ES2246451T3

ES2246451T3 - Instalacion de separacion para el tratamiento de fluidos.

Info

Publication number: ES2246451T3
Application number: ES03022358T
Authority: ES
Inventors: John Herman Stark; Hansjorg Wagenbach; Paul Werner Straub
Original assignee: DCT Double Cone Technology AG
Current assignee: DCT Double Cone Technology AG
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: DE69926417D1; EP1384898A1; DK1384898T3; PT1384898E; EP1384898B1; ATE300677T1; ES2212600T3; DE69926417T2

Abstract

Instalación de separación que comprende una bomba de presurización (1, 10, 12; 71) y unas unidades de separación para separar un fluido de los componentes contenidos en elementos adicionales, necesitando las unidades de separación una diferencia de presión para el proceso de separación para mostrar un comportamiento mejorado con la presión del fluido incrementada, caracterizada por el hecho de que una entrada (40) de la bomba está conectada a una primera unidad de separación (36), una salida (43) de la bomba está conectada a una segunda unidad de separación (45) para suministrarla con fluido presurizado, y la primera unidad de separación está conectada a una salida de la segunda unidad de separación, suministrando la salida fluido enriquecido con el componente adicional, o a una salida de la bomba, con el fin de suministrar la primera unidad de separación con fluido presurizado de una concentración original o con componentes elevados y, de este modo, diluir el fluido transportado a través de la primera unidad de separación a la bomba con respecto a los componentes adicionales.

Description

Instalación de separación para el tratamiento de fluidos.

La presente invención se refiere a una instalación de separación para el tratamiento de fluidos según el preámbulo de la reivindicación 1, tal como sigue separando elementos adicionales.

En el PCT WO-A-87/01770 se describen dispositivos de doble cono cuyo contenido se incorpora en esta descripción haciendo referencia. El dispositivo de doble cono, entre otras cosas, permite mejorar la presión de bombeo disponible en una sencilla bomba convencional. Cuando se incorpora en un circuito con un compresor, tal como se propone en la patente anteriormente mencionada, resultan evidentes numerosas posibilidades nuevas.

Esencialmente, el dispositivo de doble cono consiste en dos conos que están unidos por sus extremos de diámetro pequeño. En la superficie de contacto, por ejemplo, se proporciona un orificio a intervalos entre el cono de entrada y el cono de salida. En la región del orificio, el dispositivo de doble cono, si es atravesado por un fluido, acumula una presión sorprendentemente baja que permite a otro fluido ser conducido al dispositivo con alta eficacia. Cuando se incluye en un circuito cerrado con una bomba, la presión en este circuito puede incrementarse en el hecho de que la unidad de doble cono aspira el fluido hasta alcanzar el equilibrio. El término fluido se refiere tanto a líquidos como gases.

El dispositivo de doble cono se caracteriza por el hecho de que los ángulos \theta_{1} y \theta_{2} de conicidad del cono de entrada con respecto al cono de salida:

F= (1 + sin \ \theta_{1})^{2} * sin^{2} \ \theta_{2}.

La función de calidad F debería ser siempre menor que 0,11. Los rangos se detallan de aquí en adelante:

F	Calidad
<0,0035:	Óptimo
0,0035-0,0155	Muy bueno
0,0155-0,0250	Bueno
0,025-0,0500	Satisfactorio
0,0500-0,1100	Suficiente
>0,1100	pobre

Una aplicación donde los fluidos deben de presurizarse, es las plantas de ósmosis inversa donde se separan elementos adicionales de un fluido, por ejemplo, sal del agua. Sin embargo, otros dispositivos de separación a parte de las unidades de ósmosis inversa, como ciclones, requieren también de un fluido presurizado como medio de trabajo.

Esencialmente, estas unidades o dispositivos de separación necesitan un cierto caudal del medio de trabajo para trabajar adecuadamente durante largos periodos de tiempo. Por ejemplo, las unidades de ósmosis inversa han de "inundarse" con el medio de trabajo.

