ES2714171T3 - Métodos para reposicionar elementos de flujo en una estructura de flujo cónico - Google Patents

Abstract

Un método para operar una disposición de flujo cónico impulsado por presión que contiene una pluralidad de módulos de membranas, comprendiendo dicha disposición: - n conjuntos de módulos de membranas, en donde n es igual o mayor que tres, en donde cada uno de dichos conjuntos está provisto de uno o más módulos de membranas que están conectados en paralelo a un primer puerto y a; - un segundo puerto de dicho montaje; - una fuente de corriente presurizada; - un conjunto de válvulas para suministrar corrientes de fluido hacia y desde dichos conjuntos y para determinar, para cada uno de dichos conjuntos, si el primer y segundo puerto de los mismos es un puerto de entrada o un puerto de salida, respectivamente, o viceversa; dicho método comprende posicionar dichos módulos de membranas en al menos dos etapas de flujo dispuestas sucesivamente, tal que el número de módulos de membranas que operan en paralelo en una etapa de flujo dada es mayor que su número en la etapa de flujo consecutiva, hacer pasar una corriente de alimentación a través de una etapa de flujo para generar un permeado y un concentrado, dirigir dicho concentrado a la etapa de flujo consecutiva y hacer pasar dicho concentrado a través de la misma, mientras se reposiciona periódicamente uno o más de los módulos de membranas que pertenecen a dicha etapa de flujo consecutiva con uno o más módulos de membranas que pertenecen a la etapa de flujo anterior, donde la periodicidad de dicho reposicionamiento es tal que la superficie de las membranas dispuestas en dicha etapa de flujo consecutiva está expuesta a condiciones de supersaturación asociadas con el paso de dicho concentrado durante un período de tiempo que es más corto que el tiempo requerido para que en dicho concentrado precipiten una o más sales y/o minerales poco solubles, teniendo dichas sales un producto de solubilidad/constante de disociación menor que 10-2 o teniendo dichos minerales una solubilidad menor que 300 mg/L, sobre la superficie de las membranas en dicha etapa de flujo consecutiva bajo dichas condiciones de supersaturación, o antes de que se produzca el depósito de sustancias orgánicas en la primera de dichas dos o más etapas de flujo dispuestas sucesivamente, y concurrentemente con el reposicionamiento de módulos de membranas en las etapas de flujo dispuestas secuencialmente, invertir la dirección del flujo dentro de al menos una porción de los módulos de membranas recién posicionados; donde el tiempo durante el cual la superficie de las membranas dispuestas en la etapa de flujo consecutiva está expuesta a condiciones de supersaturación es menor que el tiempo de inducción τ , que es: A) el tiempo requerido para que en la corriente sobresaturada precipiten una o más de las sales y/o minerales poco solubles, donde dicho tiempo de inducción τ (i) se predetermina experimentalmente; (ii) se estima separadamente para cada una de dichas sales y/o minerales poco solubles presentes en la corriente de agua usando la siguiente ecuación:

Description

DESCRIPCION

Metodos para reposicionar elementos de flujo en una estructura de flujo conico

Muchas operaciones impulsadas por la presion, como las que se muestran en la Fig. 1A, se describen mediante un proceso como filtracion de flujo cruzado o de flujo tangencial en el que una alimentacion 11 dirigida hacia un modulo 10 de membranas se hace pasar en paralelo a la superficie de la membrana 14 en la que es dividido en dos corrientes. La primera corriente 12 es el permeado que pasa a traves de una barrera 14 tipo membrana selectiva, y la corriente 13 restante a alta presion que sale del modulo 10 por el otro extremo es el concentrado. Una estructura en serie tipo modulo de membranas puede contener dos o mas modulos de membranas conectados en serie en donde el concentrado de un modulo forma el flujo de alimentacion del siguiente modulo aguas abajo. A medida que mas y mas fluido se hace pasar a traves de los modulos de membranas, el caudal del concentrado 13 se reduce gradualmente.

Si el caudal se reduce por debajo de un cierto nivel, entonces la acumulacion de solutos rechazados y materia particulada en la superficie de la membrana no puede eliminarse de manera efectiva mediante el flujo tangencial y las fuerzas de cizalla del fluido que fluye en gran parte paralelo a la superficie de la membrana. Esta acumulacion puede conducir al ensuciamiento de la membrana. Por ejemplo, la mayona de los fabricantes de elementos de membrana enrollada en espiral requieren un cierto caudal mmimo para garantizar el funcionamiento correcto de sus elementos de membrana. Por ejemplo, la mayona de los fabricantes de elementos de membrana enrollada en espiral de 20,32 cm (8 pulgadas) de diametro requieren un mmimo de ~2,7 m3/h como flujo de salida del concentrado.

Si se coloca en serie mas de un elemento enrollado en espiral en un recipiente a presion (es decir, un modulo de membranas), este mmimo se aplicara al flujo de salida del ultimo elemento en el recipiente a presion. Al mismo tiempo, los fabricantes designan un caudal maximo para la alimentacion dirigida a uno cualquiera de los elementos de membrana, de modo que las fuerzas de cizalla no deban perturbar mecanicamente el modulo. Por ejemplo, un caudal maximo tfpico es de 17 m3/h para un elemento enrollado en espiral de 20,32 cm (8 pulgadas) de diametro. Si se requiere una alta tasa de recuperacion (es decir, el porcentaje de la corriente de alimentacion recuperado como permeado), si entonces se colocan suficientes modulos de membranas en paralelo para evitar que se exceda la velocidad maxima de flujo por modulo de membranas, esto puede dar como resultado que el flujo de concentracion fuera de cada modulo este por debajo del caudal mmimo requerido.

Un metodo comun para resolver este dilema es disenar un sistema conico de multiples etapas como se muestra en la Fig. 1B. El sistema conico mostrado en la Fig. 1B (tambien referido aqrn como estructura de flujo conico) consiste en una primera etapa I que tiene mas modulos 10a en paralelo que en la segunda etapa II, de modo que el concentrado 15 que sale de la etapa I se divide entre un numero menor de modulos 10b en la etapa II, de manera que el concentrado final 16 es tal que el flujo que sale de cada uno de los modulos 10b de la segunda etapa II tiene un caudal dentro de las indicaciones de los fabricantes.

