ES2372244A1 - Proceso de producción de energía hidráulica y producción de agua potable mediante osmosis directa. - Google Patents
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Abstract
Proceso de producción de energía hidráulica y producción de agua potable mediante ósmosis directa.La presente invención se refiere a un proceso de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración que se hacen pasar por uno o más módulos de membranas semipermeables de doble puerto de entrada y salida que originalmente están diseñadas para realizar el proceso de ósmosis inversa, sin necesidad de realizar ninguna modificación técnica sobre dichos módulos de membranas. De esta forma, se produce un potencial osmótico en las membranas que origina una corriente de disolución con una presión suficiente para producir energía hidráulica. Constituye otro objeto de la presente invención la instalación diseñada para producir energía hidráulica de acuerdo con el procedimiento citado y el uso de la misma, así como una planta desaladora y una planta de tratamiento terciario de aguas residuales que comprenden la instalación para producir energía hidráulica.
Description
\global\parskip0.890000\baselineskip
Proceso de producción de energía hidráulica y
producción de agua potable mediante ósmosis directa.
La presente invención se engloba en el campo del
tratamiento de agua, como la desalación o la depuración, y el
aprovechamiento de dichos procesos para producir energía,
concretamente energía hidroeléctrica a partir del proceso de ósmosis
directa empleado en el tratamiento de aguas salinas y aguas
residuales urbanas.
Desde que comenzó el desarrollo de los sistemas
de desalación de agua de mar y salobre, el consumo energético
invertido en la producción de agua desalada (que hoy en día
representa entre el 45% y el 55% del coste total de producción)
constituye uno de los parámetros que más incidencia ha tenido en la
aplicación de estas tecnologías. Actualmente, se espera que la
reducción de consumo energético en desalación provenga de nuevos
logros en el diseño y fabricación de membranas semipermeables con
mayores constantes de permeabilidad (caudal de permeado por unidad
de presión y área), ya que en el resto de sistemas de las
instalaciones de desalación se están alcanzando unos niveles de
eficiencia cercanos a los límites técnicos.
Como alternativa, se conoce teóricamente desde
hace tiempo el potencial energético que puede aportar la ósmosis
directa para la generación de energía eléctrica, pero para
materializar técnicamente estas ideas hay dos condicionantes clave,
a saber: las fuentes que proporcionan el agua salina concentrada y
el agua salina diluida, y la configuración física de las membranas
semipermeables utilizadas en dicho proceso.
El primer objetivo de la presente invención
consiste en incrementar la eficiencia energética del proceso de
tratamiento de agua, a través de la ósmosis directa.
Por otra parte, la producción de agua potable
por medio de la desalación se ha considerado hasta ahora como un
procedimiento independiente del tratamiento posterior de depuración
de esta agua potable una vez ha sido utilizada, sin aprovechar la
sinergia de estos dos procesos fundamentales del ciclo del agua. En
este sentido, a pesar de que se conoce ya la utilización de aguas
regeneradas mediante diferentes tratamientos (decantación,
filtración mediante arena...) para consumo humano directo e
indirecto, siendo algunos de los ejemplos más relevantes y
referenciados en la literatura técnica, la utilización directa de
agua para consumo humano en Goreangab (Namibia); la recarga del lago
Tegel (Berlín) mediante aguas del tratamiento terciario de una
depuradora, y abastecimiento a la ciudad mediante pozos perimetrales
en el contorno del lago; recarga de acuíferos de abastecimiento de
agua potable en Los Ángeles ("Whittier Narrows
Groundwater"), El Paso (Texas; "Fred Hervey Water
Reclamation Plant"), California ("Water Factory 21,
Orange County District") y Sulaibiya (Kuwait; también para
regadío y usos industriales); y recarga del embalse "Occoquan
Reservoir" de abastecimiento de agua potable en Fairfax
County (Virginia), sin embargo no se ha reportado hasta el momento
la utilización para consumo
\hbox{humano de aguas regeneradas a
través del proceso de ósmosis directa.}
En definitiva, en su realización preferida la
presente invención pretende no sólo aprovechar energéticamente el
proceso de ósmosis directa, sino también adicionalmente conseguir un
incremento de la producción de agua potable mediante la integración
de los procesos de desalación y depuración (reutilización) a través
de dicha ósmosis, con la misma infraestructura de pretratamiento,
así como una reducción importante de los costes de producción
(consumo energético, consumo de reactivos, reposición de cartuchos
filtrantes y coste de mantenimiento de equipos) e inversión del
sistema conjunto. Además, gracias al proceso aquí descrito se
consigue reducir la cantidad de vertidos de agua contaminante que
resultan de la desalación, así como su afección potencial al
ecosistema marino, con los beneficios medioambientales que esto
conlleva.
Para conocer el potencial energético de un
proceso de ósmosis directa debe analizarse primero la energía
potencial osmótica de una disolución salina concreta, definida por
la Ley de Van't Hoff (1886) relativa al transporte a través de
membranas semipermeables:
- \pi = k * c * R * T,
- (1)
donde
\pi es la presión osmótica de la disolución en
cuestión, c la concentración de la disolución, k la constante
dependiente del tipo de soluto, R la constante de la ley de los
gases perfectos, y T la temperatura de la disolución.
Teniendo en cuenta esta ecuación (1), se puede
conocer la ley de paso de caudal a través de una membrana
semipermeable cuando se confrontan dos disoluciones de diferente
concentración salina:
- Q_{H_{2}O} = Kp * A * (\pi - \Delta P),
- (2)
donde
Kp es la permeabilidad de la membrana (depende
del tipo de membrana), A el área de la membrana expuesta al flujo,
\pi la presión osmótica dada por la Ley de Van't Hoff, y \DeltaP
la presión diferencial externa aplicada a la membrana. Sería este
caudal de paso a través de la membrana el fenómeno que permitirla la
obtención de energía en el proceso, y que depende como se ha
afirmado anteriormente tanto de las disoluciones salinas que
participan en el proceso como de la configuración de las membranas
de ósmosis.
El mayor inconveniente para alcanzar la
transformación energética a partir del proceso de ósmosis natural o
directa es que actualmente no hay membranas desarrolladas para
llevar a cabo este proceso, y los módulos de membranas para ósmosis
inversa ampliamente utilizados, que son de arrollamiento en espiral,
no pueden emplearse para ósmosis directa por su configuración física
y geométrica, ya que no cumplen con los dos requisitos esenciales
para la realización del proceso:
- \bullet
- el módulo debe disponer de dos bocas de entrada independientes, una para la disolución concentrada y otra para la disolución diluida y también dos bocas de salida independientes, una para la disolución concentrada y otra para la disolución diluida,
- \bullet
- no debe haber contacto directo entre la disolución concentrada y la diluida, y estas disoluciones deben estar separadas en todo momento desde la entrada hasta la salida del módulo por medio de las membranas de ósmosis, excepto como es lógico en los dispositivos de distribución de flujo de la boca de entrada y los de recogida de flujo de la boca de salida del módulo.
\vskip1.000000\baselineskip
Concretamente, existen varios factores que
imposibilitan su utilización para los fines de ósmosis directa:
- -
- el canal de recogida de permeado es único, y por configuración geométrica hidráulica sólo una pequeña parte del flujo de agua (diluida -agua salobre- o concentrada -salmuera-) que se bombee por este canal estará en contacto con las membranas de ósmosis; el resto del caudal pasará de un lado del canal de permeado al otro sin realizar la función de contacto entre las dos disoluciones, con lo que el rendimiento del sistema sería ínfimo e impracticable. El canal de permeado hace de "by-pass" hidráulico;
- -
- no es posible evacuar el agua salobre concentrada de las membranas (por la propia configuración geométrica e hidráulica de las membranas), con lo que el proceso no es sostenible. Es decir, se irían acumulando sales en un lado de la membrana en muy poco tiempo (no hay salida posible para la evacuación de la disolución salobre concentrada) hasta su precipitación y bloqueo completo de la misma.
