paralelo. Em cada elemento, água passa a partir do canal 31a pelas aberturas 34a, escoa através do elemento de membrana 40 e é retornada via as aberturas 34b para o canal 31b. Uma vantagem da presente conexão, em paralelo, permite fluxo suave com mínimas quedas de pressão e atrito para a água, que não passou pelas aberturas 34a do primeiro elemento de osmose para baixo até o próximo elemento de osmose. Parte deste fluxo de corrente para baixo pode ser direcionada através do próximo conjunto de aberturas 34a do próximo elemento de osmose para dentro de seu respectivo elemento de membrana 40 e parte deste fluxo de corrente para baixo pode continuar, adicionalmente, a escoar suavemente para o próximo elemento de osmose em linha. Neste exemplo, a água escoa através dos canais 31a e 31b em direções opostas, mas os fluxos podem ser arranjados como apropriado.

[0035] A Figura 7 é similar à Figura 6, mas mostra quatro elementos de osmose conectados em uma configuração em paralelo, e onde a água escoa ao longo dos canais 31a, 31b na mesma direção. Nos valores de exemplo mostrados na Figura, 4 litros/segundo são fornecidos para o canal 31a. 1 litro passa para dentro do elemento de membrana 40 de cada elemento de osmose 30, do qual 0,8 l/s passa através da membrana semipermeável 32 e 0,2 l/s é retornado através das aberturas 34b para o canal 31b. Neste exemplo, a configuração paralela vantajosa é aparente. A pressão e fluxo de água é igualmente dividida entre os elementos de osmose dentro do mesmo vaso de pressão e compartilham uma conexão comum através dos tubos de permeado centrais 31 e conectores 70, tal que o mesmo volume de água escoe através de cada elemento de osmose.

[0036] Na Figura 8, os elementos de osmose adjacentes 30 são conectados em uma configuração espectral alternativa.

[0037] As Figuras 9a e 9b mostram duas diferentes configurações de fluxo para um aparelho de osmose. A Figura 9a mostra efetivamente o arranjo do vaso de pressão da Figura 5, tendo duas entradas de água fresca ou baixa salinidade 90 suprindo os elementos de osmose conectados 30 a partir de ambas as extremidades e duas saídas 91, similarmente, drenando os elementos de osmose em cada extremidade da fila, com uma entrada de água do mar ou água de alta salinidade 92 e uma saída 93. A Figura 9b mostra uma configuração alternativa onde a entrada de água do mar 92 está localizada em uma posição central do aparelho de osmose, e duas saídas 93 são providas em extremidades opostas do aparelho. Esta configuração pode ser desejável onde, por exemplo, o nível desejado de permeação ocorra após a água do mar ter passado por 4 elementos de osmose, mas onde o vaso de pressão mantenha 8 elementos de osmose. Neste caso, a água do mar é suprida centralmente e escoa à esquerda e à direita como mostrado na Figura, interagindo com o número desejado de elementos de osmose antes de alcançar a saída.

[0038] O tubo de permeado central 31 pode ter qualquer seção transversal desejada e qualquer arranjo adequado de separadores longitudinais como desejado e variantes alternativas são mostradas nas Figuras 10a a 10i. As Figuras 10a a 10d mostram canais quadrados, triangulares, circulares lado a lado e seção transversal oval com o tubo circular da Figura 2 mostrado em 10e para comparação. O tubo central pode ter mais que 2 canais, por exemplo três ou quatro como mostrado nas Figuras 10f e 10g. Em configurações incorporando mais que 2 canais, qualquer canal único pode operar como canal 31a, que alimenta um elemento de membrana 40 com água de baixa salinidade ou como canal 31b, que drena um elemento de membrana 40. Os elementos de membrana 40 podem ser ligados ao tubo central 31 através de suas respectivas partes 41, de um modo tal que associará qualquer elemento de membrana único 40, de uma pluralidade de elementos de membrana 40 em um único elemento de osmose, com um canal específico para otimizar distribuição de pressão e fluxo e maximizar o efeito de osmose. Os canais podem ter diferentes áreas de seções transversais dependendo do fluxo de água desejado ou esperado em cada canal, como ilustrado nas Figuras 10h a 10j. Qualquer que seja a seção transversal do tubo de permeado central 31, será aparente que os conectores 70 para conectar tubos de permeado adjacentes 31 devem ter a mesma seção transversal que os tubos de permeado, para manter uma seção transversal consistente ao longo do comprimento de um aparelho de osmose.

