ES2798768T3 - Proceso y aparato para la purificación de agua - Google Patents

Abstract

Un proceso para purificar agua, que comprende: poner en contacto una mezcla acuosa con un medio de flotación, en donde el medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a la densidad del hielo o hidrato y menor que la densidad de la mezcla acuosa o una salmuera concentrada de la misma en su punto de congelación, y es inmiscible con agua; reducir la temperatura de la mezcla acuosa a una temperatura que varía entre el punto de congelación de la mezcla acuosa y la temperatura eutéctica de la mezcla acuosa para formar hielo o hidrato y un concentrado que comprende salmuera y cualquier cristal de sal precipitado de la salmuera; separar las fases por flotación el concentrado a partir del hielo o hidrato y el medio de flotación como una suspensión; recuperar el concentrado; y recuperar la suspensión, en donde el proceso comprende, además: fundir el hielo o el hidrato en la suspensión recuperada de hielo o hidrato y medio de flotación alimentando la suspensión a un sistema de intercambio de calor directo o indirecto para formar una fracción acuosa que comprende agua; y separar la fracción acuosa del medio de flotación; en donde el proceso comprende, además: i. determinar una proporción de adherencia de salmuera al hielo Wab/Wi, en donde Wab representa el peso de salmuera adherida al hielo y Wi representa el peso del hielo, para una mezcla acuosa dada como función de uno o más de composición de la mezcla acuosa, velocidades de congelación, velocidad de alimentación del medio de flotación, temperatura de alimentación del medio de flotación, medio de flotación, temperatura de alimentación de la mezcla acuosa, velocidad de alimentación del medio acuoso, temperatura del agua de lavado y velocidad del agua de lavado; ii. representar la concentración de salmuera adherida en la suspensión como función de la concentración de sal en el concentrado usando la fórmula: CS = [(Wab/Wi)/(Wab/Wi + 1)] Cb; en donde CS es la concentración de salmuera adherida en la suspensión, y Cb es la concentración de sal en el concentrado, iii. calcular el número de unidades de transferencia teóricas para dar como resultado una pureza de agua deseada para la mezcla acuosa bajando entre dos líneas, una primera línea es el gráfico de la concentración de salmuera adherida en la suspensión, Cs, como se obtiene por la fórmula en la etapa (ii) anterior y una segunda línea es la concentración de sal en el concentrado, Cb, cuando Cb = CS; en donde el cálculo comprende: - ubicar en la abscisa el valor de la concentración del efluente de salmuera residual, - leer la concentración de sal de la suspensión resultante avanzando verticalmente hasta la primera línea, - moverse horizontalmente hacia la izquierda en la intersección con la segunda línea para obtener la concentración de salmuera en la segunda unidad de transferencia, - continuar bajando entre las dos líneas hasta obtener la pureza deseada del agua de producto, correspondiendo el número de etapas para alcanzar la pureza deseada del agua de producto a dicho número de unidades de transferencia teóricas; iv. determinar una altura de una unidad de transferencia teórica para la mezcla acuosa; v. determinar una ubicación de alimentación para la mezcla acuosa y/o el medio de flotación, basado en una o más de la altura determinada, la relación de adherencia de salmuera determinada, el número calculado de unidades de transferencia teóricas, la concentración de suspensión de concentrado deseada, la pureza de agua deseada, el porcentaje deseado de recuperación de agua, temperatura de congelación, temperatura mínima de flotación media y temperatura eutéctica de la mezcla; vi. ajustar una temperatura del medio de flotación y/o el agua de lavado, basado en la relación determinada de adherencia de la salmuera; y vii. ajustar un caudal del agua de lavado, el medio de flotación y la salmuera, basado en la relación determinada de adherencia de la salmuera.

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso y aparato para la purificación de agua

Campo de la divulgación

Las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren, en general, a un proceso para la purificación o purificación parcial de aguas impuras, tales como salmuera u otras mezclas acuosas que contienen diversas sales, metales pesados u otras impurezas vía congelación. Los procesos descritos en la presente memoria pueden usarse también para reducir el contenido de agua de mezclas acuosas, tal como para concentración de zumos de fruta, bebidas alcohólicas, café y té, entre otros. En otro aspecto, las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren a procesos para la recuperación de metales o sales disueltos en soluciones acuosas.

Antecedentes

Los procesos para la desalinización de agua de mar, agua salobre o, en general, aguas salinas asociados con la producción de petróleo, gas, carbón y otros minerales, se han practicado a gran escala desde hace más de 50 años. Durante muchos años, las tecnologías térmicas eran la única opción viable y la evaporación instantánea de multietapas (MSF) se estableció como la tecnología de referencia. La evaporación de multi-efecto (MEE) puede competir ahora por ese estatus. Con el crecimiento de la ciencia de membranas, sin embargo, la ósmosis inversa (RO) superó a la MSF como la tecnología de desalinización principal y es considerada en el presente la tecnología de referencia.

Entre los numerosos factores que afectan la selección de un proceso de desalinización, el coste de energía eclipsa a todos los otros. Aunque el coste de energía no es el único criterio determinante para la selección del proceso, es definitivamente uno de mayor preocupación. Cuestiones adicionales, tales como la huella ambiental, consumo y descarga de productos químicos, mantenimiento, facilidad de operación, confiabilidad, factor en corriente, seguridad y coste global de la producción influenciarán la selección.

Los sistemas térmicos son efectivos pero de energía intensa, requiriendo en su forma más simple aproximadamente 2.326 kJ/kg (1000 btu/lb) para vaporizar el agua. Para compensar, los sistemas de destilación usan muchas etapas para reutilizar la energía térmica repetidamente, con redes de intercambio de calor intrincadas.

En los últimos años, la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) ha realizado reducciones de energía sustanciales. A pesar de estas mejoras, aclamadas por algunos que se aproximan al gasto de energía mínima termodinámica, los datos publicados por la ADC (Affordable Desalination Collaboration, California, Estados Unidos de América) muestran que los costes de energía globales todavía representan aproximadamente 45-55% del coste de producción total. Adicionalmente, hay preocupaciones con respecto al impacto ambiental, mantenimiento y tiempo en corriente. En su totalidad, estos factores impiden que SWRO, en su forma presente, sea la elección de desalinización óptima. Los sistemas de ósmosis inversa han incrementado establemente las proporciones de recuperación y ahora tienen formas para recapturar la energía de la salmuera de desperdicio presurizada. No obstante, a pesar de estos adelantos, estos sistemas todavía no han obtenido los objetivos elusivos de compatibilidad ambiental, facilidad de operación, bajo mantenimiento, bajos costes de operación, baja inversión y confiabilidad a largo plazo deseados y necesarios para un mundo sediento. Mientras que la investigación en SWRO continúa y hay esperanza de que el proceso pueda ser refinado adicionalmente, se debe responder a la pregunta de si la fascinación con ese proceso puede haber bloqueado otros procesos valiosos, tales como por ejemplo la congelación.

Los sistemas de congelación para la desalinización de agua de mar crearon mucho interés hace diversas décadas. La congelación de agua de mar produce hielo puro que está libre de sal. Ese interés ha disminuido frente a innovaciones exitosas de otras tecnologías que tienen el atractivo de ser procesos más nuevos. Los sistemas de destilación y ósmosis inversa están entre estos.

La tecnología de congelación alcanzó su punto alto en popularidad e interés hace unos cincuenta años. Esto fue debido a la eficiencia inherente del proceso de congelación, que requiere solo una sexta parte de la energía en comparación con la destilación simple, requiriendo aproximadamente 349 kJ/kg (150 btu/lb) para congelar agua en comparación con 2.326 kJ/kg (1000 btu/lb) para evaporar agua, como puede ser requerido en procesos de destilación. La baja temperatura de operación del proceso de congelación potenciaba su atractivo debido a su corrosión reducida, requiriendo materiales de construcción menos costosos. Pero su mayor atractivo, tanto para operación a pequeña escala como a gran escala, era el hecho de que los componentes y diseños de equipo para congelación tenían una larga historia de operación libre de problemas como se evidencia con las muchas instalaciones de refrigeración dentro de la mayoría de las industrias en todo el mundo.

El gobierno de Estados Unidos financió la investigación de desalinización cuando estableció la Oficina de Agua Salina (OSW). De finales de 1950 a 1980, la OSW dedicó unos 160 millones de dólares a la investigación de la desalinización. Los procesos de destilación no han florecido plenamente a su estado presente. Los procesos de membrana todavía no han salido a la superficie, aunque finalmente han surgido como parte de esta financiación. Se desarrollaron muchas variaciones del proceso de congelación y se han propuesto muchos sistemas para obtener un proceso de congelación de sal-agua económico (hielo o hidrato). Algunos de estos procesos utilizan un refrigerante para enfriar las aguas salinas para formar un hielo o lodo de hidrato, ya sea por contacto directo del refrigerante con el agua salina o mediante intercambio de calor indirecto. Por ejemplo, el proceso en la Patente Estadounidense US3213633 utiliza intercambio de calor directo de un refrigerante de C1-C5, incluyendo fluoro- y cloro-carbonos. Otros utilizan enfriamiento evaporativo para obtener hielo, evaporándose el agua a vacío, induciendo mediante esto la congelación del agua de mar.

Debido a que estaba disponible dinero del gobierno, no había prisa de construir plantas de demostración grandes sin el beneficio de plantas piloto extensas en pequeña escala. Se construyó aproximadamente una docena de diversas plantas de demostración de congelación, algunas ubicadas en la Instalación de Pruebas de Wrightsville Beach de OSW en Carolina del Norte y se construyó una planta en St. Petersburg, Florida. Adicionalmente, la OSW proporcionó asistencia financiera a una planta de demostración construida en Israel utilizando el proceso de Zarchin. Esa planta funcionó durante dos años proporcionando agua a un pueblo cercano.

Todos los proyectos experimentaron grandes dificultades al principio. Después del arranque, se necesitaban hacer modificaciones a la planta. Los presupuestos y horarios quedaron a medio camino debido a los cambios de diseño requeridos, que a gran escala son caros y toman mucho tiempo. Una vez que estas plantas estaban en funcionamiento, se hizo evidente que la recogida del hielo de la salmuera era un problema grave. Los cristales de hielo formados como plaquetas planas, de forma irregular, impiden que la salmuera de licor madre se drene libremente. El licor madre se adhiere a las superficies e intersticios del cristal. La salmuera y el hielo forman un lodo que resiste a la separación apropiada. Después de la fusión, el agua resultante contiene la sal de la salmuera que se ha adherido.

Desafortunadamente, el problema de cómo separar fácilmente el hielo de la salmuera residual resultó ser un obstáculo que menoscabó el atractivo global del proceso de congelación. Las plantas de desalinización, que utilizaban el proceso de congelación, nunca se expandieron más allá de unidades pequeñas, que a lo más, eran solo unidades piloto bajo diferentes nombres. El problema limitante principal a un concepto práctico, apropiado para la operación a gran escala, era el obstáculo presentado por la recogida del hielo, antes de su fusión, para producir agua dulce. Se probaron numerosos medios para separar el hielo y la salmuera, incluyendo filtración, centrifugación u operaciones similares todas las cuales produjeron resultados frustrantes. El aparato más exitoso fue una columna de lavado, desarrollada por el Profesor Wiegandt de la Universidad de Cornell, en la cual una columna solida de hielo es empujada hacia arriba por la presión hidráulica. A medida que el hielo llega a la parte superior de la columna, un dispositivo mecánico raspa y corta el hielo, dejándolo caer a una unidad de fusión de la cual se extrae el producto de agua pura. Parte del producto se recicla a la parte superior de la columna para el lavado. La salmuera sale por el fondo de la columna. Este aparato produce agua pura. Sin embargo, es inconveniente y no puede ser escalado a grandes capacidades.

