ES2644465T3 - Métodos e instalaciones para destilación térmica con compresión mecánica de vapor - Google Patents
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Description
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DESCRIPCION
Metodos e instalaciones para destilacion termica con compresion mecanica de vapor Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a instalaciones de destilacion que funcionan de acuerdo con el principio de la destilacion termica por compresion mecanica de vapor (MVC, del ingles “Mechanical Vapour Compression”), en particular para la desalinizacion o desmineralizacion de agua con el proposito de producir agua potable o producir agua desmineralizada.
Estado de la tecnica
La invencion se refiere al uso de diversas innovaciones relativas a metodos e instalaciones para la destilacion de agua por MVC, el proposito de las cuales es reducir el consumo de energia electrica y los costes de fabricacion y operacion de las unidades o plantas de desmineralizacion o desalinizacion de agua (DWP, del ingles “Desalination Water Plant”) con base en este metodo. Todas las innovaciones utilizadas de manera optima hacen posible reducir el CAPEX de las instalaciones, y en particular reducir su consumo especifico de energia electrica a valores que apenas alcanzan aproximadamente de 2 a 4 kWh/m3 de destilado producido.
La tecnica anterior con respecto a las DWP que utilizan MVC limita la utilizacion de este metodo debido a su muy alto consumo de energia electrica (8 a 18 kWh/m3 de destilado producido) en comparacion con otros metodos de desalinizacion o desmineralizacion tales como destilaciones termicas suministradas con vapor utilizadas principalmente de acuerdo con metodos MSF (del ingles “Multi Stage Flash”) o MED (del ingles “Multi Effect Distillation”), cuyo consumo de energia electrica auxiliar se encuentra entre 2 y 8 kWh/m3 de destilado, o el metodo de osmosis inversa que, en el caso de agua de mar, tiene una salinidad igual a o mayor que 30 g/l de los consumos totales (incluyendo el tratamiento previo y los consumidores auxiliares) de 3 a 7 kWh/m3 de permeado producido.
El metodo de MVC es sin embargo muy estable y adquiere una gran facilidad de uso similar, en terminos generales, a todos los metodos de desalinizacion o desmineralizacion termicos. Las diversas innovaciones propuestas en esta invencion hacen posible que sea competitivo en el mercado, sobre todo vis-a-vis el metodo de osmosis inversa que, como el, no requiere un aporte de energia en forma de vapor, pero que, por otra parte utiliza tecnicas que son mas complejas, menos estables y, a menudo dificiles de operar.
Generalidades de la tecnica anterior
La descripcion de las DWP que utilizan MVC de conformidad con la tecnica anterior se puede resumir de la siguiente manera, tanto para las unidades de multiefecto (MED-MVC) como para las de simple efecto. Tal como se indica en la figura 1, la unidad esta provista de un recinto global (01) generalmente en un vacio parcial con el fin de reducir el punto de ebullicion del agua que sera evaporada y condensada. Las DWP mas simples que utilizan MVC utilizan un bano de agua, cuya superficie proporciona la evaporacion, y un intercambiador sumergido en el bano proporciona la condensacion; las unidades modernas comprenden un evaporador/condensador (EC) (11) del tipo de tubos o placas, generalmente con la aplicacion de una pelicula descendente delgada de agua de alimentacion (TFF, del ingles “Thin Falling Film”) mantenida por medio de boquillas de pulverizacion (12) que distribuyen el agua que sera evaporada sobre toda la superficie del EC. El EC se construye a partir de un material de transferencia y conductor de calor, una de las caras/zonas del cual proporciona la evaporacion (02) y otra la condensacion (05). En el caso de las unidades con una pluralidad de efectos, el vapor creado en la cara de evaporacion del EC de uno de los efectos se canaliza a la cara de condensacion del EC del siguiente efecto, hasta que el ultimo efecto donde el vapor a continuacion se transporta y se vuelve a comprimir antes de ser recirculado a la cabeza del primer efecto. La unidad esta provista de un sistema para transportar (03) y comprimir (04) vapor, y equipo auxiliar que incluye un sistema de suministro de agua de alimentacion [Agua de alimentacion o, en ingles, “Feed Water”], un sistema para producir un vacio parcial y para eliminar gases no condensables (NCG, del ingles “Non Condensable Gas”) [NGC_VAC], un sistema para extraer destilado [Destilado] y un sistema para extraer el concentrado [Concentrado o, en ingles, “Brine”]. Los desarrollos recientes utilizan sistemas para recuperar calor de los flujos salientes [Destilado] + [Concentrado] a favor del flujo entrante [agua de alimentacion] con el fin de mejorar los rendimientos termicos globales y ofrecer consumos de energia electrica que logran de 8 a 12 kWh/m3 de destilado.
Implementaciones actuales
Los lideres mundiales en desalinizacion por MVC son SIDEM, DOOSAN e IDE-Technologies. Todos ellos operan de conformidad con el mismo metodo. Las DWP que utilizan MVC enfrentaron la funcion en un vacio pronunciado, aproximadamente de 10 a 20 kPa (0,10 a 0,20 bar) (a) (a traves de todo el documento se hace referencia a presiones absolutas), con el fin de reducir la temperatura de evaporacion a valores de aproximadamente 40 a 50 0C. La reduccion de la temperatura de evaporacion ofrece dos ventajas: en primer lugar una reduccion en las perdidas de calor de toda la planta, y en segundo lugar el aprovechamiento de la ausencia casi total de la formacion de precipitados de carbonato de calcio por debajo de la temperatura de umbral de 60 a 65 0C. Los sistemas de
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transporte de vapor (03) son internos o externos con respecto al recinto global y estan dimensionados para velocidades de vapor de aproximadamente 100 m/s. Los compresores son generalmente uno por unidad, generalmente del tipo centrifugo, y operan, en el caso de unidades de tamano medio a grande (tipicamente hasta aproximadamente 5000 m3/dia) a velocidades comunes para motores electricos industriales, a saber, 1500/1800 rev/min o 3000/3600 rev/min (las velocidades nominales de motores estandarizados con respectivamente 4 polos o 2 polos, a 50/60 Hz).
El diagrama tipico de las instalaciones de desalinizacion actuales de conformidad con el metodo de MVC tal como se implementa en proyectos industriales y publicos hasta la actualidad (como por ejemplo en el documento WO8401022) se expone en la figura 1 y comprende:
- una camara hermetica (01) bajo un vacio parcial provista de un medio de entrada de agua de alimentacion [AGUA DE ALIMENTACION], un medio de descarga de destilado [DESTILADO], un medio de descarga de agua concentrada [CONCENTRADO], y medios para poner bajo presion negativa y extraer los gases no condensables [NCG_VAC],
- en la camara hermetica, un evaporador/condensador (11) que ofrece zonas/superficies de evaporacion (02) y zonas/superficies de condensacion (05),
- un sistema para transportar (03) y comprimir (04) vapor, que proporciona el ciclo de transferencia de energia de evaporacion y condensacion en el evaporador/condensador.
Estas instalaciones actuales se caracterizan por el hecho de que los diversos medios de entrada de agua de alimentacion y de descarga de destilado y de concentrado, y los medios para poner bajo presion negativa y extraer los gases no condensables son externos con respecto a la camara hermetica, a saber, la parte externa de su cuerpo de bomba y su motor estan sujetos a presion atmosferica. Lo mismo se aplica al compresor, cuyo motor [MOT] esta situado en el exterior de la camara hermetica.
Problemas relacionados con las implementaciones actuales
El principal problema relacionado con las DWP actuales que utilizan MVC es el alto consumo de energia electrica. Este ultimo se ha atribuido durante mucho tiempo a una baja eficiencia de los compresores de vapor.
Un analisis exhaustivo de los equipos actuales tambien revela la importancia de las caidas de presion en los tubos de transporte de vapor. De hecho, las caidas de presion aumentan la temperatura del vapor sin aumentar la presion y por lo tanto constituyen un fenomeno de sobrecalentamiento de vapor que va en contra del proceso de condensacion corriente abajo. Por lo tanto, las caidas de presion constituyen un doble detrimento en terminos de energia de compresion: uno con respecto a la caida de presion para lo cual es necesario compensar en terminos de presion, el otro con respecto a los fenomenos de sobrecalentamiento, que hace una presion aumentada necesaria para permitir la condensacion.
