MXPA06009668A - Aparato para tratar soluciones de alta fuerza osmotica. - Google Patents

Abstract

La presente invencion pertenece a un aparato y metodo para tratar una solucion de alta fuerza osmotica, especialmente agua marina y soluciones de mas de 20 bar de presion osmotica, al pasar la solucion a traves de un recipiente conteniendo elementos de nanofiltracion u osmosis inversa enrollados en espiral. El recipiente contiene al menos tres elementos en serie y al menos dos de estos elementos tienen fluxes especificas estandares que difieren por al menos 50%. La invencion permite que se obtenga una distribucion de flux mas uniforme dentro de un sistema de filtracion, y puede combinarse ventajosamente con variaciones en la construccion de elementos y separadores de alimentacion.

Description

APARATO PARA TRATAR SOLUCIONES DE ALTA FUERZA OSMÓTICA Campo de la invención Esta invención es un aparato y método para tratar una solución de alta fuerza osmótica, especialmente agua de mar, al pasar la solución a través de un recipiente conteniendo elementos de nanofiltración u osmosis inversa embobinados en espiral. Nuestra invención permite una distribución más uniforme de flux dentro del recipiente. Propiedades de desempeño ventajosas comparadas con los métodos convencionales incluyen mayor productividad de recipiente, recuperación incrementada y menor requerimiento para presión aplicada.

Antecedentes La osmosis es el proceso por el cual el solvente pasa a través de una membrna semi-permeable y lo mueve a partir de una solución de baja concentración de soluto a una de alta concentración de soluto, diluyendo el último. En una osmosis inversa (RO), la presión es aplicada al lado de alta concentración de soluto de la membrana y el gradiente de potencial químico que impulsa la osmosis es invertido. El resultado es flujo de solvente a través de la membrana, a partir de alta concentración de soluto a menor concentración de soluto, lo cual produce una solución de solvente purificado. La osmosis inversa es usada ahora comúnmente para crear agua potable a partir de agua de mar. La nanofiltración (NF) es similar a la osmosis inversa ya que la presión aplicada a la membrana supera una diferencia de presión osmótica y fuerza el agua a través de la membrana. Las membranas de nanofiltración son distinguidas por el hecho de que algunas sales se pasan substancialmente, mientras que otras sales son retenidas de manera selectiva. La NF es aplicada más comúnmente a corrientes de alimentación teniendo bajas concentraciones de sales, pero también se ha usado para remover de manera selectiva los componentes a partir del agua de mar. Por ejemplo, US 6508936 describe el uso de NF como un pretratamiento que puede remover ventajosamente los iones de dureza del agua de mar. US 4723603 describe el uso de NF como un medio para reducir iones de sulfato en agua de mar antes de la inyección del barreno hacia abajo. Las membranas de RO y NF comúnmente son configuradas en una serie de elementos enrollados en espiral debido a que tales elementos permiten que se empaque una gran cantidad de área de membrana en un volumen pequeño. La construcción de elementos enrollados en espiral usados en purificación de agua ha sido descrita en la técnica, (ver patentes estadounidenses nos. 5,538,642 y 5,681 ,467). Los elementos enrollados en espiral y recipientes correspondientes están disponibles comercialmente en una variedad de diámetros estándares (por ejemplo, 4.5, 6.3, 10, 15, 20 cm), pero un elemento de un metro de largo con un diámetro nominal de 20 cm es actualmente el estándar para sistemas grandes. Para aplicaciones de agua de mar, cada elemento de diámetro de 20 cm normalmente contiene entre 26.5 m2 (285 ft2) y 35.3 m2 (380 ft2) de área de membrana activa.

La Fig. 1 representa un elemento enrollado en espiral normal. Una o más envolturas de membrana (2) y hoja separadora de alimentación (4) están unidas en un extremo a un tubo de recolección de permeado central (6). Las envolturas (2) comprenden dos hojas de membrana generalmente rectangulares (8) que rodean una hoja portadora permeada (10). Esta estructura "de emparedado" es mantenida junta a lo largo de tres bordes (14, 16, 18), mientras que el cuarto borde (20) de la envoltura (2) colinda con el tubo de recolección de permeado (6), de manera que la hoja portadora de permeado (10) está en contacto de fluido con aberturas (22) en el tubo de recolección de permeado (6). Una hoja separadora de alimentación (4) separa cada envoltura (2). La hoja separadora de alimentación (4) está en contacto de fluido con ambos extremos del elementos (24, 26) y actúa como un conducto para alimentar solución a través de la superficie frontal (28) de la membrana (8). Las hojas separadoras de alimentación y envolturas están enrolladas alrededor del tubo de recolección de permeado, de manera que la estructura forma una forma cilindrica y está colocada en un alojamiento. Durante la operación, la alimentación fluye desde un extremo del alojamiento al otro, sobre la superficie de la membrana. Conforme el agua fluye a través de la película y hacia el tubo de permeado, el soluto se vuelve más concentrado en el agua de alimentación, lo cual puede ser referido como un concentrado o retenido; cuando la corriente de alimentación sale del recipiente de presión, la producción es referida como el concentrado o retenido.