La separación del hielo ha sido el mayor impedimento en el desarrollo del proceso de congelación y ha resultado ser un factor limitante en el diseño de plantas de gran capacidad, provocando puntos problemáticos agudos en el proceso, requiriendo supervisión constante, trabajo y alto mantenimiento. Los problemas encontrados dieron al proceso de congelación una mala reputación, disminuyendo la investigación en esta área.

Compendio de las realizaciones reivindicadas

Se ha descubierto un nuevo concepto de la separación de hielo de la salmuera u otros líquidos, que tiene el potencial de reposicionar el proceso de congelación a una posición preeminente y de convertirse en el proceso de elección para la producción de agua a partir de agua de mar, agua salobre u otros tipos de soluciones salinas apropiadas para consumo humano u otros usos, o para la desalinización de aguas producidas a partir de petróleo, gas y operaciones mineras, o para la deshidratación de mezclas que contienen agua con el fin de reducir el volumen residual o para la recuperación de sales o minerales. Este concepto es aplicable a un amplio intervalo de capacidades desde plantas a gran escala para uso municipal y regional, a unidades modulares de tamaño intermedio para aplicaciones industriales, agrícolas, militares y marinas y para alivio de desastres, a unidades de empaques pequeñas para uso doméstico, de tamaño similar a unidades de acondicionamiento de aire domésticas o enfriadores de agua. El proceso incluye la separación del hielo de la salmuera mediante flotación utilizando un líquido inmiscible con agua, que tiene una densidad relativa mayor que la del hielo pero menor que la del agua. De esta manera, el líquido inmiscible forma un lodo o suspensión con el hielo, permitiendo la separación del hielo de la salmuera, el transporte de la suspensión de hielo y la recuperación del agua purificada.

En un aspecto, las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren a un proceso para la purificación de agua. El proceso puede incluir: poner en contacto una mezcla acuosa con un medio de flotación líquido, en donde el medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a la densidad del hielo o hidrato y menor que la densidad de la mezcla acuosa o una salmuera concentrada de la misma en su punto de congelación, y es inmiscible con agua; reducir la temperatura de la mezcla acuosa a una temperatura que varía entre el punto de congelación de la mezcla acuosa y la temperatura eutéctica de la mezcla acuosa para formar hielo o hidrato y un concentrado, que comprende salmuera y cualquier cristal de sal precipitado de la salmuera; separar las fases por flotación del concentrado a partir del hielo o hidrato y el medio de flotación como una suspensión; recuperar el concentrado; y recuperar la suspensión. El proceso comprende, además, fundir el hielo o el hidrato en la suspensión recuperada de hielo o hidrato y medio de flotación alimentando la suspensión a un sistema de intercambio de calor directo o indirecto para formar una fracción acuosa que comprende agua y separar la fracción acuosa del medio de flotación. El proceso comprende además:

i. determinar una proporción de adherencia de salmuera al hielo W^ab/W ⁱ, en donde W^ab representa el peso de salmuera adherida al hielo y W ⁱ representa el peso del hielo, para una mezcla acuosa dada como función de uno o más de composición de la mezcla acuosa, velocidades de congelación, velocidad de alimentación del medio de flotación, temperatura de alimentación del medio de flotación, medio de flotación, temperatura de alimentación de la mezcla acuosa, velocidad de alimentación del medio acuoso, temperatura del agua de lavado y velocidad del agua de lavado;

ii. representar la concentración de salmuera adherida en la suspensión como función de la concentración de sal en el concentrado usando la fórmula:

C^s = [(W^ab/W ⁱ)/(W^ab/W ⁱ + 1)] C^b ;

en donde C^s es la concentración de salmuera adherida en la suspensión, y C^b es la concentración de sal en el concentrado,

iii. calcular el número de unidades de transferencia teóricas para dar como resultado una pureza de agua deseada para la mezcla acuosa bajando entre dos líneas,

una primera línea es el gráfico de la concentración de salmuera adherida en la suspensión, Cs, como se obtiene por la fórmula en la etapa (ii) anterior y una segunda línea es la concentración de sal en el concentrado, C^b, cuando C^b = C^s ;

en donde el cálculo comprende:

- ubicar en la abscisa el valor de la concentración del efluente de salmuera residual,

- leer la concentración de sal de la suspensión resultante avanzando verticalmente hasta la primera línea,

- moverse horizontalmente hacia la izquierda en la intersección con la segunda línea para obtener la concentración de salmuera en una segunda unidad de transferencia,

- continuar bajando entre las dos líneas hasta obtener la pureza deseada del agua de producto, correspondiendo el número de etapas para alcanzar la pureza deseada del agua de producto a dicho número de unidades de transferencia teóricas;

iv. determinar la altura de una unidad de transferencia teórica para la mezcla acuosa;

v. determinar una ubicación de alimentación para la mezcla acuosa y/o el medio de flotación, basado en una o más de la altura determinada, la relación de adherencia de salmuera determinada, el número calculado de unidades de transferencia teóricas, la concentración de suspensión de concentrado deseada, la pureza de agua deseada, el porcentaje deseado de recuperación de agua, temperatura de congelación, temperatura mínima de flotación media y temperatura eutéctica de la mezcla;

vi. ajustar una temperatura del medio de flotación y/o el agua de lavado, basado en la relación determinada de adherencia de la salmuera; y

vii. ajustar un caudal del agua de lavado, el medio de flotación y la salmuera, basado en la relación determinada de adherencia de la salmuera.

En algunas realizaciones, el medio de flotación puede tener una densidad en el intervalo de aproximadamente 0,8 a aproximadamente 1,0 g/cc.

El proceso puede incluir además una o más de las siguientes etapas: fusión del hielo o el hidrato en la suspensión de hielo o hidrato y el medio de flotación para formar una fracción acuosa que comprende agua; separación de la fracción acuosa del medio de flotación; lavado de la suspensión con un líquido de lavado que comprende al menos uno de agua dulce, la fracción acuosa y el medio de flotación, que puede ser el mismo o diferente que el medio de flotación usado en la etapa de contacto; añadir al líquido de lavado uno o más aditivos que mejoran el desplazamiento del concentrado que se adhiere a la superficie del hielo.

En una o más realizaciones, la temperatura del líquido del lavado se hace variar para mejorar el desplazamiento del concentrado que se adhiere al hielo. En una o más realizaciones, la temperatura de la mezcla acuosa se reduce mediante intercambio de calor directo, intercambio de calor indirecto, o una mezcla de los mismos, o mediante evaporación al vacío de parte del agua contenida en la mezcla. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la temperatura de la mezcla acuosa se reduce mediante intercambio de calor directo, intercambio de calor indirecto, o una mezcla de los mismos, con al menos uno de gas natural líquido (LNG), LNG expandido, etano, propano, etileno y propileno. En algunas realizaciones, las etapas de contacto y de reducir la temperatura se realizan al mismo tiempo. En otras realizaciones, la etapa de contacto se realiza antes de la etapa de reducción de temperatura.

En algunas realizaciones, el proceso puede incluir también una o más de las siguientes etapas: poner en contacto la suspensión de medio flotación-hielo con un fluido que tiene una densidad mayor que el medio de flotación o una densidad intermedia entre la del medio de flotación y la del concentrado; desplazar el concentrado adherente u ocluido al concentrado y separación de fases del medio de flotación/hielo el fluido y el concentrado.

En algunas realizaciones, el proceso puede incluir también o más de las siguientes etapas: poner en contacto el concentrado recuperado a un segundo medio de flotación, que puede ser el medio de flotación, en donde el segundo medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a 0,8 y menor que la densidad del concentrado en su punto de congelación; reducir la temperatura del concentrado a una temperatura menor o igual al punto de congelación del concentrado para formar hielo o hidrato y un segundo concentrado; separación de fases del segundo concentrado y el segundo medio de flotación; recuperar el segundo concentrado y recuperar el hielo o hidrato y el segundo medio de flotación como una suspensión; formar un precipitado mientras se elimina calor de la mezcla acuosa; formar un segundo precipitado durante la eliminación de calor adicional del concentrado. Cuando se forma, el precipitado puede ser una sal diferente o un metal diferente o mezclas de sal y/o metales que el segundo precipitado.

En algunas realizaciones, el proceso puede usarse para recuperar una corriente de producto de agua purificada, en donde el agua purificada recuperada es mayor del 85% del agua contenida en la mezcla acuosa original.

Otras realizaciones del proceso se definen en las reivindicaciones dependientes.

En otro aspecto que no forma parte de la materia objeto reivindicada, se describe un aparto para purificar agua. El aparato puede incluir: un conducto o columna de flujo para poner en contacto una mezcla acuosa con un medio de flotación, en donde el medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a 0,8 y menor que la densidad de la mezcla acuosa o salmuera concentrada en su punto de congelación; un sistema de intercambio de calor directo o indirecto para reducir la temperatura de la mezcla acuosa a una temperatura igual a o menor que el punto de congelación de la mezcla acuosa para formar hielo o hidrato y un concentrado; al menos un separador de fases para la separación de fases del concentrado y el medio de flotación; un conducto de flujo para recuperar el concentrado y un conducto de flujo para recuperar el hielo o hidrato y el medio de flotación como una suspensión.

El aparato puede incluir también uno o más de los siguientes: un sistema de intercambio de calor directo o indirecto para fundir el hielo para formar una fracción acuosa que comprende agua; un separador para separar la fracción acuosa del medio de flotación; un conducto de flujo para introducir un fluido de lavado para el lavado de la suspensión con al menos uno de agua dulce, la fracción acuosa y el medio de flotación, que puede ser el mismo o diferente del medio de flotación usado en la etapa de contacto; un conducto o columna de flujo para poner en contacto el concentrado con un segundo medio de flotación, en donde el segundo medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a 0,8 y menor que la densidad del concentrado en su punto de congelación; un sistema de intercambio de calor directo o indirecto para reducir la temperatura del concentrado a una temperatura igual a o menor que el punto de congelación del concentrado para formar hielo o hidrato y un segundo concentrado; al menos un separador de fases para separar en fases el segundo concentrado y el segundo medio de flotación; un conducto de flujo para recuperar el segundo concentrado y un conducto de flujo para recuperar el hielo o el hidrato y el segundo medio de flotación como una suspensión.

Otros aspectos y ventajas serán evidentes a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Las Figuras 1A-1F son diagramas de flujo de proceso simplificados de procesos para purificar agua según las realizaciones descritas en la presente memoria.

Las Figuras 2-8 son diagramas de flujo de proceso simplificados de procesos para purificar agua según las realizaciones descritas en la presente memoria.

La Figura 9 es una comparación gráfica del consumo de energía como función de la temperatura de congelación para procesos según realizaciones descritas en la presente memoria.

La Figura 10 es una tabla que presente temperaturas eutécticas y composiciones para diversos sistemas binarios de agua-sal.

La Figura 11 es un diagrama de fases binario de un sistema de cloruro de sodio-agua anotado para ilustrar la operación de procesos para la purificación de agua según las realizaciones descritas en la presente memoria.

Las Figuras 12-15 son diagramas que ilustran la interrelación del consumo de energía, composición de salmuera residual, recuperación de agua pura, temperatura de congelación y costes de agua recuperada típicos para procesos según las realizaciones descritas en la presente memoria.

