ES2247672T3 - Tratamiento de agua. - Google Patents
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Abstract
SE PRESENTA UN DISPOSITIVO DE DESALINACION PARA ELIMINAR LOS SOLIDOS DISUELTOS DEL AGUA DE MAR O DEL AGUA SALOBRE. EL DISPOSITIVO DE DESALINACION (10) COMPRENDE UNA CARCASA (12) EN LA QUE UNA BOMBA (14) ACCIONADA POR UN MOTOR (16) BOMBEA AGUA DE MAR O AGUA SALOBRE BAJO PRESION. UN CARTUCHO DE DESALINACION (76) DISPUESTO DENTRO DE LA CARCASA (12) INCLUYE UN MATERIAL SEMIPERMEABLE QUE ACTUA COMO MEMBRANA DE OSMOSIS INVERSA Y A TRAVES DEL CUAL SE FUERZA AL PERMEADO A QUE SE SEPARE DEL AGUA DE MAR O DEL AGUA SALOBRE. LOS SOLIDOS DISUELTOS EN EL AGUA SALOBRE O AGUA DE MAR QUEDAN RETENIDOS EN UNOS PASOS DE RETENCION DE LA SAL QUE HAY EN EL CARTUCHO (76). TRES BOBINAS ELECTRICAS (94, 96, Y 98) RODEAN EL CARTUCHO (76) Y SE ENCUENTRAN EMBEBIDAS EN LAS PAREDES DE LA CARCASA (12). UNA FUENTE DE ALIMENTACION (112) PROPORCIONA CORRIENTE A LAS BOBINAS, SIENDO PREFERENTEMENTE UNA FUENTE DE ALIMENTACION TRIFASICA DE 50 HERTZIOS Y 380 VOLTIOS. LAS BOBINAS TAMBIEN ESTAN CONECTADAS A TRAVES DE UNAS LINEAS (108) A UN DISPOSITIVO DE ACCIONAMIENTO DE CA DE FRECUENCIA AJUSTABLE (110) QUE A SU VEZ SE ENCUENTRA CONECTADO A UN MOTOR (16). LAS BOBINAS (94, 96 Y 98) IMPONEN UN CAMPO MAGNETICO AL AGUA DE MAR O AL AGUA SALOBRE PRESENTE EN LOS PASOS DE RETENCION DE LA SAL LO QUE AUMENTA LA VELOCIDAD A LA QUE EL AGUA PENETRA A TRAVES DE LA MEMBRANA DE OSMOSIS INVERSA E INHIBE TAMBIEN LAS INCRUSTACIONES. LAS BOBINAS (94, 96 Y 98) ACTUAN ADICIONALMENTE COMO BOBINAS DE BLOQUEO PARA EL MOTOR (16).
Description
Tratamiento de agua.
Este invento se refiere al tratamiento de agua
para retirar los sólidos disueltos.
Es sabido que al agua de mar y al agua salobre se
les pueden retirar los sólidos disueltos, esto es, pueden ser
desalinizadas por el método conocido como ósmosis inversa. El agua
es bombeada a una presión desde doce a setenta Bar, a través de un
cartucho de desalinización que utiliza un polímero complejo como
membrana semipermeable. Las presiones usadas son necesarias para
superar la presión osmótica natural del agua de alimentación. Las
presiones en el extremo inferior de la gama se usan para agua
salobre y las presiones más altas se usan para agua de mar.
El tipo de cartucho más ampliamente usado en
desalinización consta de una multitud de finos filamentos huecos
del polímero complejo, siendo bombeada el agua en los espacios entre
los filamentos. Los filamentos tienen aproximadamente la misma
dimensión de la sección recta que la de un cabello humano. El
permeado (agua producto) fluye a través de las paredes de los
filamentos a sus superficies interiores. Las superficies
interiores, que aquí también se denominan lumens, forman los
pasajes del permeado. En esta forma de cartucho existen pasajes de
retención de sal exteriormente a los filamentos y, como se ha
dicho, los pasajes de agua permeada están constituidos por las
superficies interiores de los filamentos.
El segundo tipo de cartucho que es ampliamente
usado es el tipo arrollado en espiral. En esta forma de cartucho
las láminas planas del polímero complejo están arrolladas en espiral
sobre un núcleo central que tiene la forma de un tubo hueco con una
multitud de agujeros en él.
Entre cada par de láminas contiguas de polímero
complejo existe una rejilla. Las rejillas actúan como espaciadores
que mantienen separadas las láminas y forman pasajes de retención de
sal alternativos y pasajes de permeado entre las láminas. Las
rejillas en los pasajes de retención de sal tienen como objeto
adicional producir turbulencia en el flujo de agua. Una pila de, por
ejemplo, ocho a doce de tales láminas con espaciadores entre ellas
están arrolladas simultáneamente alrededor del núcleo. Los pasajes
del permeado van hacia dentro en espiral hacia el núcleo.
Las antiguas plantas de desalinización tienden a
usar cartuchos que comprenden filamentos. Las plantas instaladas
más recientemente usan cartuchos arrollados en espiral. Actualmente
el número total de cartuchos arrollados en espiral que están en uso
es menor que el número de cartuchos que usan filamentos. La
disparidad en el número, sin embargo, está disminuyendo, ya que las
plantas de desalinización instaladas más recientemente usan
cartuchos arrollados en espiral y se espera que en un futuro
continúen aumentando.
Un problema importante de la desalinización
consiste en la obstrucción de la membrana semipermeable. La
obstrucción tiene tres causas. Una causa importante es la deposición
sobre esas superficies de las láminas del polímero o filamentos de
polímero que unen los pasajes de retención de sal de capas de sal
común y de otros sólidos tales como magnesio y calcio. Las sales
poco solubles y otros sólidos se precipitan cuando el agua fluye a
través de la membrana semipermeable desde los pasajes de retención
de sal a los pasajes del permeado. Este flujo de agua aumenta la
concentración de los sólidos disueltos en tal magnitud que el agua
restante es insuficiente para mantener todos los sólidos en
solución.