\vskip1.000000\baselineskip
Para solventar estas deficiencias técnicas y
alcanzar los objetivos energéticos, económicos y medioambientales
propuestos, se ha desarrollado un procedimiento (y una instalación
acondicionada para su consecución) basado en el fenómeno de la
ósmosis directa a través de membranas semipermeables,
preferentemente de fibra hueca, que tienen la peculiaridad de estar
diseñadas y ser comúnmente utilizadas para realizar la ósmosis
inversa, y que se integran en un módulo con doble puerto de entrada
y de salida de las disoluciones. Si además se lleva a cabo el
proceso de ósmosis directa en cuestión utilizando como fuentes de
origen una disolución salina concentrada procedente de un bastidor
de ósmosis inversa de una desaladora convencional, por ejemplo de
agua de mar, y una disolución salina diluida procedente del
tratamiento terciario de una depuradora convencional, se obtiene no
sólo una producción de energía hidráulica, sino además un potencial
vertido de menor salinidad que el agua de mar, pudiendo el primero
verterse directamente al segundo en condiciones claramente
favorables desde el punto de vista económico y medioambiental. Más
preferentemente todavía, el potencial vertido puede volver a pasar
por un nuevo bastidor de ósmosis inversa de una planta desaladora,
que recupere como producto el agua de la corriente que previamente
pasó a través del bastidor de ósmosis inversa que se utiliza para
realizar la ósmosis directa. En este último caso, las ventajas
económicas y ambientales adquieren una extraordinaria
relevancia.
La presente invención se refiere a un proceso de
producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa a partir
de dos disoluciones salinas de diferente concentración que se hacen
pasar por uno o más módulos de membranas semipermeables de doble
puerto de entrada y salida que originalmente están diseñadas para
realizar el proceso de ósmosis inversa, sin necesidad de realizar
ninguna modificación técnica sobre dichos módulos de membranas. La
consecución del proceso de ósmosis directa se consigue porque por
uno de los puertos de permeado (por donde normalmente sale agua
permeada de ósmosis inversa) se introduce el agua salobre, y por el
otro puerto de permeado (por donde también sale agua de ósmosis
inversa) se extrae en realidad agua salobre concentrada; el flujo de
salmuera es igual que en el módulo de ósmosis inversa. Así, se
produce un potencial osmótico en las membranas que origina una
corriente de disolución con una presión suficiente para producir
energía hidráulica.
Si las fuentes de ambas disoluciones son por una
parte los vertidos de salmuera procedentes de desaladoras
convencionales, por ejemplo de agua de mar y por una parte, las
aguas salobres procedentes de plantas de tratamiento terciario de
depuradoras, también convencionales, entonces el beneficio económico
y ecológico del proceso se incrementa significativamente.
Además del proceso de producción de energía, es
otro objeto de la presente invención la instalación diseñada para
tal fin y su uso, así como una planta desaladora y una planta de
tratamiento terciario de aguas residuales que comprenden la
instalación para producir energía hidráulica.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
Concretamente, la presente invención describe un
proceso de producción de energía hidráulica mediante ósmosis directa
a partir de dos disoluciones salinas de diferente concentración, una
primera concentrada y una segunda diluida, caracterizado porque:
- -
- la disolución salina concentrada es salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/l, y la disolución salina diluida es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y 50 g/l y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera;
- -
- la ósmosis directa se lleva a cabo en al menos un módulo de membranas semipermeables de ósmosis inversa, que comprende: una carcasa o envolvente; dos tomas de alimentación independientes de las disoluciones al interior del módulo, una primera toma de alimentación de la salmuera y una segunda toma de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la ósmosis directa, una primera para un caudal de salmuera diluida y una segunda para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo hasta la salida del mismo;
\vskip1.000000\baselineskip
comprendiendo el proceso las siguientes
etapas:
- a)
- bombear un caudal de la salmuera hasta la primera toma de alimentación del módulo con una presión P_{1} inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;
- b)
- bombear al mismo tiempo un caudal del agua salobre hasta la segunda toma de alimentación del módulo a una presión de bombeo P_{2} suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentra- da;
- c)
- alimentar el caudal de salmuera al interior del módulo con la presión P_{1} y el caudal de agua salobre con la presión P_{2}, generando mediante el fenómeno de ósmosis directa una corriente de agua de paso desde el caudal de agua salobre al caudal de salmuera a través de las membranas semipermeables que separan ambos caudales, y dando lugar a un caudal de salida de salmuera diluida y a un caudal de salida de agua salobre concentrada independientes,
- d)
- retirar el caudal de salmuera diluida al exterior del módulo por la primera toma de salida y hacer pasar dicho caudal por un dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica para producir energía mecánica, y
- e)
- retirar el caudal de agua salobre concentrada por la segunda toma de salida del módulo.
\vskip1.000000\baselineskip
Como puede observarse, para diferenciar
nominalmente las dos disoluciones que intervienen en el proceso, se
ha denominado "salmuera" a la que presenta siempre un mayor
grado de concentración salina y "salobre" a la más diluida de
las dos, aunque frente a la definición común dada al término
"salobre" esta última puede alcanzar un grado de salinidad de
hasta 50 g/l. Es decir, en algunos casos la disolución más diluida
puede ser incluso agua de mar. Cuanto mayor es la diferencia entre
las concentraciones salinas de las dos disoluciones implicadas,
mayor será el paso de caudal de agua creado por la ósmosis directa
de la más diluida a la más concentrada, y por tanto, mayor será
también la energía hidráulica generada en el proceso.
Igualmente, los dos caudales de salida del
módulo se han denominado "salmuera diluida" y "agua salobre
concentrada", tratando así de ilustrar el efecto de la ósmosis
directa sobre ambas disoluciones de entrada, por medio del cual la
salmuera disminuye su concentración en sales con respecto al caudal
inicial y el agua salobre la aumenta como resultado del caudal de
paso osmótico que se produce en las membranas. Es decir, los
términos "concentrada" y "diluida" no pretenden definir un
grado concreto de salinidad para las disoluciones de salida (que en
realidad va a variar en cada caso dependiendo de las salinidades
iniciales y se puede calcular mediante la fórmula (1) y el balance
másico establecido en el módulo de ósmosis inversa), sino un cambio
de estado relativo que surge al comparar la concentración salina
inicial antes de la entrada al módulo y la concentración salina
final tras someterse a ósmosis directa. Como el al menos un módulo
es de doble puerto de entrada y salida, los dos caudales de
alimentación nunca entran en contacto fuera ni dentro del mismo,
solamente a través de las membranas semipermea-
bles.
bles.
Preferentemente, la salmuera procede de una
planta de desalación de agua convencional (por evaporación, térmica,
electrodiálisis, etc.), y más preferentemente de una planta de
desalación de ósmosis inversa, todavía más preferentemente de agua
de mar. Por su parte, el agua salobre puede provenir de ríos, lagos,
lagunas, arroyos o efluentes de depuradoras y plantas de tratamiento
de aguas residuales, siendo previamente acondicionada para el
proceso de ósmosis directa que se va a llevar a cabo.
Preferentemente, el agua salobre es un efluente de una planta de
tratamiento terciario de aguas residuales, por ejemplo de una
depuradora.
En cuanto a las membranas semipermeables, éstas
son preferentemente membranas de fibra hueca. En un caso preferido,
el módulo de membranas posee además al menos una de las siguientes
características:
- \bullet
- caudal de producto (permeado): mayor o igual que 30 m^{3}/D.;
- \bullet
- rechazo de sal: mayor o igual que 99%;
- \bullet
- presión máxima en condiciones de trabajo: mayor o igual que 3 MPa;
- \bullet
- rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5ºC-40ºC;
- \bullet
- Caudal de salmuera en condiciones de trabajo: mayor o igual de 20 m^{3}/D.