La Figura 16 es un gráfico que ilustra ahorros en costes de transporte que pueden realizarse al producir agua purificada y reducir el agua de desperdicio total resultante de una corriente de agua producida.

La Figura 17 es un gráfico que ilustra el cálculo del número de unidades de transferencia teóricas para operaciones de flujo a contracorriente según las realizaciones descritas en la presente memoria.

Descripción detallada

En un aspecto, las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren, en general, a un proceso para la purificación o purificación parcial de aguas impuras, tales como salmuera u otras mezclas acuosas que contienen diversas sales, metales pesados u otras impurezas. Los procesos descritos en la presente memoria pueden usarse también para reducir el contenido de agua de mezclas acuosas, tal como para la concentración de zumos de fruta, bebidas alcohólicas, café y té, entre otros. En otro aspecto, las realizaciones, descritas en la presente memoria se refieren a procesos para la recuperación de metales o sales disueltas en soluciones acuosas.

Como se usan en la presente memoria, los términos “agua de mar”, “agua salobre”, “agua producida”, “salmuera”, “agua contaminada” y “mezcla acuosa” pueden usarse indistintamente. “Agua de mar”, “agua salobre”, “agua producida” se referirán en general a soluciones salinas en donde la sal disuelta predominante es cloruro de sodio, aunque también pueden estar presentes otros compuestos en cantidades más pequeñas. El término “salmuera” como se usa en la presente memoria se refiere a soluciones acuosas que comprenden agua y al menos una sal. La al menos una sal puede incluir: una o más sales tal como al menos una de un haluro de metal alcalino, un haluro de metal alcalinotérreo y un haluro de metal de transición, en donde el haluro puede incluir flúor, cloro, bromo o yodo, por ejemplo; minerales. Adicionalmente, podría haber compuestos de óxidos, sulfatos, compuestos orgánicos e inorgánicos. Los términos “agua contaminada” y “mezcla acuosa” como se usan en la presente memoria se refieren a soluciones o mezclas acuosas que incluyen uno o más componentes en solución o suspensión, incluyendo contaminantes tales como minerales, metales, saborizantes (por ejemplo, ácidos y otros compuestos encontrados comúnmente en té, café, zumo de naranja, cerveza, etc.) y diversos aditivos usados en la perforación y producción de petróleo (agentes humectantes, viscosificantes, etc.), entre otros. Las mezclas acuosas según las realizaciones de la presente memoria pueden incluir pues agua de mar, agua salobre, agua de laguna, agua producida (por ejemplo, agua producida durante la perforación o producción de petróleo) y otros productos secundarios acuosos de operaciones de petróleo y gas, té, café, zumo de naranja, orina y otras numerosas corrientes de agua o fuentes de agua incluyendo diversos contaminantes.

Como se ha indicado anteriormente, uno de los fallos principales de los procesos de congelación de la técnica anterior se debía a las dificultades encontradas con la separación de hielo. Se ha encontrado ahora que la separación del hielo de los concentrados puede realizarse por flotación utilizando un medio de flotación, definido en la presente memoria como un líquido inmiscible o sustancialmente inmiscible con agua, que tiene una densidad mayor que o igual a la del hielo pero menor que la del concentrado o la salmuera. El medio de flotación y el hielo se recuperan como una suspensión o un lodo, proporcionando la facilidad de separación de la salmuera, el transporte de la suspensión de hielo y la recuperación del agua purificada. El uso de un líquido inmiscible y la recuperación de una suspensión liquida inmiscible de hielo-agua también tenderá a reducir la cantidad de salmuera ocluida.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 1A-1F, en donde se ilustran diagramas de flujos de procesos simplificados de procesos de purificación de agua según las realizaciones descritas en la presente memoria, en donde números semejantes representan partes semejantes. En la discusión posteriormente en la presente memoria, se usan los términos “cristalizador” y “columna de cristalizador-lavado” indistintamente y se refieren al equipo 6. Una mezcla acuosa 2, tal como agua de mar, se pone en contacto con un medio de flotación 4 en una columna de cristalizadorlavado 6. La temperatura de la mezcla acuosa se enfría a una temperatura menor que el punto de congelación de la mezcla acuosa, ya sea en una columna de cristalizador-lavado 6 o antes de entrar a la misma, dando como resultado la formación de hielo (o un hidrato) y un concentrado (por ejemplo, una mezcla acuosa que tiene una concentración más alta de sales u otros contaminantes que la mezcla acuosa alimentada).

El hielo tiene una densidad comúnmente en el intervalo de aproximadamente 0,88 g/cc a aproximadamente 0,92 g/cc, dependiendo de la temperatura, la manera en la que se formó el hielo y los componentes de la mezcla acuosa. La mezcla acuosa puede tener una densidad en el intervalo de aproximadamente 0,98 a aproximadamente 2 g/cc o mayor, comúnmente en el intervalo de aproximadamente 0,98 a aproximadamente 1,2 g/cc para agua de mar u otras mezclas acuosas que contienen sal. El medio de flotación debe tener pues una densidad dentro de ese intervalo, tal como de aproximadamente 0,8 a aproximadamente 1,0 g/cc en algunas realizaciones a las temperaturas de operación prevalecientes, y densidades de la mezcla tratada, para facilitar la separación de los cristales de hielo del concentrado. En otras realizaciones, el medio de flotación puede tener una densidad en el intervalo de aproximadamente 0,88 a 0,98 g/cc y de aproximadamente 0,9 a aproximadamente 0,95 en todavía otras realizaciones.

La mezcla acuosa y el medio de flotación pueden alimentarse a una columna de cristalizador-lavado 6 separadamente, como se ilustra en la Figura 1A, o conjuntamente, como se ilustra en la Figura 1B. Después de la reducción de la temperatura de la mezcla acuosa por debajo de su punto de congelación, se forman cristales de hielo. El hielo y el medio de flotación, que tienen una densidad más baja, se desplazan hacia arriba a través de la columna de cristalizador-lavado 6, mientras que el concentrado, que tiene una densidad más alta, se desplaza hacia abajo a través de la columna. Luego la suspensión del hielo-medio de flotación puede recuperarse de la columna de cristalizadorlavado 6 a través de las corrientes 8 y el concentrado puede recuperarse a través de la corriente 10. La suspensión de hielo-medio de flotación puede procesarse después adicionalmente para recuperar el agua purificada, como se describirá posteriormente en más detalle.

El enfriamiento de la mezcla acuosa se puede efectuar por intercambio de calor directo o indirecto o una combinación de los mismos. Se puede realizar corriente arriba del cristalizador o dentro del cristalizador o una combinación de los mismos. El agente de enfriamiento podría ser un refrigerante o cualquier medio de enfriamiento sin refrigerante tal como, por ejemplo, el medio de flotación sub-enfriado. Alternativamente, el enfriamiento podría obtenerse al provocar la evaporación de la parte de la mezcla acuosa al someterla a un vacío.

Por ejemplo, para el proceso como se ilustra en la Figura 1A, la mezcla acuosa puede alimentarse al cristalizador y ponerse en contacto con un medio de flotación a una temperatura más baja que el punto de congelación de la mezcla acuosa. El intercambio de calor directo de la mezcla acuosa que fluye hacia abajo con el medio de flotación que fluye hacia arriba puede dar como resultado entonces una disminución en la temperatura del medio acuoso a menos que su punto de congelación y la formación de hielo. En tal realización, habrá un gradiente de temperatura desde el fondo a la parte superior del cristalizador 6, en donde la temperatura se incrementa gradualmente desde el fondo a la parte superior debido al contacto directo e intercambio de calor entre la mezcla acuosa alimentada y el medio de flotación y la concentración cambiante de la salmuera. En su flujo hacia arriba, el medio de flotación enfría la mezcla acuosa entrante. A medida que se forma el hielo, la concentración de la salmuera se incrementa y el punto de congelación cae gradualmente a medida que la salmuera desciende hacia el fondo del cristalizador 6. El medio de flotación que fluye hacia arriba barre las plaquetas y cristales de hielo hacia arriba debido a que son más ligeros ya sea que el concentrado o el medio de flotación. Las plaquetas y cristales de hielo crecen mientras ascienden y se ponen en contacto con la mezcla acuosa entrante. En la parte superior, el medio de flotación y el hielo forman un lodo, que puede recuperarse fácilmente.

En algunas realizaciones, puede ser deseable lavar el lodo de hielo para desplazar cualquier contaminante residual o adherente (por ejemplo, salmuera de sal adherente). Los líquidos de lavado pueden ser, por ejemplo, agua dulce, una parte del hielo fundido, agua recuperada del procesamiento adicional de la corriente 10, medio de flotación adicional o un fluido de una densidad más alta que el concentrado o de una densidad intermedia entre la del medio de flotación y el concentrado. En algunas circunstancias, puede ser ventajoso añadir pequeñas cantidades de uno o más aditivos al líquido de lavado, tal como un tensioactivo para disminuir la tensión superficial entre el hielo y la salmuera adherente, mejorando el desplazamiento de concentrado que se adhiere a la superficie del hielo. Como se ilustrad en la Figura 1C, el líquido de lavado puede alimentarse a la columna de cristalizador-lavado 6 a través de la corriente 12, en donde la corriente 12 está ubicada en un punto por encima de la ubicación de alimentación de la mezcla acuosa, en donde el hielo y el medio de flotación se han separado suficientemente del concentrado. El contacto y la mezcla de la suspensión con el fluido de lavado puede así desplazar los contaminantes residuales, adherentes u ocluidos, que luego se desplazan hacia abajo a través de la columna de cristalizador-lavado, dando como resultado un producto de agua de pureza más alta.

El líquido de lavado puede estar a una temperatura menor que, o equivalente a, o mayor que la de la suspensión. En algunas realizaciones, el líquido de lavado está a una temperatura ligeramente más alta que la de la suspensión y en algunas realizaciones es más alta que el punto de fusión del hielo, promoviendo así la fusión de una parte del hielo, facilitando la separación de los contaminantes ocluidos o arrastrados de los cristales de hielo. Cuando el líquido de lavado es agua o un líquido más ligero que el agua, el líquido de lavado puede recuperarse con el lodo de hielo a través de la corriente 8, pero si el líquido de lavado es de densidad más alta que el agua puede recuperarse con el concentrado a través de la corriente 10 y puede luego separarse posteriormente, si se desea. Alternativamente, después de la sedimentación de los diversos fluidos de densidad en el fondo de la columna de cristalizador-lavado 6, el concentrado puede recuperarse a través de la corriente 10 y el líquido de lavado puede recuperarse a través de la corriente 14 o viceversa, dependiendo de la densidad del líquido de lavado.

En algunas realizaciones, el enfriamiento o enfriamiento adicional de la mezcla acuosa puede obtenerse mediante el uso de un refrigerante. Por ejemplo, como se ilustra en las Figuras 1E y 1F, pueden alimentarse gas natural licuado u otros refrigerantes o mezclas de refrigerantes a través de la línea de flujo 16 al cristalizador 6. Aunque se ilustra combinado con el medio de flotación, el refrigerante puede adicional o alternativamente alimentarse directamente al cristalizador 6. La expansión del refrigerante y el contacto de la mezcla acuosa en el cristalizador 6 con el refrigerante expandido y el medio de flotación puede reducir pues la temperatura de la mezcla acuosa por debajo de su punto de congelación. En tales realizaciones, el refrigerante expandido puede recuperarse junto con la suspensión del hielomedio de flotación a través de la línea de flujo 8, Figura 1E. Alternativamente, como se ilustra en la Figura 1F, la parte superior de la columna de cristalizador-lavado 6 puede incluir una zona de desgasificación, permitiendo la recuperación del refrigerante expandido a través de la línea de flujo 18. El procesamiento corriente abajo de la suspensión puede también necesitar incluir desgasificación adicional para permitir la separación del refrigerante arrastrado.