Las instalaciones de separación conocidas, en particular aquellas que comprenden unidades de ósmosis inversa, fijan el caudal de fluido requerido mediante medidas adicionales como bombas sobredimensionadas, que llevan a un comportamiento general reducido.

Por lo tanto, es un objeto de la presente invención proponer una instalación de separación para fluidos que tiene componentes en elementos adicionales mejorando el comportamiento.

Dicha instalación de separación se define en la reivindicación 1. Las otras reivindicaciones definen realizaciones preferidas y usos de la instalación.

En consecuencia, una unidad de separación que necesita una diferencia de presión, por ejemplo, una unidad de ósmosis inversa, o un fluido de trabajo presurizado para su función o para su mejor comportamiento, se introduce mediante un fluido presurizado. El fluido de salida que abandona la unidad de separación en el que se incrementa la concentración de componentes a separar, se suministra a otra unidad de separación, donde se lleva a cabo un intercambio de masa, por ejemplo, un nuevo fluido. En esta unidad de separación, debido al contenido de componentes no deseados en ambos fluidos, el nuevo fluido se diluye mediante un fluido purificado extraído del fluido presurizado saliente. De este modo, se incrementa el comportamiento general del proceso de separación y se mantiene un alto nivel del caudal de fluido.

La invención se describirá en referencia a las figuras:

Figura 1. - Es una vista esquematizada de un dispositivo de doble cono conocido;

Figura 2. - Es una vista esquematizada de un dispositivo de doble cono según la invención por una sección longitudinal;

Figura 3. - Es un esquema de un uso conocido de un dispositivo de doble cono en un circuito cerrado;

Figura 4. - Es un esquema de un primer sistema de circuito cerrado que utiliza un dispositivo de doble cono;

Figura 5. - Es un esquema de un segundo sistema de circuito cerrado que utiliza un dispositivo de doble cono;

Figura 6. - Es un esquema de un tercer sistema de circuito cerrado que utiliza un dispositivo de doble cono;

Figura 7. - Es un esquema de un cuarto sistema de circuito cerrado que utiliza un dispositivo de doble cono;

Figura 8. - Es un esquema de una primera instalación de separación; y

Figura 9. - Es un esquema de una segunda instalación de separación.

Antes de definir el origen de los problemas, es necesario describir el funcionamiento del dispositivo de doble cono y el circuito básico del compresor. El dispositivo original de doble cono patentado y el circuito básico del compresor se representan en las figuras 1 y 3, respectivamente. Estos esquemas se utilizarán para describir su modo de funcionamiento.

Haciendo referencia a la figura 1, el dispositivo de doble cono 1 se alimenta con un flujo de alimentación 2 que entra por el cono de entrada 3 y sale por el cono de salida 4. Mientras el flujo de entrada cruza el espacio 5, el material 6 puede conducirse a la entrada 7 y, posteriormente, al cono de salida 4. El caudal de la entrada depende de un número de parámetros que incluye parámetros geométricos, además del caudal de alimentación y las presiones externas en la entrada y curso abajo del cono de salida.

La conicidad \theta_{1} es el ángulo 8 entre las paredes del cono de entrada 3, la conicidad \theta_{2} es el ángulo 9 de las paredes del cono de salida 4.

El circuito del compresor básico, que se hará referencia como una bomba con tecnología de doble cono (DCT), se representa en la figura 3. La bomba 10 hace circular líquido a través del dispositivo de doble cono 1 y alrededor del circuito principal 12. El material entra por la entrada de doble cono 7 y provoca una subida de presión en el interior del circuito principal 12. Esta presión del sistema P se ajusta mediante la válvula de regulación 14 que controla el flujo 15 de la salida procedente del circuito principal 12.

El primer problema es resultado de la geometría del dispositivo de doble 1. A medida que se incrementa la cantidad de material conducida al dispositivo, se alcanza un nivel donde el doble cono empieza a destruirse así mismo. La destrucción lleva la forma del material arrancado de la pared curso debajo de la entrada hacia el cono de salida. Este daño hace que el dispositivo de doble cono no sea eficiente y que sea excesivamente ruidoso.