La segunda causa de obstrucción es orgánica. Por
ejemplo, algas, bacterias y similares crecen en las membranas
semipermeables. La tercera causa de obstrucción la constituyen los
sólidos que los filtros convencionalmente usados delante del
cartucho de desalinización para retirar partículas sólidas no las
retiran del agua de alimentación.
La obstrucción está facilitada por el hecho de
que el polímero tiene una carga negativa neta mientras que las
algas y las bacterias tienen una carga positiva neta. Así estos
organismos son atraídos preferentemente hacia las superficies de la
membrana en la que se depositan y forman colonias. Igualmente, los
iones positivos (cationes) que están en el agua de mar como
consecuencia de la disociación de los sólidos disueltos también son
atraídos preferentemente hacia la membrana.
Es bien sabido que la tasa de obstrucción de un
cartucho aumenta de forma no lineal con la tasa de flujo del
permeado. Así, doblando la tasa de flujo, es más del doble la tasa a
la que se obstruyen los cartuchos de desalinización. La obstrucción
hace descender la tasa a la que el agua fluye a través de la
membrana. Eventualmente la tasa de permeación disminuye en tal
medida que el cartucho debe ser desobstruido mediante tratamiento
químico. Un cartucho que ha estado excesivamente obstruido no
puede, incluso después de la desobstrucción, producir la misma tasa
de flujo anterior a la obstrucción.
Como se ha mencionado anteriormente, para
minimizar la obstrucción de un cartucho de desalinización
convencional que tiene láminas de polímero, en los pasajes de
retención de sal se disponen espaciadores que provocan turbulencia.
Tales espaciadores, aumentando la mezcla del flujo de agua en los
pasajes de retención de sal impiden la formación de lo que se
denomina la capa de polarización de concentración. Esta capa es
inmediatamente contigua a la membrana y en ella la concentración de
los sólidos disueltos es máxima. Esta capa no solamente forma una
barrera al flujo de agua a través de la membrana sino que es
principalmente desde esta barrera desde donde se precipitan los
sólidos para obstruir la membrana. Además la existencia de esta capa
de alta concentración aumenta la presión osmótica. Tales
espaciadores que originan turbulencia solamente proporcionan una
solución parcial al problema de la obstrucción.
La obstrucción es un problema importante para los
cartuchos de desalinización que tienen filamentos, ya que existen
intersticios muy finos entre los filamentos en la masa de
filamentos. De aquí que la propia masa de filamentos actúa como un
filtro extremadamente eficiente e intercepta y separa cualquier
material sólido existente en el agua de alimentación. Tal material
es retenido en la masa de filamentos y contribuye a una reducción
de la tasa de flujo del permeado.
En nuestra especificación PCT W097/21630
proponemos una estructura que introduce turbulencia en el agua de
alimentación que entra en los pasajes de retención de sal con el fin
de impedir además la formación de capas de polarización de
concentración con la consiguiente obstrucción.
El principal objeto del presente invento es
mejorar el funcionamiento de un cartucho de desalinización.
Un objeto adicional del presente invento es
disminuir la tasa a la que se obstruye el cartucho de
desalinización, lo que permite una tasa mayor de flujo del producto
durante un periodo de tiempo mucho más largo.
De acuerdo con un primer aspecto del presente
invento se ha proporcionado un método de retirada de los sólidos
disueltos en el agua, método que incluye el suministro de dicha agua
a través de un pasaje de retención de sal limitado por una membrana
de ósmosis inversa y que somete a la membrana, al agua en el pasaje
de retención de sal y al agua que ha pasado a través de la membrana
a un campo magnético fluctuante, caracterizado por la etapa de
alimentación de corrientes eléctricas de magnitud variable a cada
uno de al menos dos bobinas separadas a lo largo de la longitud de
dicho pasaje de retención de sal, estando el agua en el pasaje de
retención de sal en los campos magnéticos de dichas bobinas y
estando fuera de fase y solapándose los campos magnéticos generados
por las bobinas.
De acuerdo con un segundo aspecto del presente
invento, se ha proporcionado un aparato para retirar los sólidos
disueltos en el agua, comprendiendo el aparato un pasaje alargado de
retención de sal limitado por una membrana de ósmosis inversa, y
medios para alimentar agua a dicho pasaje de retención de sal, de
forma que el agua fluye a lo largo de dicho pasaje de retención de
sal, estando el aparato caracterizado por al menos dos bobinas
espaciadas longitudinalmente en el pasaje de retención de sal y por
medios para aplicar voltajes de magnitud variable a cada uno de
dichas bobinas para hacer que cada bobina genere un campo magnético
fluctuante, estando los campos magnéticos fuera de fase y
solapándose, y el agua en dicho pasaje de retención de sal estando
sometida, con el aparato en funcionamiento, a los campos magnéticos
fluctuantes de dichas bobinas.
El documento JP05 049029U, Chem. Abst., Volumen
103, Nº 27904, 1985 y la DE 3938245A, exponen cada uno un método de
y un aparato para retirar sólidos disueltos en el agua, en el que el
agua es alimentada a través de un pasaje de retención de sal
limitado por una membrana de ósmosis inversa y la membrana, el agua
en el pasaje de retención de sal y el agua que ha pasado a través de
la membrana están sometidos a un campo magnético fluctuante. Sin
embargo, en ninguno de estos documentos el campo magnético
fluctuante generado por dos bobinas es alimentado por corrientes
eléctricas fuera de fase espaciadas de tal forma que se solapan los
campos magnéticos generados por las bobinas.
En una forma ventajosa del aparato de acuerdo con
el invento se han dispuesto tres bobinas espaciadas
longitudinalmente en la camisa, siendo el suministro de corriente
alterna trifásica, teniendo cada bobina una de las fases conectada
a ella, por lo que los campos generados por las tres bobinas están
fuera de fase entre sí.
