D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo de intercambio de presión de sentido único para plantas desaladoras, para recuperar una parte de la energía aplicada en el proceso de osmosis inversa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Es sabido que la desalación de agua de mar por osmosis inversa es un proceso que ha posibilitado el desarrollo de territorios cercanos al mar y con carencia de agua dulce, pero también es conocido que es un procedimiento que consume grandes cantidades de energía, derivado de la necesidad de hacer circular el agua salada a alta presión por las membranas de los osmotizadores.

Para minimizar el consumo de energía, se han ideado diversos dispositivos de recuperación, algunos de los cuales basados en recuperar la alta presión de la salmuera de rechazo a la salida de los osmotizadores, intercambiándola mediante cámaras isobáricas con el agua de mar de entrada a los mismos.

Fundamentalmente, estos dispositivos comprenden uno o más pares de circuitos, en el interior de los cuales se produce un flujo alternativo y antiparalelo de agua de mar y salmuera. En estos últimos, hay un flujo de agua de mar entrante en uno de los circuitos; acto seguido, se introduce salmuera a alta presión procedente del rechazo del osmotizador; la alta presión de la salmuera se transmite al agua de mar de entrada al osmotizador de forma similar a un pistón hidráulico; a continuación, la salmuera -ya sin presión- se descarga, y simultáneamente se llena el conducto con agua de mar de baja presión, repitiendo el ciclo. Este proceso se lleva a cabo por pares, haciendo coincidir la fase de impulsión del agua de mar al osmotizador en uno de los conductos del par con la descarga de la salmuera sin presión en el otro conducto del par, siendo éste un funcionamiento

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HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) alternativo antiparalelo (un conducto de cada par presuriza mientras que el otro despresuriza), lo que asegura un suministro más o menos continuo de agua de mar a alta presión al osmotizador.

La configuración de las cámaras isobáricas actuales de este tipo alternativo, obliga a la inversión de flujo en el interior de los conductos, durante el llenado y vaciado de cada uno de los fluidos entrantes por lo que no aprovechan totalmente la energía de velocidad de la salmuera de rechazo de alta presión, al incurrir en algún momento del ciclo en velocidad cero, cambiando el sentido de circulación. Algunos de los sistemas de intercambio de presión disponibles actualmente en el mercado requieren de elementos físicos separadores entre los dos fluidos (agua de mar y salmuera de rechazo) debido a la baja frecuencia de inversión de los ciclos alternativos y el alto tiempo de contacto entre los mismos.

La mayoría de los dispositivos de intercambio de presión que actualmente dominan el mercado mundial tienen capacidades de producción muy limitadas (hasta 300 USgpm = 1.600 m3/día de agua desalada), por lo que se necesitan muchos elementos funcionando simultáneamente en paralelo para alcanzar la producción total de una Planta Desaladora. Alguno de ellos tiene válvulas rotativas que giran a alta velocidad (1.200-1.500 rpm) y con unas holguras de rodaje extremadamente bajas, por lo que requieren elevados grados de filtración previa del agua de alimentación (de 3-1 Opm). No obstante, a pesar de esos grados de filtración previa, presentan altas tasas de desgaste y atascamiento, y necesitan contrapresiones en la salida de la salmuera de baja presión del orden de 1 ,5 bar.

Debido la posición absolutamente dominante de uno de los fabricantes presentes en el mercado, y la consiguiente dificultad de introducir nuevos productos, la evolución de los sistemas de intercambio de presión para plantas desaladoras está estancada desde hace al menos 20 años. Hay muchas y muy diversas patentes en el campo de las “Cámaras Isobáricas para Recuperación de Energía” de la Salmuera de Rechazo en Plantas Desaladoras. Citamos a continuación algunas de las más relevantes:

• US 2009/0180903 A1: Rotary Pressure Transfer Devlce. ERI.

• US 9,739,128 B2: Rotary Isobaric Pressure Exchanger with Flush System. ERI.

• US 7,168,927 B2: Pressure Exchanger System. KSB.