En la figura 1, se reproduce el dispositivo de doble cono básico tal como se presentó en el PCT WO-A-87/01770. Puede verse que el orificio 19 se coloca sobre el plano de entrada 20. Mediante el desplazamiento de este plano de entrada 20 curso abajo del orificio 19, tal como se visualiza en la figura 2, y respecto a la geometría del cono doble, el problema de deterioro se elimina virtualmente. Experimentalmente, parece ser que el material de entrada 6 conducido al dispositivo de doble cono 21 no está sometido a tal fuerza de extremo y de esta manera, el material de la pared puede resistir mejor. Con la finalidad de conseguir la misma presión de succión al igual que el dispositivo original de doble cono se requiere de más caudal de alimentación. Sin embargo, el difusor corto 22 acoplado al cono de entrada 3 de la figura 2 también ocasiona una pérdida de carga inferior a través del dispositivo de doble cono 21. El resultado neto es que puede obtenerse un funcionamiento de succión similar al del dispositivo de doble cono 1 conocido sin el deterioro del cono de forma simultánea. De hecho, se observa una pérdida de carga inferior cuando se comparan las succiones equivalentes.

En referencia a la figura 2, el diámetro del orificio 24 se representa mediante una d y la longitud del difusor pequeño 25 mediante una L. La proporción de L con d es crítica para la realización del dispositivo de doble cono 21 modificado. Los valores de L/d más grandes que 0.1 visualizan la expectativa de una vida mejorada y de todo el comportamiento. A medida que la proporción de L/d aumenta, decrece la pérdida de carga total a través del dispositivo de doble cono 21 modificado. La solución óptima tiene lugar cerca del valor de L/d que rinde la presión del compresión adecuada para el caudal de alimentación disponible.

Otros parámetros para una distribución particularmente ventajosa del dispositivo de doble cono son:

Proporción h/d de la anchura del espacio h 26 con el diámetro del orificio d 24: 0 < h/d < 3, preferentemente 0,5 < h/d < 2;

Proporción D_{entrada}/d del diámetro de entrada D_{entrada} 27 con el diámetro d: 2 < D_{entrada}/d < \infty, preferentemente 5 < D_{entrada}/d < 20;

Proporción D_{salida}/d del diámetro de salida D_{salida} 28 con el diámetro del orificio d: 2 < D_{salida}/d < \infty, preferentemente 5 < D_{salida}/d < 20;

La conicidad \theta_{1} 8 del cono de entrada: 0 < \theta_{1} < 10º (grados), preferentemente \theta_{1} < 8º e incluso preferentemente \theta_{1} < 6º; y la conicidad \theta_{2} 9 del cono de salida: \theta_{2} \leq \theta_{1}.

Una comparación directa entre las realizaciones del dispositivo básico de doble cono 1 de la figura 1 y el dispositivo de doble cono 21 perfeccionado de la figura 2 puede darse a partir de los siguientes resultados:

Condiciones de trabajo

Caudal de alimentación:	8 m^{3}/h
Caudal de la entrada:	1 m^{3}/h
Presión del sistema:	35 bares

Observación

Dispositivo de la figura 1: Serio deterioro después de solamente 20 minutos de tiempo de funcionamiento.

Dispositivo de la figura 2: No hay deterioro aparente después de 40 horas de tiempo de funcionamiento.

Además del incremento de la vida útil, el ruido de funcionamiento puede reducirse por medio de esta medida.

Como una consecuencia de las características significativamente mejoradas del dispositivo de doble cono de acuerdo con la invención, son concebibles las aplicaciones industriales donde es necesario o al menos ventajoso la alta cantidad a alta presión y un tiempo de vida razonable. Una de dicha aplicación consiste en la purificación del agua que contiene componentes no deseados, particularmente la desalinización del agua de mar por osmosis inversa.