Para mejorar más el aparato, además se puede
incluir una placa con varios agujeros en ella entre dichos medios
para alimentar agua y dicho cartucho, dividiendo los agujeros de la
placa el agua en corrientes y dirigiendo dichas corrientes de agua
contra el extremo del cartucho, por lo que el agua que entra en los
pasajes de retención de sal tiene corrientes parásitas en ella y se
produce una pérdida de carga a través de dicha placa.
Para una mejor comprensión del presente invento y
para mostrar cómo el mismo puede ser llevado a efecto, ahora se
hará referencia, a modo de ejemplo, a los dibujos anexos, en los
que:
la Figura 1 es una sección axial de un
desalinizador de agua que incluye un cartucho de desalinización y
tres bobinas;
la Figura 2 ilustra, a una escala mayor, el
extremo de entrada de agua del desalinizador, estando la Figura 2
parcialmente en sección;
la Figura 3 ilustra el extremo de salida de agua
del desalinizador, estando la Figura 3 a una escala mayor que la de
la Figura 2 y, estando también parcialmente en sección.
la Figura 4 es una vista desde un extremo de un
cartucho de desalinización;
la Figura 5 es un detalle de una camisa que forma
parte del desalinizador de las Figuras 1 a 3;
la Figura 6 es una representación en diagrama, a
una escala muy ampliada, de parte del cartucho de
desalinización;
la Figura 7 ilustra la forma en la que
interactúan los campos magnéticos generados por las bobinas;
la Figura 8 es un alzado en diagrama que ilustra
otro cartucho de desalinización y tres bobinas;
la Figura 9 es una sección en la línea
IX-IX de la Figura 8;
la Figura 10 ilustra en diagrama parte de un
revestimiento en forma extendida; y
la Figura 11 ilustra en diagrama parte de otro
revestimiento.
El desalinizador de agua ilustrado en la Figura 1
es generalmente designado (10) y comprende una camisa (12)
cilíndrica alargada en sentido horizontal. La camisa (12) es de
material no metálico y está preferiblemente fabricada con fibras de
vidrio arrolladas en forma de hilos de fibra de vidrio sobre un
mandril rotativo. Simultáneamente se aplica al mandril resina
endurecible de forma que se obtenga una camisa cilíndrica hueca
reforzada de fibra de vidrio con un alma lisa. La resina puede ser
aplicada permitiendo que la parte más baja del mandril y de la
camisa parcialmente fabricada estén sumergidas en un baño de
resina, siendo retirado el exceso de resina mediante una cuchilla
rascadora. Tal camisa es fácilmente capaz de resistir presiones
internas superiores a 70 Bar.
Una bomba (14) y un motor eléctrico (16) están
junto al extremo de entrada de la camisa (12) y bombean el agua que
va a ser desalinizada normalmente a una presión de aproximadamente
cincuenta a sesenta Bar al interior de la camisa (12). El motor
(16) es preferiblemente un motor de corriente alterna trifásica y
la bomba es preferiblemente una bomba D10 hydra-cell
fabricada por Warren Engineering de Minneapolis, Minnesota, Estados
Unidos.
La bomba (14) y el motor (16) están fijados a la
camisa (12) por medio de una junta extrema (18) (véase
especialmente la Figura 2) y una placa de montaje (20). La junta
extrema (18) está fijada a la camisa (12) realizando primero una
parte cilíndrica interior (12.1) de la camisa (12), deslizando
después la junta (18) sobre la parte de la camisa realizada, y
después realizando una parte exterior (12.2) de la camisa con la
junta (18) embebida entre las partes interior y exterior (12.1 y
12.2) de la camisa. Se sobreentiende que, aparte de en la zona
extrema en la que la junta (18) está entre ellas, las partes (12.1)
y (12.2) forman una camisa de una sola pieza sin discontinuidad
entre ellas. La junta (18) tiene una serie de nervios (22)
exteriores que se extienden en sentido circunferencial, ayudando a
la unión de la junta (18) con la camisa (12).
La junta (18) tiene una serie de agujeros ciegos
(24) para pernos, con rosca interior, cada uno de ellos abriéndose
a través de una cara extrema de la junta (18). La placa (20) tiene
superficies planas pasantes (26) que coinciden exactamente con los
agujeros cónicos (24) para pernos, con rosca interior. Los pernos
(28) pasan a través de las superficies interiores pasantes (26) y
están atornillados en los agujeros (24) para unir la placa de
montaje (20) a la junta (18) del extremo.
La bomba (14) y el motor (16) están fijados uno a
otro mediante pernos (30) que pasan a través de las aletas (32) y
(34) de la bomba (14) y del motor (16) respectivamente.
Los pernos (36) que pasan a través de una aleta
(38) de la bomba (14) y los agujeros (40) con rosca interior para
pernos de la placa (20) fijan entre sí la placa (20) y la bomba
(14). El puerto de presión de la bomba (14) coincide exactamente
con un pasaje (42) que atraviesa la placa (20) y el puerto de
succión de la bomba (14) coincide exactamente con un pasaje de
entrada (44) que se extiende radialmente hacia adentro desde una
entrada (46) de la placa (20) y entonces coincide exactamente en
sentido axial con el puerto de succión de la bomba.
La placa (20) está formada, en su lado más
alejado de la bomba (14), por una pared cilíndrica (48) que tiene
un roscado interno (50) alrededor de su periferia. Una placa (52)
productora de turbulencia, con rosca exterior, que tiene varios
agujeros pasantes (54) está atornillada en el espacio cilíndrico
limitado por la pared (48). Las placas (20) y (52) definen una
cavidad (56) entre ellas, y el pasaje (42) se abre a la cavidad
(56).