Como se ha descrito anteriormente con respecto a las Figuras 1A-1F, se pueden usar diversos métodos para congelar una parte del agua de una mezcla acuosa, en donde cada uno recupera ventajosamente el hielo como una suspensión con el medio de flotación. Aunque no se ilustra, pueden usarse diversos procesamientos corriente arriba y corriente abajo para facilitar la recuperación de una corriente de producto de agua purificada, incluyendo tanques de contención y bucles de recirculación para promover la nucleación e incrementar el tiempo de residencia para el crecimiento del cristal, lavado de la suspensión para eliminar los contaminantes adherentes u ocluidos, fusión del hielo para formar una fracción acuosa que comprende agua (por ejemplo, agua purificada o agua de una pureza más alta que la mezcla acuosa alimentada), separación del agua o fracción acuosa el medio de flotación, enfriamiento del medio de flotación o la mezcla acuosa alimentada, reciclado del producto de agua o medio de flotación como un líquido de lavado, filtración corriente arriba, desgasificación u otro procesamiento de la mezcla acuosa alimentada y procesamiento del concentrado. Otros diversos procesos corriente arriba y corriente abajo que pueden usarse comúnmente para equipos de purificación de agua pueden usarse también. Adicionalmente, el calentamiento del lodo para fundir el hielo puede realizarse junto con el enfriamiento de diversas corrientes de alimentación, ganando mediante esto eficiencia energética para el proceso. Realizaciones de procesos según realizaciones descritas en la presente memoria que incluyen estos elementos adicionales se describen en más detalle a continuación.

Haciendo referencia ahora a la Figura 2, se ilustra un proceso para recuperar agua purificada de una mezcla acuosa según las realizaciones descritas en la presente memoria, donde los números semejantes representan partes semejantes. La corriente de salmuera 20 se alimenta al sistema mediante la bomba 22 y se hace pasar a través de dos intercambiadores en paralelo 24, 26 en donde se enfría, respectivamente, por el agua de producto 28 y el concentrado de producto 10. La salmuera enfriada alimentada en las corrientes de alimentación paralelas 30, 32 resultantes se combinan a la salida de los intercambiadores 24, 26 y la salmuera enfriada alimentada se introduce a la columna de cristalizador-lavado 6 a través de la corriente de alimentación 2.

El medio de flotación se hace circular a través de la corriente de flujo 33 y se enfría previamente por intercambio de calor indirecto con el concentrado del producto 10 en el intercambiador 34 y es bombeado por la bomba 36 a través del evaporador de refrigerante 38 en donde se enfría adicionalmente a una temperatura menor que el punto de congelación de la salmuera. El medio de flotación enfriado se alimenta después a través de la corriente de flujo 4 a la columna del cristalizador-lavado 6 en donde se pone en contacto directamente con la salmuera que fluye hacia abajo.

Se forman núcleos de hielo en el cristalizador 6 al contacto de la salmuera con el medio de flotación enfriado. Hay un gradiente de temperatura marcado entre la parte superior y el fondo del cristalizador 6. La temperatura se incrementa gradualmente de arriba abajo debido al contacto directo e intercambio de calor entre la salmuera alimentada y el medio de flotación frío. El medio de flotación es más ligero que la salmuera y, por consiguiente, asciende mientras que la salmuera fluye hacia abajo. En su flujo hacia arriba, el medio de flotación enfría la salmuera entrante. A medida que se forma el hielo, la concentración de la salmuera se incrementa y el punto de congelación cae gradualmente a medida que la salmuera desciende hacia el fondo del cristalizador 6. El medio de flotación que fluye hacia arriba barre las plaquetas y cristales de hielo hacia arriba debido a que son más ligeras, ya sea que la salmuera o el medio de flotación. Las plaquetas y cristales de hielo crecen mientras que ascienden y se ponen en contacto con la salmuera entrante. En la parte superior de la columna de cristalizador-lavado 6, el medio de flotación y el lodo de hielo entran a la cámara de sedimentación 6A diseñada para obtener la separación satisfactoria del hielo de la salmuera adherente. En algunos diseños, puede ser recomendable lavar el lodo de hielo con una corriente de agua de producto reciclada para desplazar mejor cualquier de sal adherente residual. El medio de flotación y el hielo salen de la cámara de sedimentación 6A a través de la línea de flujo 8 como una suspensión y se alimentan al condensador de refrigerante primario 40.

La salmuera fría concentrada sale de la cámara de sedimentación 6B, diseñada para obtener una separación de fases satisfactoria de la salmuera concentrada del medio de flotación. El concentrado se recupera después a través de la corriente de flujo 10 y se somete a intercambio de calor contra el medio de flotación y la salmuera alimentada en los intercambiadores 34, 26 como se ha descrito anteriormente.

El medio de flotación y lodo de hielo que salen de la cámara de sedimentación 6A fluyen a través del condensador de refrigerante primario 40. El hielo se funde mediante intercambio de calor con el refrigerante que se condensa parcialmente. El medio de flotación y el agua helada fundida fluyen después a través de la corriente de flujo 42 al separador 44, en donde se permite que el medio de flotación y el agua se separen en dos capas líquidas en base a la densidad, siendo el medio de flotación más ligero que el agua. El agua separada puede recuperarse después como producto a través de la línea de flujo 28 y hacerse pasar a través del intercambiador 24 como se ha descrito anteriormente. El agua recuperada también se puede hacer pasar a través de carbono activado en el recipiente 46, donde se elimina cualquier traza del medio de flotación que puedan haber sido arrastradas por el producto de agua, dando como resultado una corriente de producto de agua purificada 48. El medio de flotación puede recuperarse del separador 44 a través de la corriente de flujo 33 y hacerse pasar a través del intercambiador 34, la bomba 36 y el intercambiador 38 como se ha descrito anteriormente.

El condensador del refrigerante primario 40 condensa parcialmente el refrigerante circulante y funde el hielo en el lodo del medio de flotación-hielo. El refrigerante se recoge en el tanque de almacenamiento de refrigerante 50, donde se separan el líquido y los vapores de refrigerante. Los vapores del refrigerante no condensados salen del tanque de almacenamiento del refrigerante 50 a través de la línea de flujo 52 y se comprimen en el compresor de refrigerante secundario 54, se condensan en el condensador de refrigerante secundario 56 y se devuelven como liquido al tanque de almacenamiento de refrigerante 50 a través de la línea de flujo 58. El aire, agua de enfriamiento o cualquier otro fluido apropiado, tal como salmuera de desperdicio, puede ser el medio de enfriamiento en el condensador del refrigerante 56. El refrigerante líquido fluye desde el tanque de almacenamiento del refrigerante 50 al evaporador del refrigerante 38 para enfriar el medio de flotación como se ha descrito previamente. El compresor del refrigerante primario 62 eleva la presión de los vapores del refrigerante que salen del evaporar de refrigerante 38 a una presión suficientemente alta para permitir la condensación parcial del refrigerante en el condensador de refrigerante primario 40, fundiendo de esta manera el hielo en el lodo del medio de flotación-hielo como se ha descrito previamente.

La configuración mostrada en la Figura 2 es solamente una de las muchas configuraciones de diseño que utilizan un medio de flotación para obtener agua potable mediante congelación de salmuera y recuperación del hielo como una suspensión con el medio de flotación. También pueden usarse diferentes equipos y diferentes disposiciones de equipo para maximizar la eficiencia termodinámica del proceso y optimizar el coste del sistema como función de la capacidad o la facilidad de operación, como pueden contemplar más fácilmente los expertos en la materia, algunos de los cuales pueden resumirse por los procesos descritos posteriormente en la presente memoria.

Haciendo referencia ahora a la Figura 3, se ilustra un proceso para la recuperación de agua purificada de una muestra acuosa según las realizaciones descritas en la presente memoria, donde los números semejantes representan partes semejantes. En esta realización, la refrigeración y el enfriamiento del medio de flotación se proporciona mediante intercambio de calor directo con un refrigerante, tal como gas natural licuado (LNG), y se procesa a través de la columna de cristalizador-lavado 6 similar a aquella descrita anteriormente para la Figura 1E. La columna de cristalizador-lavado se hace funcionar a una presión ligeramente más alta que la presión de tubería a la cual se alimenta el LNG vaporizado después de salir de la unidad de purificación de agua a través de la línea 74.

La salmuera alimentada 20 es dividida en dos corrientes y se alimenta a dos intercambiadores de calor en paralelo 24, 26. Las dos corrientes alimentadas se enfrían en los intercambiadores 24, 26, respectivamente, mediante intercambio de calor indirecto con la corriente de concentrado producida 10 y la corriente de agua producto 28. Las corrientes alimentadas enfriadas 30, 32 entran a la columna de cristalizador-lavado 6 a través de la línea de flujo 2. Alternativamente, las corrientes de alimentación 30, 32 pueden alimentarse al cristalizador 6 separadamente, en donde los sitios del punto de entrada pueden depender de la temperatura y concentración de la alimentación.

El LNG se alimenta a través de la línea de flujo 16 y se mezcla con el medio de flotación recirculante en la corriente 4 recuperada del separador 44. Alternativamente, el LNG puede añadirse directamente a la columna del cristalizadorlavado 6 sin mezcla previa con el medio de flotación recirculante, corriente 4. Antes de la mezcla con el medio de flotación reciclado o entrar directamente al cristalizador 6, el LNG puede pasar a través de una válvula de expansión 70. Después de la mezcla, el LNG enfría el medio de flotación. La corriente mezclada entra a la columna de cristalizador-lavado 6 cerca del fondo de la columna pero por encima de la sección de sedimentación 6B, diseñada para permitir la sedimentación de la salmuera concentrada para evitar arrastrar el medio de flotación a medida que sale del fondo del cristalizador 6. El hielo se forma a medida que el medio de flotación enfriado y el LNG se ponen en contacto con la salmuera que fluye hacia abajo dentro del cristalizador 6. El LNG expandido, el medio de flotación y el hielo fluyen hacia arriba a la parte superior de la columna en donde se recuperan a través de la corriente de flujo 8. Alternativamente, el LNG y la suspensión de hielo-medio de flotación pueden recuperarse separadamente como se muestra en la Figura 1F. Después de haber sido lavados con el agua producto del reciclado que se origina del separador 44 y se alimentan a través de la línea de flujo 12 a la columna de cristalizador-lavado 6, la suspensión de hielo-medio de flotación y el LNG vaporizados se alimentan después al intercambiador 40.

El hielo se funde en el intercambiador 40 mediante intercambio de calor contra el agua de enfriamiento o contra cualquier otro medio de intercambio de calor. El hielo fundido, el medio de flotación y el LNG expandido se alimentan después del intercambiador 40 al separador 44 en donde se separan. El LNG expandido se recupera a través de la línea de flujo 74 y puede alimentarse al sistema de tubería. El medio de flotación se recicla a través de la línea de flujo 4 como se ha descrito previamente y el hielo fundido, ahora agua producto, se extrae a través de la corriente de flujo 28. El agua separada puede recuperarse después como un producto a través de la línea de flujo 28 y hacerse pasar a través del intercambiador 24 como se ha descrito anteriormente. El agua recuperada también se puede hacer pasar a través de carbono activado en el recipiente 46, donde se elimina cualquier traza del medio de flotación que pueda haber sido arrastrada con el producto de agua, dando como resultado una corriente de producto de agua purificada 48.