Con el fin de que el elemento enrollado en espiral funcione para osmosis inversa, la corriente de alimentación debe estar bajo presión. Por lo tanto, los elementos enrollados en espiral operan dentro de un recipiente de presión. Normalmente, un recipiente de presión contiene más de un elemento, conectado en serie. Tales recipientes de presión son conocidos en la técnica y son ejemplificados por la patente estadounidense no. 6,074,595 y patente estadounidense no. 6, 165,303. Los recipientes de presión pueden ser combinados adicionalmente en serie o paralelo con otros recipientes de presión para crear un sistema de filtración de membrana. En la aplicación de RO comercial, un sistema de filtración grande puede estar compuesto por más de 10,000 elementos, usualmente distribuidos en recipientes de presión conteniendo 4 a 8 elementos cada uno. Haciendo referencia a la Fig. 3, un recipiente de presión (40) tiene puertos (42, 44) en extremos opuestos (46, 48) para pasar la solución de alimentación hacia el recipiente y remover la solución concentrada. La solución de alimentación fluye desde el elemento líder (50) en el extremo de entrada (46) del recipiente (40), a través de los elementos intermedios (52), hasta el elemento de cola (54) en el extremo de salida opuesto (48) del recipiente. Sellos de salmuera (56) entre los elementos y el recipiente pueden ser usados para prevenir que esta alimentación fluya desde elementos de derivación. Los interconectores (58) usados para conectar los tubos de permeado (6) de elementos adyacentes, y el permeado combinado es removido desde al menos un puerto de permeado (62) en el recipiente (40). Como una alternativa a los interconectores, pueden usarse tapas terminales en los elementos que permitan la conexión directa a elementos adyacentes; tales tapas terminales son descritas en la patente estadounidense no. 6,632,356. Los fabricantes de elementos enrollados en espiral proporcionan diseñadores de sistemas de filtración con límites de operación como líneas de guía para diseño de sistema. Normalmente, un límite superior en presión aplicada, una velocidad de flujo de alimentación máxima, una velocidad de flujo de concentrado mínima y una recuperación máxima (volumen de permeado dividido por volumen de alimentación) para un elemento pueden estar todos especificados. Ver, por ejemplo "Membranes System Design Guidelines for 8-inch FILMTEC™ Elements" (Líneas de guía de diseño de sistema de membranas para elementos FILMTECM R de 20.32 cm), Forma No. 609-21010-702XQRP, FilmTec Corp. , Edina, MN, 12/18/03. El fabricante sugiere límites de operación para un elemento de agua marina FILMTECMR SW30HR-380 incluyendo usar presión aplicada de <69 bar (<1000 psi), velocidad de flujo de <338 m3/d (<62 gpm), y velocidad de flujo de concentrado de >98 m3/d (> 18 gpm). Otros fabricantes han establecido líneas de guía similares, aunque una recuperación de elemento máxima frecuentemente reemplaza las especificaciones de flujo de alimentación y concentrado, y recientemente ha habido un movimiento para permitir mayores presiones aplicadas en sistemas de agua marina. Normalmente, los elementos en un recipiente de presión dado son seleccionados desde el mismo tipo, teniendo las mismas especificaciones de flux, flujo, recuperación y tamaño físico. La alimentación presurizada fluye axialmente a través de cada uno de los elementos, mientras que los tubos de permeado son conectados unos a otros y sellados desde la alimentación. La concentración de soluto en la alimentación aumenta y el flux (velocidad de flujo volumétrico de agua permeada por unidad de área de membrana) disminuye, conforme la alimentación fluye a través de los elementos sucesivos. El flux disminuido resulta en la utilización disminuida de la membrana. El cambio en flux desde la entrada hasta la salida del recipiente de presión también es referido como desequilibrio de flux. El desequilibrio de flux contribuye al ensuciamiento y disminuye la calidad de agua global debido a la polarización en los elementos corriente arriba y flux bajo en los elementos corriente abajo. La Figura 2 ilustra la disminución en flux de elemento enrollado en espiral dentro de un recipiente de presión típico como función aumentando la distancia de una posición de elemento desde la entrada del recipiente de presión. El flux disminuye desde el extremo de entrada del recipiente hasta el extremo de salida conforme el agua rechazada se concentra y la presión osmótica de alimentación aumenta. La disminución en flux en un recipiente de presión es más pronunciada en soluciones con alta presión osmótica, tal como agua de mar. En la osmosis inversa, el flux a través de una membrana es esencialmente proporcionar a una presión de impulso neta. La presión de impulso neta es calculada al substraer tanto la presión de permeado como la diferencia de presión osmótica a través de la membrana de la presión aplicada. En la ausencia de la polarización, la diferencia de presión osmótica a través de membranas altamente rechazadoras es aproximadamente igual a la presión osmótica de la solución de alimentación. Por ejemplo, una solución con una salinidad típica de 3.5%, la presión osmótica en el puerto de entrada (antes del elemento líder) sería aproximadamente 26 bar (aproximadamente 380 psi). Después de que esta solución típica pasa a través de un elemento enrollado en espiral con 40% de recuperación, el concentrado tendría entonces aproximadamente 5.8% de salinidad y la presión osmótica a la salida (después del último elemento) sería aproximadamente 44 bar (aproximadamente 630 psi). El aumento en la presión osmótica para las alimentaciones a elementos sucesivos disminuye dramáticamente la presión de impulso neta y el flux para elementos corriente abajo. Este problema es agravado adicionalmente por la resistencia hidráulica a flujo de alimentación dentro de cada elemento, resultando en una caída de presión abajo del recipiente y tanto la presión osmótica incrementada como la caída de presión contribuyen al desequilibrio de flux; para soluciones de fuerzas osmóticas altas como agua marina, la fuerza osmótica es especialmente importante. Si los diseñadores de sistemas de filtración seleccionan módulos enrollados en espiral para maximizar el flux en el último elemento en un recipiente de presión, las unidades corriente arriba pueden tener un flux mayor que el recomendado por el fabricante. El flux inicial mayor puede acortar substancialmente la vida de un elemento enrollado en espiral debido a ensuciamiento y escamado. El alto flux también promueve la polarización de concentración disminuyendo el rechazo efectivo de la membrana. Sin embargo, el flux menor en los elementos corriente abajo tampoco es deseable, debido a una productividad disminuida; un flux menor significa mayor concentración de soluto en el permeado, y por lo tanto menores recuperaciones. Los fabricantes de elementos proporcionan líneas de guía de operación para elementos enrollados en espiral para usarse para diseñar sistemas de filtración. Normalmente, las líneas de guía incluyen un límite superior en presión aplicada, una velocidad de flujo de alimentación máxima, una velocidad de flujo de concentado mínima, una recuperación máxima (volumen de permeado dividido por volumen de alimentación) y flux máximo. Los elementos en la Tabla 2, a continuación, tienen todos flujos de aproximadamente 23 m3/día (600 gpd) durante una prueba de agua marina típica. Esto es consistente con el rango común de 55-69 bar (800-1000 psi) para operación de agua de mar. Para fuerzas osmóticas típicas, pueden garantizarse 23 m3/día de elemento de agua marina con 32.5 m2 (350 ft2) de área activa para operar a 55 bar (800 psi) con menos de 34 l/m2/h (20 gfd), un límite superior frecuentemente citado para flux. El ensuciamiento con el tiempo y las diferencias en temperatura y fuerza osmótica pueden permitir potencialmente que el mismo elemento permanezca dentro de estos límites incluso a 68.9 bar (1000 psi) o para algunas condiciones incluso 82.7 bar (1200 psi). La relación entre flux y ensuciamiento se ha estudiado y las líneas de guía de flux se basan frecuentemente en el potencial de ensuciamiento de diferentes aguas. Un término común para caracterizar el potencial de ensuciamiento es un índice de densidad de sedimentos (SDI), usado para establecer límites para flux en aplicaciones de agua marina. Un fabricante normalmente ya sea especifica un flux máximo para un tipo de elemento particular, o puede especificar un flux promedio sobre un sistema de purificación de agua donde se usa ese elemento. Además de reducir la producción de permeado, el desequilibrio de flux contribuye a ensuciamiento y disminuye la calidad de agua global debido a la polarización en los elementos corriente arriba y bajo flux en los elementos corriente abajo. Normalmente, los diseñadores resuelven este problema mediante el uso de elementos con bajo flux para aplicaciones de fuerza osmótica alta. Al usar elementos con bajo flux, puede aplicarse alta presión al primer elemento en serie, mientras que el flux de ese elemento es mantenido por abajo del flux máximo recomendado por el fabricante. La presión aplicada relativamente alta permite el cambio en presión osmótica desde el extremo líder del recipiente hasta el extremo de cola a ser mantenido a una fracción relativamente pequeña de la presión de impulso neta inicial. Otro medio para resolver los problemas de desequilibrio de flux ha sido limitar la recuperación de sistemas de agua de mar. Los sistemas de agua de mar convencionales operan con una recuperación de alrededor de 40-45%, de manera que las limitaciones de flux no son excedidas. Si fuera posible una recuperación mayor, menos agua experimentaría pretratamiento, disminuyendo tanto los costos de operación como de capital. Mayores recuperaciones por recipiente pueden reducir los costos para la porción de RO de un sistema al reducir tanto el número de recipientes de presión requeridos y costos de soporte relacionados (por ejemplo, tubería, eléctricos, elementos y recipientes). Además, la recuperación incrementada significaría que menos agua debe ser elevada a alta presión y esto minimiza la pérdida económica de las ineficiencias naturales en recuperación de energía durante la operación. Finalmente, mayores recuperaciones pueden reducir el volumen de descarga de planta. Las recuperaciones que pueden ser obtenidas en un recipiente y los beneficios asociados, han sido limitadas convencionalmente por las amenazas de ensuciamiento en el extremo líder y bajo flujo (tanto para permeado como concentrado) en el extremo de cola. Aumentar el número de elementos dentro de un recipiente proporciona un medio para maximizar la recuperación de ese recipiente, al tiempo que previene el sobre-flux del primer elemento. Sin embargo, un número incrementado de elementos generalmente resulta en que los últimos elementos en un recipiente operen a un flux muy bajo; la calidad de permeado resultane es menor debido a que menos agua pasa a través de estos últimos elementos. Aumentar el número de elementos aumenta la longitud del recipiente de presión y por lo tanto es más adecuado para nuevas instalaciones que instalaciones existentes con recipientes de presión ya en su lugar. Adicionalmente, el costo para tales sistemas es incrementado debido a un mayor número de elementos y la necesidad de recipientes más largos. Otro método para aliviar el impacto de desequilibrio de flux en el desempeño de sistema toma la ventaja de la variabilidad de velocidades de flujo dentro de un tipo de elemento enrollado en espiral. Los diseñadores o fabricantes prueban velocidades de flujo de elemento, clasifican o marcan elementos de acuerdo a flujo y proporcionan un plan de carga que especifica la posición de elementos individuales específicos (por ejemplo, por número de serie) dentro de cada recipiente. Una desventaja para esta aproximación es la labor requerida para probar y clasificar los elementos, y la necesidad de un plan de carga para cada recipiente. La otra desventaja es que solo un tipo de elemento es usado normalmente a lo largo de un proyecto dado, y el rango de velocidades de flujo es limitado a la variabilidad entre elementos individuales. Se han descrito otros métodos para mejorar la economía de agua de mar mientras que se controla el flux de elementos. La patente estadounidense no. 6, 187,200 describe sistemas que comprenden etapas múltiples con retropresión en la primera etapa o un refuerzo inter-etapa entre etapas. Sin embargo, este método requiere costo adicional en bombas, plomería y recipientes de presión extra. Adicionalmente, estos sistemas de dos etapas frecuentemente son diseñados para operar con al menos una etapa a muy altas presiones, y esto hace al equipo más costoso patente estadounidense 6,277,282. De manera alternativa, el pre-tratamiento mejorado de agua de mar puede ser usado para permitir líneas de guía de flux promedio mayores y mayor tolerancia para desequilibrio de flux. Esto también requiere gasto de capital adicional (esta vez para pretratamiento) y el impacto que tendrá el pretratamiento sobre el ensuciamiento es difícil de cuantificar a priori. Finalmente, dispositivos de recuperación de energía muy eficientes han sido usados para hacer recuperaciones substancialmente menores más económicamente competitivas. Recuperaciones menores limitan el desequilibrio de flux dentro de un sistema de agua de mar. Sin embargo, este método involucra equipo adicional para recuperación de energía y costos potencialmente incrementados debido a un volumen mayor de agua pretratada. Además de resolver el desequilibrio de flujo, otra mejora para tratar soluciones con alta fuerza osmótica ha sido reducir la polarización de concentración a través del elemento enrollado en espiral al variar los separadores de alimentación. Un separador de alimentación en un elemento enrollado en espiral proporciona una trayectoria para flujo de alimentación a través de la superficie de una membrana. También crea mezclar a la superficie de membrana que disminuye la polarización de concentración, intensificar la transferencia de masa a través de la membrana. El costo de esta transferencia de masa intensificada es caída de presión incrementada debajo de la longitud de un elemento enrollado en espiral; la suma de caídas de presión para elementos individuales en serie produce una caída de presión abajo del recipiente. Un ejemplo recipiente de un separador de alimentación es descrito en la pub. sol. patente estadounidense 2003-0205520, la cual incorporamos aquí por referencia. La osmosis inversa responde por aproximadamente 40 por ciento de la producción global actual de agua de mar desalinizada. La economía de la desalinización por osmosis inversa, incluyendo las grandes instalaciones requeridas, puede limitar el crecimiento de esta tecnología. La eficiencia mejorada de recipientes de presión reduciría el número de recipientes de presión requeridos, y por lo tanto reducen el los costos de capital para equipo. Adicionalmente, los recipientes de presión que operarían a menor presión aplicada, con el mismo rendimiento de agua, reducirían los costos de operación. Un recipiente de presión mejorado para sistemas de filtración de agua que opere con distribución de flux más uniforme, mayor flux de operación promedio y mayor recupeación también operaría con eficiencia mejorada y menor presión aplicada para mejorar la economía de osmosis inversa para desalinización de agua de mar.