\vskip1.000000\baselineskip
En un caso de aplicación más preferido todavía,
el módulo de las membranas semipermeables de fibra hueca con doble
puerto de entrada y salida empleado sería el que posee las
siguientes características:
- \bullet
- caudal de producto (permeado): 34 m^{3}/D;
- \bullet
- caudal mínimo de producto (permeado): 32 m^{3}/D;
- \bullet
- rechazo de sal: 99,6%;
- \bullet
- rechazo mínimo de sal: 99,4%;
- \bullet
- presión máxima en condiciones de trabajo: 8,23 MPa;
- \bullet
- rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5ºC-40ºC;
- \bullet
- caudal de salmuera en condiciones de trabajo: 25-120 m^{3}/D.;
como por ejemplo el módulo de membranas
fabricado por TOYOBO, HOLLOSEP® modelo HJ9155PI.
\vskip1.000000\baselineskip
En otra realización preferida, el al menos un
módulo de membranas presenta una constante de permeabilidad igual o
superior a 0,05 m^{3}/h/bar, más preferentemente superior a 0,07
m^{3}/h/bar.
El balance de presiones de entrada de las
disoluciones en el módulo es fundamental para conseguir el proceso
de ósmosis directa en las membranas diseñadas para realizar la
ósmosis inversa. Si P_{1} depende de la diferencia de presiones
osmóticas de las dos disoluciones para favorecer que se produzca un
paso de agua salobre a través de la membrana hacia el lado de la
salmuera, P_{2} equivale a las pérdidas de carga del al menos un
módulo, determinadas por el fabricante, junto a la presión que se
necesita para retirar el caudal de agua salobre concentrada del
interior de dicho módulo y conducirlo hasta su destino final. Por
tanto, esta presión depende también de la ubicación física del
emisario (distancia entre la salida del módulo y el punto de
conexión del emisario) y de la longitud de éste en el mar.
En una realización preferida, la presión P_{1}
está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos límites,
y la presión P_{2} está comprendida entre 0,5 bares y 5 bares,
incluidos ambos límites. Más preferentemente, la presión P_{1} es
de 25 bares y la presión P_{2} es de 1 bar.
En otra realización preferente, la turbina
hidráulica del dispositivo por el que pasa el caudal de salmuera
diluida para producir energía mecánica acciona un generador
eléctrico acoplado a dicha turbina para producir energía eléctrica.
La energía obtenida en el proceso, ya sea hidráulica, mecánica o
eléctrica, puede emplearse para accionar los diferentes dispositivos
que intervienen en el proceso y que se describirán más adelante,
como por ejemplo las bombas hidráulicas que impulsan las
disoluciones al interior del módulo, o las bombas hidráulicas (por
ejemplo, bomba de alta presión de las instalaciones de las que
proceden dichas disoluciones concentrada y diluida).
En caso de que se desee terminar el proceso en
este punto, entonces el caudal de agua salobre concentrada retirado
del al menos un módulo se mezcla con el caudal de salmuera diluida
que ha pasado previamente por el dispositivo que comprende al menos
una turbina hidráulica para producir energía mecánica, y se vierte a
un punto de descarga o emisor (pozo profundo, balsa de salmuera,
mar...). La mezcla de ambos caudales en la presente invención
muestra un grado de salinidad muy inferior al del vertido de una
planta de desalación convencional que no incorpora este proceso de
aprovechamiento energético, lo que supone una ventaja medioambiental
relevante.
Si por el contrario se quiere continuar con el
proceso en aras de su optimización, en una realización preferida el
caudal de salmuera diluida, tras haber pasado por el dispositivo con
al menos una turbina hidráulica, no se mezcla con el agua salobre
concentrada sino que se bombea hasta una planta de desalación
convencional, preferentemente de ósmosis y más preferentemente de
ósmosis inversa, y se emplea como caudal de agua bruta de
alimentación de dicha planta. De esta forma, la salmuera de partida,
que preferentemente proviene de una planta desaladora de ósmosis
inversa, pasarla por otros dos procesos, uno de ósmosis directa para
producir energía y otro de ósmosis inversa para producir agua
potable suplementaria, con lo que la calidad química y
bacteriológica de esta agua cumplirá con los requisitos más
exigentes de la legislación sanitaria para las aguas de consumo
humano. También como resultado del proceso de desalación al que se
somete la salmuera diluida, se obtiene un vertido que es un caudal
de salmuera con una salinidad inferior al vertido de una planta de
desalación convencional, y se recupera parte de la salmuera diluida
como agua potable.
Preferentemente, este segundo caudal de salmuera
(o vertido), generado en la planta de desalación por ósmosis inversa
a la que se ha bombeado el primer caudal de salmuera diluida, se
mezcla y se vierte a un punto de descarga (mar, pozo profundo, balsa
de salmuera...) con el caudal de agua salobre concentrada retirado
al exterior del al menos un módulo de membranas.
También es objeto de la presente invención una
instalación de producción de energía hidráulica mediante ósmosis
directa para llevar a cabo el proceso descrito anteriormente, así
como una instalación de producción de energía hidráulica mediante
ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de diferente
concentración, una primera concentrada que es salmuera con un grado
de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/l, y una segunda diluida
que es agua salobre con un grado de salinidad comprendido entre 0 y
50 g/l y siempre inferior al grado de salinidad de la salmuera,
caracterizada porque comprende:
- \bullet
- al menos un módulo de membranas semipermeables de ósmosis inversa que comprende una carcasa o envolvente; dos tomas de alimentación independientes de las disoluciones al interior del módulo, una primera de alimentación de la salmuera y una segunda de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la ósmosis directa, una primera para un caudal de salmuera diluida y una segunda para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo hasta su salida del mismo;
- \bullet
- una primera bomba hidráulica que alimenta un caudal de la salmuera a una presión P_{1} al interior del al menos un módulo a través de la primera toma de alimentación del mismo, siendo P_{1} inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;
- \bullet
- una segunda bomba hidráulica que alimenta un caudal del agua salobre a una presión P_{2} al interior del al menos un módulo a través de la segunda toma de alimentación del mismo, siendo la presión P_{2} suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada; y
- \bullet
- un dispositivo conectado a la toma de salida del caudal de salmuera diluida del módulo, que comprende al menos una turbina hidráulica que produce energía mediante el paso de dicho caudal.
\vskip1.000000\baselineskip
Las indicaciones dadas anteriormente para el
proceso de producción de energía se aplican asimismo para la
presente instalación. Por ejemplo, preferentemente, las membranas
semipermeables además de doble puerto de entrada y salida de las
disoluciones son de fibra hueca. En un caso preferido, el módulo de
membranas posee además al menos una de las siguientes
características:
- \bullet
- caudal de producto (permeado): mayor o igual que 30 m^{3}/D.;
- \bullet
- rechazo de sal: mayor o igual que 99%;
- \bullet
- presión máxima en condiciones de trabajo: mayor o igual que 3 MPa;
- \bullet
- rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5ºC-40ºC;
- \bullet
- Caudal de salmuera en condiciones de trabajo: mayor o igual de 20 m^{3}/D.
\vskip1.000000\baselineskip
En un caso de aplicación más preferido todavía,
el módulo de las membranas semipermeables de fibra hueca con doble
puerto de entrada y salida empleado sería el que posee las
siguientes características:
- \bullet
- caudal de producto (permeado): 34 m^{3}/D;
- \bullet
- caudal mínimo de producto (permeado): 32 m^{3}/D;
- \bullet
- rechazo de sal: 99,6%;
- \bullet
- rechazo mínimo de sal: 99,4%;
- \bullet
- presión máxima en condiciones de trabajo: 8,23 MPa;
- \bullet
- rango de temperatura en condiciones de trabajo: entre 5ºC-40ºC;
- \bullet
- caudal de salmuera en condiciones de trabajo: 25-120 m^{3}/D.;
como por ejemplo el módulo de membranas
fabricado por TOYOBO, HOLLOSEP® modelo HJ9155PI.