Haciendo referencia ahora a la Figura 4, se ilustra un proceso para la recuperación de agua purificada de una mezcla acuosa según las realizaciones descritas en la presente memoria, donde los números semejantes representan partes semejantes. En esta realización, la refrigeración y enfriamiento del medio de flotación se proporciona mediante intercambio de calor directo con un refrigerante, tal como gas natural licuado (LNG) y se procesa a través del cristalizador 6 similar a aquel descrito anteriormente para la Figura 1F. También puede recuperarse calor adicional por intercambio de calor de la salmuera alimentada 80 para fundir la suspensión de hielo. En tanto que la realización de la Figura 4 puede usarse prácticamente para cualquier mezcla, se describe en la presente memoria con respecto al agua producida recuperada de un sitio de producción de petróleo.

El agua producida clarificada y limpia entra al proceso de purificación de agua a través de la corriente de flujo 80 y se enfría en la unidad de fusión 40 mediante intercambio de calor indirecto, fundiendo el hielo que se origina de la mezcla del medio de flotación-hielo 8 recuperado de la columna de cristalización-lavado 6. El agua producida enfriada alimentada 2 entra al cristalizador 6 en un sitio de punto de entrada por encima del medio de flotación, que puede depender de su concentración y temperatura. Después de la entrada del cristalizador 6, el agua producida fluye hacia abajo mientras que se pone en contacto con el medio de flotación que fluye hacia arriba, gas natural expandido y hielo. Hay un gradiente de temperatura de arriba abajo de la columna. A medida que se forma el hielo, la solución salina residual se vuelve más concentrada a medida que desciende por la columna y su temperatura de congelación disminuye. El LNG y medio de flotación entra al fondo de la columna a través de la línea de flujo 82 en cantidades suficientes para enfriar los fondos a la temperatura eutéctica y a la concentración deseada de los precipitados de sal. La sal y la salmuera son más pesadas que el medio de flotación, el hielo y el LNG expandido. Así, las diversas fases se separan según sus densidades. El LNG expandido, el medio de flotación y el hielo fluyen hacia arriba en el cristalizado 6 y el agua producida concentrada y los precipitados fluyen hacia abajo en el cristalizador 6.

Los precipitados y concentrados se recogen en el sedimentador 6B donde se separa cualquier medio de flotación arrastrado. Una parte de la suspensión recuperada del sedimentador 6B puede recircularse a través de la línea de flujo 84 (utilizando bombas de manipulación de solidos apropiadas no mostradas) para impedir que los precipitados sedimenten de la suspensión. Parte de la corriente circulante sale del sistema como corriente de agua producida concentrada 10 (corriente de concentrado 10).

El LNG expandido sale de lo alto del cristalizador 6 a través de la corriente de flujo 18 para entrar al sistema de tubería después de separarse en la sección 6A de la mezcla de hielo y medio de flotación. El desbordamiento del hielo y medio de flotación se recuperan como una suspensión a través de la corriente de flujo 8 y se alimentan a la unidad de fusión 40 en donde el hielo se funde parcialmente mediante intercambio de calor con el agua producida alimentada entrante. La fusión completa ocurre a medida que pasa a través de la unidad de fusión secundaria 86. El medio de flotación y el hielo fundido entran al separador 44 en donde las fases se separan y se recuperan y procesan de una manera similar a aquella descrita para la Figura 3.

Haciendo referencia ahora a la Figura 5, se ilustra un proceso para la recuperación de agua purificada de una mezcla acuosa según las realizaciones descritas en la presente memoria. En esta realización, la salmuera y el medio de flotación se enfrían para congelar una parte del agua seguido de separación posterior del hielo, salmuera y medio de flotación en contraposición al uso de una columna de cristalizador-lavado.

La salmuera alimentada 90 a temperatura ambiente se mezcla con una corriente del medio de flotación recirculante 92. Las corrientes combinas entran al evaporador 94 en donde la mezcla se enfría a una temperatura menor que el punto de congelación de la salmuera por transferencia de calor indirecta con un refrigerante alimentado a través de la línea de flujo 95. La temperatura en la salida del evaporador 94 (corriente efluente 96) depende de la composición de la salmuera y la cantidad de concentración deseada y puede controlarse para obtener una concentración de salmuera del desperdicio deseada y para promover la formación de cristales y plaquetas de hielo en el evaporador 94.

El refrigerante en el evaporador 94 es parte de un ciclo de refrigeración que consiste en el compresor 97, el compresor primario 98, el condensador de refrigerante parcial 100, el condensador de refrigerante secundario 101 y el tanque de refrigerante 102. Pueden usarse también componentes adicionales en el ciclo de refrigeración, tal como un compresor secundario, un tanque de desgasificación u otro aparato conocido para los expertos en la materia.

El lodo refrigerado de hielo, medio de flotación y salmuera se recupera del evaporador 94 a través de la corriente de flujo 96 y se alimenta al separador de salmuera 104. Ya que tanto el medio de flotación como el hielo son más ligeros que la salmuera, los componentes de la mezcla se separan en capas de densidades relativas diferentes. La capa más pesada en el fondo del separador 104 es la salmuera, recuperada a través de la corriente de flujo 106. El concentrado de salmuera fría en la corriente 106 puede usarse después como refrigerante en el condensador 100 y hacerse pasar a través de un filtro de carbón (no mostrado) para eliminar cualquier medio de filtración arrastrado, recuperándose el producto concentrado de salmuera caliente mediante la corriente de flujo 106.

La(s) capa(s) superior(es) en el separador de salmuera 104, que consiste en el medio de flotación y hielo, se extraen del separador 104 como una suspensión a través de la línea de flujo 108 y pueden dividirse en dos corrientes 110, 112. La corriente de reciclado opcional 110 puede mezclarse con el medio de flotación recirculante en la corriente 92 y mezclarse después adicionalmente con la salmuera alimentada 90 para pre-enfriar la salmuera alimentada. El flujo de la suspensión 112 se hace pasar a través del condensador primario 98, en donde el hielo se funde mediante intercambio de calor con el refrigerante que se condensa. La mezcla de agua-medio de flotación caliente se alimenta después a través de la línea de flujo 114 al separador de producto 116, donde el agua helada fundida y el medio de flotación se separan en dos capas debido a las diferencias en su densidad relativa. Tanto el separador de salmuera 104 como el separador de producto 116 están diseñados con componentes internos y tiempos de residencia apropiados para permitir la separación apropiada de las fases.

El medio de flotación se extrae como la capa superior del separador 116 a través de la línea de flujo 92 y se mezcla con la salmuera alimentada y el reciclado de suspensión, como se ha descrito previamente. El producto de agua purificada, la capa inferior en el separador de producto 116, se recupera a través de la línea de flujo 118, se hace pasar a través del filtro de carbón 120 y se recupera como una corriente de producto a través de la línea de flujo 122.

Haciendo referencia ahora a la figura 6, se ilustra un proceso para recuperar agua purificada de una mezcla acuosa, según las realizaciones descritas en la presente memoria. La salmuera se alimenta a través de la línea de flujo 150 y se mezcla con una corriente de reciclado pequeña 152 (concentrado de salmuera) del separador 154. La corriente resultante se mezcla después con el medio de flotación recirculante alimentado a través de la línea de flujo 156 y la mezcla de salmuera-medio de flotación combinada se alimenta a través de la línea de flujo 158 al cristalizador 160, donde se enfría a una temperatura menor que el punto de congelación de la salmuera.

La mezcla enfriada, parcialmente congelada, se recupera del cristalizador 160 a través de la corriente de flujo 162 y se alimenta al separador 164 en donde se separa en tres capas, es decir hielo, medio de flotación y salmuera concentrada. La salmuera concentrada, la capa inferior, se recupera del separador 164 a través de la línea de flujo 166 y se bombea a través del intercambiador de calor 168 donde se calienta y sale de la unidad de desalinización como corriente de concentrado 170. Las dos capas superiores en el separador 164, medio de flotación y hielo, se recuperan como una suspensión a través de la línea de flujo 172, opcionalmente mezclados con la corriente de reciclado del medio de flotación 174 para elevar ligeramente la temperatura de la mezcla y se alimenta al separador 154. El separador 154 puede proporcionar tiempo de residencia adicional para las sale ocluidas para que se disocien del hielo. Cuando se usa la corriente 174, la pequeña elevación de temperatura puede provocar que se funda algo del hielo, facilitando la disociación de las sales ocluidas. En el separador 154, la mezcla se separa otra vez en tres capas agua/salmuera, medio de flotación y hielo. El agua/salmuera se extrae del fondo del separador 154 a través de la línea de flujo 152 y se mezcla con la salmuera de alimentación, enfriando previamente la salmuera por intercambio de calor directo. Las dos capas superiores en el separador 154, medio de flotación y hielo, se recuperan como una suspensión a través de la línea de flujo 176 y se alimentan al condensador del refrigerante 178, donde el hielo se funde y el refrigerante se condensa parcialmente.

La mezcla de salmuera alimentada y medios de flotación se enfría en el cristalizador 160 por intercambio de calor indirecto con el refrigerante. Los vapores de refrigerante recuperados del cristalizador 160 a través de la línea de flujo 180 se comprimen y se condensan parcialmente en el condensador 178, fundiendo el hielo. El refrigerante continúa a través de la línea de flujo 182 al intercambiador 168, donde una parte adicional del refrigerante se condensa calentando la salmuera concentrada antes de que salga de la unidad de desalinización a través de la línea de flujo 170. Puede requerirse un condensador secundario posterior 171, enfriado por agua o aire, para completar el ciclo de refrigeración. Puede añadirse un compresor secundario (no mostrado) para comprimir los vapores de refrigerante sin condensar que salen de los condensadores de primera etapa (ya sea 178 o 168) para incrementar la eficiencia del proceso. El líquido refrigerante se recoge en el tanque de refrigerante 184 de donde se envía al cristalizador 160 para enfriar la alimentación entrante para formar hielo.

El hielo fundido y el medio de flotación se recuperan del intercambiador 178 a través de la línea de flujo 186 y se alimentan al separador 188, donde la mezcla se separa en una fracción de agua y una fracción de medios de flotación. El medio de flotación se recupera del separador 188 a través de la línea de flujo 190 y se recicla para mezclarlo con la alimentación de salmuera entrante, como se ha descrito anteriormente. La fracción de agua se recupera del separador 188 a través de la línea de flujo 192, a través del filtro 194 y se recupera como producto de agua 196.

