ES2247157T3 - Procedimiento y dispositivo para desalinizar agua. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para desalinizar agua.Info
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Abstract
Procedimiento para desalinizar agua por ósmosis inversa, especialmente para desalinizar agua de mar, en el que el agua (10) salobre se introduce bajo una primera presión (p1) en un dispositivo (2) de compensación de presión y es conducida por el dispositivo (2) de compensación de presión bajo una segunda presión (p2) más alta a un módulo (3) de membrana, de modo que desde el módulo (3) de membrana sale agua (12) desalinizada y agua (13) salobre concentrada, de modo que el agua (13) salobre concentrada conducida fuera del módulo (3) de membrana se introduce continuamente en el dispositivo (2) de compensación de presión bajo aproximadamente la segunda presión (p2) y allí se utiliza para solicitar el agua (10) salobre introducida en el dispositivo (2) de compensación de presión con aproximadamente la segunda presión (p2) y para introducir el agua (11) salobre en el módulo (3) de membrana, y de modo que la introducción del agua (13) salobre concentrada en el dispositivo (2) de compensación de presión y la evacuación del agua (14) salobre concentrada desde el dispositivo (2) de compensación de presión tiene lugar mediante válvulas (V1, V3, V4, V6) principales controladas, de modo que se controlan válvulas (V2, V2¿, V5, V5¿) secundarias dispuestas paralelamente a las válvulas (V1, V3, V4, V6) principales, de tal manera que se reducen los picos de carga al abrir y/o cerrar las válvulas (V1, V3, V4, V6) principales, para lo cual las válvulas (V2, V2¿, V5, V5¿) secundarias se abren durante la apertura o el cierre de la válvula (V1, V3, V4, V6) principal dispuesta en cada caso paralela a éstas, caracterizado porque mediante un recipiente (P) de presión dispuesto en la entrada del dispositivo (2) de compensación de presión por el cual es introducida el agua (13) salobre concentrada fuera del módulo (3) de membrana se compensan las variaciones de presión. en la cámara (201, 202) de entrada de al menos un dispositivo (401, 402) pistón/cilindro, agua (14) salobre concentrada es conducida hacia fuera desde la cámara (101, 102) de salida del mismo dispositivo (401, 402) pistón/cilindro, se introduce agua (13) salobre concentrada en la cámara (101, 102) de salida de al menos otro dispositivo (401, 402) pistón/cilindro y se alimenta agua (11) salobre procedente de la cámara (201, 202)de entrada del mismo dispositivo (401, 402) pistón/cilindro al dispositivo (3) de membrana.
Description
Procedimiento y dispositivo para desalinizar
agua.
La invención se refiere a un procedimiento para
desalinizar agua por ósmosis inversa según el preámbulo de la
reivindicación 1, así como a un dispositivo para realizar este
procedimiento.
Un procedimiento y dispositivo de este tipo se
describen en la solicitud de patente alemana 199 33 147.2. En este
caso, el agua salobre se introduce bajo una primera presión en un
dispositivo de compensación de presión y desde el dispositivo de
compensación de presión se introduce bajo una segunda presión más
alta en un módulo de membrana, de modo que desde el módulo de
membrana sale agua desalinizada y agua salobre concentrada. En este
caso, por "agua desalinizada" ha de entenderse agua con un
contenido de sal reducido con respecto al del agua salobre
introducida en el dispositivo. Para aumentar en este caso el
rendimiento y, por tanto, el balance energético en el caso de un
procedimiento de este tipo y de un dispositivo de este tipo, se
propone allí introducir de forma continua el agua salobre
concentrada conducida fuera del módulo de membrana, bajo la segunda
presión, en el dispositivo de compensación de presión, y utilizarla
allí para solicitar el agua salobre introducida en el dispositivo de
compensación de presión con la segunda presión y para introducir el
agua salobre en el módulo de membrana. La introducción del agua
salobre concentrada en el dispositivo de compensación de presión se
realiza mediante válvulas de retención y la evacuación del agua
salobre concentrada del dispositivo de compensación de presión se
realiza en este caso mediante válvulas principales controladas.
Estas válvulas principales controladas pueden controlarse
preferiblemente de forma activa y están dispuestas en conductos de
conexión correspondientes entre el módulo de membrana y el
dispositivo de compensación de presión, o entre el dispositivo de
compensación de presión y la salida del agua salobre
concentrada.
A partir del documento
EP-A-10 028 913 se conoce un
procedimiento mencionado al principio y un dispositivo mencionado al
principio. Allí, para compensar las pérdidas de presión está
prevista una bomba.
A partir del documento
DE-A-24 48 985 se conoce la
recuperación de energía a partir de un líquido a alta tensión
mediante un motor de agua accionado con este líquido. En este caso
están previstos de nuevo combinaciones de cilindro/pistón que
trabajan en oposición de fase, que, sin embargo, están en conexión
mecánicamente con un cigüeñal mediante bielas, el cual es accionado
a su vez por un accionamiento para compensar las pérdidas de
presión. Sin embargo, a este sistema están unidas algunas
desventajas como, por ejemplo, un soporte y guiado complicado de los
pistones y de las bielas ya que éstos están sometidos mediante los
movimientos del cigüeñal en dos direcciones. A partir del documento
US 5.797. 429 se conoce en la figura 1 un dispositivo para
desalinizar agua por ósmosis inversa en el que están previstas
válvulas principales y válvulas secundarias paralelas para evacuar
el agua salobre concentrada desde un módulo de membrana y desde
medios de intercambio.