\vskip1.000000\baselineskip
También de manera preferente, la presión P_{1}
de bombeo de la salmuera está comprendida entre 10 bares y 50 bares,
incluidos ambos límites, y la presión P_{2} está comprendida entre
0,5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites; y más preferentemente
la presión P_{1} es de 25 bares, y la presión P_{2} de bombeo
del agua salobre es de 1 bar. En una realización particular, la
instalación comprende al menos 750 módulos de membranas
semipermeables de ósmosis inversa; dicho número de módulos es
variable y depende del dimensionamiento de la instalación.
La primera bomba hidráulica está preferentemente
conectada a una planta de desalación de agua, de la que procede la
salmuera que se bombea al interior del módulo. Más preferentemente,
la planta de desalación es de ósmosis inversa, y todavía más
preferentemente de agua de mar. La segunda bomba hidráulica puede
estar conectada y extraer el agua salobre de ríos, lagos, lagunas,
arroyos o efluentes de depuradoras y plantas de tratamiento de aguas
residuales. Preferentemente, la segunda bomba se conecta a una
planta de tratamiento terciario de aguas residuales, por ejemplo a
una depuradora.
El dispositivo que comprende al menos una
turbina hidráulica comprende además un generador eléctrico acoplado
a dicha turbina, para transformar la energía hidráulica/mecánica en
energía eléctrica. Dicha energía producida, sea del tipo que sea,
puede emplearse en accionar los diferentes dispositivos de la
instalación, como las dos bombas hidráulicas que impulsan las
disoluciones al interior del módulo, e incluso cualquier bomba
hidráulica (por ejemplo, bomba de alta presión) comprendida en la
planta de desalación de agua de la que procede la salmuera,
reduciendo así el consumo energético del sistema.
La presente instalación puede comprender además
un colector de vertidos común para los dos caudales generados
mediante ósmosis directa, estando dicho colector conectado tanto a
la toma de la salida de la corriente de agua salobre concentrada
como a una toma de salida del dispositivo que comprende al menos una
turbina hidráulica.
En otra realización preferida, en la que se
pretende optimizar el uso de la instalación reduciendo la salinidad
del vertido generado y produciendo agua potable, la instalación
comprende además una tercera bomba hidráulica que impulsa el caudal
de salmuera diluida tras su paso por el dispositivo que comprende al
menos una turbina, hasta una toma de entrada de una planta de
desalación de agua por ósmosis inversa, donde se utiliza como caudal
de agua bruta de alimentación de dicha planta.
La instalación puede comprender además un
colector de vertidos común para un segundo caudal de salmuera,
generado en la planta de desalación de agua por ósmosis inversa, y
el caudal de agua salobre concentrada, estando dicho colector
conectado tanto a la toma de salida del agua salobre concentrada del
al menos un módulo de ósmosis directa como a una toma de salida de
la planta de desalación por ósmosis inversa a la que se ha bombeado
previamente el primer caudal de salmuera diluida.
Es otro objeto de la presente invención el uso
de una cualquiera de las instalaciones descritas anteriormente para
producir energía hidráulica.
La invención se refiere asimismo a una planta de
desalación de agua, por un lado, y a una planta de tratamiento
terciario de aguas residuales por otro, ambas caracterizadas porque
cada una de ellas comprende una cualquiera de las instalaciones de
producción de energía hidráulica descritas anteriormente.
Entre las ventajas más relevantes del presente
proceso de producción de energía y de la producción suplementaria de
agua potable de las instalaciones descritas para tal fin, cabe
citar:
- Reducción significativa (en torno al 15%) del
consumo de energía total del conjunto de las instalaciones
implicadas en el proceso, como son la planta desaladora que
suministra salmuera, la planta de tratamiento terciario de aguas
residuales que suministra agua salobre y la nueva planta de ósmosis
inversa de la que se obtiene el agua potable suplementaria, así como
reducción de la huella de CO_{2} en proporciones similares. En
definitiva, la presente invención se enmarca dentro de la aplicación
de tecnologías que potencian el desarrollo sostenible, tanto desde
el punto de vista económico como en lo ambiental.
- Reducción significativa del coste de
producción del agua potable, y por tanto de su precio de venta final
al usuario hasta un 11%.
- El coste de inversión total de las
instalaciones convencionales puede llegar a reducirse en torno al 8%
respecto a la inversión de una desaladora de producción
equivalente), ya que el incremento de producción de agua se realiza
sin ninguna infraestructura adicional de
captación/pre-tratamiento y empleando una
infraestructura de emisario mucho más reducida que las
convencionales, con un menor número de difusores.
- Reducción del caudal de vertido en un 47% y
con una salinidad de descarga inferior en un 25%, respecto a la
desaladora convencional de igual producción, favoreciendo una menor
afectación al medio ambiente marino gracias a la mejor dilución
final del vertido en el mar y disminuyendo el impacto negativo en el
llamado campo cercano.
- Reducción drástica del caudal de captación, de
hasta el 62%, disminuyendo el impacto ambiental.
En definitiva, la presente invención ofrece una
solución integral conjunta al problema del agua en dos sectores como
la desalación y la depuración.
La Figura 1 muestra una realización concreta de
la instalación de producción de energía hidroeléctrica mediante
ósmosis inversa (I) según la presente invención, ilustrando los
elementos esenciales sin considerarse limitante de la misma.
Así, dentro de la instalación (I) se muestra una
vista esquemática seccionada de un módulo de ósmosis inversa que por
simplificación comprende una sola membrana semipermeable de fibra
hueca, con doble puerto de entra y salida de las disoluciones. La
figura representa mediante el símbolo QH2O (y la flecha
correspondiente) el paso de caudal de agua desde el lado de agua
salobre de la membrana al lado de la salmuera mediante el fenómeno
de ósmosis directa. La Figura incluye un balance de caudales, masa y
energía correspondiente a los ejemplos de realización preferidos,
acompañado de otros parámetros relevantes del proceso.
Concretamente, dicha vista se compone de los
siguientes elementos:
- (1)
- Módulo de membranas de ósmosis inversa para producción de energía hidroeléctrica.
- (2)
- Membrana semipermeable.
- (3)
- Carcasa.
- (4)
- Toma de alimentación de salmuera al módulo.
- (5)
- Toma de alimentación de agua salobre al módulo.
- (6)
- Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo.
- (7)
- Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo.
- (8)
- Bomba hidráulica de alimentación de salmuera.
- (9)
- Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre.
- (10)
- Dispositivo de producción de energía.
- (11)
- Turbina hidráulica.
- (12)
- Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía.
La Figura 2 ilustra una realización preferida de
la invención, en la que la instalación (I) de producción de energía
hidráulica está conectada a una planta de desalación de ósmosis
(II), como fuente de la disolución concentrada o salmuera. La
descripción que se aporta de dicha planta de desalación (II) y los
elementos que la componen y que se muestran en la Figura 2 son
meramente ilustrativos de un caso preferido, sin ser limitantes de
la misma. La Figura 2 complementa el balance de caudales, masa y
energía de la Figura 1, que corresponde a los ejemplos de
realización preferidos, y se acompaña también de otros parámetros
relevantes del proceso.
En esta realización preferida, ambos caudales,
de salmuera diluida y de agua salobre concentrada, se mezclan y
vierten a un mismo punto de descarga.
El diagrama muestra los siguientes
elementos:
- (1)
- Módulo de membranas de ósmosis inversa para producción de energía hidroeléctrica.
- (2)
- Membrana semipermeable.
- (4)
- Toma de alimentación de salmuera al módulo.
- (5)
- Toma de alimentación de agua salobre al módulo.