Por ultimo, la complejidad de la implementacion de todos los equipos auxiliares instalados externamente con respecto a la camara principal (01) que tienen que operar bajo vacio parcial y que tienen que estar provistos de un aislamiento termico eficaz a menudo hace que la ejecucion sea imperfecta y sujeta a varias fugas de vacio y perdidas de calor.
Desarrollos recientes
Aunque las implementaciones actuales no han cambiado en los mercados industriales o publicos, ciertos desarrollos de laboratorio estan cambiando de la siguiente manera:
- se observa una tendencia a reducir las longitudes de los circuitos de transporte de vapor,
- algunos estan haciendo el perfil de los compresores mas complejo con el fin de aumentar la eficiencia de los mismos,
- otros se apartan del contexto conocido y sugieren llevar a cabo la destilacion a presiones mas altas que la presion atmosferica (y por lo tanto a temperaturas superiores a 100 0C) con el fin de hacer que el vapor sea mas consistente y de ese modo aumentar la eficacia de la compresion. Incluso si se aumenta la eficiencia de la compresion, esta ultima manera parece ser inadecuada para la desalinizacion de agua de mar debido a que en primer lugar da lugar a la necesidad de utilizar un pretratamiento complejo con el fin de gestionar el fenomeno de la precipitacion y la deposicion de incrustaciones, y en segundo lugar va en contra de la reduccion de perdidas de calor que se relacionan con la temperatura diferencial entre el proceso y su entorno.
Breve descripcion de la invencion
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El objetivo de la invencion es, en particular, remediar estos inconvenientes de la tecnica anterior. Mas precisamente, la invencion se refiere principalmente a la mejora sustancial en la eficiencia del compresor y la eliminacion casi total de las caidas de presion en el sistema de transporte de vapor. En este contexto, las instalaciones previstas por la presente invencion estan sujetas a caidas de presion de menos de 500 Pa, y preferiblemente de menos de 100 Pa.
Con este fin, un primer objeto de la invencion proporciona una instalacion de destilacion termica con compresion mecanica de vapor, que comprende:
- una camara hermetica (01) que comprende una entrada para recibir agua de alimentacion, una salida para descargar el destilado, una salida para descargar el concentrado y una salida para descargar los gases no condensables;
- un evaporador/condensador (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01);
- un compresor (04) conectado a un motor, el compresor es capaz de aumentar la presion del vapor producido en la zona de evaporacion (02) y transportarlo a la zona de condensacion (05);
- la camara hermetica (01) esta bajo vacio parcial, la presion en el interior de dicha camara es menor que la presion atmosferica;
dicha instalacion es de tal manera que el compresor (04) y su motor [MOT] estan situados en el interior de dicha camara hermetica (01), dicho motor comprende un estator y un rotor, dicho estator y dicho rotor estan situados totalmente en el interior de la camara hermetica (01) .
De conformidad con una realizacion ventajosa de la invencion, el compresor (04) es un compresor capaz de alcanzar una velocidad de rotacion mayor de 7500 rev/min o 15000 rev/min, preferiblemente es capaz de alcanzar una velocidad de rotacion por encima de 25000 rev/min.
De conformidad con otra realizacion ventajosa, el compresor (04) es del tipo de flujo axial y el motor del compresor se localiza en el flujo de vapor, que fluye desde las zonas de evaporacion (02) hasta las zonas de condensacion (05).
De conformidad con otra realizacion preferida, el compresor (04) comprende alabes que son capaces de alcanzar una velocidad periferica por encima de 100 m/s, mas preferiblemente por encima de 150 m/s, incluso mas preferiblemente por encima de 200 m/s.
De conformidad con otra realizacion preferida, la presion en el interior de la camara hermetica (01) es de menos de 75 kPa (0,75 bar) (a), es preferiblemente de menos de 25 kPa (0,25 bar) (a).
De conformidad con otra realizacion ventajosa, dicha instalacion de la invencion comprende un compresor de flujo axial y un tubo (13), preferiblemente un tubo del tipo Venturi, dicho tubo (13) comprende una primera parte y una segunda parte, el area de la seccion transversal de la segunda parte es mayor que el area de la seccion transversal de la primera parte, el compresor (04) esta colocado en el interior de dicha primera parte y dicha segunda parte esta conectada a las zonas de condensacion (05) del evaporador/condensador (11) o dicha segunda parte comprende el colector (29) o esta conectada al colector (29) del evaporador/condensador (11) para la admision del vapor en la zona de condensacion. Preferiblemente, dicho tubo (13) comprende un material conductor de calor. Mas preferiblemente, el material conductor de calor de dicho tubo (13) es el mismo material que el utilizado para la fabricacion del evaporador/condensador.
De conformidad con otra realizacion preferida, dicha instalacion de la invencion comprende por lo menos un modulo de destilacion integrado (14), dicho modulo de destilacion integrado (14) comprende un evaporador/condensador, un compresor (04) y un tubo, preferiblemente un tubo del tipo Venturi (13), dicho tubo (13) comprende una primera parte y una segunda parte, el area de la seccion transversal de la segunda parte es mayor que el area de la seccion transversal de la primera parte, el compresor (04) esta colocado en el interior de dicha primera parte y dicha segunda parte esta conectada a la zona de condensacion (05) del evaporador/condensador (11) o dicha segunda parte comprende el colector (29) o esta conectada al colector (29) del evaporador/condensador (11) para la admision del vapor en la zona de condensacion.
De conformidad con otra realizacion preferida, dicha instalacion de la invencion comprende una bomba de suministro de agua de alimentacion (15), una bomba de extraccion de destilado (16), una bomba de extraccion de concentrado (17), una bomba de vacio (19) para la extraccion de gases no condensables, por lo menos una de dichas bombas y su motor estan situados completamente en el interior de la camara hermetica.
Preferiblemente, dicha instalacion de la invencion comprende una bomba de recirculacion de concentrado (18) para transportar el concentrado en la zona de evaporacion del evaporador/condensador. Ventajosamente, dicha bomba
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de recirculacion de concentrado y su motor estan situados completamente en el interior de la camara hermetica (01).
Ventajosamente, la totalidad de dichas bombas de extraccion de destilado y de concentrado, y de recirculacion (16, 17, 18) y sus motores estan situados completamente en el interior de la camara hermetica (01).
Preferiblemente, dicha instalacion de la invencion comprende:
- miembros de regulacion (23, 27) para controlar el suministro de agua de alimentacion, las velocidades de extraccion de destilado y de extraccion de concentrado; e/o
- intercambiadores de calor entre el flujo entrante de agua de alimentacion y los flujos salientes del destilado, concentrado y gases no condensables.
De conformidad con otra realizacion preferida, el evaporador/condensador de dicha instalacion de la invencion comprende un colector (29) para la admision de vapor en la zona de condensacion, dicho colector (29) tiene una seccion transversal total (29) y una seccion transversal de admision compuesta de la suma de las secciones transversales de entrada de las zonas de condensacion (05), la relacion entre la seccion transversal de admision en las zonas de condensacion (05) y la seccion transversal total (29) del colector es mayor de 70% u 80%, preferiblemente esta relacion es mayor de 90% o 95%.
De conformidad con otra realizacion ventajosa de la invencion, el compresor (04), el colector (29) y/u opcionalmente el tubo (preferiblemente un tubo de Venturi) (13) y el evaporador/condensador (11) estan alineados, el colector (29) y el tubo son capaces de transportar el vapor al interior de la zona de condensacion (05) del evaporador/condensador sobre un eje rectilineo.
De conformidad con otra realizacion preferida, el area de la seccion transversal de la zona de condensacion (05) de dicha instalacion de destilacion de la invencion disminuye en la direccion de flujo del vapor.