• US 7,201,557 B2: Pressure Exchanger System. KSB.

• US 2006/0054223 A1: Valve Unit for Pressure Exchanger Installations. KSB. 2

HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) • US 2012/0061309 A1: Seawater Desalination System and Energy Exchange Chamber. EBARA.

• US 2009/0242471 A1: Power Recovery Chamber. EBARA.

• EP 3109470 B1 : Hydraulic Machine Arrangement. DANFOSS.

• US 2016/0230788 A1: Hydraulic Machine. DANFOSS.

• US 5,306,428 A: Method of Recovering Energy from Reverse Osmosis Waste Streams. DWEER.

• WO 2012/138367 A1: Pressure Exchanger. DWEER.

• WO 2017/071720 A1 : Energy Recovery Device for Water Desalination Plants Double Acting Cylinders (D-A-C). DWEER.

• US 2009/0185917 A1: Pressure Exchanger. DWEER.

• WO 1990/17028 A1 : Pressure Exchanger. DWEER.

• EP 1095693 B1 : Water Desalting Installation Through Reverse Osmosis with Pressurized Supply Tanks in Continuous Kinetic Cycle. Manuel Barreto.

• WO 2011/070185 A1 : Hybrid Modular System of Static Chambers with Virtual Rotation for Saving Energy in Reverse Osmosis Desalination. Manuel Barreto.

• US 2015/0184502 A1 : Rotary Isobaric Pressure Exchanger System with Lubrication System. ISOBARIX. Leif Hauge.

• US 5,338,158 A: Pressure Exchanger having Axially Inclined Rotor Ducts. ISOBARIX. Leif Hauge.

• US 2013/0294944 A1 : Pressure Exchanger and Performance Adjustment Method of Pressure Exchanger. ISOBARIX. Leif Hauge.

Sin embargo, entendemos que ninguna de ellas soluciona los problemas descritos de forma plenamente satisfactoria.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo de intercambio de presión de sentido único para plantas desaladoras por osmosis inversa de la invención, es del tipo que comprende, al menos, un par de circuitos de impulsión para circulación de un flujo de agua marina entrante de baja presión en contacto con otro flujo entrante de salmuera de rechazo de alta presión, para la transmisión del exceso de presión de la salmuera de rechazo al agua marina entrante, antes de su entrada al osmotizador de desalación; y de acuerdo con la invención comprende:

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HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) -una primera válvula selectora de entrada alternativa a los circuitos de impulsión, conectada a la entrada de cada par de circuitos de impulsión y a un colector de entrada de salmuera de rechazo de alta presión procedente del osmotizador,

-una segunda válvula selectora de salida alternativa de los circuitos de impulsión, conectada a la salida de cada par de circuitos de impulsión y a un colector de salida de salmuera de rechazo de baja presión para descarga al mar,

-una primera válvula de retención unidireccional, conectada a la toma de agua de mar de baja presión y al inicio del primer circuito de impulsión, montada a continuación de la primera válvula selectora, de forma que su sentido de circulación sea desde la toma de agua de mar de baja presión hacia el circuito de impulsión, permitiendo la entrada de agua de mar cuando la presión al inicio del primer circuito de impulsión baja por debajo de la presión de agua de mar, e impidiendo la entrada de agua de mar cuando la presión al inicio del mismo sube por encima de la presión de agua de mar debido a la entrada de salmuera de alta presión,

-una segunda válvula de retención unidireccional, conectada a la toma de agua de mar de baja presión y al inicio del segundo circuito de impulsión, montada a continuación de la primera válvula selectora, de forma que su sentido de circulación sea desde la toma de agua de mar de baja presión hacia el segundo circuito de impulsión, permitiendo la entrada de agua de mar cuando la presión al Inicio del segundo circuito de impulsión baja por debajo de la presión de agua de mar, e Impidiendo la entrada de agua de mar cuando la presión al inicio del mismo sube por encima de la presión de agua de mar debido a la entrada de salmuera a alta presión,