En ocasiones, se puede usar una bomba de refuerzo (no mostrada) entre etapas para elevar la presion del concentrado 15 de la primera etapa I, de modo que se alimente una corriente mas presurizada (15', no mostrada) a la segunda etapa II para superar la presion osmotica promedio mas alta en la corriente de alimentacion 15 a la segunda etapa, y proporcionar una distribucion mas equitativa del flujo de permeado (caudal de permeado por unidad de area de membrana) entre los elementos de membrana, 10a y 10b, de las dos etapas. En la tabla 1 se muestra una distribucion tfpica de flujos en un sistema escalonado de flujo conico.

Tabla 1: Descripcion de las corrientes de flujo en una cascada conica tfpica de dos etapas (cuatro modulos 10a en la primera etapa I y dos modulos 10b en la segunda etapa II, en donde cada modulo contiene seis elementos (14) de membrana enrollada en espiral de 20,32 cm (8 pulgadas) en serie). En este ejemplo, la alimentacion 17 es un agua salobre con un contenido de TDS de 3350 mg/L.

El documento WO 2005/053824, cuyo contenido se incorpora a la presente memoria por referencia, describe un metodo y un sistema para evitar el ensuciamiento por precipitacion en un modulo accionado por presion invirtiendo la direccion de la alimentacion suministrada al modulo de membranas. Para evitar la precipitacion en el modulo de membranas, la direccion de alimentacion se invierte alimentando alternativamente la alimentacion a traves de la lmea de alimentacion (11) y a traves de la lmea de concentrado (13), en donde la conmutacion entre dichas lmeas se realiza dentro de intervalos de tiempo mas pequenos que el tiempo de induccion (^t ).

El documento WO 2005/040930 se refiere a un dispositivo de desarrollo que comprende: (1) un sistema de circulacion de revelador que tiene un bano de revelado donde se realiza el revelado, un deposito de circulacion de revelador que contiene un revelador, un medio para suministrar el revelador al deposito de circulacion del revelador al bano de revelado, y un medio para retornar el revelador al deposito de circulacion del revelador despues de que el revelador se haya usado para el revelado en el bano de revelado, (2) un filtro de ultrafiltracion para separar el revelador en un filtrado y un lfquido concentrado, y (3) un sistema de circulacion del filtrado/lfquido concentrado que tiene un deposito de lfquido concentrado por ultrafiltracion que contiene una parte del revelador que se saca del deposito de circulacion del revelador, un medio para suministrar el revelador del deposito de lfquido concentrado de ultrafiltracion al filtro de ultrafiltracion, un medio para retornar el lfquido concentrado separado por el filtro de ultrafiltracion al deposito de lfquido concentrado por ultrafiltracion, y un medio para retornar el filtrado separado por el filtro de ultrafiltracion al sistema de circulacion del revelador.

El documento WO 2005/030647 se refiere a un metodo proporcionado para la produccion continua de aguas tratadas utilizando una planta de membranas dispuestas escalonadamente en forma conica mediante un procedimiento de aislamiento por etapas bajo control logico de proceso (PLC) y lavado concurrente con operacion continua de todas las demas etapas de la planta. Estos son sensores que suministran al PLC los datos requeridos para identificar la ubicacion y el grado de ensuciamiento de las etapas; cuando se ensucia una etapa, el PLC ordena el inicio de una secuencia de aperturas y cierres de valvulas automaticas para: a) eliminar la etapa ensuciada del servicio de agua de alimentacion, b) enjuagar y lavar la etapa, y c) volver a poner la etapa en servicio. Opcionalmente, una bomba (6) de agua de alimentacion produce cantidades variables de permeado del proceso de membrana durante el tratamiento de ensuciamiento.

Por lo tanto, existe la necesidad de un metodo para prevenir eficazmente la precipitacion en una estructura conica de flujo.

Por lo tanto, un objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo y un sistema para alternar la direccion de la alimentacion pasada por conjuntos de elementos de flujo (por ej., modulos de membranas) en una estructura de flujo conico.

Otro objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo y un sistema para recolocar elementos de flujo (por ej., modulos de membranas) en una estructura de flujo conico.

Es un objeto adicional de la presente invencion proporcionar un metodo y un aparato para evitar la formacion de incrustaciones (ensuciamiento) por precipitacion en los modulos de membranas de una estructura de flujo conico. Sumario de la invencion

La presente invencion proporciona un metodo que se define mediante la reivindicacion independiente 1. Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones de la invencion.

Espedficamente, la presente invencion proporciona un metodo para operar una disposicion de flujo conico impulsada por presion que contiene una pluralidad de modulos de membranas, que comprende colocar dichos modulos de membranas en al menos dos etapas de flujo dispuestas sucesivamente (esta secuencia de etapas de flujo se designa convenientemente por {Si}) , de modo que el numero de modulos de membranas que operan en paralelo en una etapa de flujo dada es mayor que su numero en la etapa de flujo consecutiva (el numero de modulos de membranas que operan en paralelo dentro de una etapa particular Si se designa como Ni), hacer pasar una corriente de alimentacion a traves de una etapa de flujo para generar un permeado y un concentrado, dirigir dicho concentrado a la etapa de flujo consecutiva y hacer pasar dicho concentrado a traves de la misma, mientras se reposicionan periodicamente uno o mas de los modulos de membranas que pertenecen a dicha etapa de flujo consecutiva con uno o mas modulos de membranas que pertenecen a la etapa de flujo anterior, donde la periodicidad de dicho reposicionamiento es tal que la superficie de las membranas dispuestas en dichos modulos de membranas esta expuesta a condiciones de supersaturacion asociadas con el paso de dicho concentrado durante un penodo de tiempo que es mas corto que el tiempo requerido para que en dicho concentrado precipiten una o mas sales y/o minerales poco solubles sobre la superficie de las membranas en dicha etapa de flujo consecutiva bajo dichas condiciones de supersaturacion, o antes de que se produzca el deposito de sustancias organicas en la primera de dichas dos o mas etapas de flujo dispuestas sucesivamente.