De conformidad con otra realizacion preferida, dicha instalacion de la invencion comprende un sistema de relleno termico para mantener la temperatura en el interior de la camara hermetica a una temperatura constante. Preferiblemente, dicho sistema de relleno termico comprende un elemento electrico o una bomba de calor.
De conformidad con una ultima realizacion particularmente preferida, la invencion proporciona un modulo de destilacion integrado (14) para una instalacion de destilacion termica, caracterizado porque comprende un evaporador/condensador, un compresor (04) conectado a un motor y un tubo (13), dicho tubo (13) comprende una primera parte y una segunda parte, el area de la seccion transversal de la segunda parte es mayor que el area de la seccion transversal de la primera parte, el compresor (04) esta colocado en el interior de dicha primera parte y dicha segunda parte esta conectada a la zona de condensacion (05) del evaporador/condensador.
Un segundo objeto de la invencion proporciona una instalacion para destilacion termica por compresion mecanica de vapor, que comprende (i) una camara hermetica (01) que comprende una entrada para recibir agua de alimentacion, una salida para descargar el destilado, una salida para descargar el concentrado y una salida para descargar los gases no condensables; (ii) un evaporador/condensador (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01) y (iii) un compresor (04) conectado a un motor; el area de la seccion transversal de dicha zona de condensacion (05) disminuye, y preferiblemente disminuye continua y linealmente, en la direccion del flujo del vapor. Preferiblemente, la camara hermetica (01) esta bajo vacio parcial, la presion en el interior de dicha camara es menor que la presion atmosferica.
La reduccion en las caidas de presion en el sistema de transporte de vapor tambien se puede lograr mediante un dimensionamiento inusualmente grande de las tuberias de vapor (06) y/o la configuracion hidraulica (por ejemplo, el compresor).
Un ultimo objeto de la invencion proporciona una instalacion para destilacion termica por compresion mecanica de vapor, que comprende (i) una camara hermetica (01) que comprende una entrada para recibir agua de alimentacion, una salida para descargar el destilado, una salida para descargar el concentrado y una salida para descargar los gases no condensables; (ii) un evaporador/condensador (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01); (iii) un compresor (04) conectado a un motor, el compresor es capaz de aumentar la presion del vapor producido en la zona de evaporacion (02) y transportarlo a la zona de condensacion (05); dicho compresor (04) es del tipo de flujo axial con deflectores o desviadores, que tiene preferiblemente un diametro o dimensiones mayores de 50 cm, preferiblemente mayores de 100 cm o incluso mayores de 200 cm. Preferiblemente, dicho motor esta situado en el interior o el exterior de dicha camara hermetica. Preferiblemente, la camara hermetica (01) esta bajo vacio parcial, la presion en el interior de dicha camara es menor que la presion atmosferica.
Breve descripcion de las figuras
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Estos aspectos, asi como otros aspectos de la invencion se aclararan en la descripcion detallada de las realizaciones particulares de la invencion, haciendo referencia a los dibujos de las figuras, en los cuales:
La Figura 1 representa el diagrama tipico de instalaciones de desalinizacion de la tecnica anterior de acuerdo con el metodo de MVC.
La Figura 2 representa una realizacion de una instalacion de destilacion de conformidad con la presente invencion en la cual todo el motor [MOT] del compresor (04) esta situado en el interior del recinto global bajo vacio parcial.
La Figura 3 representa una realizacion de una instalacion de destilacion de conformidad con la presente invencion en la cual todo el motor [MOT] del compresor (04) esta sumergido en el interior de la camara hermetica (01), al mismo tiempo, omitiendo cualquier tuberia de transporte de vapor. El compresor puede estar integrado en la estructura que soporta el evaporador/condensador.
La Figura 4 representa el diagrama tipico de instalaciones de desalinizacion sobredimensionadas que utilizan el metodo de MVC que comprende tuberias de vapor grandes (06).
La Figura 5 representa una realizacion de una instalacion de destilacion sobredimensionada en la cual todo el motor [MOT] del compresor (04) esta instalado en el recinto bajo vacio parcial (en el interior de la camara hermetica (01)) y en la cual las tuberias y el compresor tienen un dimensionamiento inusualmente grande.
La Figura 6 representa una realizacion de una instalacion de destilacion de conformidad con la presente invencion en la cual todo el motor [MOT] del compresor (04) esta sumergido en el interior de la camara hermetica (01), instalando el compresor (04) y su motor [MOT] a fin de que sean contiguos al evaporador/condensador (11) a la entrada a las zonas de condensacion (05).
La Figura 7 representa una realizacion de una instalacion de destilacion de conformidad con la presente invencion en la cual todo el motor [MOT] del compresor (04) esta sumergido en el interior de la camara hermetica (01), instalando el compresor (04) y su motor [MOT] en una camara de compresor (09) de forma contigua al evaporador/condensador (11) en la entrada a las zonas de condensacion (05).
La Figura 8 muestra una camara de compresor en la forma de un tubo de Venturi.
La Figura 9 representa un modulo de destilacion integrado, que comprende un evaporador/condensador (11) y un compresor (4) y su motor; el compresor esta situado en una camara de compresor en la forma de un tubo de Venturi (13).
La Figura 10 representa una realizacion de una instalacion de destilacion de conformidad con la presente invencion que comprende multiples modulos de destilacion integrados.
La Figura 11 representa una realizacion de una instalacion de destilacion de conformidad con la presente invencion en la cual el equipo auxiliar esta integrado en el interior del recinto global bajo vacio parcial, a saber, la bomba de recirculacion y su motor (18), la bomba de suministro de agua de alimentacion y su motor (15), la bomba de extraccion de destilado y su motor (16), la bomba de extraccion de concentrado y su motor (17), y la bomba para extraccion de gases no condensables y puesta bajo vacio y su motor (19).
La Figura 12 representa dos medios de regulacion de los caudales entrantes y salientes de conformidad con relaciones fijas. A la izquierda, las tres bombas que suministran y que extraen el destilado y el concentrado (20, 21, 22) son del tipo volumetrico y estan acopladas a un mecanismo comun accionado por un solo motor; de esta manera los caudales entrantes y salientes estan de forma continua en la misma proporcion sea cual sea la velocidad de rotacion del motor comun, dicha proporcion define la tasa de conversion de la unidad de destilacion. A la derecha, dichas tres bombas de suministro y de extraccion de destilado y de concentrado (24, 25, 26) son de cualquier tipo y estan subordinadas cada una a un miembro de variacion de velocidad, dicho miembro se controla a fin de fijar los caudales entrantes y salientes de conformidad con la tasa de conversion requerida de la unidad de destilacion.
La Figura 13 representa zonas de condensacion de un evaporador/condensador de tal manera que la seccion transversal de las zonas de condensacion disminuye con la trayectoria del vapor.
La Figura 14 muestra una realizacion del evaporador/condensador que utiliza tubos conicos, cuyos extremos de diametro grande estan colocados simplemente uno al lado del otro, que ofrece una relacion entre la seccion transversal de admision en las zonas de condensacion (05) y la seccion transversal total (29) del colector mayor de 70%.
La Figura 15 muestra realizaciones alternativas del evaporador/condensador que comprende tubos con una seccion transversal inicial hexagonal, triangular o cuadrada, que ofrece relaciones entre la seccion transversal de admision en las zonas de condensacion (05) y la seccion transversal total (29) del colector mayor de 95%.
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La Figura 16 muestra una realizacion alternativa del colector (30) del evaporador/condensador y del evaporador/condensador que utiliza un colector provisto de salidas contiguas y en angulo/perfiladas que generan muy poca caida de presion, lo que hace que sea posible suministrar un evaporador/condensador disenado por medio de tubos cilindricos simples.