Breve descripción de la invención Esta invención mejora los recipientes de presión en sistemas de filtración de membrana para tratar soluciones con alta fuerza osmótica y es útil para sistemas de desalinización de agua de mar. Un recipiente de presión dado en el sistema de filtración de membrana contiene al menos tres elementos enrollados en espiral con fluxes específicos estándares substancialmente diferentes, como se describe con más detalle más adelante, y opcionalmente, gradientes de presión estándares de separadores de alimentación seleccionados. El arreglo de los elementos enrollados en espiral dentro de un recipiente de presión permite una distribución de flux más uniforme, mayor flux de operación promedio y mayor recuperación que el uso de elementos de flux específico estándar similar o separadores de alimentación similares. Los fluxes específicos estándares entre los elementos difieren por un factor de al menos 1 .5 y de preferencia 2.0. Combinar elementos teniendo fluxes específicos estándares ampliamente diferentes dentro de un recipiente permite operar dentro de las líneas de guía de los fabricantes con altas recuperaciones o menores energías, según se compara con sistemas convencionales. En una modalidad preferida, un recipiente de presión para usarse en desalinización de agua de mar tiene un elemento corriente abajo (de preferencia, el elemento de cola) tiene un flux específico estándar que es al menos 1.5 l/m2/h/bar. También es deseable que un elemento corriente arriba (de preferencia, el elemento líder) tenga un flux específico estándar menor que 1 .0 l/m2/h/bar. Los elementos en el recipiente también pueden tener separadores de alimentación diferentes, con tales diseñados por gradientes de presión estándares diferentes. De preferencia, el gradiente de presión estándar para el separador de alimentación del último elemento es al menos 50% mayor que aquél del primer elemento. Además, esta invención puede incluir un medio para remover la corriente de permeado de uno o más elementos enrollados en espiral corriente arriba en el recipiente de presión independientemente de elementos corriente abajo en el mismo recipiente. Esta invención puede incluir además un sistema de filtración de membrana teniendo dos o más recipientes de presión conectados en paralelo. Los recipientes de presión en paralelo tienen cada uno tres o más elementos con fluxes específicos estándares substancialmente diferentes y de manera opcional, gradientes de presión de separador de alimentación. Además, los elementos en posiciones correspondientes dentro de los recipientes de presión paralelos tienen fluxes específicos estándares similares y, de manera opcional, gradientes de presión estándares de separadores de alimentación.

Breve descripción de los dibujos Esta invención y sus modalidades preferidas pueden entenderse mejor a través de la referencia a la descripción detallada de la invención, acompañada por las figuras descritas más adelante. Dentro de estas secciones, números de referencia iguales se refieren a elementos iguales. La FIG. 1 es una vista en perspectiva, parcialmente cortada de un elemento enrollado en espiral. El elemento es formado al envolver alternadamente envolturas de filtración y hojas separadoras de alimentación alrededor de un tubo de recolección de permeado central. La envoltura de filtración comprende una hoja portadora de permeado intercalada ente dos hojas de membrana. La FIG. 2 es una gráfica que muestra cómo el flux de permeado puede disminuir substancialmente desde el extremo líder hasta el extremo de cola del recipiente. La figura presenta flux calculado para un recipiente de seis elementos correspondiente a condiciones de operación detalladas en el Ejemplo comparativo lll. La FIG. 3 es un esquema que muestra una configuración típica para un recipiente conteniendo al menos tres elementos en serie. La F1G. 4 es un esquema que muestra otra configuración típica para un recipiente que contiene al menos tres elementos en serie. En esta figura, una barrera para flujo de permeado existe dentro del tubo de permeado de un elemento y la solución de permeado es removida desde ambos extremos del recipiente.

Descripción detallada de la invención Este es un recipiente de presión para uso en un sistema de filtración, donde el recipiente tiene al menos tres elementos enrollados en espiral de diferentes tipos, caracterizados por fluxes específicos estándares diferentes y, opcionalmente, diferentes hojas de separador de alimentación en los módulos. El flux específico que es usado frecuentemente para una membrana, es entendido comúnmente como el flux (velocidad de flujo volumétrico de permeado por unidad de área de membrana activa) dividido por la presión de impulso neta. La presión de impulso neta, como se discute antes, es calculada al restar la presión de permeado y la diferencia de presión osmótica a través de la membrana de la presión aplicada. Aunque el flux específico es una característica de la membrana, varía de manera predecible como una función de temperatura, concentración y presión aplicada. De manera adicional, el flux específico de membrana en cualquier elemento que opera en el campo es sometido a cambios debido a envejecimiento, ensuciamiento y compactación.