- (6)
- Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo.
- (7)
- Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo.
- (8)
- Bomba hidráulica de alimentación de salmuera.
- (9)
- Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre.
- (10)
- Dispositivo de producción de energía.
- (11)
- Turbina hidráulica.
- (12)
- Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía.
- (13)
- Planta de pretratamiento de la planta de desalación de agua por ósmosis inversa.
- (14)
- Bomba de alta presión.
- (15)
- Bastidor de ósmosis inversa.
- (16)
- Sistema de intercambio de presión.
- (17)
- Bomba hidráulica (booster).
- (18)
- Salida de salmuera.
- (19)
- Salida de permeado.
- (20)
- Colector de vertidos.
La Figura 3 ilustra otra realización preferida
de la invención, en la que la instalación (I) de producción de
energía hidráulica está conectada a una planta de desalación de
ósmosis (II), y en la que el caudal de salmuera diluida no se vierte
al punto de descarga con el caudal de agua salobre concentrada como
en la Figura 2 anterior, sino que se bombea hasta una planta de
desalación de ósmosis inversa (III) como la mostrada en la Figura 4,
como caudal de alimentación de agua bruta de dicha planta de
desalación, para producir agua potable.
Por esta razón, la Figura 3 muestra los mismos
elementos (1) a (19) de la Figura 2, exceptuando el colector común
(20) y añadiendo una conexión del dispositivo (10) con turbina
hidráulica (11) a una bomba hidráulica (21) que bombea el caudal de
salmuera diluida hasta una planta (III) de desalación por ósmosis
inversa.
La Figura 4 ilustra en detalle la planta (III)
de desalación de ósmosis inversa en la que se utiliza el caudal de
salmuera diluida que procede del dispositivo (10) con al menos una
turbina hidráulica (11) de la Figura 3 como caudal de alimentación
de agua bruta de dicha planta (III). En el caso concreto que se
representa, el caudal de salmuera diluida se bombea mediante una
bomba hidráulica (21) hasta la entrada de la planta desaladora
(III), y una vez tratada en el interior de la misma se mezcla y
vierte en un mismo colector con el caudal de agua salobre que sale
de la instalación (I) de producción de energía hidráulica. La Figura
4 complementa el balance de caudales, energía y masa de las Figuras
1 y 3, que corresponde a los ejemplos de realización preferidos, y
se acompaña también de otros parámetros relevantes del proceso.
El diagrama de la figura 4 presenta los
siguientes elementos:
- (10)
- Dispositivo que comprende al menos una turbina hidráulica.
- (11)
- Turbina hidráulica.
- (12)
- Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía.
- (21)
- Bomba hidráulica del caudal de salmuera diluida.
- (22)
- Bomba de alta presión.
- (23)
- Bastidor de ósmosis inversa.
- (24)
- Sistema de intercambio de presión.
- (25)
- Bomba hidráulica (booster).
- (26)
- Salida de permeado.
- (27)
- Salida de salmuera.
- (28)
- Colector de vertidos.
Las Figuras 5.a, 5.b y 5.c ilustran
respectivamente: un escenario actual que corresponde a una ciudad
costera de 325000 habitantes (5.a); una aplicación preferida de la
instalación de producción de energía hidráulica objeto de protección
y del proceso descrito para tal fin según el Ejemplo 1 en la ciudad
costera (5.b); y aplicación de la instalación y procedimiento de
acuerdo con el Ejemplo 2 (5.c), donde se incorpora una nueva planta
de desalación de ósmosis inversa para producir agua de calidad
potable. Como en figuras anteriores, las Figuras 5.a, 5.b y 5.c
muestran un balance de caudales y salinidad del agua. Dada la escala
de los esquemas mostrados, algunos elementos correspondientes a las
Figuras 1 y 3 han sido omitidos, tratando así de facilitar su
interpretación.
Figura
5.a
- (II)
- Planta de desalación de agua de mar por ósmosis inversa.
- (18)
- Salida de salmuera.
- (19)
- Salida de permeado (agua potable).
- (30)
- Ciudad costera de 325000 habitantes.
- (30.1)
- Caudal de agua residual de la ciudad.
- (31)
- Planta de depuración.
- (31.1)
- Caudal de agua depurada a planta de tratamiento terciario.
- (31.2)
- Caudal de agua depurada a emisario.
- (32)
- Planta de tratamiento terciario de aguas residuales.
- (32.2)
- Caudal de agua de riego y baldeos.
- (33)
- Caudal de captación de agua de mar para desalación.
Figura
5.b
- (I)
- Instalación de producción de energía eléctrica según Figura 1
- (4)
- Toma de alimentación de salmuera al módulo.
- (5)
- Toma de alimentación de agua salobre al módulo.
- (6)
- Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo.
- (7)
- Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo.
- (9)
- Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre.
- (10)
- Dispositivo de producción de energía.
- (12)
- Toma de salida del dispositivo (10) de producción de energía.
- (II)
- Planta de desalación de agua de mar por ósmosis inversa.
- (18)
- Salida de salmuera.
- (19)
- Salida de permeado (agua potable).
- (20)
- Colector de vertidos.
- (30)
- Ciudad costera de 325000 habitantes.
- (30.1)
- Caudal de agua residual de la ciudad.
- (31)
- Planta de depuración.
- (31.1)
- Caudal de agua depurada a planta de tratamiento terciario.
- (31.2)
- Caudal de agua depurada a colector de vertidos (20).
- (32)
- Planta de tratamiento terciario de aguas residuales.
- (32.1)
- Caudal de agua salobre.
- (32.2)
- Caudal de agua de riego y baldeos.
- (33)
- Caudal de captación de agua de mar para desalación.
Figura
5.c.
- (I)
- Instalación de producción de energía eléctrica según Figura 1.
- (4)
- Toma de alimentación de salmuera al módulo.
- (5)
- Toma de alimentación de agua salobre al módulo.
- (6)
- Toma de salida de salmuera diluida al exterior del módulo.
- (7)
- Toma de salida de agua salobre concentrada al exterior del módulo.
- (9)
- Bomba hidráulica de alimentación de agua salobre.
- (10)
- Dispositivo de producción de energía.
- (II)
- Planta de desalación de agua de mar por ósmosis inversa.
- (18)
- Salida de salmuera.
- (19)
- Salida de permeado (agua potable).
- (21)
- Bomba hidráulica del caudal de salmuera diluida.
- (III)
- Planta de desalación por ósmosis inversa del caudal de salmuera diluida procedente de la instalación de producción de energía hidráulica (I).
- (26)
- Salida de permeado.
- (27)
- Salida de salmuera.
- (28)
- Colector de vertidos.
- (30)
- Ciudad costera de 325000 habitantes.
- (30.1)
- Caudal de agua residual de la ciudad.
- (31)
- Planta de depuración.
- (31.1)
- Caudal de agua depurada a planta de tratamiento terciario.
- (31.2)
- Caudal de agua depurada a colector de vertidos (20).
- (32)
- Planta de tratamiento terciario de aguas residuales.
- (32.1)
- Caudal de agua salobre.
- (32.2)
- Caudal de agua de riego y baldeos.
- (33)
- Caudal de captación de agua de mar para desalación.
A continuación se detalla, a modo de ejemplo y
con carácter no limitante de la invención sino solamente
ilustrativa, una serie de realizaciones preferidas de la instalación
de producción de energía hidráulica y del proceso en cuestión en
instalaciones piloto a escala que correspondería con las Figuras 1 a
4. Además, se incluye un ejemplo de realización aplicado a un
entorno urbano costero.