La expresion "etapa de flujo", como se usa en este documento, se refiere a un grupo de modulos de membranas que estan provistos de una corriente de alimentacion comun y estan conectados en paralelo con la misma, en donde dichos modulos de membranas tambien descargan a una corriente de concentrado comun.

Mas preferiblemente, esencialmente de manera concurrente con el reposicionamiento de modulos de membranas en las etapas de flujo ordenadas secuencialmente, como se describio anteriormente, se invierte la direccion del flujo dentro de al menos una porcion de los modulos de membranas recien posicionados. Esped ficamente, cuando uno o mas modulos de membranas se retiran de una etapa de flujo Si+1 y se reposicionan en una etapa de flujo Si, entonces la corriente de alimentacion suministrada a la etapa de flujo Si pasara a traves de dichos modulos de membranas recien posicionados en una direccion que es opuesta a la direccion del concentrado que se hizo pasar por dichos uno o mas modulos de membranas en la etapa de flujo Si+1. Por lo tanto, el patron de flujo proporcionado por la presente invencion, que implica la reubicacion de los modulos de membranas entre etapas sucesivas de flujo, cuya reubicacion es preferiblemente acompanada con una inversion de la direccion del flujo en los modulos de membranas recien ubicados, permite que una superficie de membrana que estaba previamente expuesta a un fluido muy concentrado (esped ficamente, la region de la superficie de la membrana que se encuentra en la vecindad de la salida de la etapa de flujo Si+1), entre en contacto con un fluido menos concentrado en la etapa de flujo Si.

Mediante la expresion "sal o mineral poco soluble" generalmente se entiende una sal que tiene un producto de solubilidad/constante de disociacion menor que 10-2 o una solubilidad menor que 300 mg/L para minerales no disociables. Las sales y/o minerales poco solubles particularmente problematicos, cuya precipitacion en el concentrado debe sustancialmente evitarse de acuerdo con la presente invencion, se seleccionan del grupo que consiste en carbonato de calcio, sulfato de calcio, sflice, fosfato de calcio, sulfato de bario, sulfato de estroncio y fluoruro de calcio.

La expresion "sustancias organicas", tal como se usa en el presente documento, se refiere colectivamente a materiales organicos y biologicos que pueden causar bioincrustaciones o incrustaciones organicas en procesos de membrana impulsados por presion.

Ventajosamente, el tiempo durante el cual la superficie de las membranas dispuestas en la etapa de flujo consecutiva se expone a condiciones de supersaturacion es menor que el tiempo de induccion ^t , que es el tiempo requerido para que en la corriente sobresaturada precipiten una o mas de las sales y/o minerales poco solubles, como se describe con mas detalle a continuacion, en donde dicho tiempo de induccion se predetermina experimentalmente, o se estima por separado para cada una de dichas sales y/o minerales poco solubles presentes en la corriente de agua usando la siguiente ecuacion:

donde:

A y B son constantes relacionadas con una sal o mineral poco soluble dado y la membrana utilizada;

y S es la relacion entre el producto de actividad real maximo de una sal o mineral poco soluble dado en la disolucion proxima al lado de alta presion de la membrana y el producto de solubilidad termodinamico.

En el caso de sustancias organicas, en la presente memoria el tiempo de induccion indica el tiempo para que se forme un deposito significativo de las mismas, y mas esped ficamente, un deposito compuesto por una capa compacta de material organico o una biopelicula con microorganismos incrustados en sustancias polimericas extracelulares con un espesor mayor que 2-3 micrometros o que cubre mas que el 10% de la superficie de una muestra de membrana que se esta monitoreando.

El metodo proporcionado por la presente invencion se puede llevar a cabo convenientemente por medio de la siguiente disposicion de flujo conico, impulsado por presion, de modulos de membranas, que comprende:

Tres o mas conjuntos de modulos de membranas, designandose el numero total de conjuntos como "n" (por ej., n puede estar en el intervalo de 3 a 300), en donde cada uno de dichos conjuntos esta provisto de uno o mas modulos de membranas que estan conectados en paralelo a un primer puerto y a un segundo puerto de dicho conjunto; Una fuente de corriente presurizada;

Un conjunto de valvulas para suministrar corrientes de fluido hacia y desde dichos conjuntos y para determinar, para cada uno de dichos conjuntos, si el primer y segundo puerto de los mismos es un puerto de entrada o un puerto de salida, respectivamente, o viceversa.

Tfpicamente, cada modulo de membranas (algunas veces indicado en la tecnica como carcasa de presion) contiene uno o mas elementos de separacion (por ej., entre 1 y 8 cuando tales elementos son elementos de separacion enrollados en espiral).

De manera mas adecuada, en la disposicion descrita anteriormente tambien se incluyen el medio para recoger un permeado recuperado por dicha disposicion de flujo conico impulsado por presion y el medio para descargar el concentrado final rechazado por dicha disposicion de flujo conico impulsado por presion.

En una realizacion preferida de la invencion, el conjunto de valvulas comprende, para cada conjunto de membranas, una valvula de tres vfas conectada al primer puerto de dicho conjunto de membranas a traves de un puerto principal de dicha valvula de tres vfas, y en donde un segundo puerto de dicha valvula de tres vfas esta conectado a la fuente de la corriente presurizada, y en donde el tercer puerto de dicha valvula de tres vfas esta conectado a una lmea de descarga principal utilizada para descargar la corriente de concentrado rechazada por el conjunto. Convenientemente, la fuente de corriente presurizada esta conectada al segundo puerto de cada una de las valvulas de tres vfas a traves de una valvula de dos vfas correspondiente.

Preferiblemente, el conjunto de valvulas comprende, para cada conjunto de membranas, una valvula de tres vfas conectada al segundo puerto de cada conjunto de membranas a traves de un puerto principal de dicha valvula de tres vfas, en donde los puertos segundo y tercero de dichas valvulas de tres vfas estan en comunicacion fluida con una lmea interna de descarga del concentrado. Ventajosamente, los puertos terceros de cada una de las valvulas de tres vfas, que estan conectados al segundo puerto del conjunto de membranas, estan conectados a traves de una valvula de dos vfas correspondiente a la lmea interna de descarga de concentrado.