A partir del documento US 6.017.200 se conoce un
dispositivo para desalinizar agua por ósmosis inversa con dos
dispositivos de pistón/cilindro que trabajan en oposición de
fase.
En los procedimientos y dispositivos conocidos se
solicitan las válvulas principales con una alta presión. Si se
accionan las válvulas principales, se origina una alta solicitación
mecánica exactamente en el primer momento de la apertura o en el
último momento del cierre de una válvula principal de este tipo. Sin
embargo, dado que estas válvulas principales están diseñadas para un
caudal grande, éstas han de ser correspondientemente grandes y tener
una masa considerable.
Dado que las válvulas principales son
relativamente lentas a causa de su tamaño y masa, están sometidas a
grandes cambios de presión relativamente largos especialmente al
comienzo del proceso de apertura y al final del proceso de cierre.
Dado que los dispositivos de este tipo deben trabajar en lo posible
sin interrupciones, estas válvulas principales están sometidas a una
alta carga continua, por un lado, mediante la cantidad y la duración
de la carga y, por otro lado, mediante la frecuencia de los ciclos
de carga, de manera que se desgastan rápidamente de forma
correspondiente.
Por lo tanto, la invención se basa en el objetivo
de mejorar el procedimiento mencionado al principio o el dispositivo
mencionado al principio con respecto a las desventajas mencionadas y
configurarlos de tal manera que las válvulas principales se
desgasten menos.
Este objetivo se soluciona, partiendo del
procedimiento mencionado al principio y del dispositivo mencionado
al principio, mediante el procedimiento según la reivindicación 1 o
mediante el dispositivo según la reivindicación 15.
En este caso, la invención se basa en el
conocimiento de que especialmente al abrir y cerrar las válvulas
principales aparecen picos de carga que deben evitarse. Esto se
consigue mediante las válvulas secundarias previstas según la
invención, que también pueden denominarse "válvulas de
derivación", a través de las cuales es conducida una parte de la
presión que aparece al abrir y cerrar las válvulas principales
alrededor de las válvulas principales. Además, están previstos
conductos secundarios alrededor de las válvulas principales en los
cuales están dispuestas las válvulas secundarias.
Preferiblemente, las válvulas secundarias son
controladas de tal manera que se abren un poco antes de la apertura
o del cierre de las válvulas principales y/o de manera que
únicamente están abiertas durante el proceso de apertura y cierre de
las válvulas principales. Por lo demás, las válvulas secundarias
están normalmente cerradas.
En una configuración preferida, las válvulas
secundarias presentan una sección transversal más pequeña que las
válvulas principales. La sección transversal de las válvulas
secundarias puede incluso ser claramente más pequeña que la sección
transversal de las válvulas principales, y las válvulas secundarias
pueden presentar una resistencia considerablemente más alta a la
presión. Con esto puede reducirse de forma manifiesta la carga de
las válvulas principales mediante un control adecuado de las
válvulas secundarias y, con ello, aumentar proporcionalmente su vida
útil.
En una configuración alternativa de la invención
puede elegirse la sección transversal de las válvulas secundarias de
la forma que se desee. A través de la sección transversal de las
válvulas secundarias puede suministrarse también una parte para el
transporte del líquido, lo que puede estar previsto a través de
controles correspondientes. Esto significa que las válvulas
secundarias están abiertas o cerradas en los mismos intervalos de
tiempo que las válvulas principales dispuestas de forma
correspondiente paralelas a aquéllas, con la diferencia de que las
válvulas secundarias se abren algo antes que las válvulas
principales paralelas y se cierran algo más tarde que las válvulas
principales paralelas para aliviarlas de carga.
En una configuración preferida de la invención
está previsto un recipiente de presión que está conectado con la
salida para la expulsión del agua salobre concentrada fuera del
módulo de membrana y con la entrada del dispositivo de compensación
de presión. Por lo tanto, este recipiente de presión se solicita con
la misma presión que la propia agua salobre concentrada. El fin de
este recipiente de presión es compensar las variaciones de presión
que aparecen inevitablemente durante los accionamientos de las
válvulas a consecuencia de pérdidas de volumen, para garantizar una
presión de funcionamiento lo más constante posible en el módulo de
membrana.
En otra configuración ventajosa de la invención
están previstos limitadores de caudal en los conductos de
alimentación hacia las válvulas secundarias que impiden una
compensación de presión abrupta limitando el caudal máximo y con
ello contribuyendo a una compensación de presión paulatina y, con
ello, a unos cambios de presión lentos en lugar de variaciones
repentinas. Éstos pueden estar dimensionados de diferentes formas
para configurar las "resistencias de corriente" con tamaños
diferentes. Los limitadores de caudal pueden también estar
integrados en las válvulas secundarias dado que de todos modos
presentan una sección transversal menor.
