ES3034957T3 - Thermal-vapour-compression multi-effect distillation (tvc-med) arrangement having a low compression ratio - Google Patents
Thermal-vapour-compression multi-effect distillation (tvc-med) arrangement having a low compression ratioInfo
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Abstract
Disposición desalinizadora de destilación multi efecto MED con compresión térmica de vapor, MED-TVC, de bajo ratio de compresión que incorpora intercambiadores de calor latente de alto coeficiente de transferencia de calor latente reduciendo el salto de temperatura en torno a 1º C, o menos, por efecto, reduciendo el diferencial de presión, y el ratio de compresión del eyector hasta un nivel en torno a 1+0.08(n-1) siendo n el número de efectos, reduciendo el consumo específico de vapor y multiplicando el GOR de la disposición y su capacidad de producción de agua desalinizada.
Description
DESCRIPCIÓN
Disposición de destilación multi-efecto con compresión térmica de vapor (TVC-MED) con una baja relación de compresión
OBJETO
La presente invención se refiere a una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED con compresión térmica de vapor, MED-TVC, de bajo ratio de compresión y elevado GOR. Los documentos CN 202 936219 U, GB 2443802 A y WO 2005/100252 A1 divulgan disposiciones de desalinización según el estado de la técnica.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los actuales dispositivos de desalinización mediante destilación multi-efecto MED liberan calor latente de condensación del último efecto en un sumidero de calor, de modo que esta energía se transforma en un incremento de calor sensible del líquido en el sumidero.
Los dispositivos de desalinización mediante destilación multi-efecto MED pueden incorporar al menos un compresor térmico de vapor o eyector. Los MED con compresión térmica de vapor MED-TVC reciclan una parte del vapor, es decir una parte del calor latente, que se recircula en el sistema.
Un problema de los actuales dispositivos MED-TVC es que requieren saltos térmicos, gradientes de temperatura, considerables entre efectos. A mayor gradiente de temperatura por efecto, mayor gradiente de temperatura y presión entre el vapor del último efecto y el vapor del primer efecto, o entre efectos intermedios. Por lo tanto, el eyector que se coloque para comprimir el vapor de un efecto a otro efecto que lo preceda requerirá una ratio de compresión mayor, cuanto mayor sea el diferencial de temperatura por efecto. Una mayor ratio de compresión implica un mayor consumo específico de vapor del eyector, es decir un mayor aporte de vapor activo por unidad de masa de vapor succionado. Los actuales MED-TVC pueden trabajar entre efectos intermedios cuando el salto de presión entre el primer efecto y el último efecto es muy elevado. En este caso, cada eyector intermedio que se incorpora implica un nuevo aporte de energía al sistema en forma de vapor activo.
Los dispositivos MED del estado de la técnica están configurados con diferenciales de temperatura o gradientes térmicos en torno a un rango entre 3°C y 5°C por efecto. Los dispositivos MED tienen un rango de trabajo que se suele situar entre unos 70°C en el primer efecto y unos 35°C en el último efecto. El límite superior de trabajo de 70°C se debe a las precipitaciones minerales e incrustaciones que se producen por encima de esta temperatura. El límite inferior de trabajo de unos 35°C se debe a que el sumidero usa agua de mar a temperatura ambiente y la temperatura de trabajo del último efecto queda limitada en torno a los 35°C. Es decir que los MED del estado de la técnica suelen tener un gradiente total máximo de unos 35°C si bien pueden usar sólo una parte de este gradiente potencial de trabajo.
Entre los 70°C de la fuente y los 35°C del sumidero, un MED puede incorporar entre unos 7 y 12 efectos con un salto térmico por efecto en torno a 3°C o 5°C. Cada efecto comporta un ciclo de condensación y evaporación, es decir, un reciclado de energía en forma de calor. Este reciclado de energía desde los MED se ve mermado, entre otros factores, por la energía que se dedica a elevar la temperatura de la solución salina hasta la temperatura de trabajo del primer efecto que suele estar en torno a los 70°C.
En los actuales MED-TVC, el reciclado de calor latente de los efectos de un MED se ve multiplicado por el reciclado del eyector.