Asignar un valor estándar a un elemento enrollado en espiral requiere especificar un punto en el tiempo específico dentro de la vida útil de un elemento enrollado en espiral. Para el propósito de esta invención, definimos un flux específico estándar para un elemento enrollado en espiral en términos de una prueba realizada después de 24 horas de la operación inicial, para permitir el equilibrio de la membrana, aunque cambios subsecuentes a los resultados de esta prueba deberían ser relativamente pequeños en la ausencia de ensuciamiento substancial. El flux específico estándar para un elemento enrollado en espiral es determinado usando una prueba con 32000 ppm de NaCI en la alimentación, 8% de recuperación, 25°C y un flux promedio de 27 l/m2/h (16 gfd). De manera más específica, el flux específico estándar para un elemento enrollado en espiral es definido como el flux promedio (27 l/m2/h) dividido por un término de presión P, donde P es calculado a partir de cantidades medibles durante la prueba: ' — ("alimentación + I conc ^ — < perrn — (^Alimentación prom " ^perm aiimentación es la presión aplicada en el lado de entrada del elemento. Pconc es la presión aplicada en el extremo opuesto (lado de concentrado) del elemento, y Pconc es normalmente más pequeño que Pa?¡mentac¡ón debido a la resistencia a fluir dentro del separador de alimentación. Ppermeado es la presión aplicada en el punto donde el permeado sale de un elemento enrollado en espiral y esta retropresión durante la prueba es normalmente muy pequeña. pA?¡mentación rom es la presión osmótica de una solución formada al mezclar volúmenes ¡guales de la solución de alimentación que entra al elemento y la solución de concentrado que sale del elemento. pPTr es la presión osmótica de la solución de permeado. Notar que P se aproxima a la presión de impulso neta promedio para un elemento enrollado en espiral. (Para calcular la presión de impulso neta promedio, pAi?mentac?ón prom sería reemplazada por la presión osmótica promedio en la superficie de la membrana.) Esta definición para flux específico estándar no incluye el impacto de polarización sobre la presión osmótica, de manera que el término P sobre-estima ligeramente la presión de impulso neta, pero es más simple de calcular. Esta definición de un flux específico estándar de elemento enrollado en espiral es consistente con las prácticas industriales aceptadas, mientras que especifica un parámetro único y determinado fácilmente. El periodo de 24 horas para equilibrio es común para especificar el desempeño del elemento. Las condiciones de prueba (8% de recuperación, 25°C y 32000 ppm NaCI) son consistentes con pruebas usadas para caracterizar productos de agua de mar, sin exceder las líneas de guía de flux máximo típicas para elementos con flux específico estándar alto. Fluxes muy altos provocan polarización excesiva y resistencias internas substanciales a fluir, tal como dentro de la hoja portadora de permeado. Estos efectos provocan sobre-estimación de la presión aplicada requerida bajo condiciones de flux más típicas (12-17 l/m2/h). para esta invención, un flux específico estándar de elemento enrollado en espiral es definido en términos de una prueba que estipula un flux promedio de 27 l/m2/h durante el proceso de medición. El flux específico estándar puede ser estimado a partir de los resultados (flux promedio y término P) de una prueba de agua de mar típica, siempre y cuando el flux de un elemento enrollado en espiral no excede 34 l/m2/h (20 gfd). Como un ejemplo, para un elemento enrollado en espiral con buen rechazo y con caída de presión mínima abajo del separador de alimentación, el término P anterior corresponde a aproximadamente 27.6 bar (400 psi) en una prueba de agua marina de 55.2 bar (800 psi) típica. Un elemento de 32.5 m2 (350 ft2) con 21 .2 m3/día (5600 gpd) tendría un flujo de 27 l/m2/h (16 gfd) y corresponde a un flux específico estándar de aproximadamente 1 .0 l/m2/h/bar (0.04 gfd/psi). En esta invención, se requiere que al menos tres elementos individuales dentro de un recipiente tengan valores substancialmente diferentes de flux específico estándar, pero es aún más deseable que al menos dos, y de preferencia tres, elementos dentro de un recipiente que pertenecen a clases (o tipos) reconocidas diferentes, de manera que el flux específico estándar de estos tipos de elementos diferentes varía substancialmente. Los elementos del mismo tipo son construidos de manera similar y son provistos por el fabricante con una designación separada correspondiente al grupo de elementos de ese tipo. Un flux específico estándar para un tipo de elemento enrollado en espiral puede ser definido como el valor promedio de flux específico estándar para una población representantiva de elementos individuales (al menos 20), pertenecientes a ese tipo (o clase o modelo). En esta invención, se requiere que al menos tres elementos individuales dentro de un recipiente tienen valores substancialmente diferentes de flux específico estándar; es aún más deseable que estos tres elementos dentro de un recipiente que pertenece a clases (o tipos) reconocidas diferentes, de manera que el flux específico estándar de estos tipos de elementos diferentes varían substancialmente. Los elementos del mismo tipo tienen una construcción similar y son provistos por el fabricante, quien identifica frecuentemente el tipo por marca o nombre o número de producto que designa el grupo de elementos de este tipo. Los inventores han descubierto que el uso de más de un tipo de elemento dentro de un recipiente permite una selección de elementos con un rango más amplio de fluxes específicos estándares, y resulta en una mejora substancial en el desempeño de un recipiente de presión. Como se usa en esta invención, un tipo de elemento enrollado en espiral puede ser caracterizado por una población única de elementos con una distribución de valores de flux específicos estándares teniendo un promedio y un coeficiente de proporción de variación, que es desviación estándar de población dividida por promedio de población, menor que o igual a 1 .1 . Es preferible que elementos individuales usados en esta invención tengan un flux especifico estándar que se desvíe del flux específico estándar promedio para el tipo de elemento correspondiente or menos de 20%. Aún más preferible es que esta desviación es menor que 15%.

Los inventores también determinan que especificar el tipo de elemento en cada posición dentro de un recipiente también permite un proceso de carga substancialmente simplificado para sistemas grandes con varios recipientes paralelos, especialmente comparados con sistemas que se basan en probar y clasificar elementos dentro de un tipo particular. Los inventores han descubierto que existe menos variación entre recipientes para el flux específico estándar de elementos en cualquier posición en un recipiente. Como un ejemplo, la Tabla 1 muestra valores de flux específicos estándares calculados para cuatro tipos de elementos de agua marina FilmTec a partir del flujo, área y condiciones de prueba especificados por el fabricante.

Tabla 1 . Flux específico estándar de elementos de agua de mar FilmTec La Tabla 2 lista los valores de literatura de los fabricantes para flujo y paso de sal para varios elementos de agua marina comerciales de diámetro de 20 cm, de un metro de largo,. Cabe hacer notar que los flujos asociados con ofertas de agua de mar comerciales son bastante consistentes entre los fabricantes. Usando un área de membrana activa de 32.5 m2 (350 ft2), el flux específico estándar para elementos en la Tabla 2 caerían todos entre 0.74 l/m2/h/bar (0.03 gfd/psi) y 1 .23 l/m2/h/bar (0.05 gfd/psi). Los datos para una publicación de Hydranautics pueden ser usados para calcular que los elementos de agua de mar han tenido un flux específico estándar de aproximadamente 1 .0 l/m2/h/bar (0.04 gfd/psi) debido a que la introducción comercial de membranas de poliamida aromáticas a mediados de la década de los 80s (M. Wilf & K. Klinko, "Improving performance and economice of RO seawater desalting using capillary membrane pretreatment" (Mejorar el desempeño y economía de desalado de agua marina por RO usando pretratamiento de membrana capilar), Hydranautics, Inc. , Junio 1998). El valor de 1 .0 l/m2/h/bar (0.04 gfd/psi) previene substancialmente el sobre-flux del elemento líder debido a que los elementos para desalinización de agua de mar son operados comúnmente con entre aproximadamente 55 bar (800 psi) y 69 bar (1000 psi) de presión aplicada, con una fuerza osmótica de la alimentación usualmente entre 24 bar (350 psi) y 31 bar (450 psi).