Adicional o alternativamente, el conjunto de valvulas puede comprender una valvula de dos vfas cuyo primer puerto esta conectado a la lmea interna de descarga del concentrado, y cuyo segundo puerto esta conectado a la lmea de descarga principal.

La disposicion de flujo conico puede comprender ademas una bomba que tiene una entrada conectada a la lmea interna de descarga de concentrado, y una salida conectada a los terceros puertos de dichas valvulas de tres vfas, a traves de las valvulas de dos vfas que pueden conectarse entre ellas.

La disposicion de flujo conico se puede hacer funcionar utilizando un controlador o temporizador configurado para proporcionar las senales de control adecuadas de las valvulas de dos y tres vfas para organizar una conexion paralela entre grupos de conjuntos de modulos de membranas y una conexion en serie entre dichos grupos en una estructura conica, en el que dicho controlador o temporizador esta configurado para proporcionar dichas senales de control de valvulas para reposicionar periodicamente los conjuntos de modulos de membranas en dicha estructura conica.

El reposicionamiento de los modulos de membranas se ve afectado ventajosamente en intervalos de tiempo mas pequenos que el tiempo requerido para que precipiten una o mas sales y/o minerales poco solubles en la corriente presurizada cerca del extremo concentrado de la disposicion de modulos de membranas, y/o para que se depositen sustancias organicas sobre la superficie de las membranas en la corriente presurizada cerca el extremo de alimentacion de la disposicion de modulos de membranas.

De aqu en adelante, para simplificar, un conjunto de modulos de membrana se denomina "bloque" y los distintos bloques se designan con letras mayusculas (A, B, C ...).

Breve descripcion de los dibujos

La presente invencion se ilustra a modo de ejemplo en los dibujos que se acompanan, en los que referencias similares indican consistentemente elementos similares y en los que:

- La Fig. 1A ilustra esquematicamente un modulo de membrana convencional, como se usa comunmente en los procesos de filtracion;

- La Fig. 1B ilustra esquematicamente una estructura tfpica de cascada en dos etapas de flujo conico;

- Las Figs. 3A a 3C ilustran esquematicamente un sistema de flujo conico y un metodo de uso del mismo, en el que puede invertirse la direccion de la alimentacion en bloques de modulos de membranas; y

- Las Figs. 4A a 4F ilustran esquematicamente otro sistema de flujo conico y un metodo de uso del mismo.

Descripcion detallada de realizaciones preferidas

En general, la presente invencion proporciona un metodo para reposicionar conjuntos de modulos de flujo (por ej., modulos de membranas) en una estructura de flujo conico. Mas particularmente, la presente invencion proporciona metodos para reposicionar bloques de modulos de membranas en un procedimiento de membrana de flujo conico impulsado por presion, de manera que los bloques de modulos de membranas que reciben el fluido de proceso mas concentrado pueden ser reposicionados periodicamente a la posicion del fluido de proceso menos concentrado. Ventajosamente, el reposicionamiento de los bloques de modulos de membranas se realiza en intervalos de tiempo mas pequenos que el tiempo requerido para el inicio del ensuciamiento por precipitacion (es decir, menor que el tiempo de induccion ^t), y/o en intervalos de tiempo mas pequenos que el tiempo requerido para un ensuciamiento grave por bioincrustaciones o incrustaciones organicas causado por la deposicion de sustancias organicas. A continuacion, se proporciona una definicion detallada del tiempo de induccion y de los metodos para estimar el mismo, despues de la descripcion de los dibujos.

Segun una realizacion preferida, se implanta un sistema de flujo conico que permite el reposicionamiento de conjuntos de modulos de membranas utilizando al menos seis valvulas de tres vfas y seis valvulas de dos vfas accionadas con un temporizador o controlador logico programable (PLC), o algun otro tipo de medio de control automatico. En otra realizacion preferida, se usa un sistema de flujo conico aumentado, en el que se usa una valvula de dos v^as adicional como una valvula de derivacion.

En general, la presente invencion propone metodos para rotar entre (al menos) tres bloques de modulos de membranas que se colocan repetidamente en la primera (i) y la segunda (ii) etapa, tal que la mayona de los modulos de membranas estan en la etapa (i) y la minona de los modulos de membranas en la etapa (ii). De esta manera, no se superan los lfmites maximo y mmimo de los caudales a traves de cada modulo de membranas.

La direccion del flujo se invierte preferiblemente en conjuntos de modulos de membranas moviendolos desde la etapa (ii) a la etapa (i). Los medios para implantar estos modos de funcionamiento se obtienen utilizando un sistema de valvulas adecuado, como se muestra en las Figs. 3A-3C y 4A-4F. Aunque en una realizacion preferida de la invencion se usan seis valvulas de tres vfas y seis valvulas de dos vfas, es desde luego obvio que se pueden usar otras disposiciones de valvulas para efectuar la misma rotacion repetida de los conjuntos de modulos de membranas.

Las valvulas se pueden accionar mediante un temporizador, un controlador logico programable (PLC) (no mostrado en las figuras 3A-3C y 4A-4F), o utilizando medios computarizados adecuados que permitan un procedimiento automatico para controlar el tiempo y la secuencia de activacion de cada una de las valvulas.

En una realizacion preferida de la invencion, el numero de modulos de membranas en la primera etapa (i) es el doble del numero de modulos de membranas en la segunda etapa (ii). Una etapa esta representada por un conjunto de modulos de membranas que estan conectados en paralelo, de manera que se les suministra una corriente de alimentacion comun y comparten un canal de descarga comun que descarga una corriente de concentrado comun. Un bloque de modulos de membranas en el sistema de la presente invencion contiene uno o mas modulos de membranas conectados en paralelo a un puerto de salida de concentrado comun y un puerto de entrada comun que suministra una corriente de alimentacion presurizada.

La presente invencion se aplica a estructuras de flujo conico en general, y espedficamente a procesos de membrana impulsados por presion que involucran una disposicion conica escalonada de modulos de membranas, que incluyen, pero no se limitan a, procesos de osmosis inversa, nanofiltracion, ultrafiltracion y microfiltracion, y es aplicable a, pero no se limita a, geometnas de los elementos de membrana que incluyen elementos de membrana enrollada en espiral, fibra hueca, placa y marco y tubulares.