En un perfeccionamiento de la invención se prevé
que el dispositivo de compensación de presión presente dos
dispositivos de pistón/cilindro que trabajan en oposición de fase, y
que los pistones de los dispositivos de pistón/cilindro estén
conectados mediante una barra de pistón. A partir del documento
EP-A-0 028 913 se conoce una barra
de pistón de este tipo y su funcionamiento. Sin embargo, al
contrario que en esta barra de pistón conocida, no está previsto en
este perfeccionamiento de la invención ninguna bomba para compensar
las pérdidas de presión.
Más bien, está previsto, en una configuración
siguiente de la invención, un accionamiento para la barra de pistón
para compensar las pérdidas de presión. Por ejemplo, este
accionamiento puede consistir en que la barra de pistón presente en
una sección central un dentado en el cual se enganchan piñones que
pueden accionarse de manera adecuada. Gracias a esto puede
mantenerse la presión de funcionamiento deseada.
En el dispositivo según la invención puede
prescindirse por completo de un bomba de alta presión que aplique
una alta presión y puede sustituirse por una bomba que aplique una
presión mucho más baja si la presión, que presenta forzosamente el
agua salobre concentrada en la salida del módulo de membrana, se
aprovecha mediante la realimentación continua de esta agua salobre
concentrada en el dispositivo de compensación de presión para la
solicitación de presión del agua salobre inyectada en el dispositivo
de compensación de presión. En este caso es sobre todo fundamental
que esto se realice de forma continua dado que, si no, la presión en
el conducto de alimentación del agua salobre tendría que rebajarse
desde el dispositivo de compensación de presión al módulo de
membrana y ser suministrada más tarde por una bomba de alta presión
y tampoco sería posible una generación continua de agua
desalinizada.
Otras configuraciones ventajosas del
procedimiento según la invención y del dispositivo según la
invención se desprenden especialmente de las reivindicaciones
dependientes. Se ha indicado que el dispositivo según la invención
puede estar configurado de la misma o correspondiente manera y puede
presentar configuraciones correspondientes, tal como se ha explicado
más arriba en conexión con el procedimiento según la invención y tal
como se ha indicado en las reivindicaciones dependientes referidas a
la reivindicación 1.
La invención se explica detalladamente a
continuación mediante los dibujos. Muestran:
la figura 1, un diagrama de bloques para explicar
el procedimiento según la invención,
la figura 2, una forma de realización del
dispositivo según la invención en un primer estado operativo,
la figura 3, una representación de esta forma de
realización en un segundo estado operativo y
la figura 4, una representación de los estados
operativos de esta forma de realización durante un ciclo de trabajo
completo.
El diagrama de bloques de la figura 1 muestra una
bomba 1 de transporte para introducir agua 10 salobre en un
dispositivo 2 de compensación de presión bajo una primera presión
p_{1}. Desde el dispositivo 2 de compensación de presión se
alimenta la misma agua 11 salobre, que, sin embargo, se ha
solicitado ahora con una presión operativa alta, al módulo 3 de
membrana. Allí una parte del agua 11 salobre entra a través de la
membrana 6 (por ejemplo, un 25% del agua 11 salobre), se desaliniza
ahí y es expulsada como agua 12 desalinizada. La parte restante del
agua 11 salinizada (por ejemplo, un 75%) no puede atravesar la
membrana 6 y, mediante el conducto 5 de conexión, se alimenta
nuevamente al dispositivo 2 de compensación de presión como agua 13
salobre concentrada, que todavía está aproximadamente bajo la
presión p_{2} alta. Allí se aprovecha esta presión alta, de una
manera que aún ha de describirse detalladamente, para solicitar con
esta presión alta el agua 10 salobre introducida en el dispositivo 2
de compensación de presión y alimentar al módulo 3 de membrana en su
entrada. Al mismo tiempo, de una manera que también debe describirse
aún detalladamente, esta presión se aprovecha en el dispositivo 2 de
compensación de presión para expulsar definitivamente el agua 14
salobre concentrada que se encuentra dentro meditante el conducto 4
de evacuación y alimentar al dispositivo 2 de compensación de
presión agua 10 salobre no concentrada. En este caso, todos los
procesos descritos se realizan a la vez y de forma continua, de modo
que no es necesaria una bomba de alta presión que suministre
posteriormente la alta presión operativa y continuamente se dispone
de agua 12 desalinizada.
Mediante la forma de realización de la invención
mostrada en la figura 2 la configuración y el modo de funcionamiento
del dispositivo 2 de compensación de presión han de ser descritos
detalladamente. Éste presenta aquí dos dispositivos 401, 402
idénticos de pistón/cilindro con dos cilindros dispuestos
enfrentados alineados que presentan en cada caso una cámara 201, 202
de entrada para alojar el agua 10 salobre y, en cada caso, una
cámara 101, 102 de salida para alojar el agua 13 salobre
concentrada. Dentro de los dispositivos 401, 402 de pistón/cilindro
está dispuesto en cada caso un pistón 301, 302 especial que
subdivide el espacio interior del pistón en las cámaras mencionadas
y que puede desplazarse en la imagen en dirección horizontal dentro
de la disposición de los pistones. Desde la bomba 1 de alimentación
se dirige en cada caso un conducto de alimentación con una válvula 7
de retención (pasiva) hacia las cámaras 201, 202 de entrada. Las
válvulas 7 de retención están configuradas de tal manera que se
abren y posibilitan un flujo cuando la presión en el conducto de
alimentación es mayor que en las cámaras 201, 202 de entrada. Las
válvulas 8 de retención comparables, que sin embargo presentan otra
dirección de flujo, se encuentran en los conductos de alimentación
de las cámaras 201, 202 de entrada al módulo 3 de membrana.