El ratio de compresión de un eyector que cubre la diferencia de presión entre efectos con un gradiente total de 35°C se sitúa en torno a 6. Por lo tanto, el rendimiento de este eyector es de aproximadamente 1 kg de vapor succionado por cada 4 kg de vapor motriz activo, cuando el vapor primario tiene una presión de alrededor de 3 bar. De modo que el potencial de reciclado del eyector de los actuales sistemas MED-TVC se sitúa en torno a una unidad de masa, o una unidad de calor latente, por cada cinco unidades de masa de vapor, o unidades de calor latente, que circulan por el sistema. Se puede reducir un poco este consumo a base de usar vapor primario a mayor presión.
En el estado de la técnica existen tubos de intercambio de calor latente de alta eficiencia térmica basados en condensación y evaporación capilar, con microranuras en las caras evaporadoras y condensadoras que permiten incrementar el coeficiente de transferencia de calor latente por encima del paradigma actual de los intercambiadores de calor por película fina de líquido que se sitúan en torno a los 2.000W/m2K. La elevación del coeficiente de transferencia de calor latente permite reducir el gradiente de temperatura por efecto. Se puede reducir el gradiente de temperatura a diferenciales en torno a 1°C por efecto, de forma que se pueden intercalar más efectos entre una fuente de calor, normalmente a 70°C y un sumidero de calor, normalmente en torno a los 35°C. Pero la gestión de una planta de desalinización con 30 o 35 efectos es muy compleja y el coste de capital muy elevado.
En el estado de la técnica también se describen soluciones para reducir la temperatura del sumidero de calor, como la tecnología de adsorción por geles. Pero en este caso, el intercalado de más efectos entre la fuente de calor y el sumidero de calor presenta similares problemas de gestión e inversión de capital y además los consumos de energía adicionales que implica esta metodología.
Otro problema de los actuales dispositivos MED-TVC es que dedican parte de la energía contenida en el vapor primario para elevar la temperatura de la solución salina a desalinizar, desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de trabajo del primer efecto que suele estar en torno a 70°C. La transformación de la energía contenida en el vapor primario para elevar el calor sensible de la solución salina a desalinizar reduce la relación de ganancia de salida, GOR, de los actuales MED-TVC. EI GOR de un MED es una expresión del reciclado de energía resultante y expresa los kg de agua desalinizada obtenida por kg de vapor aportado al sistema, o su equivalente.
Dado que el GOR de un dispositivo MED es el resultado de, principalmente, la combinación del vapor aportado, del salto térmico por efecto, del número de efectos, de la energía dedicada a elevar la temperatura del líquido a evaporar y, en el caso de un MED-TVC, de la combinación del ratio de compresión y del ratio de expansión del eyector, los actuales MED-TVC presentan el problema que su GOR total se ve limitado por el rango de temperaturas de trabajo; por la energía necesaria para elevar la temperatura de la solución salina hasta la temperatura de trabajo del primer efecto; por el salto térmico por efecto, que limita el número de efectos; y por el diferencial de presiones entre el primer efecto y el último efecto que dan lugar a ratios de compresión elevados que elevan el consumo específico de vapor y limitan el reciclado de vapor.
SUMARIO
La presente invención busca resolver uno o más de los problemas expuestos anteriormente, incrementar la capacidad de desalinización y reducir el coste energético específico por unidad de agua desalinizada mediante una disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión tal como es definida en las reivindicaciones.
La disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión utiliza intercambiadores de calor latente de alta eficiencia con altos coeficientes de intercambio de calor latente mediante evaporación y condensación capilar de forma que el salto térmico se sitúa en torno a 1°C, o menos, por efecto, en lugar del gradiente térmico de entre 3°C y 5°C por efecto de los MED y MED-TVC actuales.
Se utiliza esta mejora del gradiente térmico entre efectos para formular una nueva disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión con las siguientes características diferenciadoras:
- La disposición reduce la temperatura de trabajo del primer efecto, lo cual permite reducir la cantidad de energía que se dedica a la elevación de la temperatura de la solución salina a ser desalinizada, que se provee al primer efecto, temperatura máxima de salmuera.
- La reducción de la temperatura de trabajo del primer efecto está asociada a la reducción de la presión de vapor de trabajo del primer efecto, de forma que se reduce la ratio de compresión entre el vapor aportado al primer efecto y el vapor succionado del último efecto, o entre efectos intermedios, llegando a la zona óptima de ratios de compresión en torno a 1+0,08(n-1), o menos, para n efectos.