En una primera propuesta de acuerdo con la figura 4, el filtro 30 para la osmosis inversa puede colocarse directamente en el circuito principal 12. El fluido purificado, por ejemplo, el agua de mar desalinizada, se recubre en la línea de salida 32 de la unidad de osmosis 30. El fluido concentrado abandona el circuito principal 12 por medio de la línea 15 y la válvula 14. En esta configuración, la concentración soluble acumula progresivamente un elevado nivel estable en el interior del circuito del compresor actual. En consecuencia, se requieren las membranas de separación 31 para expulsar una concentración soluble mucho más alta que la que existe originalmente en el suministro de entrada no tratado. Esto provoca un rendimiento del disolvente perjudicado. Sin embargo, esta distribución de un sistema de purificación por osmosis inversa se mantiene aplicable, en particular bajo condiciones de menos demanda, por ejemplo, bajas concentraciones de la materia que debe de ser separada.

La acumulación de concentración en el interior del circuito del compresor puede reducirse mediante la eliminación de las membranas de separación del circuito. Esta solución al problema puede introducir otras dificultades debido a la inyección reducida de la membrana. Habitualmente, cuando funciona a presiones altas, uno puede asumir que solamente un 10% del caudal de alimentación principal esta disponible para el suministro a las membranas de separación cuando se colocan externas al circuito del compresor. En las figuras 5 y 6 de esta solicitud de patente, se propone un sistema predispuesto que reduce completamente todos estos problemas.

Los esquemas propuestos en las figuras 5 y 6 funcionan de acuerdo con el nuevo principio de reducción de concentración antes de la entrada en la bomba DCT. En referencia a la figura 5, la membrana de la unidad de entrada de osmosis 36 se suministra a través de la línea 37 sobre el lado de más alta presión de su membrana desde la bomba DCT curso abajo del dispositivo de doble cono 1. El líquido cruza la membrana y entra el flujo de suministro 39, de modo que el líquido de suministro en el conducto 40 se diluye después de la unidad de entrada de osmosis 36. Una bomba de alimentación opcional 41 ayuda a presurizar este flujo en la entrada 7 hacia el dispositivo de doble cono 1. Esta presión adicional mejora enormemente el comportamiento de la bomba DCT 10, con respecto a la presión del sistema y a la capacidad de flujo en la entrada que puede conseguirse. El flujo de suministro diluido deja la bomba DCT en el lado de alta presión de la bomba de circulación 10 a través del conducto 43 y entra en la unidad de osmosis de salida 45. La presión del sistema se regula mediante dos válvulas de regulación de flujo 47 y 48 donde la concentración abandona la instalación. El líquido purificado es extraído por la salida solvente 50.

Para muchas membranas de presión alta, media o baja que están actualmente disponibles, no puede aplicarse la presión en el lado de presión inferior de la membrana por miedo a la rotura de la unidad. Habitualmente, se especifica menos de 0,5 bares para la mayoría de espiral rodeada de osmosis inversa y unidades de nanofiltro. Por lo tanto, la bomba opcional 41 no puede colocarse antes de la unidad de entrada de osmosis 36 en la figura 5.

La ventaja de esta bomba opcional 41 resulta evidente a partir de los siguientes resultados:

Fuerza hidráulica de la bomba opcional en relación con la bomba de circulación:

\hskip1,6cm

9%

El beneficio neto en relación con la fuerza hidráulica en la salida de la bomba DCT:

\hskip1cm

50%

La lógica tras la reducción de concentración es que el flujo de suministro de entrada 39 está suficientemente concentrado para permitir un intercambio a través de una membrana mediante osmosis inversa entre ésta y un flujo altamente concentrado que alimenta el lado de más alta presión de la membrana. Por ejemplo, 35 bares de presión deberían contrarrestar la presión osmótica inherente a través de una membrana semipermeable que se asocia con un gradiente de concentración de sal NaCl de al menos 35 g/l (gramos por litro). Esta compensación sería suficiente si la membrana separa el agua de mar del agua fresca o agua de mar a partir de 70 g/l de una solución de salmuera. En la práctica, se ha observado que en una elección específica de la membrana en la unidad de ósmosis 63, el agua de mar alcanza la bomba DCT con concentraciones tan bajas como 13 g/l.