Una realizacion preferida se muestra en las Figs. 3A a 3C, en donde los modulos de membranas estan dispuestos en tres bloques, bloque A, bloque B y bloque C, cada uno de los cuales comprende preferiblemente N/3 modulos de membranas conectados en paralelo. Una valvula de tres vfas esta conectada en la parte delantera y trasera de cada bloque, en donde dichas valvulas de tres vfas se designan usando la siguiente convencion: V[Bloque A/B/C][Posicion delantera/trasera]. Por consiguiente, las valvulas de tres vfas conectadas en los frentes de los bloques A, By C, son VAf, VBf y VCf, respectivamente, y las valvulas conectadas en las partes posteriores de los bloques A, B y C, son VAb, VBb y VCb. Cada valvula tiene una posicion hacia abajo (d) y hacia arriba (u) que indica si la rama hacia abajo o hacia arriba de la valvula de tres vfas se esta comunicando con su puerto principal (m). Estas se excluyen mutuamente, es decir, cuando la valvula de tres vfas esta en la posicion inferior (d), la rama superior (u) esta cerrada y viceversa.

Los bloques de modulos de membranas son alimentados por una bomba de presion 27 que suministra una corriente de alimentacion 28 a la etapa (i). Desde la etapa (i), la corriente 29 (tambien denominada en la presente memoria lmea de descarga interna del concentrado) se alimenta a traves de una bomba de refuerzo 20 (opcional), que aumenta la presion de la corriente 29, proporcionada como la corriente 21 a la etapa (ii). Desde la etapa (ii), la corriente de concentrado sale a traves de la lmea de concentrado 22 y pasa por cualquier valvula de contrapresion/limitador del flujo 23, lo que genera la presion de la corriente de concentrado 22 antes de que la corriente de concentrado 14 salga del sistema. El flujo de permeado 15 se recoge de cada bloque y se envfa a la zona de recogida. Tres valvulas de dos vfas VIA, V1B y V1C estan conectadas en el punto de entrada de la alimentacion a la etapa (i), y tres valvulas de dos vfas V2A, V2B y V2C estan conectadas en el punto de entrada de la corriente a la etapa (ii). Se puede usar un temporizador, un controlador PLC, o cualquier otro medio de control adecuado (no mostrado), para efectuar el accionamiento secuencial de las diversas valvulas.

La conmutacion de bloques ilustrada en las Figs. 3A a 3B se efectua como se muestra en la tabla 2. En las Figs. 3A a 3C, las lmeas activas se muestran en negrita y la direccion del flujo con flechas.

Los puertos de las valvulas que estan abiertos al flujo se muestran con relleno y los puertos de las valvulas que estan cerrados al flujo se muestran en blanco (sin relleno). En la tabla 2, ^tA, ^tB y ^tC, se refieren a los tiempos de induccion apropiados para la composicion de la corriente de concentrado 22 que sale de los bloques A, B o C, respectivamente. El flujo inverso significa que la corriente de alimentacion de alta presion entra en el puerto del bloque que sirvio como puerto de salida del bloque en la primera etapa a) y sale del puerto de bloque que sirvio como puerto de entrada del bloque en la primera etapa a).

Se lleva a cabo un ciclo de tres etapas consecutivas, y cada etapa se describe como sigue:

a) Los bloques A y B estan en la etapa (i) y el bloque C esta en la etapa (ii) (Fig. 3A).

b) Los bloques A y C estan en la etapa (i) y el bloque B esta en la etapa (ii) (Fig. 3B). Los flujos en los bloques B y C estan en la direccion inversa a la de la etapa a).

c) Los bloques B y C estan en la etapa (i) y el bloque A esta en la etapa (ii) (Fig. 3C). Los flujos a traves de los bloques A y C estan en la direccion inversa a la de la etapa a).

Como apreciaran los expertos en la tecnica, puede efectuarse un reposicionamiento similar de bloques de modulos de membranas utilizando tres etapas por medio de cuatro o mas bloques de modulos de membranas y rotandolos entre la primera, la segunda y la tercera etapa mediante un procedimiento y un medio similar al descrito para dos etapas.

En general, el procedimiento de reposicionamiento de acuerdo con el metodo de la presente invencion se obtiene como sigue:

a) El sistema esta construido de N modulos de membranas que se dividen en tres bloques de modulos, en donde el numero de modulos de membranas en los primeros dos bloques vana ventajosamente entre 0,6N y 0,8N, y el numero de modulos de membranas en el bloque vana entre 0,4N y 0,2N, respectivamente. Preferiblemente, cada bloque contiene un numero igual de modulos (N/3). Los bloques de modulos de membranas se indicaran de aqrn en adelante como bloque A, bloque B y bloque C. En cualquier caso, el bloque A y el bloque B incluyen el mismo numero de modulos de membranas en cada bloque. Originalmente, el bloque A y el bloque B estan dispuestos en paralelo en la etapa (i) mientras que el bloque C esta en la etapa (ii), como se ilustra en la Fig. 3A. Los puertos de entrada de la alimentacion presurizada de los modulos de membranas en cada uno de los bloques se combinan en un colector de entrada para ese bloque que tiene un puerto de entrada comun. Por lo tanto, en la etapa a) la alimentacion presurizada 28 se suministra a los puertos de entrada de los modulos de membranas conectados en paralelo en los bloques A y B, mientras que los modulos de membranas conectados en paralelo en el bloque C reciben el concentrado procedente de los bloques A y B. Similarmente, los puertos de salida de la alimentacion presurizada de todos los modulos de membranas dentro de cada bloque se combinan en un colector de salida para ese bloque que tiene un puerto de salida comun, tal que las corrientes de concentrado obtenidas de los puertos de salida del modulo de membranas en los bloques A y B se unen y alimentan al bloque C, y la corriente de concentrado obtenida de los modulos de membranas en el bloque C se descarga a traves de la lmea de descarga 22. Asf, cada bloque tiene sus propios puertos de entrada y salida, cada uno de los cuales puede servir alternativamente como entrada de la alimentacion y salida del concentrado, respectivamente.