- Con la reducción de la ratio de compresión conseguimos reducir el consumo específico de vapor activo aportado al sistema por unidad de vapor succionado, de forma que aumentamos el factor multiplicador del GOR resultante, llegando a la zona óptima de consumos específicos de vapor de en torno a 1 kg, o menos de 1 kg, de vapor activo por kilo de vapor succionado.
- Dado que la relación entre la reducción de la ratio de compresión y la reducción de consumo específico de vapor no es una relación lineal, porque sigue una curva tipo logarítmica con una cierta verticalidad inicial y un progresivo aplanamiento de la curva, de modo que las reducciones de la ratio de compresión hasta llegar a niveles en torno a 1+0,08(n-1) o menos, tienden a producir notables mejorías del consumo específico de vapor activo. Dado que el incremento del número de efectos aumenta de manera lineal el reciclado de vapor, pero también aumenta de manera lineal el diferencial de temperatura entre el primer efecto y el sumidero de calor, aumentando de manera casi lineal la ratio de compresión, y dado que la relación entre la ratio de compresión y el consumo específico de vapor sigue una curva similar a logarítmica en la que los incrementos de la ratio de compresión, que se producen al incrementar el número de efectos, penalizan progresivamente el consumo específico de vapor hasta llegar a un punto en el que el incremento de un efecto o más comporta un aumento del GOR por debajo de 1. El diseño de la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión tiene un diseño suficientemente flexible como para que, según disponibilidades de recursos financieros y energéticos y según los objetivos de producción de agua desalinizada y de ahorro energético, se puede combinar el nivel óptimo para cada caso del número de efectos y de la ratio de compresión para obtener la producción y el GOR resultante acorde a las necesidades y capacidades del usuario.
- La reducción del salto térmico por efecto permite la reducción de la temperatura del primer efecto, hasta el nivel deseado según las necesidades de producción y de coste energético, para conseguir la mejor combinación entre ratio de compresión y de consumo específico de vapor combinado con el número de efectos. El número de efectos tenderá a ser inferior a alrededor de 15 efectos porque por encima de este número de efectos, el incremento de un efecto más tiende a dar un GOR resultante con un incremento por debajo de 1 como resultante del aumento más que lineal del consumo específico de vapor.
- Por lo tanto, la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión permite prestaciones muy superiores a las de las disposiciones MED o MED-TVC del estado de la técnica. Concretamente multiplica la producción de agua desalinizada por 2 o más, reduce el consumo específico de energía por unidad de agua a la mitad, o por debajo de la mitad, y se reduce a la mitad o un tercio, o incluso menos, la energía dedicada a aumentar la temperatura de la solución salina aportada al primer efecto. De modo que el GOR resultante se sitúa decisivamente por encima del GOR de los actuales dispositivos MED o MED-TVC, llegando a incrementos del GOR en torno al 100%.
Esta disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión se puede aplicar a plantas de nueva construcción o se puede aplicar para mejorar plantas MED-TVC o MED preexistentes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Una explicación más detallada se da en la descripción que sigue y que se basa en las figuras adjuntas: Figura 1 es un corte longitudinal de un dispositivo desalinizador mediante destilación multi-efecto MED del estado de la técnica,
Figura 2 es un corte longitudinal de un dispositivo desalinizador mediante destilación multi-efecto con compresión térmica de vapor MED-TVC del estado de la técnica,
Figura 3 es un corte longitudinal de la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio
de compresión, y
Figura 4 es un corte transversal de una pared de un tubo o cámara evaporador-condensador en régimen de condensación y evaporación capilar.
DESCRIPCIÓN
En la figura 1 se muestra en una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED del estado de la técnica que en cada uno de los n efectos cuenta con un intercambiador de calor latente 2 de tubos o cámaras con aporte de la solución salina sobre la cara evaporadora en régimen de fina película descendente o ascendente. El MED del estado de la técnica recibe el vapor de una fuente de vapor externa 1 que se condensa en el primer efecto, liberando energía en forma de calor latente de condensación. Esta energía atraviesa la pared del intercambiador de calor latente, atraviesa la película fina descendente de solución salina a desalinizar que fluye sobre la cara evaporadora de dichos tubos o cámaras de intercambio de calor latente, y esta energía es absorbida en forma de calor de evaporación en la cara evaporadora. Las resistencias térmicas de las capas de agua limitan el coeficiente de transferencia de calor latente agregado de la pared del intercambiador de calor del estado de la técnica que se sitúan en torno a unos 2.000W/m2K; pudiendo llegar a coeficientes de unos 6.000W/m2K en disposiciones verticales. Las resistencias térmicas impuestas por las capas de agua hacen necesario un diferencial o pérdida de temperatura de 3°C a 5°C, o más, por efecto. De modo que dentro del rango de trabajo de unos 35°C que se sitúa entre los aproximadamente 70°C de la temperatura de trabajo del primer efecto y la temperatura de trabajo de unos 35°C del último efecto, los MED suelen incorporar entre 7 y 12 efectos. Existen realizaciones MED con menos efectos para reducir el coste de capital y la dificultad de operativa que comporta cada efecto incorporado en un MED.