La principal diferencia entre las figuras 5 y 6, es que en la figura 6, el conducto 52 que suministra el volumen de líquido al lado de presión más alta de la membrana es la unidad de osmosis 36, inserta curso arriba de la bomba 10 y curso arriba del dispositivo de doble cono 1 de manera que el volumen de líquido suministrado a la unidad de entrada de osmosis 36 no ha de pasar a través del doble cono 1. Como resultado, la bomba de circulación 10 para la instalación de la figura 6 utilizará menos energía que la instalación de la figura 5. Sin embrago, para ciertos casos se requiere la posible presión más alta para cada juego de membranas, pudiendo favorecer la elección de la instalación de la figura 5.

La instalación mostrada en la figura 7, solventa específicamente el problema el problema asociado con la necesidad de inyección de la membrana. La salida concentrada de la unidad de osmosis de salida 45 está conectada a la unidad de osmosis de entrada 36 mediante la línea 54. Mediante la combinación de las líneas concentradas de cada bloque de membranas, el volumen máximo de líquido inyectado puede conservarse. Además, la membrana de la unidad de osmosis 45 es capaz de funcionar bajo condiciones más favorables que aquellas de la membrana de la unidad de osmosis de entrada 36.

La separación de sólidos y/o contaminantes peligrosos de buques para líquidos puede presentar serios problemas. Si cualquiera alcanza el dispositivo de bombeo clásico estos pueden causar fallos instantáneos o provocar una explosión. Ciertamente, un equipo de bombeo muy caro existe para algunos materiales explosivos, pero mayoritariamente uno intenta esquivar el problema.

Por ejemplo, la extracción de crudo procedente del mar se ha convertido en una pesadilla periódica en los recientes años. Esta contaminación puede estar compuesta de extremos ligeros, que a lo mejor son altamente inflamables, y fracciones pesadas que tiene una consistencia a modo de alquitrán. En la mayoría de ejemplos, esta contaminación puede encontrase en fugas de barcos y con frecuencia implica la dispersión de grandes cantidades sobre enormes áreas de superficie del mar. La extracción de este contaminante supone un problema mayor incluso con el nivel actual de tecnología.

La mayoría de puertos están contaminados con aceite desperdiciado y detritos. Este material está progresivamente contaminando las áreas costeras de pesca y de placer creando un medio marino tóxico. Cualquier limpieza propuesta implicará el manejo de volúmenes de agua hasta ahora inimaginables. Con las modificaciones del doble cono propuestas en esta solicitud de patente, debería ofrecerse un potencial necesario tal como el esquema de la figura 8 para realizar una contribución seria a este problema.

En aplicaciones, donde las ventajas peculiares de la bomba DCT no son necesarias, puede utilizarse otra bomba adecuada.

En particular, en vez del circuito cerrado del conducto 12 con la bomba de circulación 10 y el dispositivo de doble cono 1, pueden utilizarse una bomba convencional o instalación de bomba para crear la presión de trabajo en las unidades de separación 45, 36; 57.

La figura 9 es un esquema de dicha instalación de separación que corresponde a las instalaciones mostradas en las figuras 6 y 7, y la figura 10 es un esquema correspondiente a la de la figura 8. En las figuras 9 y 10, la bomba de alimentación 41 y el circuito de bomba de doble cono 1, 10, 12 se sustituyen por la bomba 71. La bomba 71 puede ser una sola bomba que proporcione el flujo de alimentación y diferencia de presión requerida. Naturalmente, la bomba 71 puede estar constituida por una configuración de doble etapa o multi-etapas, por ejemplo, de bombas de alimentación y bombas de presurización. En este último caso, con respecto a la figura 9, es concebible que el conducto 37 se bifurca en un punto intermedio dentro de esta instalación de bomba.

La invención se ha descrito por medio de ejemplos ilustrativos. Sin embargo, el ámbito de la protección que hace referencia esta invención no está limitado a los ejemplos expuestos sino que está determinado por las reivindicaciones. Resulta claro que el experto en la materia podrá ver numerosas variantes derivadas del concepto básico. Algunas de dichas modificaciones se presentan a continuación:

-: La suma de un segundo intersticio variable, cuyo plano de entrada coincide con el orificio, introduce la posibilidad de incrementar temporalmente la succión disponible.