b) Conmutando apropiadamente las valvulas dentro de un penodo de tiempo menor que el tiempo de induccion mas corto, para una sal supersaturada en las condiciones de la etapa (ii) de salida del concentrado al final de la etapa a), la corriente de alimentacion original 28 se alimenta al puerto del bloque C que sirvio como puerto de salida en la etapa a) y al puerto de entrada original del bloque A que ahora sirve como etapa (i), como se ilustra en la Fig. 3B. La salida de la etapa (i) se alimenta a continuacion al puerto de salida original del bloque B desde la etapa a) y sale a traves del puerto de entrada original del bloque B desde la etapa a) que se descarga desde el sistema a traves de la lmea de descarga 22 despues de pasar por cualquier valvula de contrapresion o limitador de flujo 23 que puedan usarse para generar la presion necesaria.

c) Dentro de un intervalo de tiempo menor que el tiempo de induccion mas corto para una sal supersaturada en las condiciones de la etapa (ii) de salida del concentrado al final de la etapa b), la corriente de alimentacion original 28 se alimenta al puerto de salida original del bloque C desde la etapa a) y al puerto de entrada original del bloque B desde la etapa a) que ahora sirve como etapa (i), como se ilustra en la Fig. 3C. La nueva corriente de salida de la etapa (i) se alimenta ahora al puerto de salida original del bloque A desde la etapa a) que ahora sirve como etapa (ii). La etapa (ii) de salida del concentrado se descarga ahora desde el puerto de entrada original desde la etapa a) del bloque A a la corriente de concentrado y se descarga del sistema a traves de la lmea de descarga 22 despues de pasar cualquier valvula de contrapresion o limitador de flujo 23 que se pueden usar para generar la presion necesaria.

d) Conmutando apropiadamente las valvulas dentro de un intervalo de tiempo menor que el tiempo de induccion mas corto para una sal supersaturada en las condiciones de la etapa (ii) de salida del concentrado al final de la etapa c), las disposiciones de flujo se hacen retornar a su estado como se describe en la etapa a) con los bloques A y B que sirven como etapa (i) y el bloque C que sirve como etapa (ii). Este procedimiento dclico se repite entonces continuamente de los pasos a) - c).

En la solicitud de patente internacional No. PCT/IL04/001110 se han descrito detalladamente varias formas de determinar el tiempo de induccion que no debe excederse durante la operacion de cada disposicion de flujo, y se trataran brevemente a continuacion.

La velocidad de apertura y cierre de las valvulas que se describe en la tabla 2 puede controlarse para minimizar las ondas de presion (golpe de ariete) que pueden ocurrir durante la conmutacion de bloques entre las etapas (i) y (ii).

Una realizacion adicional de la invencion se ilustra esquematicamente en las Figs. 4A a 4F, en las que se ha agregado una valvula de derivacion AV adicional de dos v^as con el fin de minimizar cualquier posible efecto de onda de presion que pueda desarrollarse debido a cambios repentinos en las direcciones o velocidades de los flujos se conmutan los bloques de modulos de membranas entre la etapa (i) y la etapa (ii). La valvula de derivacion AV se comunica entre las valvulas V2A, V2B y V2C, y la lmea de descarga 22, proporcionando de este modo un camino directo entre la descarga de la bomba de refuerzo 20 (o - en ausencia de la bomba de refuerzo - entre el concentrado de la etapa (i) proporcionado a traves de la lmea 29) y la lmea de concentrado 22, permitiendo de este modo un desvm parcial o completo de los bloques que estan en la etapa (ii). Los elementos del sistema mostrados en las Figs. 4A a 4F son sustancialmente similares a los del sistema mostrado en las Figs. 3A a 3C, y, por lo tanto, se utilizan referencias similares en estas figuras para designar elementos similares.

En las Figs. 4A a 4F se muestran varios estados de funcionamiento con la valvula de derivacion AV, las cuales ilustran la transicion entre la etapa a) y la etapa b) como se describio anteriormente en la presente memoria con referencia a las Figs. 3A a 3C. Como en la Fig. 4, las lmeas a traves de las cuales esta fluyendo la alimentacion presurizada se muestran en negrita, los puertos de las valvulas que estan abiertos al flujo se muestran en negro (relleno) y los puertos de las valvulas que estan cerradas al flujo se muestran en blanco (sin relleno). El intervalo de tiempo de cada una de las subetapas ilustradas en las Figs. 4A-4F esta tfpicamente en el intervalo de 2 - 120 s. La tabla 4 resume las subetapas que afectan a la rotacion efectiva de los bloques A-C durante las transiciones entre los pasos a) ^ b), b) ^ c) y c) ^ a), utilizando la valvula de derivacion AV. Las transiciones en los estados de las diferentes valvulas ejemplificadas en las Figs. 4A-4F se resumen en las subetapas i-vi, respectivamente, de la transicion entre las etapas a) a b) en la tabla 3.

La invencion descrita anteriormente se puede generalizar a mas de tres bloques que operan en dos etapas, de modo que hay tres o mas bloques en la etapa (i) y un bloque en la etapa (ii). Para cada bloque adicional en la etapa (i), se deben agregar dos valvulas de tres vfas adicionales, y dos valvulas de dos vfas adicionales que se usan de la misma manera que se describio previamente en la presente memoria. En este caso, cuatro o mas bloques pueden hacerse rotar periodicamente desde una posicion en la etapa (i) a la posicion correspondiente al bloque de modulos en la etapa (ii). En un proceso de tres etapas, esta invencion puede ponerse en practica en las etapas (ii) y (iii) del modo descrito anteriormente para las etapas (i) y (ii). Una vez que se ha entendido el principio, un experto en la tecnica puede aplicar esta invencion a disposiciones escalonadas mas complejas. Debe observarse que esta invencion es aplicable a procesos en los que el producto es la corriente de permeado (15) y tambien a procesos en los que el producto es la corriente de concentrado (14).