-una tercera válvula de retención unidireccional, conectada a la salida de primer circuito de impulsión y a una derivación de agua de mar a alta presión hacia la entrada al osmotizador, montada antes de la segunda válvula selectora, de forma que su sentido de circulación sea desde el primer circuito de impulsión hacia la conducción de derivación de agua de mar de alta presión hacia la entrada al osmotizador, permitiendo la salida de agua de mar a alta presión hacia el osmotizador cuando la presión en el primer circuito de impulsión sube por efecto del empuje de la salmuera a alta presión, e impidiendo la salida de salmuera a través de esa derivación cuando la presión en el primer circuito de impulsión baja por debajo de la presión existente en la entrada del osmotizador, y

-una cuarta válvula de retención unidireccional, conectada a la salida del segundo circuito de impulsión y a la conducción de derivación de agua de mar a alta presión hacia la entrada al osmotizador, antes de la segunda válvula selectora y montada de forma que su 4

HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) sentido de circulación de diseño sea desde el segundo circuito de impulsión hacia la conducción de derivación de agua de mar a alta presión hacia la entrada al osmotizador, permitiendo la salida de agua de mar a alta presión hacia el osmotizador cuando la presión en el segundo circuito de impulsión sube por efecto del empuje de la salmuera a alta presión, e impidiendo la salida de salmuera a través de esa derivación cuando la presión en el segundo circuito de impulsión baja por debajo de la presión existente a la entrada del osmotizador, y

-donde las fases de la primera válvula selectora y de la segunda válvula selectora están dispuestas de forma cruzada (esto es, cuando la entrada al primer circuito de impulsión desde la primera válvula selectora está abierta, la salida del primer circuido a través de la segunda válvula selectora se encuentra cerrada, y viceversa, para que las altas presiones en el primer y segundo circuito de impulsión salgan a través de la tercera y cuarta válvulas de retención y las bajas presiones en el primer y segundo circuito de impulsión sean compensadas por la entrada de agua de mar a través de la primera y segunda válvula de retención); todo esto producirá una impulsión de agua de mar a alta presión de forma continua al osmotizador procedente, alternativamente, desde el primer circuito de impulsión y desde el segundo circuito de Impulsión.

De esta forma se consigue la enorme ventaja de proporcionar un flujo de funcionamiento continuo y de sentido único, de forma que se aprovecha de manera eficiente la energía de velocidad disponible en los dos fluidos al no cambiar nunca el sentido del flujo en el interior de los conductos de impulsión; se aprovechará al máximo tanto la presión como la energía de velocidad de la salmuera de rechazo de alta presión para transmitírsela al agua de alimentación de baja presión.

Geométricamente, el conjunto estará diseñado para conseguir que las velocidades de paso de fluido por las partes Internas del sistema de intercambio de presión se mantengan dentro del rango de valores hidráulicos óptimos, aumentando la eficiencia del conjunto y reduciendo las pérdidas de carga que se producen en los equipos hidráulicos.

Se ¡mplementarán válvulas selectoras entre cada par de circuitos de impulsión de bajas velocidades de funcionamiento (giro de rotores) lo que garantizará que los desgastes por rozamiento sean mínimos y alargará los períodos entre reemplazos o reparaciones.

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HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) Las holguras de rodaje de los rotores de estas válvulas serán lo suficientemente pequeñas para reducir las pérdidas volumétricas entre las zonas de alta y baja presión, pero a su vez lo suficientemente amplias como para permitir una buena lubricación y no precisar elevados grados de filtración (de 3-10 pm) del agua de alimentación.

Este dispositivo no requiere de ningún elemento físico de separación entre los dos fluidos (agua de mar y salmuera de rechazo) dado que el tiempo de contacto entre los mismos es relativamente corto, lo que simplifica el diseño y evita los problemas asociados al mantenimiento de los equipos.

Por tanto, el dispositivo incrementará notablemente el aprovechamiento de la energía total de la salmuera de alta presión al no producirse cambios de sentido del flujo ni pérdida alguna de energía de velocidad en los flujos de salmuera y agua de mar.