Por otra parte, en los conductos 5 de
alimentación desde el módulo 3 de membrana a las cámaras 101, 102 de
salida y en los conductos 4 de evacuación de las cámaras 101, 102 de
salida se disponen, válvulas V3, V6 o V1, V4 principales que pueden
conectarse activamente, meditante las cuales puede controlarse la
entrada del agua 13 salobre concentrada desde el módulo 3 de
membrana o la salida del agua 14 salobre concentrada del dispositivo
2 de compensación de presión.
Los pistones 301, 302 están conectados fijamente
entre sí mediante una barra 30 de pistón. Los piñones 40, que pueden
accionarse, por ejemplo, mediante motores eléctricos con engranaje y
se enganchan en un dentado sujeto a la barra 30 del pistón, pueden
accionar la barra 30 del pistón y, por esto, los pistones 301, 302
para compensar pérdidas de presión.
Los pistones se disponen de tal manera que
trabajan en oposición de fase. Si un pistón se encuentra entonces en
una posición en la cual el volumen de la cámara 202 de entrada es
máximo y el volumen de la cámara 102 de salida es mínimo, entonces
el otro pistón unido por la barra 30 de pistón se encuentra en una
posición en la que el volumen de la cámara 201 de entrada es mínimo
y el volumen de la cámara 101 de salida es máximo (véase la figura
2). En esta situación se llena la cámara 202 de entrada con agua y
la cámara 101 de salida se llena con agua salobre concentrada. Las
válvulas V1, V3, V4 y V6, que están mostradas aquí como
interruptores, son controladas de tal manera que ahora V3 y V4 se
cierran mientras que V1 y V6 se abren.
Una apertura de una válvula significa en este
contexto la producción de una conexión de corriente para dejar pasar
el flujo, para lo cual la válvula se abre además de manera puramente
mecánica. De forma análoga, el cierre de una válvula significa la
interrupción de una conexión de corriente para impedir un flujo,
para lo cual la válvula se cierra además de manera puramente
mecánica.
Mediante la apertura de la válvula V1 principal
se escapa primeramente la presión del agua salobre concentrada a la
cámara 101 de salida. Mediante la apertura de la válvula V6
principal se solicita la cámara 102 de salida con presión (por
ejemplo, aproximadamente a 70 bares) y el agua salobre concentrada
entra en esta cámara. Al mismo tiempo, el agua salobre que se
encuentra en la cámara 202 de entrada es presionada mediante el
pistón solicitado con presión hacia el módulo 3 de membrana.
Dado que los pistones están dispuestos de tal
manera que trabajan en oposición de fase, la introducción del
concentrado solicitado con presión (con, por ejemplo, 70 bares) en
la cámara 102 de salida mediante la barra 30 de pistón provoca un
movimiento del otro pistón 301 que con esto vacía la cámara 101 de
salida sin presión. Al mismo tiempo se origina un vacío en la cámara
201 de entrada que succiona el agua salobre y llena esta cámara.
Si la cámara 102 de salida está llena, las
válvulas principales se controlan correspondientemente y transcurre
el proceso opuesto.
Dado que la membrana es accionada preferiblemente
con aproximadamente 80 bares para realizar una producción de agua
dulce lo suficientemente alta y para que en la membrana se presente
como máximo una pérdida de presión de alrededor de 10 bares, en la
salida 5 del concentrado del módulo 3 de membrana se facilitan al
menos todavía los aproximadamente 70 bares de presión mencionados
arriba del agua salobre concentrada.
Para descargar las válvulas principales de los
cambios de presión altos, especialmente durante la apertura y el
cierre, que provocan un desgaste de las válvulas principales están
previstas según la invención, de forma paralela a las válvulas V1,
V3, V4, V6 principales, válvulas secundarias o válvulas V2, V2', V5,
V5' de derivación. Estas válvulas secundarias presentan una sección
transversal claramente menor que las válvulas principales y una
resistencia a la presión considerablemente más alta. Por esto,
mediante un control adecuado de las válvulas secundarias puede
reducirse claramente la carga de las válvulas principales y con ello
puede aumentarse proporcionalmente su vida útil.
Además, está previsto un recipiente P de presión,
que está unido con la salida del módulo 3 de membrana para el agua
salobre concentrada y por eso está solicitado con la misma presión
que la propia agua salobre concentrada, es decir, por ejemplo,
aproximadamente con 70 bares. Las variaciones de presión que
aparecen inevitablemente durante los accionamientos de las válvulas
a consecuencia de pérdidas de volumen han de compensarse por esto
para generar una presión de funcionamiento lo más constante posible
en el módulo 3 de membrana.
Adicionalmente, entre la salida del módulo 3 de
membrana para el agua salobre concentrada y las cámaras 101, 102 de
salida están previstos varios limitadores R1, R2, R3 de caudal,
mostrados como resistencias, que deben impedir una compensación de
presión abrupta limitando el caudal máximo y, por tanto, deben
contribuir a una compensación de presión paulatina y, con ello, a
cambios de presión lentos en lugar de oscilaciones repentinas. Estos
limitadores de caudal que actúan como "resistencias de
corriente" pueden estar dimensionados de diferentes maneras.