Lista de referencias presentes en las figuras
(1) una camara hermetica; (2) una zona de evaporacion (del evaporador/condensador); (3) un sistema de transporte de vapor o una tuberia de vapor; (4) un compresor (conectado a un motor [MOT]); (5) una zona de condensacion (del evaporador/condensador); (6) una tuberia de tamano grande; (7) la entrada de zonas de condensacion; (8) una camara que suministra al evaporador/condensador; (9) una camara de compresor; (11) un evaporador/condensador; (12) una boquilla de pulverizacion; (13) un tubo de Venturi o una camara de compresor en la forma de un tubo de Venturi; (14) un modulo de destilacion integrado; (15) una bomba que suministra agua de alimentacion; (16) una bomba que extrae destilado; (17) una bomba que extrae concentrado; (18) una bomba que recircula concentrado; (19) una bomba de vacio que extrae gases no condensables; (20) (21) (22) bombas que suministran agua de alimentacion y que extraen concentrado y destilado sin sus motores; (23) un medio de accionamiento y motor comun para las tres bombas de suministro y extraccion que determinan una relacion fija entre dichas bombas; (24) (25) (26) bombas que suministran agua de alimentacion y que extraen concentrado y destilado; (27) un miembro de regulacion (por ejemplo, para controlar la velocidad de los flujos entrantes o salientes); (28) la seccion transversal de la entrada de zona de condensacion del evaporador/condensador; (29) un colector para la admision de vapor en la zona de condensacion; (30) un colector perfilado para la admision de vapor en la zona de condensacion que hace que sea posible disenar el evaporador/condensador por medio de tubos cilindricos simples.
Las figuras no estan dibujadas a escala. En general, los elementos similares se indican mediante referencias similares en las figuras.
Descripcion de la invencion
La presente invencion se refiere a las instalaciones que funcionan de conformidad con el principio de destilacion termica que utiliza compresion mecanica de vapor. La invencion se refiere principalmente a la mejora sustancial de la eficiencia del compresor y a la eliminacion casi total de caidas de presion en el sistema de transporte de vapor.
En por lo menos una de sus realizaciones (por ejemplo, la Figura 7), la invencion se implementa utilizando un compresor (04) que gira a velocidades de rotacion suficientemente altas para ser compatible con la muy baja densidad y la gran elasticidad del vapor mantenido a (por ejemplo) menos de 10 kPa a 50 kPa (0,1 a 0,5 bar) (a) y para mantener de ese modo una eficiencia de compresion ventajosa.
Esta implementacion se hace posible, en unidades de todos los tamanos, en virtud de la idea inventiva del inventor de sumergir todo el motor [MOT] (tal como por ejemplo se ilustra en la [Figura 7]) del compresor en el interior de la camara hermetica, o incluso directamente en la corriente de vapor. Preferiblemente, dicho motor es un motor electrico compatible con una atmosfera a una humedad relativa del 100%, por ejemplo un motor electrico comercialmente disponible en una version tropicalizada y/o provisto de un orificio que permite salir cualquier condensacion desde el estator, y/o cuyas conexiones electricas se implementan mediante soldadura sellada por medio de un forro de resina de contraccion por calor o mediante extension de los conductores del estator tan lejos como un alojamiento descentrado, y/o cuyos devanados son sustituidos por cojinetes impermeables al agua. El compresor y su motor, especialmente en el caso de un compresor y su motor de tamano reducido, pueden de esta manera girar a velocidades de rotacion de alrededor de varios miles o decenas o incluso cientos de miles de revoluciones/minuto (rev/min) en virtud de la ausencia de una empaquetadura de sellado al vacio sobre el eje de motor/compresor.
Esta implementacion es aun mas ventajosa ya que el tamano de los motores electricos disminuye, a igual potencia, con su velocidad de rotacion nominal, y esto sustancialmente cuando se alcanzan altas velocidades. El problema de la necesidad de espacio para el motor en una configuracion de turbina de alta eficiencia del tipo de flujo axial con deflectores (en ingles, “VANEAXIAL FAN”) por lo tanto se vuelve mucho menos restrictivo.
Es, en virtud de esta invencion, ahora posible colocar un compresor en cualquier punto ideal en la trayectoria de vapor o en el flujo de vapor desde las zonas de evaporacion hasta las zonas de condensacion mientras que se reduce la complejidad y la longitud de este circuito en la mayor medida posible.
Ahora tambien es posible utilizar turbinas razonablemente pequenas (es decir, preferiblemente con dimensiones de menos de 30 cm o 50 cm), que giran a una velocidad muy alta, provistas de alabes delgados, faciles de equilibrar y de bajo coste de producir mediante metodos de moldeo/inyeccion.
Es importante senalar que uno de los campos de la invencion se refiere a la produccion de plantas de agua potable mediante la desalinizacion de agua de mar, principalmente plantas grandes con una capacidad de produccion diaria
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de 10 a 1000 mld (millones de litros por dia), o incluso mas.
En este campo, las inversiones son altas y se basan necesariamente en las buenas credenciales de las plantas existentes. De esta manera, es usual para las plantas de conformidad con los metodos novedosos que primero que nada sean construidas con tamanos pequenos, y a continuacion aumenten de tamano junto con buenas credenciales y a traves de los anos. Es practicamente imposible financiar una planta grande o una gran planta de desalinizacion por MVC sin plantas o unidades pequenas que han demostrado su capacidad de producir y sus buenas credenciales, lo cual gradualmente lleva anos.
Uno de los objetos de la invencion consiste en introducir, de manera general en este contexto, el compresor del tipo de flujo axial (con deflectores; en ingles, “Vane Axial Fan” o “Blower” o “Compressor”) en el campo de la desalinizacion por MVC, lo cual necesariamente implica el uso de unidades pequenas que involucran turbinas pequenas que giran a gran velocidad. Este procedimiento se hace posible en virtud de la idea inventiva de introducir el motor del compresor (MOT) en el interior de la camara hermetica (01). El principio general de un primer objeto de la invencion se basa en el posicionamiento del compresor (04) y su motor [MOT] en una instalacion para destilacion termica por MVC. Por lo tanto, un primer objeto de la invencion proporciona una instalacion para destilacion termica por MVC que comprende una camara hermetica (01) bajo vacio parcial, un evaporador/compresor (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01), y un compresor conectado a un motor, el compresor es capaz de aumentar la presion del vapor producido en la zona de evaporacion y transportarlo a la zona de condensacion, en la cual dicho compresor (04) y su motor estan situados en el interior de la camara hermetica (01), dicho motor comprende un estator y un rotor, dicho estator y dicho rotor estan situados totalmente en el interior de la camara hermetica.
Esta disposicion, representada esquematicamente en, por ejemplo, las Figuras 2, 3, 6, 7, 10 y 11, logra diversas ventajas:
- hace que sea posible lograr un montaje del motor en acoplamiento directo con la turbina del compresor;
- hace que sea posible ya no requerir el uso de una empaquetadura o junta previamente necesaria para el sellado al vacio de la instalacion,
- hace que sea posible poder colocar juiciosamente el compresor/motor de una sola pieza mas o menos en cualquier lugar en la trayectoria del vapor entre las zonas de evaporacion y las zonas de condensacion; esto hace que sea posible simplificar considerablemente el circuito de transporte de vapor y reducir las caidas de presion a un valor de casi cero (por ejemplo, en las Figuras 6, 7, 10, 11),
- hace que sea posible efectuar una recuperacion directa de la energia termica disipada por el motor electrico del compresor en la camara hermetica, por ejemplo por medio de un circuito de enfriamiento simple en la recirculacion de agua o en el suministro de agua de alimentacion que tiene lugar sin ninguna restriccion de presion diferencial (aqui la presion diferencial existente entre el interior de la camara hermetica (01) y la presion atmosferica en el exterior de la unidad),
- simplifica el recinto externo de la camara hermetica y hace que sea mas facil aislarlo termicamente.
Esta disposicion se hace factible a nivel tecnico simplemente utilizando un barniz aislante sobre todas las bobinas del rotor y del estator. Tambien es posible fundir los devanados en bloques trabajados de resina, proporcionando la proteccion requerida en esta atmosfera de vapor saturado.
De conformidad con una realizacion preferente, el compresor es un compresor con una velocidad de rotacion mayor de 7500 rev/min, preferiblemente mayor de 12000 rev/min o incluso mayor de 15000 rev/min, 20000 rev/min o 25000 rev/min. Esta caracteristica se hace posible en virtud de la caracteristica anterior, puesto que ya no es necesaria una junta sobre el eje de motor/compresor.