Todos los componentes hidráulicos han sido cuidadosamente analizados mediante simulación por ordenador, al objeto minimizar las pérdidas de carga internas y la contrapresión necesaria en la salida de la salmuera de baja presión.

Dado que el presente concepto es escalable a cualquier tamaño constructivo, puede conseguirse que uno solo de estos dispositivos alcance a cubrir la producción de agua desalada de la mayoría de los bastidores de desalación de elevada producción que se utilizan comercialmente. Por otra parte, al tener un concepto modular, varios de estos dispositivos podrían montarse en paralelo en configuración de centro de presión. Todo lo anterior simplificará grandemente el trazado de tuberías de agua de alimentación y la recogida de salmuera de rechazo por lo que podrá reducirse significativamente las necesidades de superficie y volumen de la instalación del sistema de recuperación en la planta desaladora.

En orden de importancia, las mayores ventajas del dispositivo ahora propuesto son:

• El alto rendimiento derivado del máximo aprovechamiento de energía de velocidad de los dos fluidos trasegados.

• La no necesidad de elevados grados de filtración del agua de alimentación.

• Su escalabllldad a bastidores de desalación de alta capacidad.

• La reducida contrapresión requerida en la salida de la salmuera de rechazo de baja presión. 6

HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) • Su reducida tasa de desgaste y mantenimiento.

• Su bajo nivel de ruido.

• No es necesario disponer de ese elemento físico de separación entre la salmuera y agua de mar.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1.- Muestra un esquema de principio de una planta desaladora que incorpora el dispositivo de la invención

Las figuras 2A y 2B.- Muestran sendas vistas esquemáticas del dispositivo de la invención en fases simétricas.

La figura 3.- Muestra una vista exterior de una realización del dispositivo de la invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

El dispositivo (1) de intercambio de presión de sentido único para plantas desaladoras (200) por osmosis inversa de la invención (ver fig. 1), es del tipo que comprende, al menos, dos circuitos de impulsión para circulación (2, 3) de un flujo de agua marina entrante de baja presión en contacto con otro flujo entrante de salmuera de rechazo de alta presión, para transmisión del exceso de presión de la salmuera de rechazo al agua marina entrante antes de su entrada al osmotizador (100) de desalación, y que de acuerdo con la invención comprende (ver también figs. 2A y 2B):

-una primera válvula selectora (11) de entrada alternativa a los circuitos de impulsión (2, 3), conectada a la entrada (4) de cada par de circuitos de impulsión (2, 3) y a un colector de entrada (5) de salmuera de rechazo de alta presión procedente del osmotizador (100),

-una segunda válvula selectora (12) de salida alternativa a los circuitos de impulsión (2, 3), conectada a la salida (40) de cada par de circuitos de impulsión (2, 3) y a un colector de salida (6) de salmuera de rechazo de baja presión para descarga al mar,

-una primera válvula de retención (21) unidireccional, conectada a la toma de agua de mar de baja presión (7) y al inicio del primer circuito de impulsión (2) montada a continuación de la primera válvula selectora (11) de forma que su sentido de circulación sea desde la toma de agua de mar de baja presión (7) hacia el primer circuito de impulsión (2), para permitir la

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HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) entrada de agua de mar cuando la presión al ¡nido del primer circuito de impulsión (2) baja por debajo de la presión de agua de mar (ver fig. 2A), e impedir la entrada de agua de mar cuando la presión en el mismo (2) sube por encima de la presión de agua de mar debido a la entrada de salmuera de alta presión (ver fig. 2B),

-una segunda válvula de retención (22) unidireccional, conectada a la toma de agua de mar de baja presión (7) y al inicio del segundo circuito de impulsión (3) montada a continuación de la primera válvula selectora (11) de forma que su sentido de circulación sea desde la toma de agua de mar de baja presión (7) hacia el segundo circuito de impulsión (3), para permitir la entrada de agua de mar cuando la presión al inicio del segundo circuito de impulsión (3) baja por debajo de la presión de agua de mar (ver fig 2A), e impedir la entrada de agua de mar cuando la presión en el mismo (3) sube por encima de la presión de agua de mar debido a la entrada de salmuera de alta presión (ver fig. 2B),