Los agujeros pasantes (54) de la placa (52)
pueden estar dispuestos de acuerdo con un patrón definido. Por
ejemplo, puede haber agujeros colocados en una disposición circular.
Alternativamente los agujeros pueden estar dispuestos a lo largo de
varias líneas en forma de radios desde el centro de la placa (52) o
pueden estar en una disposición espiral que tiene su centro en el
centro de la placa (52).
Una junta tórica (58) rodea la pared (48) y hace
estanco el espacio entre la placa (20) y la superficie interior de
la camisa (12).
En el otro extremo de la camisa (12) (véase la
Figura 3) existe una placa extrema (60). La placa extrema (60) está
retenida en la camisa (12) por un par de juntas que cooperan,
designadas (62) y (64). La junta (62) está situada alrededor del
mandril antes del comienzo de la fabricación de la camisa (12).
Está, por tanto, embebida en las paredes de la camisa y da lugar a
la formación de un nervio exterior (66) que rodea la camisa (12).
Después de haber montado el desalinizador, como se describirá
posteriormente con más detalle, la junta (64) tiene su diámetro
exterior disminuido y entonces es insertado en la camisa de forma
que está en relación de cooperación con la junta (62) como se
muestra, para evitar que la placa (60) sea extraída de la camisa
(12) por el efecto de la presión interior de la camisa.
Una superficie interior axial (68) en la placa
(60) forma una salida de agua purificada (permeado) y una
superficie interior (70), que está desplazada a un lado del agujero
(68), forma una salida de salmuera. Una junta de estanquidad en U
(no mostrada) se inserta dentro de una ranura (72) en la placa
(60). Una junta tórica (74) está dispuesta en una ranura adicional
contigua a la ranura (72). La junta de estanquidad en U y la junta
tórica evitan las fugas entre la camisa (12) y la placa (60).
Un cartucho de desalinización (76) de forma
cilíndrica se desliza dentro de la camisa (12) antes de que la
placa (60) sea fijada en su sitio por las juntas (62) y (64).
Más adelante se describirá con más detalle el
cartucho (76), que comprende varias láminas de polímeros y
espaciadores arrollados como se ha descrito anteriormente. Las
láminas y los espaciadores están arrollados en espiral sobre un
tubo central (78). En el extremo de salida del desalinizador el tubo
(78) sobresale de las láminas y espaciadores arrollados y entra en
la superficie interior (68). Un tipo de cartucho (76), que es
apropiado para uso en el presente invento es el fabricado y vendido
por Filmtech Corporation, que es totalmente propiedad de Dow
Chemical Company. El producto lleva la designación de FT30. La
patente de EEUU 4277344 describe en detalle el principio de ósmosis
inversa. El cartucho de filtro (76) es generalmente cilíndrico y se
ajusta fuerte en la camisa (12). Las juntas de estanquidad en U (no
mostradas) están dispuestas en las ranuras (80) (véanse sobre todo
las Figuras 2 y 3) que rodean las tapas extremas (82) (véase
también la Figura 4) del cartucho (76) y descansan en la superficie
interior de la camisa (12) para evitar la fuga de agua entre la
camisa (12) y el cartucho (76).
Las láminas arrolladas y los espaciadores (84)
(Figura 4) están dentro de un revestimiento delgado (86) de un
material tal como la fibra de vidrio. El revestimiento (86) une las
tapas extremas (82) entre sí. El revestimiento (86) no es
suficientemente fuerte para resistir la presión aplicada a su
interior sin resquebrajarse. Así pues, existe un ajuste forzado
dentro, y por tanto, soportado por la camisa (12). Las juntas
estancas en U en las ranuras (80) evitan que el agua fluya entre el
revestimiento (86) y la camisa (12).
Cada tapa extrema (82) tiene la forma de una
estrella (véase la Figura 4) que tiene una junta interior (88) y
una junta exterior (90) unidas por radios (92). El tubo (78)
atraviesa la junta interior (88) en el extremo de salida del
cartucho (76) y las ranuras (80) están en la cara exterior de la
junta (90).
Tres bobinas, (94, 96 y 98) son arrolladas en la
camisa (12) cuando se fabrica la camisa. Más específicamente, una
pieza (12.3) interior relativamente delgada (Figura 5) de la camisa
(12) es fabricada y después las bobinas (94, 96 y 98) son
arrolladas sobre la parte interior (12.3). El resto de la camisa
(12) es después fabricado de forma que las bobinas (94, 96 y 98)
están embebidas en la camisa con solamente la parte interior
delgada (12.3) entre ellos y el cartucho (76) y una parte (12.4) más
gruesa de la camisa exterior hacia la parte exterior de ella. Las
bobinas pueden ser de fibras de carbón de alta conductividad o de
cable de cobre. Las fibras o cables se recubren de forma que
resulten aisladas eléctricamente entre sí.
Para proteger las bobinas (94, 96 y 98), se
recubre con una capa (100) de gel blando (véase la Figura 5) la
parte interior (12.3) fabricada de la camisa (12) antes de que las
bobinas sean arrolladas (véase la Figura 5). A continuación se
aplica una segunda capa (102) de gel sobre las bobinas. Las dos
capas (100, 102) se endurecen pero no llegar a ser rígidas. Las
capas de gel protegen las bobinas (94, 96 y 98) contra la entrada
de agua a través de las grietas que pudiera haber en esas partes
(12.3) de la camisa (12) que están entre las bobinas (94, 96 y 98)
y el interior de la camisa. La capa interior (100) de gel absorbe
los cambios dimensionales provocados en la camisa (12) por los
cambios de presión, para prevenir las fuerzas radiales que pudieran
actuar sobre las bobinas (94, 96 y 98).