El vapor generado en el primer efecto se aporta a la cara condensadora de los tubos o cámaras del intercambiador del segundo efecto. Y así sucesivamente para los n efectos, hasta que el vapor generado en el enésimo efecto se aporta 4 al condensador final 5 o sumidero de vapor, sobre el que se condensa. En el condensador final 5 el calor latente del vapor se transforma en calor sensible elevando la temperatura del agua de mar u otra fuente de agua a desalinizar, que circula por el interior del condensador final que actúa como sumidero de calor 5, de forma que el calor latente del sistema se transforma en calor sensible del líquido en el sumidero.
La figura 2 muestra en un esquema un dispositivo de destilación multi-efecto con compresión térmica de vapor MED-TVC del estado de la técnica. Este dispositivo del estado de la técnica tiene los mismos componentes esenciales que un MED básico del estado de la técnica como el descrito en la figura 1, con la adición del termocompresor o eyector 9. Los compresores térmicos de vapor de dispositivos MED-TVC del estado de la técnica suelen recibir como fuente de energía 1, un vapor residual de una planta de cogeneración a una temperatura en torno a unos 130°C o más y a una presión de 3 bar o más. Este vapor 1 a 3 bar, o más, actúa como vapor motriz activo o primario del termocompresor 9 del estado de la técnica. En la configuración que se muestra la figura 2, el compresor térmico de vapor o eyector succiona vapor en forma del último efecto y aporta vapor caliente al primer efecto. En el estado de la técnica hay realizaciones que succionan y aportan vapor desde y a los efectos intermedios.
En la realización mostrada en la figura 2, el vapor succionado 7 es una fracción del vapor del último efecto. La suma de la masa de vapor succionado 7 y de la masa de vapor activo 1 da lugar a una masa de vapor 8 que se incorpora al primer efecto del MED-TVC a una temperatura que suele estar en torno a los 70°C y unos 311mb. En esta configuración el termocompresor 9 del estado de la técnica tiene un consumo específico de vapor en torno a 4kg, o más, de vapor activo 1 por kg de vapor succionado 7, de modo que, aproximadamente una parte de vapor succionado 7 a unos 35°C, junto con cuatro partes de vapor activo 1 a 3 bar, dan lugar a cinco partes de vapor 8 a 70°C. Consecuentemente, el vapor del último efecto se reparte en cinco partes, cuatro partes que se condensan sobre el último condensador 5 y una parte que pasa a ser succionado 7 por el termocompresor. En el estado de la técnica hay formas de realización de MED-TVC que no cubren todo el rango de temperatura de trabajo de 35°C entre la temperatura de trabajo del primer efecto (70°C) y la temperatura de trabajo del último efecto (35°C). En el estado de la técnica hay realizaciones de disposiciones TVC MED que incorporan más de un eyector entre secuencias de efectos, y requieren el correspondiente porte de energía en forma de vapor activo en cada eyector.
