ES2199654B1 - Optimizacion de desaladoras de osmosis inversa mediante bombas intermedias. - Google Patents

Abstract

Hasta la fecha, la unidad de ósmosis inversa de una desatadora se ha diseñado con una sola unidad de bombeo de alimentación que eleva la presión del fluido que entra en la misma. En ese caso, las primeras membranas se encuentran con el fluido a desalar con su máxima presión y las últimas, debido a las pérdidas por rozamiento, con un fluido con menor presión. Por otra parte, estas últimas membranas se encuentran con una solución salina con mayor concentración que las primeras. Dado que la producción de agua desalada está en función de la diferencia entre la presión hidráulica del fluido y su presión osmótica, sería ideal poder ir incrementando la presión del fluido a medida que se va concentrando en sales. La solución, objeto de esta invención, consiste en diseñar en varias etapas con la instalación de bombas intermedias para la alimentación de cada una de las etapas sucesivas, de forma que la diferencia entre la presión hidráulica del fluido que entra en cada etapa y su presión osmótica seala misma o similar.

Description

Optimización de desaladoras de ósmosis inversa mediante bombas intermedias.

Sector de la técnica

Desalación de agua de mar por el método de ósmosis inversa.

Estado de la técnica

Hasta la fecha, las desaladoras de agua de mar por ósmosis inversa, con membranas estándares (82 bares de presión máxima), estaban limitadas a una conversión máxima del 45%.

Se define como factor de conversión de una desaladora al cociente entre los caudales de agua desalada y de agua de alimentación de la unidad de ósmosis inversa de dicha planta.

Para poder llegar a obtener este 45% de conversión en una planta desaladora de agua de mar se han utilizado dos soluciones en el diseño de la unidad de ósmosis inversa: dos etapas con tubos de presión de 6 metros de longitud o una sola etapa con tubos de presión de 7 metros de longitud.

Explicación

Una planta desaladora de agua de mar por ósmosis inversa se tiende a diseñar con el factor de conversión máximo por dos razones fundamentales, que se exponen en los dos párrafos siguientes.

En una desaladora de agua de mar se podría considerar que la disponibilidad de agua de alimentación es ilimitada. Lo cual puede ser cierto antes de realizar la obra de la desaladora, sin embargo cualquier aumento en el caudal implica un mayor coste de inversión, que hay que amortizar, además de un mayor consumo energético en la explotación. Ambos aumentan el coste del agua producida.

Una vez construida la desaladora, el pretratamiento se habrá dimensionado para un caudal nominal. Cualquier aumento en el caudal de alimentación haría que los procesos de filtración no funcionaran adecuadamente, con lo que tampoco lo haría la unidad de ósmosis inversa. Esta se ensuciaría más rápidamente obligando a lavados más frecuentes. El coste de los lavados incluye un consumo de reactivos, energía y agua desalada producida previamente y un periodo de improductividad. Además, a medida que aumenta la frecuencia de los lavados se acorta la vida de las membranas, obligando a reponerlas antes de lo previsto. Todo ello implica un aumento del coste del agua producida.

Las membranas de ósmosis inversa de configuración espiral son las membranas más comúnmente empleadas en la desalación de agua de mar. De ellas, la más común es la membrana de 8'' de diámetro y 1 metro de longitud.

Para poder utilizarlas es necesario que se introduzcan dentro de un tubo de presión capaz de soportar las solicitaciones mecánicas y que, además, posee las terminaciones adecuadas para conectar las diferentes conducciones: alimentación, rechazo y producto.

Estos tubos de presión tienen longitudes variables en función de las membranas que se vayan a utilizar. Existen tubos desde 1 hasta 8 metros de longitud, con capacidad para contener desde 1 hasta 8 membranas respectivamente.

A medida que aumenta el número de membranas dentro de un tubo de presión aumenta el factor de conversión, logrando una mayor producción a partir de una cierta cantidad de agua de alimentación.

La capacidad de producción de agua desalada de una membrana es función directa de la diferencia entre la presión hidráulica del fluido y su presión osmótica.