Preferiblemente, el compresor y su motor son un compresor y un motor pequenos. El termino “compresor/motor pequenos” significa un compresor que tiene un diametro o dimensiones de menos de 50 cm, 30 cm o incluso menos de 20 cm o 15 cm, el motor tiene un diametro menor que el de la turbina de compresor, a saber, respectivamente, menos de 40 cm, 20 cm, 15 cm o 10 cm. Dicho compresor pequeno es capaz de lograr u operar a velocidades de rotacion por encima de 10000 rev/min, 15000 rev/min o incluso 25000 rev/min, o, expresado alternativamente, es capaz de lograr u operar a velocidades de rotacion de entre 10000 rev/min y 200000 rev/min, preferiblemente entre 25000 rev/min y 200000 rev/min. Estas altas velocidades de rotacion de este compresor pequeno hacen que sea posible obtener altas velocidades perifericas por encima de 50 m/s, preferiblemente por encima de 75 m/s, mas preferiblemente por encima de 100 m/s, tal como, por ejemplo < 150 m/s o < 200 m/s. La velocidad periferica se define como la velocidad lineal de los extremos de los alabes, es decir, la velocidad de rotacion multiplicada por la longitud del radio del compresor o de los alabes del compresor. Adicionalmente, esta alta velocidad periferica hace que sea posible obtener una alta eficiencia de compresion (es decir, una eficiencia de > 75%, o incluso > 80%, o > 85%) bajo las condiciones de vacio parcial (en las cuales el vapor tiene una muy baja densidad y alta elasticidad).
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Igualmente, el tamano ventajosamente pequeno de los motores de muy alta velocidad (a modo de ejemplo de hasta 0,04 m de diametro con un motor de 4 kW), cuyo diametro puede ser similar a aquel del cubo de compresor (por ejemplo, una turbina axial), hace que sea posible no causar ninguna obstruccion adicional para el paso del vapor, o solamente un poco. Adicionalmente, en el caso de un compresor y su motor pequeno hace que sea posible reducir los costes de fabricacion.
Una persona experta en la tecnica sabe como calcular las velocidades de rotacion con el fin de generar el caudal de vapor necesario (variable de acuerdo con la temperatura del bano de la instalacion).
Esta disposicion hace que sea posible mantener rendimientos de los compresores de alta eficiencia en un entorno de vapor con una presion muy baja. Esto se debe a que el vapor con una baja presion de 10 kPa a 50 kPa (0,1 a 0,5 bar) (a), preferiblemente de 10 kPa a 20 kPa (0,1 a 0,2 bar) (a), tiene una densidad proporcionalmente menor que la del aire y una elasticidad aumentada. Si se desea utilizar un compresor de alta eficiencia tal como un compresor de flujo axial con deflectores y obtener una eficiencia de aproximadamente 85% (en la parte de compresion de fluido simple), este estado con una muy baja densidad y una alta elasticidad del fluido que sera comprimido hace que sea necesario, entre otras cosas, que la tasa de repeticion de los golpes de los alabes del compresor en un espacio definido sea aumentada. Este aumento en la repeticion de los golpes de los alabes se obtiene mediante el uso de tanto un numero aumentado de alabes como velocidad de rotacion aumentada.
En ausencia de esta capacidad de alta velocidad de rotacion, particularmente valida en el caso de compresores y motores pequenos, solamente los compresores de efecto centrifugo siguen siendo utilizables, teniendo en cuenta altas velocidades perifericas de mas de 50 m/s (y, por tanto, compresores centrifugos grandes, que tienen un diametro mayor de 50 cm o 1 m), puesto que por la construccion la corriente de vapor que entra al compresor no tiene otra opcion mas que salir de los alabes de la turbina bajo el efecto de la fuerza centrifuga; no obstante lo anterior, no solamente estos compresores tienen menor eficiencia (en la parte de compresion de fluido simple) sino que ademas no se integran bien en la trayectoria del vapor si se desea, como es el caso en el campo de la destilacion por MVC, para reducir en la mayor medida posible las caidas de presion hidraulicas relacionadas con el transporte del vapor.
El metodo puede funcionar con una ligera caida en el rendimiento por medio de otros tipos de turbina, a condicion de que se hagan funcionar a una alta velocidad de rotacion. Una turbina giratoria de flujo radial simple, por ejemplo, hace que sea posible alcanzar eficiencias de hasta aproximadamente 75% (en la parte de compresion simple). Otros tipos de turbina tales como ruedas centrifugas con alabes perfilados o inclinados (en ingles, “Backward Curved or Backward Inclined Fan or Blower or Compressor”) tienen rendimientos ventajosos pero son menos adecuados para la configuracion en linea de la realizacion preferida de la invencion.
De conformidad con una realizacion preferida de la invencion, el compresor es del tipo de flujo axial con deflectores o desviadores, y el motor del compresor esta situado directamente en la corriente de vapor, dicha corriente de vapor fluye desde las zonas de evaporacion (02) hasta las zonas de condensacion (05). Puesto que el tamano y el diametro de los motores electricos disminuyen a una potencia nominal igual dependiendo de la velocidad de rotacion nominal, la ventaja de considerar motores de alta velocidad hace que sea posible alojar el motor en un espacio cilindrico adyacente a la turbina, y con un diametro equivalente a o menor que su cubo. Esto hace que sea posible disenar facilmente, para las turbinas pequenas, un armazon de deflexion central perfilado que se integra al motor, que no interfiere con la corriente de vapor que pasa a traves de la turbina y sus partes corriente arriba y corriente abajo.
Preferiblemente, la presion en el interior de la camara hermetica (01) es de menos de 75 kPa (0,75 bar) (a), preferiblemente de menos de 50 kPa (0,5 bar) (a) o incluso menos de 25 kPa (0,25 bar) (a). La destilacion del agua mineralizada, en particular de agua de mar, puede tener lugar en principio a todas las presiones, a condicion de que la temperatura del metodo corresponda con el punto de ebullicion del fluido a la presion dada. Con la excepcion de la varianza ebulloscopica generada por la salinidad del agua de mar, la relacion entre el punto de ebullicion y la presion se rige por el diagrama de Mollier.
No obstante lo anterior, dependiendo de los intervalos de temperatura elegidos, surgen diversas restricciones; una restriccion importante en el contexto de la desalinizacion del agua de mar es la gestion de los precipitados y el enrasado del equipo interno, especialmente del intercambiador. Teniendo en cuenta la temperatura de umbral critica de 60 a 65 0C por debajo de la cual la formacion de los precipitados, principalmente los carbonatos, es muy reducida, los metodos y las instalaciones de conformidad con las diversas realizaciones de la presente invencion funcionan preferiblemente con temperaturas y presiones, respectivamente, por debajo de 70 0C y 31 kPa (0,31 bar) (a), mas preferiblemente por debajo de 60 0C y 20 kPa (0,2 bar) (a). Ademas, es en estos intervalos de baja presion que el tipo de compresor inventado exhibira sus mejores rendimientos.