Haciendo referencia ahora a la Figura 7, se ilustra un proceso para recuperar agua purificada de una mezcla acuosa según las realizaciones descritas en la presente memoria, donde los números semejantes representan partes semejantes. En esta realización, la salmuera alimentada y el medio de flotación se procesan de forma similar a la descrita para la Figura 6. En contraposición con un bucle de refrigeración, se usa LNG como refrigerante para proporcionar enfriamiento mediante intercambio de calor indirecto en el cristalizador 160, expandiéndose el LNG alimentado, la línea 200, y recuperándose como corriente de gas natural 202. La capa superior en el separador 164, que consiste en el medio de flotación y lodo de hielo, sale del tanque del separador 164 a través de la línea 172 para entrar al tanque separador 154. En ciertas circunstancias, un torbellino caliente 174 puede mezclarse antes de entrar al separador 154. Adicionalmente para esta realización, se proporciona un sistema de válvula 198 para permitir el reciclado de la suspensión fría de lodo de hielo y medio de flotación del separador 164 para pre-enfriar adicionalmente la salmuera alimentada. Un fin adicional del bucle de recirculación es insertar núcleos en las corrientes de alimentación al cristalizador 160, para promover el crecimiento de cristales y proporcionar residencia adicional, según se requiera por las características físicas de la corriente de alimentación salina. Aunque no se menciona específicamente, tal bucle de recirculación puede ser parte de todos los diseños y se requerirán bombas adicionales (no mostradas). En condiciones de temperatura ambiente normales, la salmuera entrante alimentada, corriente 150, puede no estar suficientemente caliente para fundir en el intercambiador 178 todo el hielo producido en la unidad de proceso. Así pues, puede requerirse un intercambiador adicional 179 después del intercambiador 178 para fundir todo el hielo.

Haciendo referencia a la Figura 8, se ilustra un proceso para recuperar agua purificada de una mezcla acuosa según las realizaciones descritas en la presente memoria. El flujo de corriente de agua de mar 250 entra a la unidad de desalinización en el intercambiador de calor 252. El agua de mar alimentada se enfría en el intercambiador 252 por el agua producto, la corriente de flujo 254 y después se enfría adicionalmente mediante intercambio de calor con la corriente de salmuera de desperdicio que fluye hacia fuera 256 en el intercambiador 258. La corriente de alimentación enfriada entra entonces al cristalizador 260 donde se enfría por contacto directo con el propano que se evapora, que entra al cristalizador 260 a través de la línea de flujo 262. La salmuera y la suspensión de hielo salen del cristalizador 260 a través de la línea 264 y entran a la columna de lavado 266 en un sitio que puede ser dependiente de la concentración de sal de la salmuera y contenido de hielo. Dentro de la columna de lavado 266, la mezcla entrante se pone en contacto con el medio de flotación que fluye hacia arriba que arrastra los cristales de hielo contenidos en la corriente de alimentación entrante 264. La salmuera que tiene una densidad más alta tanto que el medio de flotación como que el hielo, fluye hacia abajo y sale del punto de la columna de lavado 266 y se alimenta mediante la bomba 268 al intercambiador de calor 258, donde enfría la alimentación entrante, como se ha descrito previamente. Después de salir del intercambiador 258, la salmuera sale de la unidad de desalinización.

Dentro de la columna de lavado 266, el medio de flotación que fluye hacia arriba que transporta el hielo se lava con una corriente de agua purificada que se introduce a la parte superior de la columna de lavado 266 a través de la línea de flujo 270. El medio de flotación y el hielo lavado se recuperan de la parte superior de la columna de lavado como una suspensión y se alimentan mediante la bomba 272 a la unidad de fusión 274 en donde el hielo se funde contra los vapores de propano que se condensan. El hielo fundido (agua y medio de flotación) salen del condensador 274 a través de la línea de flujo 276 y entran al separador 278, en donde el agua y el medio de flotación se separan en dos fases debido a su inmiscibilidad y diferencia de densidad. La fase inferior es agua, ahora purificada, mientras que la fase superior es el medio de flotación.

La fase inferior en el separador 278, agua producto, sale mediante la bomba 280 a través del intercambiador 252 donde enfría la alimentación entrante, como se ha descrito previamente. Después de salir del intercambiador 252 se dirige un torbellino 270 a la parte superior de la columna de lavado 266 donde lava el hielo que fluye hacia arriba como se ha descrito previamente. El resto de la corriente de agua de producto sale de la unidad de desalinización a través de la línea 282 como agua producto.

La fase superior en el separador 278 es el medio de flotación. Sale del separador 278 mediante la bomba 284. Un torbellino del medio de flotación, corriente de flujo 286, se combina con la suspensión de flotación de hielo que entra en la unidad de fusión 274, y la corriente del medio de flotación restante se alimenta a través de la línea de flujo 288 al fondo de la columna de lavado 266, en donde asciende, poniéndose en contacto con el flujo descendente de salmuera como se ha descrito previamente.

El propano vaporizado en el cristalizador 260 sale del recipiente y se comprime en el compresor de propano primario 290 que alimenta los vapores de propano ahora presurizados a la unidad de fusión 274 en donde estos vapores se condesan parcialmente. Los vapores sin condensar restantes se comprimen adicionalmente en el compresor secundario 292, de donde se introducen al condensador secundario 294 y se condensan en el mismo mediante intercambio de calor contra el agua de enfriamiento. El propano condensado que se origina del condensador secundario 294 y unidad de fusión 274, se combinan en la corriente de flujo 262 y se alimentan al cristalizador 260, como se ha descrito previamente.

Además de las realizaciones descritas anteriormente, variaciones de estas realizaciones, así como otras realizaciones, pueden ser también contempladas fácilmente por los expertos en la materia para adaptarse a las condiciones y requerimientos especiales de cualquier caso particular y tomar ventaja de las eficiencias térmicas, eficiencias de separación, cumplir con requerimientos de calidad de agua de producto o concentrado y otras optimizaciones. Por ejemplo, pueden usarse compresión de multi-etapas, filtración o tratamiento corriente arriba de la salmuera alimentada, envasado, malla o diseño de separador/zona de sedimentación optimizados, entre otros. Adicionalmente, las realizaciones descritas anteriormente son diagramas de flujos de procesos simplificados y el experto en la materia entenderá fácilmente que parte del equipo, tales como bombas, válvulas y sistemas de control, entre otros equipos comunes, no se ilustran.

Las realizaciones de las Figuras 3 y 4, o realizaciones similares, pueden emplearse ventajosamente al ubicar la planta de purificación de agua próxima a una terminal de LNG o plantas de recorte pico. En tales sitios, los costes de energía para congelación se eliminarían y la utilización de vaporización de LNG se beneficiara igualmente al evitar los costes para vaporizar el LNG. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 9, se compara un valor estimativo del consumo de energía para realizaciones que usan vaporización de LNG con el de una realización sin vaporización de LNG. Debido a las temperaturas criogénicas que se pueden obtener con la fabricación de LNG, el coste para recuperación de agua es esencialmente constante, sin consideración de las temperaturas de congelación empleadas.

En general, el grado de elementos de conservación de energía incorporados a las realizaciones descritas en la presente memoria puede depender del tamaño y fin de la planta. La proporción de beneficio de ahorros frente al coste de equipo adicionales pueden ser un factor determinante. Unidades pequeñas, unidades portátiles o tipo recipiente y, en alguna extensión, unidades de tamaño intermedio, pueden diseñarse más por conveniencia que por su eficiencia energética. Las unidades de relativamente pequeña capacidad y salida de volumen que no producen agua en una base continua, tal como durante transporte entre sitios, por consiguiente, pueden no incorporar elementos que sí requieren las plantas grandes que producen cantidades másicas de agua en una base continua. Para estas plantas más grandes, los ahorros de energía pueden ser de mayor importancia. Así, los diseños empleados según las realizaciones descritas en la presente memoria pueden reflejar los deseos de los usuarios y variaran extensamente entre sí.

Como se ha mencionado brevemente en lo anterior, las realizaciones para purificación de agua según las realizaciones descritas en la presente memoria pueden estar en recipientes, de tal manera que el sistema de purificación de agua puede transportarse entre ubicaciones, tal como de un sitio de preparación o producción de petróleo a otro o de un área de recuperación de desastres naturales a otra. Los sistemas en recipientes pueden estar contenidos dentro de un solo módulo o múltiples módulos, tales como recipientes de transporte de 6 metros (20 pies) o 12 metros (40 pies) (por ejemplo, recipientes de transporte de 6 metros (20 pies) son comúnmente 6,1 m x 2,4 m x 2,9 m (aproximadamente 20 pies de largo x 8 pies de ancho por 9,5 pies de alto) (aproximadamente 43 m3 (1520 pies cúbicos)) y los recipientes de transporte de 12 metros (40 pies) son comúnmente de 12,2 m x 2,4 x 2,9 m) (40 pies de largo por 8 pies de ancho por 9,5 pies de alto) (aproximadamente 85 m3 (3040 pies cúbicos)), pero pueden variar un tanto de estas dimensiones). Los sistemas en recipiente pueden incluir sus propios sistemas de control, fuentes de energía, fuentes de energía de respaldo y otro equipo que puede ser específico para el sistema y/o puede estar configurado para conectarse o interactuar con corrientes de flujo externas, sistemas de control y/o sistemas de energía.

Los medios de flotación útiles en realizaciones las descritas en la presente memoria, como se ha indicado anteriormente, pueden tener una densidad en el intervalo de aproximadamente 0,88 a aproximadamente 0,97 g/cm3; de aproximadamente 0,88 a aproximadamente 0,95 en otras realizaciones y de aproximadamente 0,88 a aproximadamente 0,92 en otras realizaciones más. Estas densidades, así como las viscosidades del fluido, son relevantes a las temperaturas de operación usadas comúnmente en las unidades de cristalización descritas anteriormente y a continuación, y pueden variar fuera de este intervalo a temperaturas mayores, tal como que se pueden usar para separaciones corriente abajo y/o en condiciones ambientales.

Los medios de flotación útiles en las realizaciones descritas en la presente memoria pueden incluir diversos hidrocarburos parafínicos saturados o insaturados, cicloparafínicos y aromáticos, incluyendo cloro- y fluoro- carbonos, esteres de ácido graso, aceites orgánicos y sintéticos o lubricantes, fluidos base sintéticos de baja temperatura tales como, entre otros, ésteres derivados tanto de materias primas naturales como petroquímicas y otros compuestos inmiscibles con o de muy baja solubilidad en agua (por ejemplo, menos de 0,1% en peso de solubilidad). Ejemplos de medios de flotación pueden incluir: aceites orgánicos tales como aceites de maíz y aceites de ricino; aceites o lubricantes sintéticos, tales como UCON Lubricant LB-65, disponible de Dow Chemical Company (Midland, MI); hidrocarburos parafínicos saturados e insaturados, cicloparafínicos y aromáticos, hidrocarburos que incluyen aromáticos tales como xileno, benceno, etilbenceno y aromáticos superiores tales como bifenilos, bifenilos clorados y polifenilos clorados (arocloros). Pueden usarse también mezclas de diversos medios de flotación para obtener un medio de flotación que tiene propiedades deseadas, tales como punto de fusión, viscosidad, capacidades térmicas, coste y disponibilidad.

Refrigerantes útiles en las realizaciones descritas en la presente memoria pueden incluir LNG, LNG expandido, etano, propano, butanos, pentanos o hidrocarburos insaturados tales como etileno, propileno, butano u otros gases licuados e isómeros de los mismos, así como cloro- y fluoro-hidrocarbonos que tienen aproximadamente 1 a aproximadamente 5 átomos de carbono, nitrógeno líquido, dióxido de carbono líquido u otros gases comprimes licuados o mezclas de gases y otros medios de transferencia de calor usados comúnmente en la técnica para obtener enfriamiento de una corriente de alimentación a temperaturas en el intervalo de aproximadamente -100°C a aproximadamente 0oC, cubriendo el intervalo temperaturas eutécticas para diversos sistemas binarios de sal-agua como se muestra en la Figura 10.