[0039] Os canais não necessitam ser retos. A Figura 11 mostra um tubo central alternativo 30’ no qual o separador central 33’ é uma espiral, tal que os canais 31’a e 31’b compreendam um par de canais em espiral intercombinados. Como mostrado na Figura 12 o tubo central 31’ pode ser usado com um elemento de membrana 40’ tendo uma pluralidade de linhas de cola alternadas 45’a, 45’b para criar um labirinto. O espaçamento das linhas de cola 45’a, 45’b é selecionado para ser uma fração ou múltiplo da altura de espiral da barreira central 33’. Neste exemplo a trajetória de fluxo em labirinto ditada pelas múltiplas linhas de cola 45’a, 45’b, 45’c, 45’d etc. pode criar um padrão de fluxo dentro do elemento de membrana 40 tendo um padrão de onda. O fluxo de padrão de onda é caracterizado por curvas em U como “mínimas” que são distais ao tubo central 30’ e curvas em U como “máximas” que são proximais ao tubo central 30’. Múltiplos arranjos de aberturas podem criar comunicações fluidas entre dois canais 31’a e 31’b e o fluxo em padrão de onda no elemento de membrana ao redor das áreas de pelo menos uma das “máximas” proximais para adicionalmente alimentar água ou para descarregar água a partir do elemento de membrana para um respectivo canal para intensificar e otimizar o efeito global do processo de osmose.

[0040] Para permitir fluxo aumentado ou mais fácil de água no elemento de membrana 40 adjacente ao tubo central 31 ou membranas 43, cada espaçador de permeado pode ter uma espessura variável. Um espaçador exemplar é mostrado em 80 na Figura 13. O espaçador 80 tem uma configuração com formato geralmente de cunha, afunilando-se a partir de uma parte de face 81 para uma parte de ponta 82. A barreira 83k, equivalente à barreira 45 estende-se dentro do espaçador a partir da parte de ponta 82 no sentido da parte de face 81. Um elemento de membrana similar ao elemento de membrana 40 pode ser formado a partir de uma pluralidade de espaçadores de permeado 80. É desejável ter um volume tão grande quanto possível dentro dos espaçadores de permeado, mas o espaço relativamente limitado disponível próximo ao tubo de permeado central 31 quando o elemento de membrana está enrolado no lugar limita a espessura prática do espaçador de permeado. Provendo um espaçador de permeado de espessura variável como mostrado na Figura 13, a espessura pode ser maximizada no sentido da periferia.

[0041] Uma instalação incorporando elementos de osmose 30 pode compreender um grande número de tais elementos para prover uma área superficial desejada para a osmose ocorrer. Por exemplo, cada elemento de membrana pode ter uma área de 172 m2 e um grupo de vasos de pressão ou ‘trem’ pode ter 50 vasos de pressão cada um contendo 8 elementos de osmose. Logo, cada trem tem uma área de membrana de cerca de 68.800 m2 e uma instalação pode usar uma pluralidade de tais trens.

[0042] Consequentemente, os elementos e aparelho de osmose descritos aqui podem ser usados em uma instalação como mostrada na Figura 1, para fornecer energia. Consequentemente, o elemento osmótico 15 da Figura 1 pode compreender um trem de vasos de osmose como descrito acima. Suprindo água de baixa salinidade ou água fresca para os tubos de permeado centrais 31 dos elementos osmóticos e água de alta salinidade ou água do mar para os vasos de pressão 50, um aumento de pressão adequado pode ser gerado na saída do vaso de pressão tal que uma proporção da solução de concentração mais alta a partir da saída possa ser suprida para um aparelho de geração tal como uma turbina 17.

[0043] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência ao uso em uma instalação PRO para geração de energia, será aparente que elementos de osmose e elementos de membrana como descritos aqui podem ser usados para qualquer propósito adequado, incluindo dessalinização, tratamento de água e processos de desaguamento e concentração industriais.

[0044] Na descrição acima, uma configuração é um exemplo ou implementação da invenção. As várias ocorrências de “uma configuração”, “configuração” ou “algumas configurações” não necessariamente todas se referem às mesmas configurações.

[0045] Embora várias características da invenção possam ser descritas no contexto de uma única configuração, as características também podem ser providas separadamente ou em qualquer combinação adequada. Reciprocamente, embora a invenção possa ser descrita aqui no contexto de configurações separadas por clareza, a invenção também pode ser implementada em uma configuração única.

[0046] Adicionalmente, deve ficar entendido que a invenção pode ser executada ou praticada de vários modos e que a invenção pode ser implementada em configurações outras que aquelas delineadas na descrição acima.

[0047] Os significados de termos técnicos e científicos usados aqui devem ser entendidos comumente como por alguém de experiência ordinária na técnica à qual a invenção pertence, a menos que definidos de outra forma.