De conformidad con una realizacion preferida de la invencion, el compresor, preferiblemente un compresor de flujo axial, esta alojado en un tubo, preferiblemente un tubo de Venturi (13) (Figura 8), dicho tubo comprende una primera parte y una segunda parte, el area de la seccion transversal de la segunda parte es mayor que el area de la seccion
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transversal de la primera parte, el compresor (04) se coloca en el interior de dicha primera parte y dicha segunda parte esta conectada a las zonas de condensacion del evaporador/condensador o al colector o a dicha segunda parte que en si forma una parte del colector. Preferiblemente, el diametro de dicho tubo cambia (aumenta) gradualmente con la trayectoria del vapor, de acuerdo con una geometria similar a un tubo de Venturi que permite un flujo laminar de vapor, hasta que alcanza un diametro que es hidraulicamente compatible con el colector (29) o con la seccion de entrada de las zonas de condensacion del evaporador/condensador. En el caso del compresor de flujo axial, el tubo de Venturi, que tiene un diametro mas pequeno en una parte de dicho tubo (por ejemplo, en su parte media), logra varias ventajas:
- el fluido que sera comprimido experimenta un aumento de velocidad que es necesario para el suministro de la turbina, con el fin de aumentar la eficiencia de la misma,
- en virtud del incremento en la velocidad del fluido en la turbina, hay una reduccion en la presion de acuerdo con el teorema de Bernouilli (el efecto Venturi) que participa en la reduccion o incluso la eliminacion de la formacion de precipitados en los alabes de la turbina, precipitados causados por la condensacion generada en los alabes en los puntos de alta presion (cabe senalar que el vapor se satura en la entrada al tubo). El uso de un tubo de este tipo (del tipo de Bernouilli/Venturi) acelera el fluido mientras que disminuye su presion, sin ninguna perdida de energia entre la entrada al tubo y su salida, en las perdidas de presiones cercanas. Dichas caidas de presion pueden ser muy pequenas efectuando un diseno particular para cada configuracion de caudales y presiones, y mediante el uso de deflectores en la entrada que impiden la formacion de vortices.
De conformidad con otra realizacion preferida, la camara de compresor (09), en particular en la forma de un tubo, preferiblemente en la forma de un tubo de Venturi (13), se compone de un material conductor de calor, que es preferiblemente el mismo material que aquel utilizado para la fabricacion del evaporador/condensador. Esta opcion contribuye al enfriamiento de la parte del tubo directamente en la proximidad de la turbina, que experimenta un aumento en la temperatura relacionada con las altas turbulencias presentes en este punto. Por tanto, esta opcion hace que sea posible contribuir, sin embargo ligeramente, a una etapa de compresion que presenta el menor aumento de temperatura posible, sabiendo que cualquier aumento en la temperatura tiene como resultado un sobrecalentamiento del vapor que inhibe el fenomeno de condensacion perseguido.
De conformidad con otra realizacion, la presente invencion proporciona una instalacion para destilacion termica con compresion mecanica de vapor que comprende por lo menos un modulo de destilacion integrado (IDM, del ingles “Integrated Distillation Module”) [Figura 9], dicho modulo de destilacion integrado (14) comprende un evaporador/condensador (11), un compresor (04) y una camara de compresor (09), preferiblemente en la forma de un tubo de Bernouilli/Venturi (tal como se describio anteriormente) (13). Esta realizacion de la invencion se puede implementar mediante la instalacion de o bien solamente uno o una pluralidad de IDM en el recinto hermetico [Figura 10]. Mediante la instalacion de una pluralidad de IDM en el mismo recinto hermetico, todos los servicios auxiliares [agua de alimentacion, NCG_VAC, destilado, concentrado] pueden ser comunes y el resultado es, segun las circunstancias, una economia de escala. Esta manera modular de disenar una DWP hace que sea posible construir plantas con una capacidad muy alta mientras que al mismo tiempo se utilizan numerosos IDM pequenos construidos en serie (por ejemplo, fabricados mediante moldeo e inyeccion) de una manera menos costosa. A modo de ejemplo, el coste de fabricacion marginal de 25 montajes que consisten en una turbina moldeada/inyectada y un tubo prensado, cada uno con una capacidad de 1 m3/h de acuerdo con el metodo descrito en este documento no deberia ser superior a unas cuantas centesimas del precio de coste de la parte mecanica de un compresor actual incluido en una unidad de MVC con una capacidad de 25 m3/h como se venderian hoy en dia.
De conformidad con otra realizacion preferida [Figura 11], dicha instalacion de destilacion termica con compresion mecanica de vapor comprende una bomba de suministro de agua de alimentacion (15), una bomba de extraccion de destilado (16), una bomba de extraccion de concentrado (17), y una bomba de vacio para extraer gases no condensables (19), en la cual por lo menos una de dichas bombas y su motor estan situados completamente en el interior del recinto hermetico. De conformidad con una variante preferida de esta realizacion, las bombas de extraccion de destilado, de extraccion de concentrado y de recirculacion, asi como sus motores, estan situadas completamente en el interior del recinto hermetico. Esta disposicion tiene varias ventajas importantes:
- hace que sea posible simplificar la construccion de dichas bombas, puesto que, de la misma manera que se describio anteriormente para el compresor, dichas bombas, una vez sumergidas en la camara hermetica, ya no requieren sellado o una junta resistente al vacio sobre el eje de motor/bomba;
- hace que sea posible simplificar la forma y la implementacion del aislamiento de calor de la camara hermetica, puesto que ya no es necesario continuar el aislamiento termico de las tuberias de alimentacion y de extraccion mas alla de las bombas que estan instaladas tipicamente en el exterior del bloque principal del recinto hermetico;
- hace que sea posible efectuar una recuperacion directa de la energia termica disipada por las bombas y sus motores a favor de mantener la temperatura del bano de agua que sera evaporado.
De conformidad con otra realizacion preferida, dicha instalacion de destilacion termica que utiliza compresion
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mecanica de vapor comprende una bomba para recircular el concentrado [Figura 11] (18) para transportar/recircular el concentrado a la zona de evaporacion del evaporador/condensador. Esta disposicion, que es bien conocida para aumentar la tasa de conversion de instalaciones de destilacion, se hace facil de implementar en recintos bajo vacio parcial en virtud de la idea de colocar la totalidad de la bomba de recirculacion (es decir, completa con su motor) en el interior de la camara hermetica. De la misma manera que para el compresor y las otras bombas instaladas en el recinto hermetico, esta disposicion tiene las mismas ventajas:
- hace que sea posible simplificar la construccion de dichas bombas, puesto que, de la misma manera que se describio anteriormente para el compresor, dichas bombas, una vez sumergidas en la camara hermetica, ya no requieren sellado o una junta resistente al vacio sobre el eje de motor/bomba; ademas de que toda la parte corriente abajo, bajo vacio, de las bombas de extraccion y de recirculacion que da lugar a diversos problemas de cavitacion conocidos es muy reducida;
- hace que sea posible simplificar la forma y la implementacion del aislamiento de calor de la camara hermetica, puesto que ya no es necesario continuar el aislamiento termico de las tuberias de alimentacion y de extraccion mas alla de las bombas que estan instaladas tipicamente en el exterior del bloque principal del recinto hermetico;
- hace que sea posible efectuar una recuperacion directa de la energia termica disipada por las bombas y sus motores en favor de mantener la temperatura del bano de agua que sera evaporado.
La recirculacion del concentrado hace que sea posible separar el sistema de pulverizacion (12) del sistema de suministro de agua de alimentacion, con las ventajas de permitir la pulverizacion a una velocidad diferente o mayor que lo que normalmente es impuesta por la tasa de conversion del efecto, y ser capaz de aumentar la tasa de conversion del efecto hasta valores de 50% o incluso superiores.
Preferiblemente, dicha instalacion de destilacion termica con compresion mecanica de vapor comprende intercambiadores de calor entre el flujo de agua de alimentacion entrante y los flujos salientes de destilado, concentrado y gases no condensables, asi como miembros de regulacion (23, 27) para controlar los caudales de suministro de agua de alimentacion, extraccion de destilado y extraccion de concentrado. Puesto que la temperatura del metodo esta definida, preferiblemente por debajo de 70 0C o 60 0C, mas preferiblemente entre 40 y 60 0C, es conveniente asegurarse de que el calor y la energia contenidos en el recinto hermetico no se descargan continuamente al exterior y de esta manera se pierden a medida que el bano que sera destilado se renueva con agua de alimentacion y el destilado, el concentrado y otros gases no condensables se extraen. Cada perdida de calor se debe compensar mediante un suministro adicional de energia, ya sea mediante un medio de calentamiento, o un exceso de funcionamiento del compresor. Con el fin de evitar tales perdidas de calor, es conveniente instalar un intercambiador multiflujo que, en una direccion, calienta el agua de alimentacion entrante y, en la otra, recupera la energia termica de los flujos salientes.