Tabla 2. Flujo y rechazo de algunos elementos de agua de mar comerciales Las membranas que tienen 1 .0 l/m2/h/bar (0.04 gfd/psi) normalmente son usadas para aplicaciones de agua marina para acomodar el desequilibrio en flux que resulta dentro de un recipiente de múltiples elementos. Recipientes de presión de operación con elementos enrollados en espiral teniendo un flux específico estándar alto están en soluciones de alimentación con alta fuerza osmótica, tal como la crea el agua de mar, normalmente crea mayor desequilibrio de flux. Un alto flux en un elemento líder resulta en mayor concentración de soluto en el concentrado, el cual alimenta elementos subsecuentes en el recipiente. La fuerza osmótica incrementada de la alimentación provoca que elementos subsecuentes en el recipiente operen a flux substancialmente menor. Esto es demostrado en los Ejemplos comparativos 3 y 4 a continuación. Un recipiente de elementos teniendo un flux específico estándar de 0.98 l/m2/h/bar (0.04 gfd/psi) mostró extremos de fluxes de operación que varían entre 5 l/m2/h y 34 l/m2/h. Sin embargo, en una simulación similar con elementos de flux específico estándar de 1 .19 l/m2/h/bar (0.07 gfd/psi), un flux aún menor de 3.3 l/m2/h/bar (1.9 gfd) resulta casi en el extremo de salida y un flujo demasiado alto de 44 l/m2/h (26 gfd) resulta casi en el extremo de entrada del recipiente. Esta invención permitirá el uso aceptable de elementos de agua de mar de tamaño estándar con flujos aún mayores. La invención necesita que existe más de un tipo de elemento dentro de un recipiente. En particular, el flux específico estándar para un elemento corriente abajo en el recipiente es al menos 50% mayor, y más preferiblemente al menos 1 005 mayor, que el flux específico estándar para un elemento corriente arriba en el mismo recipiente. Se prefiere más que este elemento corriente abajo tenga un flux específico estándar mayor que 1 .5 l/m2/h/bar (0.061 gfd/psi). Es deseable que los elementos teniendo un flux específico estándar alto también mantenga un coeficiente de permeabilidad de soluto relativamente baja. Un coeficiente de permeabilidad de soluto, frecuentemente es referido como un valor B, determina la velocidad a la cual la sal se difunde a través de una membrana. (Ver, por ejemplo Osada & Nakagawa, Membrane Science and Technology, (Ciencia y tecnología de membranas), Capítulo 9, "Reverse Osmosis" (Osmosis inversa), Marcel Dekker, Inc. , Nueva York, 1992). El coeficiente de permeabilidad de soluto es uno de los parámetros fundamentales de una membrana osmótica, pero su valor es conocido por variar con composición de soluto y en particular con temperatura. Para un conjunto específico de condicioens de operación, el coeficiente de permeabilidad de soluto de una membrana Bmem puede ser calculado a partir del flux J y el pasaje de soluto intrínseco Cp/Cm, de acuerdo con la siguiente fórmula: Br = (J Cp/Cp ,)/(1 CP/Cr En esta ecuación, Cp y Cm representan las concentraciones de soluto en el permeado y en la superficie de membrana en el lado de alimentación, respectivamente. La concentración en la superficie de la membrana puede ser mayor que la concentración en la alimentación debido a la polarización de concentración. Para esta invención, una permeabilidad de soluto estándar para un elemento enrollado en espiral es definida de manera similar, pero con el requerimiento adicional de que los parámetros son obtenidos bajo las condiciones de prueba especificadas para el flux específico estándar. De manera específica, las mediciones son hechas después de 24 horas de operación usando 25°C, 32000 ppm NaCI en la alimentación, 8% de recuperación y un flux de 27 l/m2/h. De manera adicional, la permeabilidad de soluto estándar Be?e es definida en términos de una concentración de alimentación promedio, Cf, correspondiente a la concentración de NaCI obtenida al mezclar volúmenes iguales de la solución de alimentación que entra al elemento y la solución de concentrado que sale del elemento. Aunque la fórmula simplificada no responde por el impacto de la polarización de concentración, permite una medición más simple de los parámetros requeridos.

Bele = (J * Cp/Cf)/(1 - Cp/Cf) En esta invención, la permeabilidad de soluto estándar es usada para comparar elementos diferentes por proporción. Aunque la permeabilidad de soluto estándar de un elemento enrollado en espiral es definida con base en condiciones de preuba específicas, es posible aproximar esta proporción para dos elementos, siempre que la temperatura, cncentraciones y recuperación sean similares para las dos pruebas y siempre que el flux medido en las pruebas sea menor que 34 l/m2/h (20 gfd). El último elemento en serie dentro de un recipiente opera con mayores concentraciones de sal en la alimentación que otros elementos, de manera que un pobre rechazo puede influenciar fuertemente el desempeño del sistema y por ello es importante que el rechazo de sal del elemento de cola sea alto. Es preferible que el elemento de cola tenga al menos un rechazo de sal suficientemente bueno para producir agua potable (<500 ppm) cuando opere por su cuenta durante una prueba estándar con 25°C, 32000 ppm NaCI en la alimentación, 8% de recuperación y un flux de 27 l/m2/h. Más preferiblemente, el rechazo debería ser de calidad de agua embotellada (<300 ppm) en esta prueba. En el caso de aplicaciones de NF, el paso substancial de NaCI (mayor que 20% de paso de NaCI con las condiciones de prueba anteriores) es deseable para todos los elementos dentro del recipiente, pero también se desea que los elementos tengan alto rechazo de otro componente. Para aplicaciones de NF de agua marina usando elementos de diferente flux específico estándar dentro de un recipiente, es preferible que el paso de sulfato sea menor que 1 % para cualquier elemento en el recipiente cuando los elementos son probados individualmente en una alimentación que consiste de 32000 ppm NaCI y 2000 ppm MgSO4, usando condiciones de 25°C, 8% de recuperación y 27 l/m2/h de flux. Un aspecto adicional de esta invención es tener elementos enrollados en espiral dentro de un recipiente de presión teniendo diferentes separadores de alimentación. Los separadores de alimentación son descritos en varias patentes y solicitudes incluyendo la publicación de solicitud de patente estadounidense 2003-0205520, las cuales se incorporan aquí por referencia. El separador de alimentación de un elemento enrollado en espiral proporciona una trayectoria para flujo de alimentación a través de la superficie de membrana. También crea mezclado en la superficie de membrana que disminuye la polarización de concentración. El costo de esta transferencia de masa intensificada es caída de presión incrementada debajo de la longitud del elemento y la suma de caídas de presión para elementos individuales en serie produce una caída de presión abajo del recipiente. El mezclado en la superficie de membrana es particularmente importante en el caso de soluciones de fuerza osmótica alta. Hemos descubierto que seleccionar separadores de alimentación de manera que el mezclado sea mayor para elementos corriente abajo, y en particular el último elemento en serie, donde la fuerza osmótica es mayor y la caída de presión tiene el menor impacto en el desempeño de recipiente, mejora el desempeño del recipiente. Está dentro del alcance de esta invención que el elemento líder y el elemento de cola en el recipiente pueden usar materiales separadores de alimentación diferentes y es muy preferido que el gradiente de presión estándar para el separador de alimentación del último elemento sea al menos 50%, mayor que el gradiente de presión estándar para el separador de alimentación del primer elemento. El gradiente de presión estándar para un separador de alimentación es definido para esta invención como el gradiente de presión (caída de presión por unidad de distancia) en la dirección de flujo de alimentación medido al pasar agua a 25°C a través del elemento mientras que el flujo de permeado es bloqueado. Esta prueba especifica la velocidad de flujo volumétrico de agua como proporcional al área de membrana activa dentro del elemento; el flujo volumétrico es y será inversamente proporcional a la longitud del elemento. Por ejemplo, en un metro de largo, 35.3 m2 (380 ft2) de elemento, la velocidad de flujo usada para medir el gradiente de presión estándar es 190 m3/día. Es muy preferible que el gradiente de presión estándar sea al menos 0.4 bar/m, correspondiente a aproximadamente una caída de presión de 0.4218 kg/cm2 (6 psi) a través de un elemento de un metro de largo. Altas recuperaciones permitidas por nuestra invención pueden reducir típicamente el volumen de solución de alimentación fluyendo a través de la superficie de la membrana. Tal velocidad de alimentación disminuida aumenta la polarización, disminuye el flux y promueve el ensuciamiento; puede resultar en operación fuera de las especificaciones del fabricante del elemento enrollado en espiral para recuperación máxima. Por estas razones, los elementos pueden ser escalonados dentro de un recipiente, de manera que la velocidad de flujo de alimentación a través de la superficie de membrana es mantenida a una velocidad relativamente alta. La velocidad de flujo de alimentación puede ser controlada al variar el área de sección transversal de los separadores de alimentación en cada elemento en el recipiente de presión. El área de sección transversal de separador de alimentación es calculada al multiplicar el espesor del separador de alimentación por la mitad del área de membrana activa y dividir por ia longitud del elemento. En una modalidad preferida, un elemento corriente abajo en el recipiente puede tener un área de sección transversal de separador de alimentación que es al menos 15% más pequeña que aquélla para el elemento líder, y más preferiblemente 30% más pequeña. Cuando el elemento opera de acuerdo con una línea de guía de recuperación <15%, la velocidad de alimentación a través del último elemento en serie es mayor que la velocidad dentro de uno o dos elementos previos en serie. De manera adicional, cuando tal elemento enrollado en espiral tiene un diámetro exterior que es substancialmente más pequeño que el diámetro interno de un recipiente, sellos de salmuera entre la superficie exterior del elemento y la superficie interior de los recipientes de presión previenen la corriente de alimentación de derivarse del elemento. En otro aspecto de nuestra invención, el permeado desde al menos un elemento de corriente es removido del recipiente de presión, en lugar de que fluya a través del recipiente de presión adyacente. Esto mantiene la presión de impulso del elemento adyacente al mantener la presión de permeado baja. El permeado puede ser removido del recipiente de presión a través de ya sea un nuevo puerto de salida o a través del canal de permeado en el extremo líder del recipiente de presión. US 4046685 muestra remover el flujo de permeado desde tanto el extremo líder como de cola del recipiente y segregar el permeado generado en los elementos en extremos opuestos. Como se ilustra en la Fig 4, en este caso el recipiente (40) tiene puertos de permeado (62, 64) en ambos extremos para proporcionar medios para fluido para pasar entre la tubería externa y los tubos de permeado (6) de elementos de extremo (50, 54). Una barrera (66) para flujo de permeado segrega las dos corrientes de permeado que salen de los elementos en extremos opestos del recipiente. La barrera (66) está ubicada entre los elementos o dentro del tubo de permeado (6) de un elemento, y previere las dos corrientes de permeado de mezclado substancial. No se requiere que la barrera a flujo sea impenetrable para prevenir el mezclado substancial. Sin embargo, donde se usan interconectores de permeado, la barrera debería tener una resistencia a fluir que exceda por al menos un factor de cinco la resistencia a flujo de interconectores de permeado (58) usados dentro del recipiente (40) para conectar los tubos de permeado de elementos adyacentes. En el diseño convencional, esta segregación de corrientes de permeado permite que el permeado de mejor calidad sea removido de los elementos corriente arriba en un recipiente (40). Al mismo tiempo, usando elementos corriente debajo de flux específico estándar mayor puede permitir un alto flujo de permeado desde el extremo de cola (48) del recipiente (40) teniendo buena calidad de permeado. Dependiendo de las condiciones de operación, agua para elementos corriente abajo pueden ser adecuadas para agua industrial, potable o embotellada. También es posible someter esta corriente de permeado a pasos de tratamiento adicionales o para usar en el mezclado. Cuando la barrea para flujo de permeado es esencialmente impenetrable, las dos corrientes de permeado también puede mantenerse a diferents presiones. En este caso, el uso de retro-presión de permeado puede proporcionar una distribución de flux relativamente uniforme, independiente de si elementos de flux específico estándar mayor están ubicados cerca del extremo corriente o extremo corriente abajo del recipiente. En una modalidad preferida, la retro-presión de permeado resulta cuando la corriente de permeado combinada a partir de los elementos de flux específico estándar alto se vuelve la corriente de alimentación para un recipiente de filtración de segundo paso. Muy preferiblemente, los elementos de mayor flux específico estándar estarían ubicados cerca del extremo de entrada del primer recipiente, ya que este arreglo proporciona una mayor presión de impulso neta para provocar flujo de permeado en ambos elementos de primer y segundo paso. Una ventaja particular de nuestra invención es su utilidad en perfeccionar sistemas existentes para mejorar la recuperación con gastos de capital mínimos. El costo de elementos enrollados en espiral comerciales es pequeño comparado con el costo del sistema de filtración de agua marina. Esta invención permite que la eficiencia de recipiente de presión sea incrementada para remover uno o más elementos existentes del recipiente y cargar nuevos elementos, al menos uno de los cuales tiene un flux específico estándar mayor que 1 .5 l/m2/h/bar (0.061 gfd/psi). Reemplazar selectivamente elementos para proporcionar una distribución de flux más uniforme permite operar un recipiente a mayor flux promedio y mayor recuperación sin exceder el flux máximo de cualquier elemento en el recipiente de presión. Esto es evidenciado como una opción particularmente ventajosa cuando uno reconoce que los elementos normalmente representan solo 5% del costo de capital en instalaciones de agua de mar. De manera alternativa, un recipiente puede ser perfeccionado para obtener la misma recuperación mientras que opera con un flux de elemento promedio máximo disminuido.