Las temperaturas de operación en la zona de cristalización pueden estar en el intervalo de aproximadamente -100°C o menor a aproximadamente 0oC, tal como en el intervalo de aproximadamente -65°C a aproximadamente -10°C. Las temperaturas de congelación empleadas pueden ser dependientes de la composición de la mezcla acuosa, recuperación de agua deseada (eficiencia del proceso) y costes, entre otros factores.

Con respecto a la recuperación de agua, ya que el agua no se congela por encima de aproximadamente 0oC, la recuperación de agua a o aproximadamente 0oC será muy mínima debido a la formación mínima de hielo. A medida que disminuye la temperatura del sistema, la fabricación de hielo se incrementará, mejorando así los porcentajes de recuperación de agua.

Con respecto a la composición de la mezcla acuosa, las temperaturas de congelación empleadas comúnmente no estarán por debajo de la temperatura eutéctica de la salmuera concentrada que puede cambiar durante la cristalización (formación de hielo durante la etapa de congelación). Se pueden usar temperaturas más bajas, pero pueden dar como resultado sal ocluida adicional, lo que es indeseable.

Un ejemplo de operación de realizaciones de los procesos descritos en la presente memoria y sus dependencias de la composición de la mezcla acuosa se presenta en las Figuras 11-15. La Figura 11 ilustra un diagrama de fases binario para una solución de agua-cloruro de sodio. Una solución de sal saturada que tiene un contenido de sal y temperaturas como se indica por el punto A, puede enfriarse según las realizaciones descritas en la presente memoria a su punto de congelación, dando como resultado una solución saturada (punto B). El enfriamiento adicional por debajo del punto de congelación de la mezcla acuosa da como resultado la formación de hielo y concentración de sal en la salmuera (que se mueve del punto B al punto C). El enfriamiento adicional da como resultado la formación de hielo adicional y concentración adicional de la salmuera, moviéndose del punto C hacia al punto D, donde se alcanza el punto eutéctico para los sistemas de cloruro de sodio-agua, aproximadamente -21,1 °C (aproximadamente -6°F) y aproximadamente 23,3% en peso de cloruro de sodio (76,7% en peso de agua).

La eliminación de calor adicional después de llegar a la temperatura eutéctica no reducirá la temperatura de la mezcla. La temperatura permanecerá constante hasta que toda el agua en la mezcla se haya convertido en hielo. Cuando se opera a la temperatura eutéctica, la velocidad de eliminación de calor debe ser relativamente lenta, puesto que el enfriamiento rápido puede dar como resultado la formación de hielo que tiene mayor abundancia de sal ocluida, haciendo más difícil recuperar el agua pura. A la velocidad apropiada de eliminación de calor y en presencia de un medio de flotación que tiene las características físicas requeridas para operación a la temperatura eutéctica, la sal caerá de la solución (cristalizará) simultáneamente con la formación de cristales de hielo y el medio de flotación separará los cristales de hielo de los cristales de sal. Esta separación ocurrirá debido a las diferencias en las densidades, flotando hacia arriba el hielo, que es más ligero, y siendo arrastrado por el medio de flotación que se eleva, mientras que los cristales de sal, al ser más pesados tanto que el medio de flotación como que el concentrado de salmuera restante, se hundirán hacia el fondo del cristalizador. Se debe tener mucho cuidado con respecto a la velocidad de eliminación de calor para evitar solidificar toda la masa. Se debe dejar Suficiente salmuera concentrada y/o medio de flotación en el fondo del cristalizador con el fin de evitar una masa sólida y mantener los cristales de sal en un medio fluido. En algunas realizaciones, el enfriamiento puede aplicarse para alcanzar una suspensión que consiste de 20% en peso a 30% en peso de cristales de sal (precipitados) en 70-80% de líquido (salmuera concentrada y liquido de flotación) permitiendo así el bombeo y manipulación convencional de la suspensión de sal.

Se calcularon los costes para recuperación de agua y eficiencias de recuperación de agua como función de la temperatura de operación (y, por consiguiente, la composición de salmuera concentrada). La Figura 12 ilustra el consumo de energía como función de la composición del concentrado de salmuera. La Figura 13 ilustra el porcentaje de recuperación de agua pura como función de la temperatura de congelación entre el punto de congelación del agua (0o) y el punto eutéctico de la composición (-21,1°C (-6°F)). La Figura 14 ilustra el porcentaje de recuperación de agua pura como función de la composición del concentrado de salmuera.

Como se muestra en la Figuras 13 y 14, el porcentaje de recuperación de agua llega a aproximadamente 85% cuando se aproxima a la temperatura eutéctica. Es posible la recuperación de agua adicional, pero supone mayores complejidades de operación. Sin embargo, el incremento adicional del porcentaje de recuperación de agua pura requiere solo incrementos menores en el consumo de energía unitario, como se ilustra en la Figura 15.

Como un ejemplo de los beneficios que pueden obtenerse utilizando procesos según las realizaciones descritas en la presente memoria, las instalaciones de perforación y producción de petróleo generan grandes cantidades de salmuera o agua producida como producto secundario. El Instituto del Petróleo Estadounidense estimó en 1987 que, en promedio, cada barril de petróleo producido genera un producto secundario de aproximadamente siete barriles de agua producida. Otras fuentes de agua producida pueden incluir agua producida por metano de lecho de carbón, aguas de desperdicio de minería y otras. La manipulación de corrientes de agua producida es pues importante para la industria, y puede tener un impacto significativo tanto sobre los costes como también sobre el medio ambiente.

La producción de agua purificada a partir de corrientes de agua producida puede dar como resultado un impacto ambiental disminuido, como contempla fácilmente un experto en la materia. Además, la norma industrial es transportar en camión el agua producida lejos del sitio para desecho o procesamiento alternativo. Las realizaciones descritas en la presente memoria pueden reducir significativamente los costes en transporte de camión y desecho debido a la disminución resultante en las cantidades residuales de agua, reduciendo la cantidad de agua de desperdicio producida. Los porcentajes de recuperación de agua mostrados en la Figura 12-15 serían equivalentes a la reducción en volumen de transporte en camión que podrían obtenerse y los ahorros posibles realizables, por ejemplo, ilustrados en la Figura 16. La corriente de agua resultante puede ser pues tan baja como el 5% del volumen original, proporcionando así grandes ahorros de costes de transporte.

Como se ha indicado anteriormente, la adherencia de la salmuera a los cristales de hielo ha sido el principal impedimento al uso de la desalinización por congelación para la producción de agua potable. Este nuevo proceso de separación de hielo-salmuera descrito en la presente memoria resuelve el problema de recogida de hielo de hace mucho tiempo de la desalinización. Las ecuaciones de balance de masa, detalladas a continuación, muestran la posibilidad de obtener agua potable aun cuando la salmuera se adhiere a los cristales de hielo. Puede obtenerse agua potable en una columna de flujo a contracorriente que sirve como congelador, utilizando reflujo de hielo fundido (agua como líquido de lavado). En base a estas ecuaciones, la Figura 17 permite la eliminación del número de unidades de transferencia teóricas requeridas para alcanzar la concentración deseada de las corrientes de producto. Este número teórico es importante, ya que ayuda a determinar el efecto de cambiar las especificaciones de producto sobre la altura de la columna (diseño apropiado de columnas de cristalizador o separadores de salmuera-medio de flotación según las realizaciones descritas en la presente memoria). También ayuda a determinar la ubicación óptima en la columna para la introducción de la alimentación de solución salina.

La nomenclatura para lodo, cristales de hielo, salmuera adherente, alimentación, agua de producto y salmuera de desperdicio de rechazo y la concentración de sales se define por las siguientes abreviaturas:

subíndices:

ab se refiere a salmuera adherida

b se refiera a salmuera

f se refiere a alimentación

i se refiere a cristal de hielo

p se refiere a producto de agua

s se refiere a lodo

w se refiere a salmuera de desperdicio rechazada letras mayúsculas W denota masa

S denota lodo de masa

C denota concentración de sal

Si la proporción de salmuera adherida al hielo es

W„h = A Wi _ A _ (2 )

La fracción de masa de salmuera adherida en el lodo es Wab+W¡ AWi+Wj A+ 1

La masa total en el lodo es SCs = WiCi+AWiCb (3)

Puesto que los cristales de hielo están libres de sal C i — 0

Por consiguiente SCs = AWiCi, (4)

Cs = AWiCh (5) y s

Puesto que S= Wab+Wi (6)

Sustituyendo (1) en (6) S= AWi+Wi= Wi(A+ 1) (7)

sustituyendo (7) en (5) Cs= [A/(A+l)]Cb (8)

La Figura 17, en línea con la materia objeto reivindicada, es un gráfico de la Ecuación (8). Muestra la concentración de sal del lodo para cualquier concentración de salmuera como función de A, la proporción de salmuera que se adhiere al cristal de hielo. El número requerido de unidades de transferencia teóricas NTU, se obtiene al ubicar en la abscisa, para cualquier conjunto de condiciones, el valor de la concentración del efluente de salmuera de desperdicio. La última se calcula de la recuperación deseada de agua potable. La concentración de sal del lodo resultante, se lee al proceder verticalmente hasta la línea C^s . Moviéndose horizontalmente a la izquierda en la intersección con la línea C^b está la concentración de salmuera en la segunda unidad de transferencia. Al continuar moviéndose entre las dos líneas, se alcanza la pureza de agua producto deseada, siendo el número de etapas igual a las NTU.

La altura real de una unidad de transferencia puede obtenerse experimentalmente y puede depender de la composición de la salmuera (la sal o mezcla de sales u otros contaminantes en el agua). La altura de una unidad de transferencia puede depender también de factores tales como la proporción de medio de flotación a hielo, proporción de agua de lavado a salmuera de alimentación, velocidad de nucleación, agitación y, además, diseño del equipo. También se observará que la proporción de adherencia de salmuera puede determinarse durante las operaciones de la columna, en base a la pureza del agua recuperada, también como otros factores relevantes como puede contemplar fácilmente un experto en la materia.

Utilizando los cálculos anteriores, se puede diseñar pues una columna dimensionada apropiadamente para purificar agua según las realizaciones descritas en la presente memoria. Por ejemplo, el diseño y construcción según las realizaciones descritas en la presente memoria incluyen una o más de las siguientes etapas:

(a) determinar la proporción de adherencia de la salmuera al hielo para una mezcla acuosa dada, que puede ser función de uno o más de la composición de la mezcla acuosa, velocidades de congelación, velocidad de alimentación del medio de flotación, temperatura de alimentación del medio de flotación, medio de flotación, temperatura de alimentación de la mezcla acuosa, velocidad de alimentación del medio acuoso, temperatura del agua de lavado y velocidad del agua de lavado entre otros factores;

(b) calcular el número de unidades de transferencia teóricas para dar como resultado una pureza de agua deseada para la mezcla acuosa, como se ha detallado anteriormente de acuerdo con la materia objeto reivindicada;

(c) determinar la altura de una unidad de transferencia teórica para la mezcla acuosa;

(d) diseñar o construir un proceso de purificación de agua utilizando una o más columnas de flujo a contracorriente según las realizaciones descritas en la presente memoria (tal como se muestra en las Figuras 1A-1F) que tienen una altura o altura combinada equivalente o dentro del 20% de la altura determinada multiplicada por el número de unidades de transferencia teóricas.