Con el fin de asegurar el funcionamiento optimo de este intercambiador de calor multiflujo, es esencial que las cantidades de calor intercambiado por unidad de tiempo sean equivalentes, de lo contrario aparecen diferencias de temperatura en las descargas del intercambiador vis-a-vis la temperatura del medio de recepcion. Puesto que las temperaturas del metodo son constantes y las temperaturas externas tienen una baja variabilidad, es necesario que los caudales de los fluidos intercambiados sean estables. En este contexto, una realizacion muy simple comprende la colocacion de los medidores de flujo en cada una de las lineas entrantes y salientes, y subordinar las velocidades de las respectivas bombas de alimentacion y de extraccion a un valor de caudal fijo.
Sin embargo, una de las tres regulaciones de caudal tendra que ser adaptable al control del nivel, ya sea del bano de agua que sera destilado o del deposito de destilado en funcion de si el compresor esta funcionando a una velocidad fija o regulada, con el fin de compensar a largo plazo las diferencias en la produccion que resultaran de las diversas imprecisiones de los caudales y las temperaturas de los fluidos de que se trate.
Otra realizacion de esta caracteristica es considerar una bomba de extraccion de destilado subordinada al nivel de destilado que sera extraido, y a continuacion subordinar las bombas de suministro de agua de alimentacion y de extraccion de condensado a la tasa de extraccion del destilado de acuerdo con una relacion fija que determina la tasa de conversion. Al hacer esto los caudales de los flujos entrantes y salientes se equilibran de forma continua y los intercambiadores de calor entre estos flujos se optimizan. Una realizacion de esta caracteristica indicada para unidades pequenas es considerar el uso de bombas volumetricas acopladas entre si de acuerdo con una relacion fija [Figura 12, a la izquierda] que determina la tasa de conversion de la unidad, el montaje es subordinado al nivel de extraccion de destilado. Una opcion preferente es entonces utilizar la presion absoluta encontrada en el orificio de entrada de la bomba de suministro de agua de alimentacion en la forma de energia mecanica con el fin de mover todas las tres bombas (20, 21, 22) a traves del mecanismo de accionamiento comun (23). Para las unidades mas grandes, una realizacion es considerar bombas centrifugas, provistas cada una de un medidor de flujo y subordinadas a variadores de frecuencia de acuerdo con una regulacion que impone dicha relacion fija que determina la tasa de conversion de la unidad.
De conformidad con otra realizacion preferida, dicho evaporador/condensador de dicha instalacion de destilacion
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termica que utiliza compresion mecanica de vapor comprende un colector (29) para la admision de vapor en la zona de condensacion, dicho colector (29) tiene una seccion transversal total (28) y una seccion transversal de admision compuesta por la suma de las secciones transversales de entrada de las zonas de condensacion (5), la relacion entre la seccion transversal de admision total en las zonas de condensacion (05) y la seccion transversal total (28) del colector (29) es mayor de 70% u 80%, y de conformidad con una realizacion preferida mayor de 90% o 95%, lo que reduce considerablemente las caidas de presion del vapor que entra en las zonas de condensacion. Esto se debe a que, en una realizacion del metodo de MVC tal como se describe en este documento, donde uno de los objetivos principales es reducir el consumo de energia (electrica) de la instalacion, incluyendo la gran reduccion en las caidas de presion, de hecho es necesario tener en cuenta que cada caida de presion hidraulica generada en el vapor se convierte en energia termica, a saber, confiere un aumento de temperatura en el fluido y/o en el obstaculo que causa dicha caida de presion hidraulica. Este aumento de temperatura, tal como ya se menciono anteriormente, aplicado al vapor a una presion dada, transformara el vapor en vapor sobrecalentado. Puesto que el vapor sobrecalentado no se condensa bien, este fenomeno, en un nivel de energia, va en contra del metodo de MVC; esto ofrece, de hecho, una doble sancion:
- requiere mas presion con el fin de compensar las caidas de presion, lo cual es lamentable a la luz de los rendimientos limitados de los compresores de vapor, mas aun en el campo de vapor a presion reducida,
- tambien requiere un aumento en la presion de trabajo o de condensacion con el fin de iniciar el fenomeno de condensacion.
Por esta razon, un objetivo principal es eliminar en la medida de lo posible las caidas de presion a traves de toda la trayectoria del vapor. Una manera preferente de implementar este principio es disenar un intercambiador de modo que su abertura al vapor sea maxima, o, expresado alternativamente, de modo que la seccion transversal de admision del vapor en las zonas de condensacion sea de por lo menos 70% u 80%, preferiblemente de por lo menos 90% o 95% de la seccion transversal total del colector (29) (28). Esto se puede manifestar de varias maneras, incluyendo las siguientes realizaciones preferidas:
- un montaje de tubos redondos (Figura 14), preferiblemente con una seccion transversal decreciente [Figura 13], cuyas partes que aceptan el vapor son contiguas con el fin de lograr una relacion de abertura grande (07) mientras que se trabaja con tubos con una seccion transversal cilindrica;
- un montaje de tubos que se pueden instalar de forma conjunta (seccion transversal hexagonal, cuadrada o triangular) (Figura 15), preferiblemente con una seccion transversal decreciente [Figura 13], cuyas partes que aceptan el vapor son contiguas con el fin de lograr una relacion de abertura maxima (07); sin embargo, esta materializacion es mas costosa debido a la forma mas compleja del tubo;
- un montaje de tubos redondos convencionales con una seccion transversal constante [Figura 16] precedida por un colector perfilado (30) que distribuye la seccion transversal de salida del tubo (13) del compresor en un cierto numero de salidas perfiladas con aberturas contiguas y refinadas que desembocan en curvas suaves que generan pocas caidas de presion;
- un montaje de placas en una concertina que tiene una abertura casi total y una seccion transversal similar a la Figura 13.
De conformidad con otra realizacion preferida, dicho compresor (04), dicho colector (29) y, opcionalmente, dicha camara de compresor (9) o dicho tubo (13) y dicho evaporador/condensador de dicha instalacion de destilacion termica que utiliza compresion mecanica de vapor estan alineados, dicho colector (29) y dicha camara de compresor o tubo (13) son capaces de transportar el vapor al interior de la zona de condensacion (05) del evaporador/condensador a lo largo de un eje rectilineo. Esta disposicion, tal como la disposicion anterior relativa a la relacion de abertura del intercambiador, es importante con el proposito de reducir las caidas de presion que tienen un doble efecto perjudicial (tal como ya se explico y evidencio anteriormente).
De conformidad con otra realizacion preferida, dicha instalacion de destilacion termica que utiliza compresion mecanica de vapor comprende adicionalmente un sistema de relleno termico para mantener la temperatura en el interior de la camara hermetica a una temperatura constante, de conformidad con una realizacion preferida por medio de un elemento electrico o por medio de una bomba de calor. De hecho, es necesario evitar que la compensacion de las perdidas de calor a traves del aislamiento termico del recinto y/o a traves del intercambiador multiflujo tenga lugar por medio de un aumento en la potencia del compresor; la eficiencia del compresor es, de hecho, menor que la de un elemento de calentamiento simple, y mucho menor que la eficiencia de una bomba de calor, mas aun cuando trabaja con un delta de temperatura tan bajo. El mantenimiento de la temperatura del bano es importante; una temperatura demasiado baja reducira la capacidad de transferencia de energia a traves del material del intercambiador, mientras que una temperatura demasiado alta generara un exceso de vapor que no sera capaz de participar en el intercambio de energia a traves del intercambiador y sera descargado a traves de la puesta bajo vacio (o la extraccion desde el NCG_VAC). En ambos casos hay una perdida de eficiencia del destilador, el peor caso es una temperatura demasiado baja.
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Las realizaciones preferidas son:
- para las unidades pequenas, un elemento electrico simple colocado en el bano o en el circuito de recirculacion de concentrado, o en las entradas de agua de alimentacion,
- en el caso de una instalacion que comprende un gran numero de IDM, un circuito comun auxiliar para el fluido de transferencia de calor calentado mediante una bomba de calor centralizada; un sistema de bomba de calor tiene una eficiencia relativa que puede variar hasta 600% de la del elemento electrico simple, a saber, hasta 750% del sistema de compresion de vapor.