Por lo tanto, en un tubo de presión con varias membranas, la presión hidráulica del fluido es máxima a la entrada al tubo de presión y va disminuyendo por rozamiento. Sin embargo, su presión osmótica es mínima a la entrada y va aumentando debido a que se va concentrando en las sales que deja el agua que ha permeado a través de la membrana. Por esto, la máxima productividad se logra al principio del tubo de presión, para ir disminuyendo a medida que el fluido se desplaza a través de él, o sea, la primera membrana siempre tiene una producción por unidad de superficie superior alas restantes.

Con el fin de tratar mayor cantidad de agua de mar se conectan varios tubos de presión en paralelo mediante colectores, constituyendo una etapa.

Para aumentar el factor de conversión de una planta, aparte de la solución de insertar mayor número de membranas por tubo de presión, existe la solución de configurar la planta en varias etapas. Esto es, el rechazo de una etapa sería la alimentación de otra etapa, constituyendo la configuración de dos etapas.

En la segunda etapa se instala un número inferior de tubos de presión que en la primera, de forma que a cada tubo de presión se alimente un caudal similar de agua.

En el caso de una sola etapa con tubos de 7 metros, a medida que las membranas producen agua permeada va disminuyendo el caudal de agua en el lado de alimentación-rechazo, siendo bastante probable que en la última membrana (la séptima) el flujo se convierta en laminar con el consiguiente riesgo de deposiciones de suciedad o, incluso, de sales incrustantes.

El diseño en varias etapas tiene el objetivo de mantener el caudal de rechazo alto, para ello, antes de que este llegue a ser peligrosamente bajo, se unen los caudales de diversos tubos en un colector y se vuelven a introducir en un número inferior de tubos de presión, aumentando así el caudal unitario.

Sin embargo, en el caso de dos etapas con tubos de 6 metros, la segunda etapa tiene un rendimiento muy inferior a la primera, de forma que conteniendo, por ejemplo, alrededor del 37% de las membranas instaladas sólo contribuiría con el 22% a la producción de agua desalada de la planta.

Como novedad en esta solicitud, en una desatadora con varias etapas se puede optimizar los flujos insertando bombas entre etapas, de forma que cada una de ellas incremente la presión hidráulica del fluido por encima de su presión osmótica en una cantidad tal que dicha diferencia sea la misma en la entrada a cada etapa.

Así se logra una producción unitaria de agua desalada similar en todas las etapas, logrando que, por ejemplo, en la configuración de dos etapas con tubos de 6 metros, con un 37% de membranas en la segunda etapa, su contribución a la producción se acerque a dicho valor: 37%. En la práctica, lo anterior significa que la bomba intermedia debe elevar la presión hidráulica del fluido en un valor alrededor de 17 bares por encima de la presión que tenía a la salida de la etapa anterior.

La optimización de flujos, permite que la desatadora aumente su producción de agua desalada, o sea, su factor de conversión. Al disponer de elementos de control de la producción de cada etapa (bombas y válvulas) se puede lograr que cada una funcione en un punto óptimo, con lo cual se puede bajar la producción de la primera etapa y aumentar la de las restantes.

Por ejemplo, en la configuración de dos etapas con tubos de presión de 6 metros con bomba intermedia se consigue que el factor de conversión de la desatadora aumente hasta un valor del 53%.

Descripción de los dibujos

Para la mejor comprensión de lo descrito en la presente memoria se acompañan las figuras

La figura 1 representa un diagrama de flujo convencional de la unidad de alta presión de una desatadora de agua por el método de ósmosis inversa en dos etapas.

La figura 2 representa el objeto de la invención, en donde a la unidad desatadora convencional se le añade una motobomba intermedia de alimentación a la segunda etapa.

Concretamente, en la figura 1 se puede observar el grupo turbo-moto-bomba, compuesto por la bomba de alta presión (1) de alimentación de agua salada a la unidad de ósmosis inversa, el motor eléctrico (2) de accionamiento de aquella bomba y la turbina (3) de recuperación de energía de la salmuera y accionamiento conjunto de la mencionada bomba.