Claims

1. Elemento de osmose (30), compreendendo um tubo de permeado central (31) e um elemento de membrana (40), caracterizado por: - o elemento de membrana (40) ter uma primeira parte (41) e uma segunda parte (42), a primeira parte (41) tendo uma borda superior para localização adjacente ao tubo central (31), a segunda parte (42) sendo disposta na borda oposta, a primeira parte (41) compreendendo um material para permitir água escoar através dela, a segunda parte (42) compreendendo pelo menos dois espaçadores de permeado adjacentes (41a) estendendo-se a partir da primeira parte (41) para permitir água escoar através dela, os espaçadores de permeado tendo uma membrana semipermeável (43) ligada às faces opostas dos dois espaçadores de permeado adjacentes (41a), a primeira parte (41) compreendendo uma barreira (45) estendendo-se a partir da vizinhança da borda superior; - o tubo central (31) compreendendo uma parede externa (35) e um separador interno (33) estendendo-se longitudinalmente definindo pelo menos um primeiro canal (31a) e pelo menos um segundo canal (31b) cada um estendendo-se longitudinalmente ao tubo de permeado central (31), pelo menos uma primeira abertura (34a) estendendo-se a partir do pelo menos um primeiro canal (31a) através da parede externa (35) e pelo menos uma segunda abertura (34b) estendendo-se a partir do pelo menos o segundo canal através da parede externa; - sendo a primeira e a segunda abertura longitudinalmente deslocadas em que o elemento de membrana (40) é enrolado ao redor do tubo de permeado central (31) tal que água possa passar entre o pelo menos um primeiro canal (31a) e o elemento de membrana (40) e o pelo menos um segundo canal (31b) e o elemento de membrana (40), e a barreira (45) ser disposta para impedir fluxo de água através da primeira parte (41) entre a pelo menos uma primeira abertura (34a) e a pelo menos uma segunda abertura (34b).

2. Elemento de osmose (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a barreira (45) compreender uma linha de cola.

3. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por cada espaçador de permeado (41a) ser ligado a uma membrana semipermeável (43) adjacente por uma linha de cola estendendo-se ao redor de suas bordas comuns.

4. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender um espaçador de alimentação (49) localizado entre as membranas semipermeáveis (43) ligadas aos espaçadores de permeado adjacentes (41a).

5. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a primeira parte (41) compreender uma pluralidade de espaçadores de permeado (41a).

6. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por pelo menos uma primeira abertura (34a) e pelo menos uma segunda abertura (34b) serem deslocadas angularmente.

7. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender pelo menos uma de uma pluralidade de primeiras aberturas (34a) e uma pluralidade de segundas aberturas (34b).

8. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o separador longitudinal ser disposto tal que não exista comunicação fluida entre o pelo menos um primeiro canal (31a) e pelo menos um segundo canal (31b).

9. Elemento de osmose (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por pelo menos um primeiro canal (31a) e pelo menos um segundo canal (31b) terem uma seção transversal substancialmente constante ao longo do comprimento do tubo central (31).

10. Aparelho de osmose, caracterizado por compreender uma pluralidade de elementos de osmose (30) como identificados em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

11. Aparelho de osmose, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por os tubos de permeado centrais (31) de elementos de osmose (30) adjacentes estarem em comunicação fluida através de um conector (55), o conector tendo pelo menos um primeiro canal de conector (55b) e pelo menos um segundo canal de conector (55b) tendo a mesma seção transversal que o pelo menos um primeiro canal e pelo menos um segundo canal.

12. Aparelho de osmose, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado por os elementos de osmose (30) estarem localizados em um vaso de pressão (50).

13. Aparelho de osmose, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender pelo menos uma primeira entrada (53) para suprir uma solução de concentração mais alta para o vaso de pressão (50) e pelo menos uma segunda entrada (61) para suprir água de concentração mais baixa para os elementos de osmose (30).

14. Instalação de osmose, caracterizada por compreender um aparelho de osmose como identificado em qualquer uma das reivindicações 11 a 13.

15. Instalação de osmose, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada por compreender uma usina elétrica.

16. Método para gerar energia usando uma instalação de osmose, a instalação de osmose compreendendo uma pluralidade de elementos de osmose (30) como identificado em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, os elementos de osmose (30) sendo localizados em um vaso de pressão (50), o vaso de pressão (50) compreendendo pelo menos uma primeira entrada (53) conectada ao vaso de pressão (50) e pelo menos uma segunda entrada (61) conectada aos elementos de osmose (30), e uma saída (54) a partir do vaso de pressão (50), caracterizado por compreender: - suprir uma solução de concentração mais alta para a primeira entrada; - suprir água de concentração mais baixa para a segunda entrada para provocar um aumento de pressão na saída; e - suprir uma proporção de solução de concentração mais alta a partir da saída para um aparelho de geração.