-una tercera válvula de retención (23) unidireccional, conectada a la salida de primer circuito de impulsión (2) y a una derivación (8) de agua de mar de alta presión hacia la entrada al osmotizador (100), montada antes de la segunda válvula selectora (12), de forma que su sentido de circulación sea desde el primer circuito de impulsión (2) hacia la derivación (8) de agua de mar de alta presión de entrada al osmotizador (100), permitiendo la salida de agua de mar a alta presión hacia el osmotizador (100) cuando la presión en el primer circuito de impulsión (2) sube por efecto del empuje de la salmuera a alta presión (ver fig 2A), e impidiendo la salida de salmuera a través de la derivación (8) cuando la presión en el primer circuito de impulsión (2) baja por debajo de la presión existente, y -una cuarta válvula de retención (24) unidireccional, conectada a la salida del segundo circuito de impulsión (3) y a una derivación (8) de agua de mar a alta presión hacia la entrada al osmotizador (100), montada antes de la segunda válvula selectora (12), de forma que su sentido de circulación sea desde el segundo circuito de impulsión (3) hacia la derivación (8) de agua de mar a alta presión de entrada al osmotizador (100), permitiendo la salida de agua de mar a alta presión hacia el osmotizador (100) cuando la presión en el segundo circuito de impulsión (3) sube por efecto del empuje de la salmuera a alta presión (ver fig 2B), e impidiendo la salida de salmuera a través de la derivación (8) cuando la presión en el segundo conducto de impulsión (3) baja por debajo de la presión a la entrada del osmotizador (100), y

-donde las fases de la primera válvula selectora (11) y de la segunda válvula selectora (12) están dispuestas de forma cruzada. 8

HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26) De forma muy preferente, los circuitos de impulsión (2, 3) tienen configuración espiral, ya que de esta forma se consiguen las siguientes ventajas:

• Pueden alojar todas las válvulas (11, 12, 21, 22, 23, 24) en su seno, reduciendo el tamaño y la huella en planta del conjunto.

• Permiten utilizar válvulas de retención comerciales con la disposición de los racores de entrada y salida usuales.

• permiten la utilización de tubería comercial curvada y sin soldaduras, así como la reducción de la superficie de instalación en planta.

Dentro de esta realización, se prefiere que los circuitos de impulsión (2, 3) tengan configuración en serpentín de una sola o varias espiras, tal como se ve en la fig. 3, para minimizar las pérdidas de carga por circulación de los fluidos por su interior. Además, se prefiere que esta configuración espiral tenga un radio de curvatura en función de la sección comprendido entre 900 y 1900 mm, ya que es donde mejor compromiso tamaño/rendimiento se ha encontrado en las pruebas de ordenador efectuadas.

En configuración espiral de los circuitos de Impulsión, además, se prefiere la disposición de las válvulas (11, 12, 21 , 22, 23, 24) en su seno (20).

Para las válvulas selectoras (11, 12), se ha elegido utilizar amplias válvulas rotativas para optimizar la utilización de toda la energía disponible de presión y velocidad en la entrada de salmuera y reducir la contrapresión necesaria en la salida de la misma.

En el esquema de la planta desaladora (200) (fig. 1), se han reflejado solamente los elementos principales de este tipo de instalaciones, tales como las bombas (201), los filtros de entrada (202), así como la entrada general de agua de mar (203), la salida de agua desalada (204) del osmotizador (100), la salida de salmuera (6) y el servomotor (205) de ajuste y control de posición de las dos válvulas selectoras (11 , 12) del tipo rotativo.

Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de realizarse en la práctica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren el principio fundamental.

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HOJA DE REEMPLAZO [REGLA 26)