La turbina (3) es un elemento opcional, no siendo necesaria su presencia, pero si conveniente con el fin de reducir el coste de producción de agua.

A partir de la bomba de alta presión (1), en el caso de que ésta sea de tipo centrífuga, el agua puede pasar por una válvula de regulación (4) para ajustar la presión y el caudal a las condiciones adecuadas para la unidad de ósmosis inversa. En caso de que la bomba de alta presión (1) sea del tipo de desplazamiento positivo (pistón) no existiría dicha válvula (4).

En el caso representado, la unidad de ósmosis inversa se compone de dos etapas: la primera etapa se representa por el número 6 y la segunda por el 7.

Finalmente, la válvula 5, que en el caso de la presencia de la turbina (3) sería el obturador de la tobera de inyección del fluido sobre el rotor de la misma, es el elemento de regulación principal para el ajuste de la presión y el caudal de alimentación a la unidad de ósmosis inversa.

El objeto de la invención, representado en la figura 2, donde se añade una motobomba intermedia (8) de alimentación a la segunda etapa, es optimizar los flujos en el sistema, ya que la producción de agua permeada está en función de la diferencia entre la presión hidráulica del fluido y su presión osmótica. Para homogeneizar los flujos esta bomba debe aumentar la presión hidráulica del fluido que entra en la segunda etapa en una cantidad igual al aumento de su presión osmótica con respecto a la alimentación a la primera etapa más la pérdida de carga soportada en la misma.

De forma más explícita, el agua de mar posee una presión osmótica de alrededor de 28 bar, mientras que la presión hidráulica a la que se alimenta a la primera etapa de ósmosis inversa (6) ronda los 58 bar, dando como resultado una presión disponible para producción de 30 bar (diferencia entre las anteriores). La salmuera se concentra hasta el punto de que sale de la primera etapa (6) y entra en la segunda (7) con una presión osmótica de alrededor de 44 bar, por lo que para tener una presión disponible para producción de 30 bar habría que elevar la presión hidráulica a 74 bar (suma de las dos últimas), lo cual se realiza con la motobomba 8.

Para la puesta en marcha de la motobomba 8 se instala una válvula antirretorno (9) en by-pass, de forma que al arrancar la bomba 1 y antes de hacerlo la 8, el fluido pase por la válvula 9, no infringiendo movimiento al rotor de la bomba 8, con el consiguiente riesgo de que su motor se convierta en un generador. Al poner en marcha la bomba 8, la válvula 9 se cierra por el aumento de presión aguas abajo.

Claims (3)

1. Optimización de desaladoras de ósmosis inversa de varias etapas mediante bombas intermedias, con la presencia, en las etapas segunda y sucesivas, de una bomba de alimentación a cada etapa capaz de impulsar el caudal de rechazo de la etapa anterior, caracterizado porque dicha bomba de alimentación eleva la presión del fluido por encima de su presión osmótica el mismo gradiente que eleva la bomba de la primera etapa la presión del agua de alimentación sobre su presión osmótica, con objeto de lograr una producción más equilibrada, de forma que los valores de la producción de cada etapa dividida por la superficie de membrana instalada en la misma se acerquen o sean similares.

2. Optimización de desaladoras de ósmosis inversa de varias etapas mediante bombas intermedias según reivindicación 1, caracterizado por la presencia de un by-pass de cada una de ellas, necesario para la puesta en marcha y para el funcionamiento de la unidad de ósmosis inversa cuando la bomba se encuentre fuera de servicio, ya que el sistema de ósmosis inversa puede funcionar sin la presencia de la bomba intermedia, dado que el rechazo de una etapa lleva la presión suficiente para el funcionamiento de la siguiente.

3. Optimización de desaladoras de ósmosis inversa de varias etapas mediante bombas intermedias según reivindicación 1, caracterizado por la existencia de una válvula antirretorno en el by-pass de cada bomba intermedia y de válvulas de aislamiento, tanto de la bomba como del by-pass, para facilitar un servicio seguro y flexible.