Alternativamente, se pueden adaptar las operaciones de una columna existente a una mezcla acuosa particular. Por ejemplo, un sistema en recipiente según las realizaciones descritas en la presente memoria puede transportarse al sitio. La columna y operaciones de columna pueden configurarse después en el sitio en base a las propiedades de la mezcla acuosa, los porcentajes de recuperación de agua deseados, la pureza del agua y otros factores. En algunas realizaciones, la optimización de operación para sistemas según las realizaciones descritas en la presente memoria puede incluir una o más de las siguientes etapas:

(a) determinar la proporción de adherencia de la salmuera al hielo para una mezcla acuosa dada, que puede ser función de uno o más de la composición de la mezcla acuosa, velocidades de congelación, velocidad de alimentación del medio de flotación, temperatura de alimentación del medio de flotación, medio de flotación, temperatura de alimentación de la mezcla acuosa, velocidad de alimentación del medio acuoso, temperatura del agua de lavado y velocidad del agua de lavado, entre otros factores;

(b) calcular el número de unidades de transferencia teóricas para dar como resultado una pureza de agua deseada para la mezcla acuosa, como se ha detallado anteriormente de acuerdo con la materia objeto reivindicada;

(c) determinar la altura de una unidad de transferencia teórica para la mezcla acuosa;

(d) determinar una ubicación (altura) de alimentación para la mezcla acuosa y/o el medio de flotación, en base a uno o más de la altura determinada, la proporción de adherencia de salmuera determinada, el numero calculado de unidades de transferencia teóricas, concentración de suspensión de concentrado deseada, pureza de agua deseada, porcentaje de recuperación de agua deseada, temperatura de congelación, temperatura del medio de flotación mínima y temperatura eutéctica de la mezcla, entre otros;

(e) ajustar la temperatura del medio de flotación y/o el agua de lavado en base a la proporción determinada de la adherencia de salmuera;

(f) ajustar el caudal del agua de lavado, el medio de flotación y la salmuera en base a la proporción determinada de la adherencia de salmuera.

El ajuste de las condiciones durante el proceso de congelación, tal como en las etapas (e) y (f) puede proporcionar la formación ventajosa de una estructura cristalina de hielo deseada. A su vez, la formación de la estructura cristalina de hielo deseada puede usarse para minimizar la adhesión de salmuera y lograr la eficiencia global del proceso. El desplazamiento del concentrado adherente de la superficie del hielo puede mejorarse también al ajustar o hacer variar la temperatura del líquido de lavado.

Los procesos según las realizaciones descritas en la presente memoria pueden usarse también para recuperar selectivamente diversas sales y metales, tales como aquellos indicados en la Figura 10, entre otros. Los gradientes de temperatura y concentraciones que se pueden obtener utilizando las columnas de flujo contracorriente descritas en la presente memoria pueden permitir la cristalización selectiva de sales o la precipitación selectiva de metales en una o más columnas, disminuyendo gradualmente la temperatura de operación. Para un sistema que tiene dos o más de las sales indicadas en la Figura 10 por ejemplo, el precipitado inicial puede contener una alta pureza de las sales que tienen una temperatura eutéctica más alta y, a medida que disminuye la temperatura de operación, las sales que tienen una temperatura eutéctica más baja pueden precipitar de la solución. Así, el uso de gradientes de temperatura a través de una o más columnas según las realizaciones descritas en la presente memoria, puede proporcionar la recuperación selectiva de sal y/o metal de mezclas acuosas.

Aunque la recuperación de sal selectiva puede emplear ventajosamente dos columnas a contracorriente según las realizaciones descritas en la presente memoria, la eficiencia energética también puede conseguirse utilizando dos o más columnas a contracorriente dentro de las realizaciones descritas en la presente memoria. Congelando parcialmente la solución salina gradualmente en recipientes separados, el sistema puede mejorar la eficiencia energética reduciendo el requerimiento de refrigeración total, reduciendo así el consumo de energía.

Como se ha descrito anteriormente, los sistemas de purificación de agua según las realizaciones descritas en la presente memoria recogen ventajosamente hielo (esto es, agua purificada) como una suspensión con el medio de flotación. La separación del hielo y salmuera de esta manera supera la carga u obstáculos significativos de la recuperación del hielo, mejorando extensamente la viabilidad del proceso de congelación para purificación de agua o formación de concentrados.

Las realizaciones descritas en la presente memoria pueden proporcionar una o más de las siguientes ventajas, en comparación con la destilación y compresión de vapor: ninguna o mínimas superficies de metal de transferencia de calor, bajos diferenciales de temperaturas, menos ineficiencias termodinámicas, ningún problema de corrosión o problemas de incrustación (debido en parte a las operaciones a baja temperatura), ninguno o poco pre-tratamiento de la alimentación.

Las realizaciones descritas en la presente memoria pueden tener también una o más de las siguientes ventajas, en comparación con la destilación y/u ósmosis: baja inversión de capital, bajo consumo de energía, bajos costes de operación, bajo mantenimiento, sin compuestos químicos, baja huella ambiental, sin limitaciones de salinidad en la corriente de alimentación, operaciones continuas y escalabilidad. Los procesos según las realizaciones descritas en la presente memoria pueden construirse en una ubicación permanente o pueden ser unidades montadas en larguero modular, aplicable al uso industrial, agrícola, militar y marino, también socorro en caso de desastres. Pueden proporcionarse también unidades más pequeñas para uso residencial.

En tanto que la descripción incluye un número limitado de realizaciones, los expertos en la materia, teniendo el beneficio de esta descripción, apreciarán que pueden idearse otras realizaciones.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para purificar agua, que comprende:

poner en contacto una mezcla acuosa con un medio de flotación, en donde el medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a la densidad del hielo o hidrato y menor que la densidad de la mezcla acuosa o una salmuera concentrada de la misma en su punto de congelación, y es inmiscible con agua;

reducir la temperatura de la mezcla acuosa a una temperatura que varía entre el punto de congelación de la mezcla acuosa y la temperatura eutéctica de la mezcla acuosa para formar hielo o hidrato y un concentrado que comprende salmuera y cualquier cristal de sal precipitado de la salmuera;

separar las fases por flotación el concentrado a partir del hielo o hidrato y el medio de flotación como una suspensión; recuperar el concentrado; y

recuperar la suspensión, en donde

el proceso comprende, además:

fundir el hielo o el hidrato en la suspensión recuperada de hielo o hidrato y medio de flotación alimentando la suspensión a un sistema de intercambio de calor directo o indirecto para formar una fracción acuosa que comprende agua; y

separar la fracción acuosa del medio de flotación;

en donde el proceso comprende, además:

i. determinar una proporción de adherencia de salmuera al hielo W^ab/W ⁱ, en donde W^ab representa el peso de salmuera adherida al hielo y W ⁱ representa el peso del hielo, para una mezcla acuosa dada como función de uno o más de composición de la mezcla acuosa, velocidades de congelación, velocidad de alimentación del medio de flotación, temperatura de alimentación del medio de flotación, medio de flotación, temperatura de alimentación de la mezcla acuosa, velocidad de alimentación del medio acuoso, temperatura del agua de lavado y velocidad del agua de lavado;

ii. representar la concentración de salmuera adherida en la suspensión como función de la concentración de sal en el concentrado usando la fórmula:

C^s = [(W^ab/W ⁱ)/(W^ab/W ⁱ + 1)] C^b ;

en donde C^s es la concentración de salmuera adherida en la suspensión, y C^b es la concentración de sal en el concentrado,

iii. calcular el número de unidades de transferencia teóricas para dar como resultado una pureza de agua deseada para la mezcla acuosa bajando entre dos líneas,

una primera línea es el gráfico de la concentración de salmuera adherida en la suspensión, Cs, como se obtiene por la fórmula en la etapa (ii) anterior y una segunda línea es la concentración de sal en el concentrado, C^b, cuando C^b = C^s ;

en donde el cálculo comprende:

- ubicar en la abscisa el valor de la concentración del efluente de salmuera residual,

- leer la concentración de sal de la suspensión resultante avanzando verticalmente hasta la primera línea,

- moverse horizontalmente hacia la izquierda en la intersección con la segunda línea para obtener la concentración de salmuera en la segunda unidad de transferencia,

- continuar bajando entre las dos líneas hasta obtener la pureza deseada del agua de producto, correspondiendo el número de etapas para alcanzar la pureza deseada del agua de producto a dicho número de unidades de transferencia teóricas;

iv. determinar una altura de una unidad de transferencia teórica para la mezcla acuosa;

v. determinar una ubicación de alimentación para la mezcla acuosa y/o el medio de flotación, basado en una o más de la altura determinada, la relación de adherencia de salmuera determinada, el número calculado de unidades de transferencia teóricas, la concentración de suspensión de concentrado deseada, la pureza de agua deseada, el porcentaje deseado de recuperación de agua, temperatura de congelación, temperatura mínima de flotación media y temperatura eutéctica de la mezcla;

vi. ajustar una temperatura del medio de flotación y/o el agua de lavado, basado en la relación determinada de adherencia de la salmuera; y

vii. ajustar un caudal del agua de lavado, el medio de flotación y la salmuera, basado en la relación determinada de adherencia de la salmuera.

2. El proceso de la reivindicación 1, que comprende, además:

recuperar el medio de flotación para reciclarlo; y

recuperar la fracción acuosa.

3. El proceso de la reivindicación 1, en donde el medio de flotación tiene una densidad en el intervalo de aproximadamente 0,8 a aproximadamente 1,0 g/cc.

4. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 3, que comprende además lavar la suspensión con un líquido de lavado que comprende al menos uno de agua dulce, la fracción acuosa y medio de flotación, que puede ser el mismo o diferente que el medio de flotación usado en la etapa de contacto.

5. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 3-4, en donde la temperatura de la mezcla acuosa se reduce mediante intercambio de calor directo, intercambio de calor indirecto, o una mezcla de los mismos, por ejemplo con al menos uno de gas natural líquido (LNG), LNG expandido, etano, propano, etileno, propileno y otros líquidos criogénicos, o por evaporación a vacío de parte del agua contenida en la mezcla.

6. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 3-5, en donde el medio de flotación comprende al menos uno de un aceite orgánico, un hidrocarburo parafínico saturado o insaturado, cicloparafínico y aromático, un aceite o lubricante sintético y fluidos base sintéticos de baja temperatura.

7. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1,3-6, que comprende, además:

poner en contacto la suspensión de medio de flotación-hielo con un fluido que tiene una densidad mayor que el medio de flotación o una densidad intermedia entre la del medio de flotación y el concentrado;

desplazar el concentrado adherente u ocluido al concentrado; y

separar las fases de medio de flotación/hielo, el fluido y el concentrado.

8. El proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 3-7, que comprende, además:

poner en contacto el concentrado recuperado con un segundo medio de flotación, que puede ser el medio de flotación, en donde el segundo medio de flotación tiene una densidad mayor que o igual a 0,8 y menor que la densidad del concentrado en su punto de congelación;

reducir la temperatura del concentrado a una temperatura igual a o menor que el punto de congelación del concentrado para formar hielo o hidrato y un segundo concentrado;

separar las fases del segundo concentrado y el segundo medio de flotación;

recuperar el segundo concentrado; y

recuperar el hielo o hidrato y el segundo medio de flotación como una suspensión.

9. El proceso de la reivindicación 8, que comprende, además

formar un precipitado en tanto que se elimina el calor de la mezcla acuosa; y

opcionalmente, formar un segundo precipitado durante la eliminación de calor adicional del concentrado;

en donde el precipitado comprende, por ejemplo, una sal diferente o un metal diferente o mezclas de sal y/o metales que el segundo precipitado.