La figura 3 muestra una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto con compresión térmica de vapor, MED-TVC, de bajo ratio de compresión. La disposición de desalinización MED-TVc de bajo ratio de compresión permite multiplicar el reciclado de vapor y, consecuentemente, de calor latente, lo cual permite mejorar la capacidad de producción y reducir el consumo específico de energía y tiene las características específicas siguientes, que la diferencian de una disposición MED-TVC del estado de la técnica:
- El intercambiador de calor latente 14 de cada uno de los n efectos, está formado por tubos o cámaras evaporadores-condensadores con la siguiente configuración:
oLa cara condensadora de estos tubos o cámaras está cubierta, al menos en parte, con microranuras u otra estructura capilar sobre la que el vapor de agua se condensa en régimen de condensación capilar. Estas microranuras u otra estructura capilar tienen la sección, inclinación y longitud necesaria para que, teniendo en cuenta el flujo de energía y el ritmo de condensación, el agua condensada fluya dentro de las estructuras capilares y deje un espacio libre de capas de agua entre el extremo del menisco y el extremo del microranuras u otra estructura capilar.oLa cara evaporadora de estos tubos o cámaras está cubierta, al menos en parte, por microranuras o microondulaciones sobre las que se produce evaporación desde el extremo de los meniscos de solución salina que fluyen dentro de los microranuras o microondulaciones. La sección, inclinación y longitud de estos microranuras o microondulaciones y el flujo de solución salina aportado dentro de los microranuras o microondulaciones son las apropiadas para que, teniendo en cuenta el flujo de energía y el ritmo de evaporación, a lo largo de estos microranuras o microondulaciones el flujo de solución salina no se seque y haya un espacio libre de capas de agua entre el extremo del menisco y el extremo de la microranura o microondulaciones.
oComo se muestra en la figura 4, la sección de la pared en una configuración de estos tubos o cámaras 14 evaporadores-condensadores tiene la forma de línea quebrada continua en forma de zigzag, almenada u ondulada, de modo que el trayecto térmico 17 está libre de capas de agua entre el punto de condensación capilar sobre los meniscos de agua condensada que se forman sobre la cara condensadora y el extremo superior del menisco de solución salina donde se produce la evaporación en la cara evaporadora.
- El aporte de la solución salina sobre la cara evaporadora de tubos o cámaras evaporadorescondensadores del intercambiador de calor latente se realiza dentro de los microranuras o microondulaciones en la cara evaporadora. Este aporte de solución salina no se realiza en régimen de capas de agua descendente, por lo que sobre la pared del intercambiador de calor latente no se produce la resistencia térmica de estas capas de agua. La reducción o eliminación de las barreras térmicas de las capas de agua y la eficiencia térmica de la condensación y evaporación capilares de la disposición desalinizadora permiten que el coeficiente agregado de transferencia de calor latente de la pared del intercambiador de calor latente sea muy elevado. El coeficiente de transferencia de calor latente de los intercambiadores de calor latente 14 de la disposición desalinizadora puede superar los 40.000W/m2K.
- El elevado coeficiente de transferencia de calor latente de las paredes de los tubos o cámaras condensadores-evaporadores en la configuración descrita, permite que la disposición desalinizadora TVC MED de bajo coeficiente de compresión requiere de un diferencial o gradiente de temperatura por efecto entre 0,8°C y 0,2°C más el diferencial de temperatura por elevación del punto de ebullición de la solución salina. Para agua de mar, el diferencial de temperatura por elevación del punto de ebullición se sitúa en torno a 0,5°C, de modo que el diferencial de temperatura por efecto con la disposición desalinizadora es bajo, pudiendo estar entre 1,3°C y 0,7°C, o menos. En otras palabras, se obtienen unos diferenciales de temperatura por efecto en torno a 1°C, o menos.
- La disposición desalinizadora usa al menos parte de la reducción del gradiente térmico por efecto para reducir la temperatura de trabajo del primer efecto, de forma que se reduce la presión de trabajo del primer efecto. La reducción de la temperatura de trabajo del primer efecto reduce la energía dedicada a elevar la temperatura de la solución salina a desalinizar que se aporta al primer efecto, de forma que se reduce el efecto reductor en el GOR del dispositivo causado por la energía dedicada a aumentar la temperatura de la solución salina aportada al primer efecto, temperatura superior de salmuera.
- La disposición desalinizadora tiene, al menos, un termocompresor 12 o eyector que utiliza como vapor activo una fuente de vapor 1. El termocompresor 12 succiona vapor del último efecto para generar el vapor 13 que se aporta al primer efecto. El vapor 13 generado por el termocompresor 12 tendrá una presión igual a la presión de vapor de equilibrio de la temperatura de trabajo del primer efecto. La reducción de la temperatura de trabajo del primer efecto reduce la presión de trabajo del primer efecto lo cual reduce la ratio de compresión, es decir, la ratio entre la presión del primer efecto y la presión del último efecto.