Ejemplo
1
Para producir energía hidráulica mediante el
proceso de ósmosis directa, se ha diseñado una instalación (I) como
la mostrada en la Figura 2, que comprende 750 módulos (1) de ósmosis
inversa con doble puerto de entrada (4, 5) y salida (6, 7) y con
membranas semipermeables (2) de fibra hueca dentro de una carcasa
(3), según el modelo HOLLOSEP® HJ9155PI fabricado por TOYOBO que
posee las especificaciones indicadas anteriormente en el apartado
Descripción de la Invención, entre ellas: una constante de
permeabilidad superior a 0,07 m^{3}/h/bar, concretamente de
0,070062644 m^{3}/h/bar; un porcentaje de rechazo de sales del
99,6%; una pérdida de carga estimada en 0,5 bar para el caudal de
agua salobre y de 1 bar para el caudal de salmuera dentro del
módulo. Por simplificación, se representa únicamente un módulo de
membranas de los 750 de la realización.
Se parte de un caudal de 488,9 m^{3}/h de
salmuera con un grado de salinidad de 70 g/l y una presión osmótica
de la disolución de 57,08 bar procedente de una planta de desalación
de ósmosis inversa (II), y un caudal de 800 m^{3}/h de agua
salobre con un grado de salinidad de 1,5 g/l y una presión osmótica
de la disolución de 1,22 bar procedente de una planta de tratamiento
terciario de aguas residuales urbanas, que corresponde a una
depuradora. La planta de desalación de ósmosis inversa (II) se
caracteriza por las indicaciones dadas en la Figura 2, donde puede
observarse que partiendo de un caudal de 888,9 m^{3}/h de agua
pretratada con una salinidad de 38,5 g/l que proviene de una planta
de pretratamiento (13) de agua de mar, se obtiene en una de las
salidas (18) un caudal de salmuera como el aquí indicado, y en la
otra salida (19) de permeado un caudal de 400 m^{3}/h con
salinidad próxima a 0 g/l. La conversión de una planta convencional
de este tipo es del 45%. El caudal de salmuera se bombea con una
bomba hidráulica (8) a una presión P_{1} de 25 bares hasta una de
las dos tomas de alimentación (4) del módulo (1) de ósmosis inversa;
por su parte, el caudal de agua salobre se bombea con una bomba
hidráulica (9) a una presión P_{2} de 1 bar hasta la otra toma de
alimentación (5) del módulo de ósmosis inversa (1). Dentro del
mismo, se produce el paso de un caudal de agua desde el lado de agua
salobre de la membrana semipermeable (2) al lado de salmuera, sin
entrar en contacto entre sí desde la entrada hasta la salida del
módulo. Como consecuencia de la diferencia de presión osmótica entre
disoluciones y de las presiones con las que éstas han sido
bombeadas, en las membranas se genera un flujo de paso osmótico
desde el caudal de agua salobre hacia el caudal de salmuera por el
proceso de ósmosis directa, equivalente a 664,9 m^{3}/h. Tras este
proceso de ósmosis directa en el interior del módulo (1), sale al
exterior del mismo por una de las tomas de salida (7) un caudal de
135,1 m^{3}/h de agua salobre concentrada con una presión de 0,5
bar y una salinidad de 8,87 g/l, y por la otra toma (6) del módulo
(1) sale un caudal de 1153,8 m^{3}/h de salmuera diluida a una
presión de 24 bar con un grado de salinidad de 29,66 g/l. Dicho
caudal de salmuera diluida se conduce hasta un dispositivo (10) que
comprende una turbina hidráulica (11) donde gracias a la presión del
caudal se produce energía; la potencia hidráulica recuperada en la
instalación es de 443 kW, con un factor de aprovechamiento
energético (Energía obtenida/Energía invertida) de 2,1, siendo el
consumo específico de toda la instalación (planta de desalación (II)
e instalación de producción de energía (I)) de 1,76 kWh/m^{3}.
Esta energía recuperada puede emplearse para alimentar cualquiera de
las bombas hidráulicas (8, 9) con las que se bombean los caudales a
la entrada del módulo (1), o incluso la bomba de alta presión (14)
comprendida en las instalaciones de la planta desaladora (II) de la
que procede el caudal de salmuera.
Como se muestra en la Figura 2, tras obtener
energía hidráulica el caudal de salmuera diluida, ahora con una
presión cercana a 0 bar, sale del dispositivo (10) por la toma de
salida (12) y se mezcla con el caudal de agua salobre concentrada
retirado del módulo (1) por la toma de salida (7) correspondiente,
dirigiéndose hasta un colector de vertidos (20) que va a dar al mar.
El caudal residual final es de 1288,89 m^{3}/h con una salinidad
de 27,48 g/l, lo que supone un caudal mayor (debido al agua salobre
de la depuradora) pero con una salinidad significativamente menor
(27, 48 g/l frente a 70 g/l) que el extraído de la planta desaladora
(II) de ósmosis inversa, reduciendo así el impacto medioambiental
del residuo y facilitando la asimilación del mismo por el medio
marino sin afectar a las praderas de posidonias; esto permitirla
realizar los vertidos en cualquier punto próximo a la costa, con el
consiguiente ahorro en obras de construcción y tendido de emisarios
marinos.
Ejemplo
2
Tras haber pasado a través del dispositivo (10),
el caudal de 1153,8 m^{3}/h de salmuera diluida del Ejemplo 1 no
se mezcla con el caudal de agua salobre concentrada, sino que se
bombea a 2 bar hasta una planta de desalación de ósmosis inversa
(III) mediante una bomba hidráulica (22), donde se va a emplear como
caudal de agua bruta de entrada a desalar. Como ventaja, este caudal
de agua bruta no necesita pretratamiento previo a la desalación como
sucede en una planta convencional, y no necesita ampliar la
infraestructura de captación existente en la planta.
Dicha planta de desalación de ósmosis inversa
convencional comprende por ejemplo (preferentemente), una bomba de
alta presión (22), que conduce parte del caudal (680,5 m^{3}/h) de
salmuera diluida a un bastidor (23) de ósmosis inversa. El resto de
caudal de salmuera diluida (473,3 m^{3}/h) se dirige hasta un
sistema de intercambio de presión (24), y posteriormente se bombea
de nuevo con una bomba "Booster" (25) para mezclarse con la
otra parte del caudal antes de entrar en el bastidor de ósmosis
inversa (23). De esta forma, por la salida de permeado (26) se
vierte un caudal de 664,9 m^{3}/h de agua potable, y por la salida
de rechazo (27) se vierte un caudal de 488,9 m^{3}/h de salmuera
con un grado de salinidad de 70,01 g/l.
Este caudal de salmuera resultante de la
instalación de ósmosis inversa (III) se mezcla a la salida junto al
caudal de agua salobre producido en los módulos (1) de la
instalación de producción de energía hidráulica (I), dando lugar a
un caudal de 624,0 m^{3}/h con una salinidad de 56,77 g/l que se
conduce hasta un colector de vertidos (28) que va a parar al mar. La
salinidad del caudal final es en este caso inferior a la del caudal
de vertido de una planta de desalación de ósmosis inversa
convencional, como por ejemplo la utilizada para suministrar
salmuera a la instalación de producción de energía (II, que se
muestra en la Figura 2; 70,00 g/l). También el consumo específico de
todas las instalaciones consideradas conjuntamente en esta
realización de las Figuras 3 y 4 es de 2,23 kWh/m^{3}, inferior al
de una planta de desalación de ósmosis inversa convencional [en
torno a 2,44 kWh/m^{3} para el caso ilustrado (II)]. La conversión
de la segunda planta de desalación (III), a la que se suministra el
caudal de salmuera diluida es de 57,26%, mayor que la de la planta
de ósmosis inversa convencional de la que procede la salmuera (II),
dado que la planta de ósmosis (III) a la que se suministra la
salmuera diluida parte de una salinidad de entrada al módulo de
ósmosis inversa de 29,66 g/l, menor que en la primera planta (II)
que es de 38,5 g/l.