Ejemplos Los siguientes ejemplos de modalidades, los cuales no pretenden limitar la invención, ilustran nuestra invención de manera adicional: Ejemplo comparativo 1 Se hicieron cuatro elementos con 2.6 m2 de membrana activa que tuvieron las especificaciones de aquélla usada en elementos FILMTEC SW30HR-380. Los elementos tuvieron un flux específico estándar promedio de 0.98 l/m2/h/bar (0.04 gfd/psi) y una permeabilidad de soluto estándar promedio de 0.066 l/m2/h (0.039 gfd). Los elementos se conectaron en serie dentro de un recipiente de presión. El recipiente se probó con una alimentación de NaCI de 3.2% a 21 °C y una presión aplicada de 55 bar (798 psi). La recuperación combinada del recipiente de presión fue 1 9.6%. La concentración de permeado combinada fue 245 ppm. Calculamos el flux específico estándar del primer elemento para ser aproximadamente 27 l/m /h. El flux promedio de los primeros elementos fue 22.6 l/m2/h (13.3 gfd); el flux promedio del cuarto elemento en serie fue 15.6 l/m2/h (9.2 gfd). El cuarto elemento operó a menos de 20% de recuperación, con un flux de aproximadamente 60% del flux de primer elemento.

Elemento 1 Se construyó un elemento de membrana usando membrana FILMTEC SW30HR. Cuatro elementos teniendo 2.6 m2 de área de membrana activa fueron construidos, usando membrana FILMTEC SW30SXLE. Tres de los elementos de membrana SW30SXLE fueron tratados al sumergir la membrana en una solución acuosa de 2000 ppm NaOCI durante 30 minutos a pH fue 1 0.5. La Tabla 3 muestra el flux específico estándar medido y la permeabilidad de soluto estándar para estos elementos.

Tabla 3. Elementos descritos en el Ejemplo 1 Los elementos A, B y C fueron cargados en un recipiente, de manera que el elemento A estuvo en la posición líder y el elemento C estuvo en la posición de cola. El flujo de permeado fue bloqueado entre los elementos B y C para permitir que la solución de permeado del elemento C fuera recolectada por separado. El recipiente se probó con una alimentación de NaCI de 3.2% a 21 °C, una presión aplicada de 55 bar (798 psi) . La recuperación combinada fue 25.8%. El flux de elementos A y B promediaron 29 l/m2/h (17 gfd). El flux del elemento decola C fue 36.2 l/m /h (21.3 gfd). La concentración de NaCI en el permeado combinado fue 428 ppm. El elemento C en la Tabla 3 tuvo una concentración de permeado de 357 ppm bajo condiciones usadas para medir la permeabilidad de soluto estándar. El recipiente de tres elementos incluyendo ese elemento resultó en la distribución de flux relativamente uniforme y produjo agua potable. El elemento E en la Tabla 3 tuvo un flux específico estándar similar a aquél para el elemento C, pero su permeabilidad de soluto estándar corresponde a aproximadamente 237 ppm en una prueba con 25°C, 32000 ppm NaCI en la alimentación, 8% de recuperación y un flux de 27 l/m2/h. Este elemento permitiría que se produjera agua potable con presiones aún menores o mayores recuperaciones.

Ejemplo 2 Se trataron dos elementos FILMTEC SW30XLE-380 al sumergir durante 30 minutos en una solución acuosa de 1500 ppm y 2000 ppm, respectivamente de NaOCI a pH 10.5. Los elementos tuvieron valores de flux específico estándar y permeabilidad de soluto estándar mostrados en las filas H e I de la Tabla 4. Además, los valores de flux específico estándar y permeabilidad de soluto estándar de elementos FILMTEC SW30HR-380 y SW30XLE-380 no contactados con NaOCI se muestran en las filas F y G, respectivamente. La proporción de permeabilidad de soluto estándar a flux específico estándar para el elemento de cola (0.064) dividido por la proporción de permeabilidad de soluto estándar a flux específico estándar para el elemento líder (0.071 ) es menor que 1 . Para todos los elementos en la Tabla 4, el gradiente de presión estándar fue aproximadamente 0.2 bar/m y el área de sección transversal de separador de alimentación fue aproximadamente 230 cm2.