-: El cono de salida curso abajo del intersticio 5 puede seccionarse de modo que incluya varios intersticios secundarios. Preferentemente, cada una de estos intersticios está equipado con la posibilidad del cierre total o parcial. Los intersticios secundarios pueden elegirse con alturas diferentes y/o distancias desde el orificio.

: Los intersticios variables, que cubren el rango en detalle de abierto a cerrado, pueden realizarse tal como sigue:

-: Puede eliminarse una sección del cono de salida y un anillo de obturación utilizado para variar o cerrar completamente el intersticio.

-: Un corte hecho a través del cono de salida y una parte desplazada en referencia a la otra.

-: Pueden introducirse uno o varios orificios en la pared del cono de salida con la posibilidad de modificar la abertura por medio de un obturador, anillos de obturación o válvulas.

-: Las modificaciones del doble cono propuestas anteriormente pueden introducirse en las aplicaciones e instalaciones descritas en el texto principal.

-: Las instalaciones que aplican la nueva solicitud puede comprender más de un dispositivo de doble cono, unidad de separación o bomba. En particular, los dobles conos pueden colocarse en paralelo o en serie. Las instalaciones paralelas requieren a veces de dispositivos de control de flujo individual para cada ramificación.

Claims

1. Instalación de separación que comprende una bomba de presurización (1, 10, 12; 71) y unas unidades de separación para separar un fluido de los componentes contenidos en elementos adicionales, necesitando las unidades de separación una diferencia de presión para el proceso de separación para mostrar un comportamiento mejorado con la presión del fluido incrementada, caracterizada por el hecho de que

una entrada (40) de la bomba está conectada a una primera unidad de separación (36),

una salida (43) de la bomba está conectada a una segunda unidad de separación (45) para suministrarla con fluido presurizado, y

la primera unidad de separación está conectada a una salida de la segunda unidad de separación, suministrando la salida fluido enriquecido con el componente adicional, o a una salida de la bomba, con el fin de suministrar la primera unidad de separación con fluido presurizado de una concentración original o con componentes elevados y, de este modo, diluir el fluido transportado a través de la primera unidad de separación a la bomba con respecto a los componentes adicionales.

2. Instalación de separación según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la bomba es un circuito cerrado hidráulico que comprende un conducto de circuito cerrado (12), una bomba de circulación (10) y un dispositivo de doble cono (1) en una configuración de circuito cerrado, estando la entrada de la bomba constituida por la entrada (7) del dispositivo de doble, y estando la salida (43) de la bomba constituida esencialmente por un conducto ramificado del conducto cerrado.

3. Instalación de separación según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que una bomba (40) está conectada a la entrada (7) del dispositivo de doble cono con el fin de mejorar el suministro de fluido al dispositivo de doble cono.

4. Instalación de separación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por el hecho de que la primera unidad de separación (36) permite un intercambio de masa entre dos fluidos, estando la unidad de separación conectada a una salida de bomba (14, 15; 37, 43) y una entrada (40) de la bomba (1, 10, 12; 71), de modo que se produce un intercambio de masa entre el fluido que sale de la bomba y el fluido que entra a través de la primera unidad de separación (36) de modo que la concentración de materia que debe de separarse del fluido se reduce en el fluido que entra.

5. Instalación de separación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por el hecho de que la segunda unidad de separación (45) es capaz de separar la materia del fluido, particularmente por ósmosis, ósmosis inversa, filtración, efecto ciclón, o cromatografía, con el fin de recubrir el fluido purificado y/o el fluido concentrado a la salida de la segunda unidad de separación.

6. Instalación de separación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por el hecho de que la primera unidad de separación (36) es capaz de separar la materia del fluido por ósmosis, ósmosis inversa, filtración, efecto ciclón, o cromatografía.

7. Uso de la instalación del dispositivo de separación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para la desalinización de agua de mar.

8. Uso de la instalación del dispositivo de separación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para la separación de contaminantes como aceite del agua.