Los dos limitadores R2, R3 de caudal dispuestos
entre el pistón K2 y las válvulas V2, V2' secundarias, o entre el
pistón K3 y las válvulas V5, V5' secundarias pueden permitir un
caudal mayor que el limitador R1 de caudal dispuesto entre el pistón
K1 y el recipiente P de presión ya que los limitadores R2 y R3 de
caudal durante cada accionamiento de las válvulas V2, V2' o V5, V5'
secundarias contiguas han de permitir una compensación de presión en
un tiempo aceptable. Por el contrario, R1 está continuamente
conectado con la salida del concentrado del módulo 3 de membrana, de
manera que puede tener lugar una compensación de presión
ininterrumpidamente en el recipiente P de presión. Por eso, el
limitador R1 de caudal puede presentar una alta resistencia a la
corriente y permitir únicamente un flujo reducido. El
desacoplamiento del circuito del concentrado del módulo 3 de
membrana es correspondientemente fuerte, de modo que las
repercusiones de las variaciones de presión en el módulo 3 de
membrana son despreciablemente pequeñas. En este contexto ha de
mencionarse también que las válvulas V3 y V6 principales únicamente
son accionadas siempre que se haya producido ya una compensación de
presión entre el nudo K1 y los nudos K2, K3 a través de las válvulas
V2 y V5 secundarias. Las válvulas V3 y V6 principales se accionan
siempre sin presión, de manera que en este caso no se origina
ninguna variación de presión.
Mediante la configuración de las válvulas V2,
V2', V5, V5' secundarias, que de todos modos presentan una sección
transversal pequeña, se limita el caudal máximo posible de manera
que estas válvulas secundarias puedan asumir automáticamente la
función de los limitadores de caudal.
A continuación se describe ahora un ciclo de
funcionamiento de un dispositivo según la invención mediante los
diagramas de bloques mostrados en las figuras 2 y 3, así como
mediante el organigrama mostrado en la figura 4. En este caso, los
valores registrados en el diagrama mostrado en la figura 4 indican
la disminución de presión mediante la válvula correspondiente en el
momento del accionamiento.
La situación de partida es la situación mostrada
en la figura 2. Los pistones 301, 302 en los dos dispositivos de
pistón/cilindro han alcanzado en este momento la posición izquierda
más exterior. Esto también está indicado en el organigrama de la
figura 4 (véanse las dos columnas derechas). Las válvulas V3 y V4
principales están todavía abiertas. Dado que la disminución de
presión a través de estas válvulas es 0, las dos válvulas se cierran
sin presión (momento t1). A más tardar en este momento también deben
cerrarse las válvulas V2 y V5' secundarias para separar los nudos K2
y K3 de la descarga del concentrado o de la salida del concentrado
del módulo 3 de membrana. En este momento están cerradas todas las
válvulas.
Para preparar el movimiento opuesto de los
pistones 301, 302 se abre ahora la válvula V2' secundaria (momento
t2) para disminuir la presión pendiente en el nudo K2 de
aproximadamente 70 bares con respecto a la descarga del concentrado.
Dado que la válvula V2' es una válvula secundaria con una sección
transversal pequeña, el caudal es escaso. Se impide una variación de
presión repentina mediante el limitador R2 de flujo o mediante la
propia válvula V2' secundaria.
Al mismo tiempo, se abre la válvula V5 principal
para solicitar con presión el nudo K3 sin presión después de vaciar
el agua salobre concentrada de la cámara 102 de salida. Esta
solicitación de presión se realiza también paulatinamente dado que
el limitador R3 de caudal ha limitado el flujo. Por tanto, en el
nudo K3 se forma la presión que está presente también en el nudo
K1.
Dado que el nudo K1 está desacoplado de la
válvula V5 principal mediante un limitador R1 de caudal con alta
resistencia a la corriente, la compensación de presión se realiza
desde el recipiente P de presión, que se rellena a su vez mediante
el limitador R1 de caudal contra el nudo K1. Por tanto, la variación
de presión en la descarga del concentrado del módulo 3 de membrana
se determina fundamentalmente mediante las dimensiones de este
limitador R1 de caudal, de manera que puede tener lugar una presión
relativamente constante en el nudo K1.
Tan pronto como la presión en el nudo K2
disminuya mediante la válvula V2' secundaria y se haya formado la
presión en el nudo K3 mediante la válvula V5 secundaria, pueden
abrirse sin presión las válvulas V1 y V6 principales (momento t3) y
comienza el movimiento opuesto de los pistones. Esto se indica
mediante las flechas que se dirigen hacia la derecha en la figura
4.
En el momento t4 las válvulas V2' y V5
secundarias pueden volver a cerrarse. Sin embargo, este cierre de
las válvulas V2' y V5 secundarias ha de realizarse como muy tarde en
el momento t5 cuando los pistones 301, 302 hayan alcanzado la
posición derecha más exterior (véase la figura 3).