Tabla 4. Elementos descritos en el Ejemplo 2 Los flujos para ios elementos F, G, H e I fueron simulados usando el programa de simulación de FilmTec (ROSA, versión 5.4). La simulación se corrió al variar el factor de ensuciamiento de los elementos SW30-380 a 0.64, 1 .05, 1 .44 y 2.0. Un recipiente compuesto por tres elementos de tipo F, un elemento de tipo G y tres elementos de tipo I fue simulado al simular por separado cada elemento y permitir que el concentrado de cada elemento se volviera la alimentación al siguiente elemento. Se hizo una corrección después de cada elemento a las concentraciones de permeado para las diferentes permeabilidades de soluto para estos elementos, como se compara con la SW30-380. En esta simulación, la alimentación de agua de mar al 3.5% estaba compuesta por 19479 ppm de Cl, 10460 ppm de Na, 1450 ppm de Mg, 2760 ppm de SO4, 450 ppm de Ca y 400 ppm de K. Usando 66.6 bar (967 psi) de presión aplicada y 1 96 m3/día (36 gpm) de flujo de alimentación de agua cruda a 25°C, se alcanzó una recuperación de 60% en la simulación. Los cálculos mostraron que el elemento líder tuvo el flux más grande, a 33.6 l/m2/h (19.8 gfd). La máxima recuperación por elemento fue 15%. La concentración de permeado se calculó como 295 ppm, por debajo de la aceptada en la técnica para agua potable.

Ejemplo comparativo 2 Se realizó una simulación en la cual 60% de recuperación fue obtenida con siete elementos FILMTEC SW30HR-380 en serie. El primer elemento tuvo un flux promedio de 39.6 !/m2/h (23.3 gfd), una recuperación de 17% y la presión aplicada fue 74.2 bar (1076 psi). Para realizar la simulación, un recipiente conteniendo elementos de 20 cm de diámetro y un metro de largo, fue simulado, sin el uso de programa de cómputo ROSA, al realizar cálculos de flujo en la dirección axial, a partir de la alimentación hasta la cola del recipiente de presión, en aumentos de 2.54 cm (1 in). En cada caso, la presión aplicada, concentración de alimentación y el flujo en el primer elemento fueron dados, y el desempeño (caída de presión, flux y paso de sal) dentro de cada incremento fue calculado. Los resultados fueron propagados a secciones de 2.54 cm (1 in) de largo sucesivas abajo del recipiente. Los cálculos asumen un flux específico y permeabilidad de soluto para la membrana dentro de cada elemento; flux y paso de sal para cada incremento fueron calculados de acuerdo con fórmulas estándares (Osada & Nakagawa, Membrane Science and Technology (Ciencia y tecnología de membranas), capítulo 9, "Reverse Osmosis" (Osmosis inversa), Marcel Dekker, Inc. , Nueva York, 1992). La polarización en la superficie fue estimada a partir de la velocidad de alimentación y flux de acuerdo con ecuaciones provistas para elementos FilmTec en G. Schock & A. Miquel, "Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules" (Transferencia de masa y pérdida de presión en módulos enrollados en espiral) Desalination, 65 (1987), 339-.352). Los valores para polarización fueron elegidos para ser iguales a los valores de flux específico estándar y permeabilidad de soluto estándar notados antes.

Ejemplo 3 v Ejemplos comparativos 3 v 4 Se realizaron simulaciones usando los métodos del Ejemplo comparativo 2.

Las Tablas 5-7 a continuación proporcionan resultados de tres simulaciones, teniendo cada una 174 m3/día (46000 gpd) de flujo de alimentación y 50% de recuperación de 3.8% de agua marina. El Ejemplo 3 y Ejemplos comparativos 3 y 4, simularon todos un recipiente de presión conteniendo seis elementos de 35.3 m2 (380 ft2), y el flux promedio para el recipiente fue 17 l/m2/h (10 gfd). Los fluxes específicos de membrana (valores A) asumidos para los elementos corresponden todos a rangos fácilmente disponibles. Los valores de permeabilidad de soluto de membrana (valores B) fueron asumidos como los mismos (0.68 l/m2/h) para todos los elementos dentro del recipiente, ya que se cree que este valor tiene un impacto mínimo sobre el flux sobre los rangos de operación siendo examinados. El paso de sal para permeado de cada elemento fue aproximadamente proporcional al valor B asumido. Las concentraciones de permeado combinadas calculadas para el Ejemplo 3, Ejemplo comparativo 3 y Ejemplo comparativo 4 fueron 369 ppm, 315 ppm y 369 ppm. Las presiones aplicadas requeridas fueron 68.8 bar (998 psi), 72.5 bar (1 051 psi) y 66.9 bar (971 psi), respectivamente. El Ejemplo 3 demuestra que los elementos en un recipiente pueden hacerse correr con valores bajos para el flux máximo, flux promedio y recuperación de elemento máxima.

Tabla 5. Distribución de flux para el Ejemplo 3 Tabla 6. Distribución de flux de Ejemplo comparativo 3 Tabla 7. Distribución de flux para Ejemplo comparativo 4 Ejemplo 4 Se realizaron los cálculos como en el Ejemplo 3, usando una alimentación de 167 m3/día (44000 gpd) de 3.5% de agua de mar. Una presión aplicada de 79.3 bar (1 150 psi) resultó en una recuperación simulada de 60.8% para este recipiente. En este caso, siete elementos dentro del recipiente difirieron potencialmente en valores A, valores B y área activa, como se nota en la tabla. La concentración de permeado combinada fue estimada a 448 ppm. Las simulaciones muestran que cada elemento dentro de este recipiente tiene valores bajos para flux máximo, flux promedio y recuperación de elemento. Dividir el flujo de permeado total por el área de membrana activa proporciona un flux promedio para el recipiente de 18.8 l/m2/h (1 1 .1 gfd).

Tabla 8. Distribución de flux para el Ejemplo 4

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1 . Un aparato para purificar agua que comprende: un recipiente de presión teniendo extremos de entrada y salida opuestos, y que encierra al menos tres elementos enrollados en epsiral, teniendo cada elemento enrollado en espiral un canal de agua de alimentación y un tubo de recolección de permeado, donde los elementos enrollados en espiral están conectados en serie coaxialmente dentro del recipiente de presión por filtración; una mejora en donde los elementos en serie comprenden a. un elemento líder con una entrada en comunicación con la entrada del recipiente depresión de filtración, de manera que la entrada del elemento líder proporciona una alimentación inicial al canal de agua de alimentación del elemento líder; con una salida de permeado opcional en comunicación con una salida del recipiente de filtración, de manera que el permeado desde uno o más de dichos elementos enrollados en espiral pueden ser removidos, según se desee, desde dicho extremo del recipiente de presión de filtración; b. Un elemento intermedio conectado a un elemento corriente arriba y un elemento corriente debajo de manera que el elemento intermedio es soportado y alineado axialmente dentro del recipiente de presión de filtración; c. y un elemento de cola con un puerto de salida en comunicación con el extremo de salida del recpiente de presión de filtración, de manera que el agua de permeado desde uno o más de dichos elementos puede ser retirada, según se desee, desde dicho extremo de salida del recipiente de presión de filtración y la corriente de agua de alimentación residual desde el elemento de cola puede salir del recipiente de presión de filtración; donde los elementos enrollados en espiral comprenden un elemento enrollado en espiral teniendo un valor máximo de flux específico estándar, un elemento enrollado en espiral teniendo un valor mínimo de flux específico estándar y un elemento enrollado en espiral teniendo un valor intermedio de flux específico estándar; y donde el valor máximo de flux específico estándar dividido por el valor mínimo de flux específico estándar es mayor que 2; y el elemento intermedio tiene un valor de flux específico estándar que es un valor intermedio entre aproximadamente 1 .25 del valor mínimo y aproximadamente 0.85 del máximo.

2. El aparato de la reivindicación 1 , donde el elemento que tiene un valor máximo de flux específico estándar es de un primer tipo de elemento, el elemento que tiene un flux específico estándar intermedio es de un segundo tipo de elemento, y el elemento que tiene un valor mínimo de flux específico estándar pertenece a un tercer tipo de elemento.

3. El aparato de la reivindicación 1 , donde el flux específico del elemento de cola dividido por el flux específico estándar del elemento líder es mayor que 2.