Una vez que las bobinas han sido arrolladas, los
cables de alimentación son llevados desde allí a lo largo de la
cara exterior de la parte (12.3) de la camisa hasta un punto de
conexión común que puede ser una caja de conexión (104) (Figuras 1
y 2) contigua al extremo de entrada del desalinizador. Los cables
de alimentación están, naturalmente, embebidos en la camisa (12)
cuando se fabrica la parte exterior (12.4) de la camisa. En las
Figuras 1 y 3, simplemente con fines ilustrativos, los cables de
alimentación (designados 106) y los demás cables (designados 108),
que conectan las bobinas (94, 96 y 98) a un mecanismo de
transmisión de frecuencia regulable de corriente alterna designado
(110), se muestran cuando entran y salen de la camisa (12) en las
zonas de las bobinas. En la Figura 3 la bobina (94) se muestra en
forma de diagrama cuando es arrollada sobre el exterior de la camisa
(12).
Cada una de las bobinas (94, 96 y 98) está
conectada por medio de su cable alimentador (106) a una fase de un
suministro de corriente alterna trifásica (112) (véase la Figura 1).
Si fuera necesario apantallarlo, por ejemplo en forma de
revestimiento de material trenzado, se puede usar para prevenir los
efectos de los campos magnéticos que se experimentan en el exterior
de la camisa (12).
El mecanismo de transmisión (110) está conectado
al motor (16). El tipo preferido de mecanismo de transmisión es el
1336 plus fabricado por Allen Brady (parte del Rockwell Group) de
1201 South Second Street, Milwaukee 53204, Estados Unidos.
En la placa (20) se inserta un sensor de presión
(114) (Figuras 1 y 2) a través de un pasaje (116) que comunica con
el pasaje (42) que, a su vez, comunica con el puerto de presión de
la bomba (14). El sensor de presión (114) está conectado por una
línea (118) (Figura 1) al mecanismo de transmisión (110) de
corriente alterna de frecuencia regulable y por lo tanto proporciona
la señal de control. La señal de control se usa para controlar la
frecuencia de salida del mecanismo de transmisión del motor y, por
tanto, la velocidad del motor (16) para así mantener una presión
constante en el puerto de presión de la bomba (14).
Mientras que en la camisa (12) solamente se
muestra un único cartucho (76), es posible disponer dos o más
cartuchos extremo con extremo. A su vez, el agua fluye a través de
cada cartucho. Cada cartucho puede tener tres bobinas asociadas
entre sí, tal como se ha descrito. Alternativamente, como se ve en
las líneas de rayas y puntos de la Figura 1, en la que se han
dispuesto dos cartuchos (76.1) y (76.2), la bobina central (96)
puede conectar los dos cartuchos.
En la Figura 6 se ilustra a una escala muy
ampliada la estructura de una parte del cartucho (76). En la Figura
6 los números de referencia (120.1) a (120.5) ilustran películas de
un polímero complejo. Entre las películas (120.2) y (120.3) hay un
primer pasaje (122) de retención de sal y entre las películas
(120.4) y (120.5) existe un pasaje (24) adicional de retención de
sal. En cada uno de los pasajes (122, 124) existe una rejilla
(126). La rejilla (126) actúa como un elemento creador de
turbulencia. La rejilla (126) está, por ejemplo, compuesta por
filamentos de material plástico con soldaduras en los puntos en los
que los filamentos que se extienden transversalmente interseccionan
con los filamentos que se extienden longitudinalmente. La rejilla
(126) tiene la función adicional de impedir que los pasajes (122,
124) de retención de sal se obstruyan hasta el punto de que sea
imposible el flujo de agua entre ellos.
Entre las películas (120.1) y (120.2) existe un
pasaje de permeado (128). Igualmente, entre las películas (120.3) y
(120.4) existe un pasaje de permeado (130). Existen rejillas (132)
en los pasajes (128) y (130). Las rejillas (132) no tienen como fin
crear turbulencia en el permeado en los pasajes (128, 130) sino
simplemente impedir que los pasajes se obstruyan por la presión
aplicada, hasta el punto de que sea imposible el flujo de agua
entre ellos. Queda sobreentendido que en el cartucho existen muchas
películas, muchos pasajes de retención de sal y muchos pasajes de
permeado. Por lo tanto, existen películas, pasajes y espaciadores
adicionales a cada lado de la sección de cartucho mostrada en la
Figura 6.
En el extremo de entrada del cartucho (76) los
pasajes (128, 130) están cerrados y los pasajes (122, 124) están
abiertos. Por lo tanto, el agua entra en los pasajes (122, 124) pero
no en los pasajes (128, 130). En la zona del tubo central (78) los
pasajes de retención de sal (122, 124) están cerrados y los pasajes
del permeado (128, 130) están abiertos, de forma que el permeado,
pero no la salmuera, pueden fluir dentro del tubo (78).
El funcionamiento del desalinizador descrito
hasta ahora es complejo y todavía no ha sido totalmente comprendido
por los Solicitantes. La siguiente explicación se basa en lo que
hasta ahora se ha observado en trabajos experimentales. Trabajos
experimentales posteriores pueden revelar que existen otros
factores y mecanismos implicados, de los que los Solicitantes no son
conscientes actualmente.
Cuando se fabrica un cartucho de desalinización
de arrollamiento en espiral, es conveniente mantener una tensión
constante en las películas y espaciadores ya que están arrolladas
sobre el tubo central (78). Esto se consigue más fácilmente durante
la parte inicial de la operación de arrollado. A medida que el
cartucho aumenta de diámetro se hace más "esponjoso" al tacto y
resulta más difícil mantener las películas y los espaciadores a la
tensión correcta. Por lo tanto, las vueltas del cartucho tienden a
estar más fuertemente empaquetadas junto al tubo central (78) que si
estuvieran junto al revestimiento exterior (86). En un sistema de
desalinización convencional el agua fluye en el espacio (134)
(Figura 2) contiguo al extremo de entrada del cartucho de
desalinización sin haber tenido que fluir a través de la placa
(52). No existe una presión diferencial significativa considerada en
el sentido radial del cartucho. Más específicamente, la presión
cerca del centro del cartucho y la presión cerca de la periferia
exterior del cartucho son la misma. Por lo tanto, tiende a entrar
más agua cuanto más abiertas radialmente estén las partes
exteriores de los pasajes de retención de sal en los que las
películas y los espaciadores están más fuertemente arrollados.