Gracias al movimiento de los pistones desde la
posición izquierda más exterior hasta la posición derecha más
exterior, mediante la presión del agua salobre concentrada que entra
en la cámara 102 de salida, ha sido presionada el agua salobre fuera
de la cámara 202 de entrada en el módulo 3 de membrana con una
presión de aproximadamente 80 bares (70 bares del concentrado que
entra y 10 bares por un accionamiento). Al mismo tiempo, el agua
salobre concentrada ha sido transportada sin presión desde la cámara
101 de salida a la descarga del concentrado y ha entrado agua
salobre en la cámara 201 de entrada. Por tanto, en el momento t5
están cerradas todas las válvulas de nuevo y mediante un control
correspondiente tiene lugar el mismo proceso en la dirección
opuesta.
Llegados a este punto ha de indicarse que la
bomba 1 no está prevista fundamentalmente para introducir agua 10
salada en las cámaras 201, 202 de entrada, sino que ha de impedir la
formación de las llamadas cavitaciones, es decir, zonas con un vacío
en la corriente de agua 10 salobre que entra en las cámaras 201, 202
de entrada. Debido a la corriente turbulenta estas zonas no son
estables. El agua ambiental se succiona concretamente mediante este
vacío y penetra en esta zona. Con esto se consiguen velocidades tan
altas que se pueden sacar por completo partículas de las paredes de
los conductos y de las válvulas lo que puede conducir rápidamente a
daños que exigen un cambio de dichas piezas que vuelve a repetirse
regularmente. En el caso del sistema de dos cámaras según la
invención, es decir, a diferencia de los dispositivos conocidos, la
bomba 10 no tiene una alta presión operacional sino que trabaja en
cierto modo como un turbo-cargador en las máquinas
de combustión con una presión escasa que es suficiente para no dejar
aparecer cavitaciones al succionar el agua salobre.
La situación de partida es la situación mostrada
ahora en la figura 3. Los pistones 301, 302 en los dos cilindros han
alcanzado en este mismo momento la posición derecha más exterior.
Esto se indica también en el organigrama mostrado en la figura 4.
Las válvulas V1 y V6 todavía están abiertas. Dado que la disminución
de presión por medio de las válvulas es cero, se cierran sin presión
las dos válvulas (momento t5). Como más tarde en este momento han de
cerrarse también las válvulas V2' y V5 secundarias para separar los
nudos K2 y K3 de la descarga del concentrado o de la salida del
concentrado del módulo 3 de membrana. Ahora todas las válvulas están
cerradas.
Para preparar el movimiento opuesto de los
pistones 301, 302 ahora se abre la válvula V5' secundaria (momento
t6) para disminuir la presión de aproximadamente 70 bares que se
presenta en el nudo K3 con respecto a la salida del concentrado.
Dado que la válvula V5' es una válvula secundaria con una sección
transversal pequeña, el caudal es escaso. Gracias al limitador R3 de
caudal se impide una variación de presión repentina.
Al mismo tiempo, se abre la válvula V2 secundaria
para solicitar con presión el nudo K2 sin presión después de vaciar
el agua salobre concentrada de la cámara 101 de salida. Esta
solicitación de presión tiene lugar también paulatinamente dado que
el limitador R2 de caudal limita el flujo. En el nudo K2 se forma la
presión que también está en el nudo K1. Dado que el nudo K1 se ha
desacoplado de la válvula V2 secundaria mediante un limitador R1 de
caudal con alta resistencia a la corriente, tiene lugar la
compensación desde el acumulador P de presión, que se llena
nuevamente mediante el limitador R1 de caudal.
Tan pronto como la presión en el nudo K3 haya
disminuido a través de la válvula V5' secundaria y se forme la
presión en el nudo K2 a través de la válvula V2 secundaria, pueden
abrirse sin presión las válvulas V3 y V4 principales (momento t7) y
comienza el movimiento opuesto de los pistones. Esto se indica en la
figura 4 mediante la flecha que indica hacia la izquierda.
En el momento t8 pueden cerrarse de nuevo las
válvulas V5' y V2 secundarias. Sin embargo, este cierre de las
válvulas V5' y V2 secundarias ha de realizarse como muy tarde en el
momento t11 del siguiente ciclo cuando los pistones 301, 302 hayan
alcanzado la posición izquierda más exterior (véase figura 2).
Gracias al movimiento de pistones desde la
posición derecha más exterior a la posición izquierda más exterior
mediante la presión del agua salobre concentrada que entra en la
cámara 101 de salida, el agua salobre ha sido presionada con una
presión de 80 bares fuera de la cámara 201 de entrada al módulo 3 de
membrana. Al mismo tiempo el agua salobre concentrada ha sido
transportada sin presión fuera de la cámara 102 de salida hacia la
salida del concentrado y ha entrado agua salobre en la cámara 202 de
entrada.
Por consiguiente, en el momento t1 del siguiente
ciclo todas las válvulas están cerradas de nuevo y mediante un
control correspondiente tiene lugar el mismo proceso en la dirección
opuesta. La línea de puntos y rayas en el organigrama de la figura 4
indica el final de un ciclo y, a la vez, el comienzo de un nuevo
ciclo.
A partir de los datos de presión en las válvulas
individuales puede detectarse que las válvulas principales siempre
operan sin presión, mientras que las válvulas secundarias, que están
dimensionadas adecuadamente, están solicitadas con una alta presión
únicamente al abrirse.