El tiempo requerido para que comiencen a precipitar sales y/o minerales poco solubles en una disolucion acuosa supersaturada (en ausencia de cristales semilla u otras superficies de crecimiento de cristales preexistentes apropiadas) y/o sustancias organicas para formar un deposito significativo se conoce como "tiempo de induccion". Lo mas preferiblemente, el metodo de acuerdo con la presente invencion comprende la estimacion del tiempo de induccion, asociado con la composicion del agua a pasar a traves de la disposicion de flujo conico y la naturaleza de la superficie de la membrana utilizada en el mismo, para permitir el reposicionamiento de los modulos de membranas y la inversion de flujo esencialmente concurrente a realizar con la periodicidad deseada.

De acuerdo con una realizacion preferida, el tiempo de induccion se estima experimentalmente, por ejemplo, realizando un experimento preliminar, en el que la corriente de agua correspondiente a la composicion final del concentrado se hace pasar por una unidad de membrana pequena en condiciones de flujo que generan la polarizacion por concentracion que se esperana en una unidad de gran escala, sin invertir la direccion del flujo. El penodo de tiempo medido hasta que las sales escasamente solubles de dicha corriente de agua precipitan sobre la superficie de la membrana que se refleja en una cafda de la permeabilidad del agua por la membrana, o hasta que se detecta una cafda de la concentracion en el seno de la disolucion de la sal poco soluble, se utiliza subsecuentemente para programar el reposicionamiento periodico de los modulos de membranas y la inversion de flujo que lo acompana. La ocurrencia de la precipitacion de sales escasamente solubles en la superficie de la membrana puede rastrearse convenientemente midiendo los cambios de la permeabilidad del agua por la membrana, Lp, que se mide dividiendo el flujo por la fuerza impulsora de la presion neta (NDP) definida por:

(5)

Donde AP y Arc son la presion transmembrana y la diferencia de presion osmotica entre las disoluciones de alimentacion y permeado, respectivamente.

Alternativamente, el tiempo de induccion se estima utilizando la siguiente ecuacion:

en la que:

A y B son constantes relacionadas con la sal, la hidrodinamica y la superficie de la membrana, ya que la nucleacion que debe evitarse es la nucleacion en la superficie de la membrana. La constante A incluye el efecto de la energfa superficial en la superficie de nucleacion y el volumen molar de la sal. B incluye el factor de frecuencia para la velocidad de nucleacion. Los valores de A y B ya han sido determinados, por ejemplo, para el sulfato de calcio y membranas de poliamida para RO a baja presion (p. ej., D. Hasson at al., "Induction times induced in an RO system by antiscalants delaying CaSO4 precipitation", Desalination, v.157 (2003), p. 193; Alimi, F. et al., Desalination v. 157, pp 9-16 (2003); He, S. et al., J. Colloid and Interface Science, v. 162 pp. 297-303 (1994)). A y B tambien se pueden obtener facilmente experimentalmente como se ilustra en el documento WO 2005/053824.

S es la relacion entre el producto de actividad real maximo de una sal escasamente soluble dada en la disolucion junto al lado de alimentacion de la membrana y el producto de solubilidad termodinamico, o, para un mineral no disociado (por ej., sflice), es la relacion de la concentracion real maxima del mineral hasta la concentracion de saturacion de ese mineral para la composicion dada. Aumentara con la recuperacion de agua producto y la polarizacion por concentracion. Esta relacion se puede calcular a partir de los programas de simulacion de procesos de desalinizacion comerciales disponibles en el mercado abierto (como IMS de Hydranautics, Inc., o Rosa de Dow-Filmtec, Inc.), o de forma independiente como se describe en D. Hasson at al., "Inception of CaSO4 scaling on RO membranes at various water recovery levels", Desalination, 139, 73-81 (2001). S tambien se puede calcular midiendo los datos relacionados con el nivel de concentracion de sales/mineral en la corriente de agua, y los datos relacionados con los flujos de permeado y concentrado. Estos datos se pueden obtener utilizando caudalfmetros y dispositivos de deteccion apropiadamente ubicados dentro del sistema, con el fin de proporcionar las senales correspondientes (por ej., conductividad) para calcular S. Tfpicamente, los tiempos de induccion son superiores a 10 minutos.

Una vez obtenidos y/o determinados experimentalmente los valores de A, B y S, para la sal y el sistema relevantes, se puede estimar facilmente el tiempo de induccion, ^t. El reposicionamiento periodico y la inversion de flujo que lo acompana se configuraran entonces para que tengan lugar en algun momento menor que el tiempo de induccion ^t , por ejemplo, de 0,1 a 0,9 el valor del tiempo de induccion. En el caso de que haya mas que una sal poco soluble, la sal con el tiempo de induccion mas corto sera la utilizada para determinar el penodo para el reposicionamiento de los modulos de membranas y la inversion de flujo que lo acompana.

Alternativamente, el tiempo de induccion se puede determinar durante la operacion del sistema a traves de sensores ubicados apropiadamente para monitorizar el caudal de permeacion (caudalfmetro o balanza de pesaje) o la concentracion de iones que generan incrustaciones (por ej., usando un sensor de calcio o un sensor de conductividad) en funcion del tiempo, para ver cuando los indicadores cambian como resultado de la precipitacion en el sistema. Los procedimientos espedficos para estimar los tiempos de induccion se describen en detalle en el documento WO 2005/053824.

La aparicion de ensuciamiento biologico u organico se puede determinar con una probeta de ensayo tipo membrana de lamina plana (por ej., area activa de 2 cm por 8 cm) en una celda de flujo de membrana plana, con la misma alimentacion y con la misma velocidad tangencial lineal y flujo que se encontrana en la entrada de la cascada conica donde el potencial de bio-ensuciamiento es el mayor. La formacion de una biopelfcula se puede monitorizar mediante sensores in situ documentados en la bibliograffa (consultense las siguientes referencias) para determinar tanto el inicio de la formacion de depositos como los cambios en la estructura de los depositos con el tiempo. En el caso de los sensores ultrasonicos (veanse las referencias de Greenberg A. R. et al.), estos pueden incluso aplicarse a carcasas de modulos reales.