La placa (52) dirige muchas corrientes de agua
contra el extremo del cartucho (76) y distribuye el flujo de agua
sobre todo el extremo expuesto del cartucho (76). Esto asegura que
las partes interiores radiales del cartucho se utilizan más
completamente. Los radios (92) son realizados lo más pequeños
posible por el fabricante del cartucho para que no obstruyan el
flujo de agua. Cubren muy poco el extremo de las películas
arrolladas y de los espaciadores y no tienen efecto apreciable sobre
la presión del agua. Y, lo que es más significativo, no producen
ninguna caída de presión entre la entrada al espacio (134) y las
entradas a los pasajes de retención de sal.
El agua de mar, y el agua salobre en menor
medida, contienen gases disueltos y también contienen bicarbonatos.
Existe una caída de presión del orden de dos Bar a través de la
placa (52) y se cree que esto hace que parte del oxígeno y del
dióxido de carbono presentes en el agua de alimentación salgan de
la solución como burbujas. Las burbujas son muy pequeñas debido a
que todavía se encuentran a una presión sustancial. No obstante, se
cree que tienen un efecto desoxidante sobre la concentración de las
capas de polarización impidiendo su formación y, por tanto, mejoran
el funcionamiento del cartucho.
Observaciones sobre la salmuera que sale desde el
desalinizador y que fluye a un tanque ha mostrado que la salmuera
está aireada. En un experimento la salmuera y el agua permeada
fueron ambas alimentadas a un gran tanque de almacenamiento donde
se les permitió mezclarse entre sí. El tanque también constituyó el
suministro de agua de alimentación. Esto se realizó para permitir
que el desalinizador funcionara experimentalmente durante un
periodo de tiempo sin necesitar cantidades excesivas de agua de
mar. Se observó que la salmuera estaba aireada cuando salió del tubo
de descarga al tanque. En lugar de simplemente hundirse en el agua
de mar menos densa, la salmuera surgió a mayor distancia de la
salida del tubo de descarga. Se consideró que las burbujas
observadas eran una mezcla de dióxido de carbono y oxígeno.
Las corrientes de agua que salen de las
superficies interiores de la placa (52), y que chocan en el extremo
del cartucho arrollado, fluyen en los pasajes de retención de sal y
se pueden detectar corrientes parásitas en las corrientes de agua.
Estas corrientes parásitas son transversales con respecto a la
dirección general de flujo en los pasajes de retención de sal y
además ayudan a impedir la formación de capas de polarización de
concentración en los extremos de entrada de los pasajes de
retención de sal. Naturalmente, las corrientes parásitas se hacen
más débiles a medida que aumenta la distancia desde los extremos de
entrada de los pasajes de retención de sal disminuyendo así su
efecto sobre la capa de polarización de la concentración.
El efecto de los campos magnéticos aplicados
parece ser mantener a las corrientes parásitas, producidas
inicialmente en las corrientes de agua, en toda la longitud de los
pasajes de retención de sal. El ventajoso efecto de
"desoxidación" es por lo tanto experimentado en todo el
cartucho y no sólo en una zona que se extiende en una distancia
relativamente corta desde los extremos de entrada de los pasajes de
retención de agua.
Como se ha explicado anteriormente, muchos
obstructores tienen una carga positiva neta, mientras que el
polímero complejo que actúa como membrana semipermeable tiene una
carga negativa neta. Existen así fuerzas atractivas débiles entre
los obstructores y el polímero. Se cree que las corrientes
parásitas mantenidas por el campo magnético son suficientes para
superar estas fuerzas débiles y para impedir la formación de
obstructores en el polímero.
Ha resultado ventajoso arrollar las bobinas de
forma que se solapen sus campos magnéticos. A este respecto se ha
hecho referencia en la Figura 7, que muestra dos bobinas (designadas
como 96 y 98) que están suficientemente cerca para que sus campos
F1 y F2 se solapen. De este modo, en toda la longitud del cartucho
(12) los Gauss varían desde un máximo en una dirección radial hacia
el exterior de cada bobina, a un mínimo en la mitad del espacio
entre las bobinas, estando siempre presente el campo magnético.
Simplemente a modo de ejemplo, se ha considerado posible crear
campos con un máximo de aproximadamente dos mil Gauss
inmediatamente contiguo a cada bobina. En el centro de las bobinas
la cifra ha descendido a aproximadamente mil seiscientos Gauss. Los
campos, naturalmente, están fuera de fase.
En la Figura 7 las bobinas se muestran como
estando arrolladas con sus vueltas sesgadas hacia el eje del
cartucho (76), y también se ha mostrado cómo estando arrollados como
una parte del cartucho de filtro (76) en lugar de como parte de la
camisa (12). A este respecto las bobinas pueden estar arrolladas
sobre el cartucho, bien radialmente hacia adentro o radialmente
hacia afuera del revestimiento (86).
Los Solicitantes han considerado que un
desalinizador particularmente ventajoso puede ser provisto usando
corriente alterna trifásica de 50 Hz a 380 V. Tal suministro es
normal y tanto en el motor (16) como el mecanismo de transmisión
(110) están diseñados para ser usados con un suministro de esta
naturaleza. Los Solicitantes han considerado que alimentando las
tres fases de tal suministro a través de las bobinas (94, 96 y 98),
se obtienen los efectos ventajosos descritos anteriormente y que,
además, las bobinas actúan como bobinas de autoinducción para el
motor (16). Esto suaviza los picos que inevitablemente resultan del
uso de un motor de corriente alterna y que en sí representan
pérdidas de potencia. Los amperios necesarios para accionar el motor
(16) si las bobinas se desconectan del circuito son normalmente dos
amperios más de los necesarios cuando las bobinas están en
circuito.