En esto se basa la ventaja determinante de la
presente invención.
Un cierre hermético entre el pistón y el cilindro
correspondiente del dispositivo pistón/cilindro no es
obligatoriamente necesario dado que una pequeña mezcla de los dos
líquidos no influye de forma considerable en la acción del
dispositivo. Por el contrario un cierre estanco del cilindro sí es
obligatoriamente necesario en la salida de la barra del pistón.
Puede preverse también registrar continuamente la
posición actual de los pistones. Este registro de la posición es
importante dado que ha de impedirse una colisión entre los pistones
y los cilindros para evitar daños. En este caso la posición de los
pistones puede registrarse directamente en el cilindro o
indirectamente, por ejemplo, en la barra del pistón.
Dado que una bomba para complementar la pérdida
de presión se solicita en gran medida, por un lado, por la alta
presión y, por otro lado, por el medio agresivo del agua salobre y,
en correspondencia, está expuesta a fallos, la presente invención
sustituye una bomba de este tipo fundamentalmente o completamente
por un accionamiento de la barra de pistón, con lo que las pérdidas
de presión se compensan.
El recipiente de presión suaviza las variaciones
de presión en la membrana. Otro suavizado de las variaciones de
presión se produce mediante una disposición múltiple de un
dispositivo según la invención en un módulo de membrana, es decir,
mediante una disposición de al menos dos dispositivos de
compensación de presión que presentan en cada caso un par de
dispositivos pistón/cilindro en un módulo de membrana, especialmente
cuando éstos trabajan desfasados entre sí, de manera que en un
momento t1 sólo los pistones de un dispositivo de compensación de
tensión en cada caso están en la posición izquierda o derecha más
exterior. En este caso puede estar previsto, según el diseño, un
accionamiento común para todos los dispositivos de compensación de
presión o también un accionamiento independiente para cada
dispositivo de compensación de presión.
La invención no se limita a la forma de
realización mostrada, especialmente el dispositivo de compensación
de presión puede estar configurado también de otro modo. Por
ejemplo, pueden concebirse configuraciones con varios pares de dos
dispositivos pistón/cilindro y/o diferentes dispositivos
pistón/cilindro o configurados de diferente modo. También los
valores indicados son solamente ejemplos para aclarar la invención,
de modo que también pueden producirse, por ejemplo, otras relaciones
de presión en el caso de una geometría modificada de los
pistones.
Con el procedimiento según la invención y el
dispositivo según la invención se consigue un rendimiento muy alto
en la recuperación de energía que asciende a al menos el 90%. La
bomba de transporte necesita generar solamente una fracción, que
depende de la cantidad tomada, de la presión operacional necesaria
para la ósmosis inversa de aproximadamente 70 a 80 bares, lo que
arrastra consigo una alta reducción de costes y ventajas en el
mantenimiento. En general, se reducen claramente con ello los costes
de fabricación para un dispositivo para desalinizar agua y preparar
agua potable. La geometría de los pistones no se limita a una única
posibilidad. Según el contenido de sal del agua puede o podría
adaptarse la presión osmótica. En el caso de aguas salinas, con
contenido de sal mínimo, puede elegirse una presión más baja.
Claims (13)
1. Procedimiento para desalinizar agua por
ósmosis inversa, especialmente para desalinizar agua de mar, en el
que el agua (10) salobre se introduce bajo una primera presión
(p_{1}) en un dispositivo (2) de compensación de presión y es
conducida por el dispositivo (2) de compensación de presión bajo una
segunda presión (p_{2}) más alta a un módulo (3) de membrana, de
modo que desde el módulo (3) de membrana sale agua (12) desalinizada
y agua (13) salobre concentrada, de modo que el agua (13) salobre
concentrada conducida fuera del módulo (3) de membrana se introduce
continuamente en el dispositivo (2) de compensación de presión bajo
aproximadamente la segunda presión (p_{2}) y allí se utiliza para
solicitar el agua (10) salobre introducida en el dispositivo (2) de
compensación de presión con aproximadamente la segunda presión
(p_{2}) y para introducir el agua (11) salobre en el módulo (3) de
membrana, y de modo que la introducción del agua (13) salobre
concentrada en el dispositivo (2) de compensación de presión y la
evacuación del agua (14) salobre concentrada desde el dispositivo
(2) de compensación de presión tiene lugar mediante válvulas (V1,
V3, V4, V6) principales controladas, de modo que se controlan
válvulas (V2, V2', V5, V5') secundarias dispuestas paralelamente a
las válvulas (V1, V3, V4, V6) principales, de tal manera que se
reducen los picos de carga al abrir y/o cerrar las válvulas (V1, V3,
V4, V6) principales, para lo cual las válvulas (V2, V2', V5, V5')
secundarias se abren durante la apertura o el cierre de la válvula
(V1, V3, V4, V6) principal dispuesta en cada caso paralela a éstas,
caracterizado porque mediante un recipiente (P) de presión
dispuesto en la entrada del dispositivo (2) de compensación de
presión por el cual es introducida el agua (13) salobre concentrada
fuera del módulo (3) de membrana se compensan las variaciones de
presión.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el agua (13) salobre concentrada se
introduce, desde el módulo (3) de membrana, a una cámara (101, 102)
de salida de uno de al menos dos dispositivos (401, 402)