4. El aparato de la reivndicación 1 , en donde el flux específico estándar para el elemento de cola es mayor que 1.5 l/m2/h/bar.

5. El aparato de la reivindicación 1 , en donde el elemento líder tiene un flux específico estándar menor que 1 .0 l/m2/h/bar.

6. El aparato de la reivindicación 1 , en donde el elemento de cola tiene un área de sección transversal de separador de alimentación que es al menos 15% menor que el área de sección transversal de separador de alimentación del elemento líder.

7. El aparato de la reivindicación 6, en donde el elemento de cola tiene un área de sección transversal de separador de alimentación que es al menos 30% menor que el área de sección transversal de separador de alimentación del elemento líder.

8. El aparato de la reivindicación 1 , en donde el separador de alimentación para el elemento de cola tiene un gradiente de presión estándar mayor que aproximadamente 0.4 bar/m.

9. Ei aparato de la reivndicación 1 , en donde el separador de alimentación para el elemento de cola tiene un gradiente de presión estándar que es 50% mayor que el gradiente de presión estándar para la hoja separadora de alimentación para el elemento líder.

10. El aparato de la reivindicaicón 1 , en donde la proporción de permeabilidad de soluto estándar a flujo específico estándar para el elemento de cola dividido por la proporción de permeabilidad de soluto estándar a flux específico estándar para el elemento líder es menor que 2. 1 1 . El aparato de la reivindicación 1 , en donde el elemento de cola produce una concentración de sal de permeado de menos de 500 ppm, cuando se prueba usando 25°C, 32000 ppm de NaCI en la alimentación, 8% de recuperación y un flux de 27 I/m2/h. 12. El aparato de la reivindicación 1 , en donde el recipiente de presión de filtración es uno de dos o más recipientes de presión de filtración paralelos en un sistema de filtración. 13. El aparato de la reivindicación 1 , que comprende además una barrera posicionada ya sea dentro del tubo de recolección de permeado de un elemento enrollado en espiral o entre los tubos de recolección de permeado de dos elementos adyacentes; donde la barrera define la primera y segunda corrientes de permeado combinadas; donde la primera corriente de permeado combinada comprende el permeado desde el elemento líder y la segunda corriente de permeado combinada comprende el permeado desde el elemento de cía; donde la barrera previene además mezclado de permeado entre las corrientes de permeado combinadas. 14. El aparato de la reivindicación 13, donde la primera corriente de permeado combinada tiene una presión mayor que una presión de la segunda corriente de permeado combinada de al menos 1 .5 bar; donde la primera corriente de permeado combinada comprende todo el permeado desde el elemento teniendo el valor máximo de flux específico estándar, donde la primera corriente de permeado combinada es una corriente de alimentación hasta un segundo recipiente de filtración. 15. Un proceso para purificar agua, que comprende los pasos de: a. hacer fluir una solución de alimentación a través de un recipiente de presión de filtración conteniendo al menos tres elementos enrollados en espiral en serie, los elementos en serie incluyen un elemento líder próximo al extremo de entrada de alimentación del recipiente y un elemento corriente abajo; en donde los elementos en serie comprenden un elemento enrollado en espiral que tiene un valor máximo de flux específico estándar y un elemento enrollado en espiral que tiene un valor mínimo de flux específico estándar, y el valor máximo de flux específico estándar dividido por el valor mínimo de flux específico estándar es mayor que 1 .5; b. aplicar presión de filtración a la solución de alimentación para provocar que el permeado pase a través de cada elemento dentro del recipiente, y c. remover las sluciones de permeado y concentrado del recipiente, en donde la solución de alimentación tiene una presión de filtración osmótica mayor que 20 bar a la entrada del recipiente. 16. El proceso de la reivindicación 15, en donde el flux específico estándar para el elemento corriente abajo dividido por el flux específico estándar para el elemento líder es mayor que 1 .5. 17. El proceso de la reivindicación 15, en donde el elemento corriente abajo tiene un flux específico estándar que es mayor que 1 .5 l/m2/h/bar. 18. El proceso de la reivindicación 15, en donde una presión de impulso neta promedio para el elemento líder dividida por una presión de filtración de impulso neta promedio para el elemento corriente abajo es mayor que 2. 19. El proceso de la reivndicación 15, en donde el elemento corriente abajo es el elemento de cola del recipiente. 20. El proceso de la reivindicación 17, en donde el elemento líder es operado con un flux promedio que es menor que dos veces el flux promedio para el recipiente. 21 . El proceso de la reivindicación 15, en donde el recipiente contiene al menos cinco elementos enrollados en espiral en serie, el volumen de la solución de concentrado producida no es más de dos veces el volumen de la solución de permeado producida, el flux promedio para el recipiente es al menos 70% del flux promedio para el elemento líder, y el elemento líder tiene un flux promedio de entre 10 y 27 !/m /h. 22. El proceso de la reivindicación 21 , donde el flux promedio para el recipiente es al menos 80% del flux promedio para el elemento líder. 23. El proceso de la reivindicación 21 , en donde el elemento líder es operado con un flux promedio menor que 34 l/m2/h y el recipiente es operado con un flux promedio mayor que 24 l/m2/h. 24. El proceso de la reivindicación 21 , en donde la solución de concentrado tiene una presión osmótica que es más de dos veces la presión osmótica en la entrada. 25. El aparato de la reivindicación 15, en donde el elemento corriente abajo tiene un área de sección transversal de separador de alimentación que es al menos 30% menor que el área de sección transversal de separador de alimentación del elemento líder. 26. El aparato de la reivindicaicón 15, en donde el elemento corriente abajo tiene un paso de NaCI mayor que 20%, cuando el elemento es probado individualmente usando un flux de 27 l/m2/h, 8% de recuperación y una solución de alimentación de 25°C que consiste de 32000 ppm de NaCI en agua, y en donde el elemento corriente abajo tiene un paso de sulfato menor que 1 % cuando se prueba individualmente usando un flux de 27 l/m2/h, 8% de recuperación y una solución de alimentación de 25°C que consiste de 32000 ppm de NaCl y 2000 ppm de MgSO4 en agua. 27. El proceso de la reivindicación 15, en donde el elemento que tiene un valor máximo de flux específico estándar pertenece a un primer tipo de elemento, el elemento que tiene un valor mínimo de flux específico estándar pertenece a un segundo tipo de elemento y el flux específico estándar para el primer tipo de elemento dividido por el flux específico estándar para el segundo tipo de elemento es mayor que 2. 28. El aparato de la reivndicación 15, que comprende además una barrera esencialmente impenetrable a flujo de permeado dentro del primer recipiente de presión, la barrera define una primera y segunda corrientes de permeado combinadas, la primera corriente de permeado combinada comprende todo el permeado del elemento líder y la segunda corriente de permeado combinada comprende todo el permeado del elemento de cola; en donde la primera corriente de permeado combinada se vuelve la corriente de alimentación a un segundo recipiente de presión de filtración, y en donde el elemento líder dividido por el valor mínimo de flux específico estándar es mayor que 1 .5. 29. Un proceso para purificar agua que comprende los pasos de: a. hacer fluir una solución de alimentación a través de un recipiente de presión que comprende al menos tres elementos de osmosis inversa enrollados en espiral, donde los tres elementos enrollados en espiral comprenden un elemento corriente arriba, un elemento corriente abajo y un elemento intermedio ubicado entre los elementos corriente arriba y corriente abajo, en donde el flux específico estándar para el elemento corriente abajo dividido por el flux especifico estándar para el elemento corriente arriba es mayor que 2, y el flux específico estándar para el elemento intermedio dividido por el flux específico estándar para el elemento corriente arriba está entre 1 .25 y 1 .75, b. aplicar presión a la solución de alimentación para provocar que el permeado pase a través de cada elemento dentro del recipiente, y c. remover las soluciones de permeado y concentrado desde el recipiente, en donde la diferencia en presión aplicada y presión osmótica en la entrada del recipiente dividido por la diferencia en presión aplicada y presión osmótica a la salida del recipiente es mayor que 2. 30. El proceso de la reivindicación 29, en donde el elemento corriente abajo tiene un flux específico estándar mayor que 1 .5 l/m2/h/bar. 31 . El proceso de la reivindicación 28, en donde la solución de alimentación tiene una presión osmótica mayor que 20 bar en la entrada del recipiente.