En un desalinizador convencional el descenso de
presión a lo largo del cartucho (76) es normalmente cerca de tres
Bar. Así, si el agua de mar está siendo desalinizada, una presión de
entrada adecuada es sesenta Bar y se considera que la presión en la
superficie interior (70) es aproximadamente cincuenta y siete Bar.
Cuando las bobinas (94, 96 y 98) están en circuito no se produce
descenso de presión en el cartucho. De hecho, la presión en el
extremo de salida puede incluso superar ligeramente la existente en
el extremo de entrada. El Solicitante todavía no ha formulado una
explicación completa de este fenómeno observado, o del hecho de que
el flujo continúe incluso a pesar de que se está generando una
"contrapresión". Una posible explicación reside en que se
produce un aumento de la entropía como consecuencia de la entrada de
energía desde las bobinas. Otra posible causa reside en que la
salmuera altamente concentrada actúa de la misma forma que el núcleo
de un solenoide y es empujada hacia los extremos de salida de los
pasajes de retención de sal por las fuerzas aplicadas.
Los trabajos experimentales del Solicitante han
mostrado que siempre que la corriente suministrada a las bobinas
varíe cíclicamente de forma que se creen campos magnéticos
fluctuantes, ni la amplitud ni la frecuencia de la corriente son
criticas. Los trabajos experimentales con frecuencias de 5 a 7.000
Hercios han mostrado que en presencia de un campo magnético
fluctuante se pueden obtener mayores tasas de permeación y se
producen muchas menos obstrucciones.
Se sobreentiende que si la frecuencia o tipo de
corriente que ha de aplicarse a las bobinas es incompatible con el
mecanismo de transmisión (110) y el motor (16), entonces el
suministro de energía al motor y el suministro de energía a las
bobinas pueden obtenerse de fuentes independientes. También se han
producido mejoras importantes con el suministro de corriente
continua de voltaje variable tanto en la tasa de flujo de permeado
como en la reducción de obstrucciones. El voltaje y la corriente
pueden variar sinusoidalmente o se puede usar una onda de forma
rectangular.
Las Figuras 8 y 9 ilustran en forma de diagrama
otra forma de desalinizador que está designado como (136). El
desalinizador (136) comprende una camisa exterior (138) que tiene
una salida en (140) para el agua recuperada y una cámara (142) a la
que fluye la salmuera. Entre la salida (140) y el espacio principal
(144) limitado por la camisa (138) existe una partición (146).
Embebidos en la partición (146) están los extremos de muchas fibras
huecas (148) que son de un material polimérico complejo capaz de
actuar como una membrana de ósmosis inversa. La salida (140) conduce
desde una cámara (150) que comunica con los interiores huecos de
las fibras en las que sus extremos salen a través de la partición
(146). Cada fibra se extiende desde la partición (146), a lo largo
de la camisa en sustancialmente toda su longitud, gira hacia atrás
sobre si misma en una intersección (152) y después se extiende
hacia atrás hacia la partición (146).
Un tubo (154) atraviesa la partición (146) y
atraviesa una pared extrema transversal (156) limitado por la
cámara (150). El tubo (154) tiene una toma (158) en su extremo
derecho (como se ve en la Figura 8) y tiene varios agujeros en su
pared. El agua con sólidos disueltos en ella es forzada a entrar en
el tubo (154) y fluye fuera del tubo (154) a unos espacios entre
fibras que forman pasajes de retención de sal. Estos pasajes
comunican con la cámara (142) de forma que la salmuera fluye desde
estos pasajes a la cámara (142) y después fuera de la planta a
través de una salida de salmuera (160).
La estructura así descrita hasta ahora en
relación con las Figuras 8 y 9 es una de tipo convencional que es
ampliamente usada en la industria de la desalinización.
Tres bobinas (162, 164 y 166) se muestran
rodeando el cartucho de desalinización formado por la masa de
fibras huecas (148). Estas bobinas son equivalentes a las bobinas
mostradas en la Figura 1. Se les proporciona energía de la misma
forma para crear corrientes parásitas en los pasajes de retención
de sal que existen entre las fibras. El efecto de esto es el mismo
que el descrito anteriormente en relación con los pasajes de
retención de sal (122, 124).
Por último, haciendo referencia a la Figura 10,
la estructura ilustrada comprende una lámina rectangular (168) de
un material que puede ser arrollado en forma de un revestimiento
cilíndrico. A lo largo de los dos bordes alargados de la lámina se
disponen fijadores (170) de cualquier tipo apropiado, por ejemplo
pasadores o piezas "pop" de material conocido como
"Velcro", de forma que, una vez enrollados en forma de un
revestimiento, puedan ser fijados en esa forma. Es apropiado el
material plástico de láminas sintéticas. El material plástico puede
ser elásticamente flexible pero con rigidez suficiente para que,
cuando esté enrollado, tienda a desenrollarse manteniendo su forma
cilíndrica. Alternativamente puede tener la forma de un paño que no
se sujeta por sí mismo.
Una serie de tramos de cable (172) están
adheridos o bien fijados a esa cara de la lámina que se convierte
en su cara interior cuando la lámina (168) es enrollada en forma de
un revestimiento. Se disponen conectores (174) en cada extremo de
cada tramo de cable (172). Cuando la lámina (168) es enrollada en
forma de un revestimiento, los conectores (174) a lo largo de un
borde de la lámina se unen a los conectores a lo largo de otro
borde de la lámina, con lo que las longitudes de los cables se
juntan extremo con extremo y constituyen una bobina.