Ejemplo
3
3.a) Escenario actual: Se parte como
referencia de una ciudad costera típica de 325000 habitantes, que
comprende entre sus instalaciones:
- una estación depuradora, a la que se
suministra un caudal de agua residual de 58500 m^{3}/d con un
grado de salinidad de 1,5 g/l, y que vierte tras la depuración 52650
m^{3}/d con un grado de salinidad de 1,5 g/l al mar, y un efluente
de 5850 m^{3}/d con el mismo grado de salinidad a una planta de
tratamiento terciario;
- una planta de tratamiento terciario, que
produce 5850 m^{3}/d con un grado de salinidad de 1,5 g/l que es
recuperada para riego y baldeos; y
- una planta desaladora de agua de mar por
ósmosis inversa, que capta como caudal de agua bruta 144444
m^{3}/d con salinidad 38,5 g/l, produciendo un residuo de salmuera
de 79444 m^{3}/d con salinidad 70,00 g/l, y un caudal de permeado
de 65000 m^{3}/d con salinidad inferior a 0,4 g/l, que se utiliza
como agua potable.
\vskip1.000000\baselineskip
3.b) Caso de aplicación según Ejemplo 1:
En una aplicación real de la presente invención, se añade a la
planta de desalación de la ciudad costera descrita (II) una
instalación de producción de energía hidráulica (I) mediante ósmosis
directa como la mostrada en la Figura 1. De esta forma, partiendo
del escenario actual y según la realización descrita en el Ejemplo
1:
- se amplia la capacidad de tratamiento inicial
de la planta de tratamiento terciario, desviando una mayor cantidad
de efluentes de la estación depuradora a dicha planta: 54682
m^{3}/d (salinidad=1,5 g/l);
- de la planta de tratamiento terciario se
desvía mediante canalización un caudal de 48832 m^{3}/d
(salinidad=1,5 g/l) a la instalación de producción de energía
hidráulica, como fuente de agua salobre para el proceso de ósmosis
directa según el Ejemplo 1; y
- de la propia planta de desalación (II) se
emplea el caudal residual de salmuera que antes se vertía al mar
(79444 m^{3}/d, salinidad = 70,00 g/l) como fuente de salmuera
para el proceso de ósmosis directa según el Ejemplo 1.
Finalmente, se mezcla el caudal residual de la
planta depuradora (3818 m^{3}/d, salinidad=1,5 g/l) con el caudal
de salmuera diluida obtenida en el proceso de producción de energía
hidráulica objeto de interés (128277 m^{3}/d, salinidad = 27,48
g/l), dando lugar a un vertido de 132094 m^{3}/d con una salinidad
de 26,73 g/l.
\vskip1.000000\baselineskip
3.c) Caso de aplicación según Ejemplo 2:
En una segunda aplicación más preferida de la presente invención a
la ciudad costera de 325000 descrita en el apartado 3.a), se añade a
la planta de desalación (II) una instalación de producción de
energía hidráulica mediante ósmosis directa (I) como la mostrada en
la Figura 1 y de acuerdo con el Ejemplo 2, es decir, donde el caudal
de salmuera diluida no se vierte al mar sino que se emplea como
caudal de agua bruta en una nueva unidad de desalación por ósmosis
inversa (III). En esta realización:
- se desvía el mismo caudal de agua depurada a
la planta de tratamiento terciario (54682 m^{3}/d, salinidad = 1,5
g/l) y el mismo caudal de dicha planta de tratamiento terciario a la
instalación de producción de energía hidráulica (I) como fuente de
agua salobre (48832 m^{3}/d, salinidad=1,5 g/l) que en la
realización anterior (3.b).
- el caudal de agua salobre y el caudal de
salmuera de la propia planta de desalación por ósmosis inversa se
emplean en el proceso de producción de energía según el Ejemplo 1,
tras lo cual el caudal de salmuera diluida obtenido en la ósmosis
directa se utiliza como caudal de agua bruta en la nueva unidad de
desalación por ósmosis inversa (III) según el Ejemplo 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Del proceso descrito se genera:
\bullet el mismo caudal de agua tratada para
riego y baldeos que en la realización anterior: 5850 m^{3}/d,
salinidad = 1,5 g/l;
\bullet un caudal de salmuera resultante del
último proceso de ósmosis inversa de 38091 m^{3}/d, salinidad =
56,77 g/l que, unido al vertido de agua depurada descrito en la
realización anterior 3.b) dan lugar a un vertido al mar de 41908
m^{3}/d con una salinidad de 51,73 g/l;
\bullet finalmente, se genera un caudal de
agua potable de 24416 m^{3}/d con una salinidad inferior a 0,4 g/l
de la planta de desalación original, y una caudal de agua regenerada
de 40584 m^{3}/d con una salinidad también inferior a 0,4 g/l de
la segunda planta de desalación por ósmosis inversa, que por su
excelente calidad se emplea para recarga de embalses, recarga de
acuíferos, riego agrícola o consumo directo.
\bullet Además, como consecuencia de este
proceso se capta un menor caudal de agua de mar para desalación, que
pasa a ser de 144444 m^{3}/d a sólo 54258 m^{3}/d. Por tanto, se
precisa una instalación mucho menor en dimensiones de la requerida
inicialmente.
\vskip1.000000\baselineskip
En este último caso es donde las ventajas de la
invención cobran la máxima relevancia económica y medioambiental,
ventajas que se han descrito en esta memoria. También con la misma
relevancia, la invención permite ampliar la capacidad de producción
de agua potable de las plantas desaladoras existentes hasta un 64%,
con un considerable ahorro en la inversión y los costes de operación
y mantenimiento, especialmente en lo referente al consumo
energético.
Cabe destacar además que, si comparamos los
costes de inversión de la aplicación de la invención a la ciudad
costera en los tres casos, se constata que en el caso de aplicación
(3.b) los costes de inversión totales de las instalaciones de
tratamiento de agua (depuradora, tratamiento terciario y desaladora
con producción de energía por ósmosis directa) son superiores a los
correspondientes al escenario actual; sin embargo en el caso de
aplicación (3.c) los costes de inversión totales de las
instalaciones de tratamiento de agua (depuradora, tratamiento
terciario, desaladora con producción de energía por ósmosis directa
y nueva instalación desaladora para producción de agua
suplementaria) son netamente inferiores al escenario actual. En
estos dos casos preferidos de aplicación, el consumo energético
específico de todo el conjunto de las instalaciones de tratamiento
de agua se reducirla de 3,80 kWh/m^{3} en el escenario actual, a
3,20 kWh/m^{3} en el primer caso de aplicación (3.b) y 3,25
kWh/m^{3} en el segundo (3.c).
Claims (25)
1. Proceso de producción de energía hidráulica
mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones salinas de
diferente concentración, una primera concentrada y una segunda
diluida, caracterizado porque
la disolución salina concentrada es salmuera con
un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/l, y la disolución
salina diluida es agua salobre con un grado de salinidad comprendido
entre 0 y 50 g/l y siempre inferior al grado de salinidad de la
salmuera;
la ósmosis directa se lleva a cabo en al menos
un módulo (1) de membranas semipermeables (2) de ósmosis inversa,
que comprende una carcasa (3); dos tomas de alimentación
independientes (4, 5) de las disoluciones al interior del módulo,
una primera toma (4) de alimentación de la salmuera y una segunda
toma (5) de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida
independientes (6, 7) para dos caudales generados en el interior del
módulo mediante la ósmosis directa, una primera (6) para un caudal
de salmuera diluida y una segunda (7) para un caudal de agua salobre
concentrada; y membranas semipermeables (2) que separan las dos
disoluciones desde su entrada en el módulo (1) hasta la salida del
mismo;
comprendiendo el proceso las siguientes
etapas:
a) bombear un caudal de la salmuera hasta la
primera toma de alimentación (4) del módulo (1) con una presión
P_{1} inferior a la diferencia de presión osmótica entre la
presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua
salobre;
b) bombear al mismo tiempo un caudal del agua
salobre hasta la segunda toma de alimentación (5) del módulo (1) a
una presión de bombeo P_{2} suficiente para vencer las pérdidas de
carga a través del módulo de membranas más una presión necesaria
para la disposición final del caudal de agua salobre
concentrada;
c) alimentar el caudal de salmuera al interior
del módulo (1) con la presión P_{1} y el caudal de agua salobre
con la presión P_{2}, generando mediante el fenómeno de ósmosis
directa una corriente de agua de paso desde el caudal de agua
salobre al caudal de salmuera a través de las membranas
semipermeables (2) que separan ambos caudales, y dando lugar a un
caudal de salida de salmuera diluida y a un caudal de salida de agua
salobre concentrada indepen-
dientes,
dientes,
d) retirar el caudal de salmuera diluida al
exterior del módulo (1) por la primera toma de salida (6) y hacer
pasar dicho caudal por un dispositivo (10) que comprende al menos
una turbina hidráulica (11) para producir energía mecánica, y
e) retirar el caudal de agua salobre concentrada
por la segunda toma de salida (7) del módulo (1).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Proceso según la reivindicación 1,
caracterizado porque la salmuera procede de una planta de
desalación.