pistón/cilindro del dispositivo (2) de compensación de presión bajo
aproximadamente la segunda presión (p_{2}) y allí actúa sobre el
pistón (301, 302) de tal manera que el agua (10) salobre introducida
en una cámara (201, 202) de entrada del mismo dispositivo (401, 402)
pistón/cilindro es conducida bajo aproximadamente la segunda presión
(p_{2}) al módulo (3) de membrana.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el agua (13) salobre concentrada se
introduce alternando en la cámara (101, 102) de salida de uno de los
dispositivos (401, 402) pistón/cilindro, por lo que, en cada caso,
al mismo tiempo el agua (11) salobre es conducida fuera de la cámara
(201, 202) de entrada del mismo dispositivo (401, 402)
pistón/cilindro al módulo (3) de membrana y porque, al mismo tiempo,
se introduce agua (10) salada en la cámara (201, 202) de entrada de
otro dispositivo (401, 402) pistón/cilindro bajo la primera presión
(p_{1}), por lo que desde la cámara (101, 102) de salida del mismo
dispositivo (401, 402) pistón/cilindro el agua (14) salobre
concentrada es conducida hacia fuera bajo una pequeña presión.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque los dispositivos (401, 402)
pistón/cilindro del dispositivo (2) de compensación de presión están
controlados de tal manera que en cada caso se introduce al mismo
tiempo agua (10) salobre en la cámara (201, 202) de entrada de al
menos un dispositivo (401, 402) pistón/cilindro, agua (14) salobre
concentrada es conducida hacia fuera desde la cámara (101, 102) de
salida del mismo dispositivo (401, 402) pistón/cilindro, se
introduce agua (13) salobre concentrada en la cámara (101, 102) de
salida de al menos otro dispositivo (401, 402) pistón/cilindro y se
alimenta agua (11) salobre procedente de la cámara
(201,202)de entrada del mismo dispositivo (401, 402)
pistón/cilindro al dispositivo (3) de membrana.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
dispositivo (2) de compensación de presión presenta dos dispositivos
(401, 402) pistón/cilindro que trabajan en oposición de fase, y
porque los pistones (301, 302) de los dispositivos (401, 402)
cilindro/pistón están unidos por una barra (30) de pistón.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque la barra (30) de pistón se acciona
mediante un accionamiento.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la sección
transversal de las válvulas (V2, V2', V5, V5') secundarias es más
pequeña que la sección transversal de las válvulas (V1, V3, V4, V6)
principales.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
caudales máximos son controlados mediante limitadores (R1, R2, R3)
de caudal en las tuberías de alimentación hacia las válvulas (V2,
V2', V5, V5') secundarias, a través de las válvulas (V2, V2', V5,
V5') secundarias.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las
válvulas (V2, V2', V5, V5') secundarias están abiertas únicamente
durante el proceso de apertura o cierre de la válvula (V1, V3, V4,
V6) principal dispuesta en cada caso paralela a éstas.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el control
de las válvulas principales y secundarias se realiza de tal manera
que las válvulas principales se conectan sin presión.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la posición
de los pistones (301, 302) se determina de forma continua.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
dispositivo (2) de compensación de presión presenta varios pares de
dispositivos (401, 402) cilindro/pistón conectados en cada caso
mediante una barra (30) de pistón, y porque los pares trabajan
desfasados.
13. Dispositivo para realizar el procedimiento
según una de las reivindicaciones anteriores con una bomba (1) de
transporte para introducir agua (10) salobre en el dispositivo (2)
de compensación de presión y con un módulo (3) de membrana para
separar el agua (11) salobre introducida desde el dispositivo (2) de
compensación de presión en agua (12) desalinizada y agua (13)
salobre concentrada, de manera que entre el módulo (3) de membrana y
el dispositivo (2) de compensación de presión está dispuesto en cada
caso un conducto (4) de conexión que está en funcionamiento
continuamente bajo aproximadamente la segunda presión (p_{2}) para
alimentar el agua (13) salobre concentrada desde el módulo (3) de
membrana al dispositivo (2) de compensación de presión y para
alimentar el agua (11) salobre desde el dispositivo (2) de
compensación de presión al módulo (3) de membrana, y de modo que
están previstas válvulas (V1, V3, V4, V6) principales controladas
para introducir el agua (13) salobre concentrada en el dispositivo
(2) de compensación de presión y para evacuar el agua (14) salobre
concentrada desde el dispositivo (2) de compensación de presión, de
modo que están dispuestas válvulas (V2, V2', V5, V5') secundarias
controladas paralelas a las válvulas (V1, V3, V4, V6) principales
para reducir los picos de carga al abrir y/o cerrar las válvulas
(V1, V3, V4, V6) principales, para lo cual las válvulas (V2, V2',
V5, V5') secundarias están abiertas durante la apertura o el cierre
de la válvula (V1, V3, V4, V6) principal dispuesta en cada caso
paralela a éstas, caracterizado porque en la entrada del
dispositivo (2) de compensación de presión, a través del cual se
introduce el agua (13) salobre concentrada fuera del módulo (3) de
membrana, está dispuesto un recipiente (P) de presión para compensar
las variaciones de presión.
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