El revestimiento puede ser envuelto alrededor de
un desalinizador existente o cartucho de desalinizador como una
estructura modificada con cambios. Conectando la bobina constituida
por los tramos de cable a una fuente de corriente fluctuante, se
puede aplicar un campo magnético a los pasajes de retención de sal
para así obtener los efectos descritos anteriormente. Se
sobreentiende que se pueden disponer varias bobinas.
La disposición de una lámina plana extendida que
puede ser envuelta alrededor de un desalinizador existente para
formar un revestimiento es ventajosa, ya que permite que una bobina
se use casi independientemente de qué tubería, etc., hay y de qué
obstruye la aplicación de un manguito rígido con bobinas. Sin
embargo, si el desalinizador se construyese de forma que no
existiesen obstrucciones que evitaran que un manguito con bobina se
deslizara sobre el desalinizador, entonces tal construcción podría
ser usada para obtener las ventajas descritas anteriormente.
Mientras que se prefiere que cada bobina sea
coaxial con el cartucho, es posible que las bobinas estén
dispuestas de otras formas. Por ejemplo, en lugar de estar
arrolladas alrededor del mandril, las bobinas podrían ser
preformadas y embebidas en la pared de la camisa, de manera que cada
forma de cada parte extendida alrededor de la periferia de la
camisa con el eje alrededor del que la bobina es arrollada se
extienda radialmente en lugar de axialmente. Cuando esta disposición
se aplica a una lámina modificada con cambios, resulta una
estructura como la mostrada en la Figura 11. De esta forma la
lámina, designada como (168), tiene pares de bobinas espaciadas
(176) adheridas a ella. El eje de cada bobina (176) está en ángulo
recto con el plano de la lámina (168). Cuando la lámina se enrolla
para adoptar una forma tubular, las bobinas (176) adoptan posiciones
en los lados opuestos del cartucho y sus ejes son generalmente
radiales. Cada vuelta de la bobina (176) está deformada ya que la
lámina (168) se enrolla de manera que adopte la forma cilíndrica del
revestimiento.
Claims (11)
1. Un método para retirar del agua sólidos
disueltos, cuyo método incluye la alimentación de dicha agua a
través de un pasaje de retención de sal limitado por una membrana de
ósmosis inversa y sometiendo a la membrana, al agua en el pasaje de
retención de sal y al agua que ha pasado a través de la membrana a
un campo magnético fluctuante, caracterizado por el paso de
alimentar corrientes eléctricas de magnitud variable a cada, al
menos, una de las dos bobinas (96, 98) espaciadas longitudinalmente
a lo largo de dicho pasaje de retención de sal, estando el agua en
el pasaje de retención de sal en los campos magnéticos de dichas
bobinas y los campos magnéticos estando fuera de fase y
solapándose.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
y que incluye el paso de alimentar con corriente alterna trifásica
las tres bobinas (94, 96, 98 - 162, 164, 166) espaciadas a lo largo
de dicho pasaje de retención de sal, teniendo cada bobina
alimentación de una de dichas fases.
3. Aparato para retirar del agua sólidos
disueltos, comprendiendo el aparato un pasaje alargado de retención
de agua limitado por una membrana de ósmosis inversa, y medios (14,
16) para alimentar agua a dicho pasaje de retención de sal, de
forma que el agua fluye a lo largo de dicho pasaje de retención de
sal, estando el aparato caracterizado por al menos dos
bobinas (96, 98) espaciadas a lo largo del pasaje de retención de
sal y por medios (112) para aplicar voltajes de magnitud variable a
cada una de dichas bobinas para generar un campo magnético, estando
los campos magnéticos fuera de fase y solapándose y, cuando el
aparato está en uso, estando el agua en dicho pasaje de retención
de sal sometida a los campos magnéticos de dichas bobinas.
4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3 y
que incluye una camisa (12) de forma alargada, y un cartucho (76)
de forma alargada en dicha camisa, incluyendo dicho cartucho
membranas semipermeables que limitan muchos pasajes de retención de
sal, estando dichas bobinas espaciadas longitudinalmente en la
camisa.
5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4 y
que incluye tres bobinas (94, 96, 98 - 162, 164, 166) espaciadas
longitudinalmente en la camisa, y medios para suministrar corriente
alterna trifásica, teniendo cada bobina una de las fases conectada
a ella, por lo que los campos generados por las tres bobinas están
fuera de fase entre sí.
6. Aparato de acuerdo con la reivindicación 5 en
el que dichos medios para alimentar agua incluyen una bomba (14)
accionada por un motor eléctrico trifásico (16), estando dicho motor
(16) conectado a dicho suministro de corriente alterna trifásica
(112) a través de las bobinas que actúan como bobinas de
autoinducción del motor.
7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6, y
que incluye un mecanismo de transmisión de corriente alterna de
frecuencia regulable (110) entre dichas bobinas y dicho motor.
8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 7, y
que incluye un sensor de presión (114) para detectar la presión en
el puerto de presión de la bomba y que alimenta una señal de control
a dicho mecanismo de transmisión (110), con lo que el mecanismo de
transmisión controla dicho motor de tal forma que proporciona una
presión constante en dicho puerto.
9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4, y
que incluye una placa (52) con varios agujeros (54) en ella entre
dichos medios (14) para alimentar agua y dicho cartucho (76),
dividiendo los agujeros de la placa el agua en dos corrientes y
dirigiendo dichas corrientes de agua contra el extremo del cartucho
(76), por lo que el agua que entra en los pasajes de retención de
sal tiene corrientes parásitas en ella y existe una caída de
presión a través de dicha
placa.
placa.
10. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4,
en el que dicha camisa (12) tiene una pared cilíndrica de resina
endurecible reforzada, estando dichas bobinas embebidas en dicha
pared cilíndrica.
11. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10,
y que incluye capas de gel (100, 102) radialmente hacia adentro y
radialmente hacia afuera de cada bobina, para proteger y amortiguar
cada bobina.
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