3. Proceso según la reivindicación 2,
caracterizado porque la salmuera procede de una planta de
desalación de ósmosis inversa.
4. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agua
salobre es un efluente de una planta de tratamiento terciario de
aguas residuales.
5. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos
un módulo (1) de membranas (2) presenta una constante de
permeabilidad igual o superior a 0,05 m^{3}/h/bar, y un porcentaje
de rechazo de sales superior al 99%.
6. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión
P_{1} está comprendida entre 10 bares y 50 bares, incluidos ambos
límites, y la presión P_{2} está comprendida entre 0,5 bares y 5
bares, incluidos ambos límites.
7. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión
P_{1} es de 25 bares y la presión P_{2} es de 1 bar.
8. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la turbina
hidráulica (11) acciona un generador eléctrico (29) acoplado a la
misma para producir energía eléctrica.
9. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el caudal
de agua salobre concentrada retirado del al menos un módulo (1) se
mezcla con el caudal de salmuera diluida que ha pasado previamente
por el dispositivo (10) que comprende al menos una turbina
hidráulica (11), y se vierte a un punto de descarga (20).
\newpage
\global\parskip0.930000\baselineskip
10. Proceso según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el caudal de
salmuera diluida se bombea, tras pasar por el dispositivo (10) con
al menos una turbina hidráulica (11), y se emplea como caudal de
alimentación de agua bruta de una planta de desalación de agua por
ósmosis inversa para producir agua suplementaria de calidad
potable.
11. Proceso según la reivindicación 10,
caracterizado porque el caudal de agua salobre concentrada
retirado al exterior del al menos un módulo (1) de membranas (2) se
mezcla y se vierte a un punto de descarga (28) con un segundo caudal
de salmuera, generado en la planta de desalación por ósmosis inversa
a la que se ha bombeado el primer caudal de salmuera diluida.
12. Instalación de producción de energía
hidráulica mediante ósmosis directa para llevar a cabo el proceso
descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
13. Instalación de producción de energía
hidráulica mediante ósmosis directa a partir de dos disoluciones
salinas de diferente concentración, una primera concentrada que es
salmuera con un grado de salinidad comprendido entre 5 y 100 g/l, y
una segunda diluida que es agua salobre con un grado de salinidad
comprendido entre 0 y 50 g/l y siempre inferior al grado de
salinidad de la salmuera, caracterizada porque comprende:
- \bullet
- al menos un módulo (1) de membranas semipermeables (2) de ósmosis inversa que comprende una carcasa (3); dos tomas de alimentación (4, 5) independientes de las disoluciones al interior del módulo (1), una primera de alimentación (4) de la salmuera y una segunda (5) de alimentación del agua salobre; dos tomas de salida independientes (6, 7) para dos caudales generados en el interior del módulo mediante la ósmosis directa, una primera (6) para un caudal de salmuera diluida y una segunda (7) para un caudal de agua salobre concentrada; y membranas semipermeables (2) que separan las dos disoluciones desde su entrada en el módulo (1) hasta su salida del mismo;
- \bullet
- una primera bomba hidráulica (8) que alimenta un caudal de la salmuera a una presión P_{1} al interior del al menos un módulo (1) a través de la primera toma de alimentación (4) del mismo, siendo P_{1} inferior a la diferencia de presión osmótica entre la presión osmótica de la salmuera y la presión osmótica del agua salobre;
- \bullet
- una segunda bomba hidráulica (9) que alimenta un caudal del agua salobre a una presión P_{2} al interior del al menos un módulo (1) a través de la segunda toma de alimentación (5) del mismo, siendo la presión P_{2} suficiente para vencer las pérdidas de carga a través del módulo (1) de membranas más una presión necesaria para la disposición final del caudal de agua salobre concentrada; y
- \bullet
- un dispositivo (10) conectado a la toma de salida (6) del caudal de salmuera diluida del módulo (1), que comprende al menos una turbina hidráulica (11) que produce energía mediante el paso de dicho caudal.
\vskip1.000000\baselineskip
14. Instalación según la reivindicación 13,
caracterizada porque comprende al menos 750 módulos (1) de
membranas semipermeables (2).
15. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 ó 14, caracterizada porque la presión
P_{1} de bombeo de la salmuera está comprendida entre 10 bares y
50 bares, incluidos ambos límites, y la presión P_{2} está
comprendida entre 0,5 bares y 5 bares, incluidos ambos límites.
16. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque la presión
P_{1} es de 25 bares, y la presión P_{2} de bombeo del agua
salobre es de 1 bar.
17. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 16, caracterizada porque el dispositivo
(10) que comprende al menos una turbina hidráulica (11) comprende
además un generador eléctrico (29) acoplado a dicha turbina
(11).
18. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 17, caracterizada porque la primera
bomba hidráulica (8) está conectada también a una planta de
desalación de agua, de la que procede la salmuera.
19. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 18, caracterizada porque la segunda
bomba hidráulica (9) está conectada también a una planta de
tratamiento terciario de aguas residuales, de la que procede el agua
salobre.
20. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 19, caracterizada porque comprende
además un colector de vertidos común (20) para los dos caudales
generados mediante ósmosis directa, estando dicho colector (20)
conectado tanto a la salida (7) de la corriente de agua salobre
concentrada como a una toma de salida (12) del dispositivo (10) que
comprende al menos una turbina hidráulica (11).
21. Instalación según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 19, caracterizada porque comprende
además una tercera bomba hidráulica (21) que impulsa el caudal de
salmuera diluida tras su paso por el dispositivo (10) que comprende
al menos una turbina (11), hasta una toma de entrada de una planta
de desalación de agua por ósmosis inversa, para producir agua
suplementaria de calidad potable.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
22. Instalación según la reivindicación 21,
caracterizada porque comprende además un colector de vertidos
común (28) para el caudal de agua salobre concentrada y un segundo
caudal de salmuera, generado éste en la planta de desalación de agua
por ósmosis inversa, estando dicho colector (28) conectado tanto a
la toma de salida (7) del agua salobre concentrada del al menos un
módulo (1) de ósmosis directa como a una toma de salida de la planta
de desalación por ósmosis inversa a la que se ha bombeado
previamente el primer caudal de salmuera diluida.
23. Uso de la instalación descrita en una
cualquiera de las reivindicaciones 12 a 22 para producir energía
hidráulica.
24. Planta de desalación de agua
caracterizada porque comprende la instalación de producción
de energía hidráulica descrita en una cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 22.
25. Planta de tratamiento terciario de aguas
residuales caracterizada porque comprende la instalación de
producción de energía hidráulica descrita en una cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 22.
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