Mas espedficamente, el ensuciamiento biologico y organico puede controlarse mediante sensores in situ documentados en la bibliograffa (por ejemplo, Nivens, O. E., Journal of Industrial Microbiology, v. 15 (1995), pp 263­ 276; Chen, V., Li, H., Fane, A.G. Journal of Membrane Science 241 (1), pp. 23-44; Greenberg, A.R., Krantz, W.B. (2003) Fluid-Particle Separation Journal, 15 (1), pp. 43-49; Li, J., Sanderson, R.D., Chai, G.Y., Hallbauer, O.K. (2005) Journal of Colloid and Interface Science, 284 (1), pp. 228-238; Li, J., Hallbauer, O.K., Sanderson, R.O. Journal of Membrane Science 215 (1-2), pp. 33-52 ) con el fin de determinar tanto el inicio de la formacion de depositos como los cambios en la estructura de los depositos con el tiempo. En el caso de los sensores ultrasonicos (veanse las referencias de Greenberg A.R. et al.), estos pueden incluso aplicarse a carcasas de modulos reales.

Por supuesto, los ejemplos y la descripcion anteriores han sido proporcionados solo con fines ilustrativos, y no pretenden limitar la invencion de ninguna manera. Como apreciara el experto en la materia, la invencion se puede llevar a cabo en una gran variedad de formas, empleando mas de una tecnica de las descritas anteriormente, todas sin exceder el alcance de la invencion determinado por las reivindicaciones.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un metodo para operar una disposicion de flujo conico impulsado por presion que contiene una pluralidad de modulos de membranas, comprendiendo dicha disposicion:

- n conjuntos de modulos de membranas, en donde n es igual o mayor que tres, en donde cada uno de dichos conjuntos esta provisto de uno o mas modulos de membranas que estan conectados en paralelo a un primer puerto y a;

- un segundo puerto de dicho montaje;

- una fuente de corriente presurizada;

- un conjunto de valvulas para suministrar corrientes de fluido hacia y desde dichos conjuntos y para determinar, para cada uno de dichos conjuntos, si el primer y segundo puerto de los mismos es un puerto de entrada o un puerto de salida, respectivamente, o viceversa;

dicho metodo comprende posicionar dichos modulos de membranas en al menos dos etapas de flujo dispuestas sucesivamente, tal que el numero de modulos de membranas que operan en paralelo en una etapa de flujo dada es mayor que su numero en la etapa de flujo consecutiva, hacer pasar una corriente de alimentacion a traves de una etapa de flujo para generar un permeado y un concentrado, dirigir dicho concentrado a la etapa de flujo consecutiva y hacer pasar dicho concentrado a traves de la misma, mientras se reposiciona periodicamente uno o mas de los modulos de membranas que pertenecen a dicha etapa de flujo consecutiva con uno o mas modulos de membranas que pertenecen a la etapa de flujo anterior,

donde la periodicidad de dicho reposicionamiento es tal que la superficie de las membranas dispuestas en dicha etapa de flujo consecutiva esta expuesta a condiciones de supersaturacion asociadas con el paso de dicho concentrado durante un penodo de tiempo que es mas corto que el tiempo requerido para que en dicho concentrado precipiten una o mas sales y/o minerales poco solubles, teniendo dichas sales un producto de solubilidad/constante de disociacion menor que l0-2 o teniendo dichos minerales una solubilidad menor que 300 mg/L, sobre la superficie de las membranas en dicha etapa de flujo consecutiva bajo dichas condiciones de supersaturacion, o antes de que se produzca el deposito de sustancias organicas en la primera de dichas dos o mas etapas de flujo dispuestas sucesivamente,

y concurrentemente con el reposicionamiento de modulos de membranas en las etapas de flujo dispuestas secuencialmente, invertir la direccion del flujo dentro de al menos una porcion de los modulos de membranas recien posicionados;

donde el tiempo durante el cual la superficie de las membranas dispuestas en la etapa de flujo consecutiva esta expuesta a condiciones de supersaturacion es menor que el tiempo de induccion ^t , que es:

A) el tiempo requerido para que en la corriente sobresaturada precipiten una o mas de las sales y/o minerales poco solubles,

donde dicho tiempo de induccion ^t

(i) se predetermina experimentalmente;

(ii) se estima separadamente para cada una de dichas sales y/o minerales poco solubles presentes en la corriente de agua usando la siguiente ecuacion:

donde:

A y B son constantes relacionadas con una sal o mineral poco soluble dado y la membrana utilizada;

y S es la relacion entre el producto de actividad real maximo de una sal o mineral poco soluble dado en la disolucion proxima al lado de alta presion de la membrana y el producto de solubilidad termodinamico; o

(iii) se determina por medio de uno o mas sensores que monitorizan el caudal de permeacion o la concentracion de iones que generan incrustaciones en funcion del tiempo durante el funcionamiento del sistema o son capaces de indicar precipitacion en al menos una de dichas membranas; o

B) En el caso de sustancias organicas, el tiempo de induccion ^t es el tiempo para que se forme un deposito compuesto por una capa compacta de material organico o una biopelicula con microorganismos incrustados en sustancias polimericas extracelulares con un espesor mayor de 2 micrometres o que cubre mas que el 10% de la superficie de una muestra de membrana, donde dicho tiempo de induccion ^t

(i) se determina con una probeta de ensayo tipo membrana de lamina plana en una celda de flujo de membrana plana, con la misma alimentacion que se encontrara en la entrada de la cascada conica; o

(ii) se determina por medio de uno o mas sensores capaces de determinar tanto el inicio de la formacion de depositos como cambios en la estructura de los depositos con el tiempo, en al menos una de dichas membranas.

2. El metodo segun la reivindicacion 1, donde el tiempo de induccion ^t se predetermina experimentalmente.

3. El metodo segun la reivindicacion 1, donde el tiempo de induccion ^t se determina separadamente para cada una de dichas sales y/o minerales poco solubles presentes en la corriente de agua usando la siguiente ecuacion:

donde:

A y B son constantes relacionadas con una sal o mineral poco soluble dado y la membrana utilizada;

y S es la relacion entre el producto de actividad real maximo de una sal o mineral poco soluble dado en la disolucion proxima al lado de alta presion de la membrana y el producto de solubilidad termodinamico.

4. El metodo segun la reivindicacion 1, donde el metodo es en el caso de sustancias organicas y donde los sensores se seleccionan del grupo que consiste en sensores in situ y sensores ultrasonicos.