La Figura 13 representa tanto (un evaporador/condensador que tiene) una seccion de intercambiador del tipo de placa como una seccion de intercambiador con tubos con seccion transversal decreciente.
En cuanto a la seccion transversal decreciente de las zonas de condensacion a lo largo de la trayectoria del vapor en la zona de condensacion, la ventaja de esta realizacion del evaporador/condensador es triple:
- permite la pulverizacion mediante las boquillas de pulverizacion (12) de la cara/zona del intercambiador responsable de la evaporacion (02), lo que ya no seria posible si los tubos fueran contiguos en toda su longitud;
- promueve el contacto del vapor que sera condensado en las partes avanzadas de la trayectoria del vapor; esto se debe a que, a medida que el vapor avanza y se condensa en un intercambiador, la cantidad de vapor restante disminuye y, si la seccion transversal del tubo o del volumen de condensacion se mantiene constante, la concentracion de vapor disminuye junto con el avance en el intercambiador, y de la misma manera la eficiencia de condensacion disminuye;
- reduce las superficies de intercambio y la cantidad de material necesario para producirlas por un factor de aproximadamente 30% a 45% para la misma eficiencia.
Mediante el uso de intercambiadores con una seccion transversal decreciente con la trayectoria del vapor, no solamente hay de 30% a 45% de ahorro de material de construccion para el intercambiador, sino ademas se aumenta su eficiencia para condiciones iguales. Estas ventajas son independientes de las caracteristicas y el posicionamiento del compresor y tambien son validas en las instalaciones de destilacion de la tecnica anterior.
Por lo tanto, un segundo objeto de la presente invencion proporciona una instalacion de destilacion termica que utiliza compresion mecanica de vapor que comprende una camara hermetica (01) preferiblemente bajo vacio parcial, que comprende una entrada para recibir agua de alimentacion, una salida para descargar el destilado, una salida para descargar el concentrado y una salida para descargar los gases no condensables; un evaporador/condensador (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01) y un compresor (04) conectado a un motor; dicho evaporador/condensador tiene una seccion transversal decreciente de la zona de condensacion a lo largo de la trayectoria del vapor en la zona de condensacion.
Un ultimo objeto de la presente invencion proporciona una instalacion de destilacion termica que utiliza compresion mecanica de vapor que comprende una camara hermetica (01) preferiblemente bajo vacio parcial que comprende una entrada para recibir agua de alimentacion, una salida para descargar el destilado, una salida para descargar el concentrado y una salida para descargar los gases no condensables; un evaporador/condensador (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01) y un compresor (04) conectado a un motor; dicho compresor es un compresor del tipo de flujo axial. Preferiblemente, dicho compresor de flujo axial comprende deflectores o desviadores. Preferiblemente, dicho compresor de flujo axial tiene un diametro o dimensiones mayores de 30 cm o 50 cm, mas preferiblemente mayores de 75 cm o 1 m. En este contexto, el motor de dicho compresor puede estar situado en el exterior o en el interior de la camara hermetica.
Las diversas realizaciones de los metodos y las instalaciones de la presente invencion son particularmente utiles en el campo de la desalinizacion de agua de mar o la desmineralizacion de agua, por ejemplo para la produccion de agua potable o agua desmineralizada.
Claims (14)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. - Una instalacion de destilacion termica por compresion mecanica de vapor para la desalinizacion de agua, que comprende:- una camara hermetica (01) que comprende una entrada para recibir agua de alimentacion, una salida para descargar el destilado, una salida para descargar el concentrado y una salida para descargar los gases no condensables;- un evaporador/condensador (11) que comprende una zona de evaporacion (02) y una zona de condensacion (05) en el interior de dicha camara hermetica (01);- un compresor (04) conectado a un motor, siendo el compresor capaz de aumentar la presion del vapor producido en la zona de evaporacion (02) y transportarlo a la zona de condensacion (05);- estando la camara hermetica (01) bajo vacio parcial, siendo la presion en el interior de dicha camara menor que la presion atmosferica;caracterizada porque el compresor (04) y su motor estan situados en el interior de dicha camara hermetica, dicho motor comprende un estator y un rotor, dicho estator y dicho rotor estan situados totalmente en el interior de la camara hermetica.
- 2. La instalacion segun la reivindicacion 1, caracterizada porque el compresor (04) es un compresor capaz de alcanzar una velocidad de rotacion por encima de 7500 rev/min.
- 3. La instalacion segun la reivindicacion 2, caracterizada porque el compresor (04) es un compresor capaz de alcanzar una velocidad de rotacion por encima de 25000 rev/min.
- 4. La instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el compresor (04) es del tipo de flujo axial y el motor del compresor o el montaje de compresor (04) y motor del compresor esta ubicado directamente en la corriente de vapor, que fluye desde las zonas de evaporacion (02) hasta las zonas de condensacion (05).
- 5. La instalacion segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la presion en el interior de la camara hermetica (01) es de menos de 75 kPa (0,75 bar) (a).
- 6. La instalacion segun la reivindicacion 5, caracterizada porque la presion en el interior de la camara hermetica (01) es de menos de 25 kPa (0,25 bar) (a).
- 7. La instalacion segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el compresor (04) comprende alabes que son capaces de alcanzar una velocidad periferica por encima de 50 m/s.
- 8. La instalacion segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende un tubo (13), comprendiendo dicho tubo (13) una primera parte y una segunda parte, siendo el area de la seccion transversal de la segunda parte mayor que el area de la seccion transversal de la primera parte, estando el compresor (04) colocado en el interior de dicha primera parte y estando dicha segunda parte conectada a las zonas de condensacion (05) del evaporador/condensador.
- 9. La instalacion segun la reivindicacion 8, caracterizada porque dicho compresor es un compresor de flujo axial.
- 10. La instalacion segun la reivindicacion 8 o 9, caracterizada porque dicho tubo (13) comprende un material conductor de calor.
- 11. La instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende por lo menos un modulo de destilacion (14) integrado, comprendiendo dicho modulo de destilacion (14) integrado un evaporador/condensador, un compresor (04) y un tubo (13), comprendiendo dicho tubo (13) una primera parte y una segunda parte, siendo el area de la seccion transversal de la segunda parte mayor que el area de la seccion transversal de la primera parte, estando el compresor (04) colocado en el interior de dicha primera parte y estando dicha segunda parte conectada a la zona de condensacion (05) del evaporador/condensador (11) o comprendiendo dicha segunda parte el colector (29) o estando conectada al colector (29) del evaporador/condensador (11) para la admision del vapor en la zona de condensacion.
- 12. La instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende una bomba de suministro de agua de alimentacion (15), una bomba de extraccion de destilado (16), una bomba de extraccion de concentrado (17), una bomba de vacio para extraer los gases no condensables (19), estando por lo menos una de dichas bombas y su motor situados completamente en el interior de la camara hermetica (01).
- 13. La instalacion segun la reivindicacion 12, caracterizada porque comprende una bomba de recirculacion de concentrado (18) para transportar el concentrado a la zona de evaporacion (02) del evaporador/condensador, estando dicha bomba de recirculacion y su motor situados completamente en el interior de la camara hermetica (01).5
- 14. La instalacion segun una de las reivindicaciones 12 y 13, caracterizada porque dichas bombas de extraccion de destilado y de concentrado, y de recirculacion (16, 17, 18) y sus motores estan situados completamente en el interior de la camara hermetica (01).10 15. La instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque elevaporador/condensador comprende un colector (29) para la admision de vapor en la zona de condensacion, teniendo dicho colector (29) una seccion transversal total (29) y una seccion transversal de admision compuesta por la suma de las secciones transversales de entrada de las zonas de condensacion (05), siendo la relacion entre la seccion transversal de admision en las zonas de condensacion (05) y la seccion transversal total (29) del colector 15 mayor de 70%.
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