- La disposición desalinizadora utiliza la reducción de la ratio de compresión para reducir el consumo específico de vapor activo por unidad de masa de vapor succionado del eyector. La relación entre la reducción de la ratio de compresión y la reducción de consumo específico de vapor no es una relación lineal. La importante reducción del gradiente de temperatura por efecto del actual rango entre 3°C y 5°C por efecto, a niveles en torno a 1°C por efecto, permiten una importante reducción de la presión de trabajo del primer efecto y una importante reducción de la ratio de compresión. La ratio de compresión actual entre 70°C y 35°C se sitúa en torno a 6, mientras que con la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión, la ratio de compresión se sitúa en torno a 1+ 0,08(n-1) para n efectos, o menos. Es decir, que la ratio de compresión se sitúa gráficamente en la zona más vertical de la curva logarítmica de la relación entre la ratio de compresión y el consumo específico de vapor activo, lo cual significa que una pequeña reducción de la ratio de compresión comporta una mayor reducción proporcional del consumo específico de vapor.
- El bajo consumo específico de vapor permite un elevado reciclado del vapor del último efecto lo cual produce un efecto multiplicador del GOR del dispositivo. Este efecto multiplicador del GOR por reducción del consumo específico de vapor activo no es lineal con la reducción de la diferencia de temperatura por efecto, ya que sigue una función del tipo logarítmica. Este fenómeno limita el crecimiento del número de efectos como factor para incrementar el GOR del dispositivo. Al añadir un efecto más se añade un gradiente más de temperatura, lo que comporta un incremento entre la temperatura y presión de trabajo del primer efecto y las del último efecto, lo cual implica un incremento de la ratio de compresión y el desplazamiento a lo largo de la curva a zonas de mayor consumo específico de vapor, lo que penaliza progresivamente el consumo específico de vapor hasta llegar a un punto en el que el incremento de un efecto más lleva a un aumento del GOR por debajo de 1. La disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión tiene la flexibilidad de diseño suficiente para, según disponibilidades de recursos financieros y energéticos y según los objetivos de producción de agua desalinizada y de ahorro energético, ser capaz de combinar el nivel óptimo para cada caso de número de efectos y de coeficiente de compresión para obtener la producción y el GOR resultante acorde a las necesidades y capacidades del usuario. El número de efectos tenderá a ser inferior a un nivel en torno a 15 efectos por qué por encima de este número de efectos, el incremento de un efecto más tiende a conseguir cada vez un menor crecimiento del GOR hasta llegar a un punto en el que el incremento de un efecto da lugar a un GOR con un incremento por debajo de 1 como resultante del aumento más que lineal del consumo específico de vapor.
Una forma de realización de la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión es con 10 efectos, n=10, y un diferencial de temperatura, por efecto, de 1°C y una fuente de vapor a 70°C. El termocompresor 12 utiliza la fuente de energía 1 en forma de vapor a 70°C como vapor activo con el que succiona vapor 11 del último efecto, para generar vapor 13 que se aporta al primer efecto. Para un vapor del último efecto 15 con una temperatura en torno a 35°C, y un vapor 13 aportado al primer efecto a unos 45°C, esta configuración tiene una ratio de compresión en torno a 1.7. El consumo especifico de vapor es de aproximadamente 1 kg de vapor activo 1 a unos 70°C por cada kg de vapor 11 succionado en torno a 35°C, lo que permite aportar al primer efecto unos 2kg de vapor 13 a unos 45°C, de modo que por cada kilo de vapor activo de la fuente de vapor disponible 1 que se puede aportar a un MED del estado de la técnica, con la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión se aportan 2kg, o más, de vapor activo 13 al primer efecto, y se dobla, o más, la capacidad de condensación de agua destilada por efecto, dado que se recicla el 50%, o más, del vapor del último efecto, en lugar de verterse íntegramente en el sumidero final como sucede con los actuales dispositivos MED. El resultado de esta configuración, sin tener en cuenta mermas de funcionamiento y calentado del agua, es que, por cada kilo de vapor activo aportado al sistema, llegan unos dos kilos, o más, de vapor al primer efecto que se condensan y se evaporan diez veces a lo largo de los diez efectos, es decir que se logran unos 20kg de agua destilada por cada kg de vapor activo aportado. Y dado que se trabaja a temperaturas muy bajas, las mermas por calentado del agua entre 35°C y 45°C son también bajas. Mientras que, sin el factor multiplicador del eyector de bajo ratio de compresión, el vapor aportado al primer efecto se reciclaría solo unas diez veces a lo largo de los diez efectos, menos las mermas por transferencias de energía.
Esta forma de realización se puede implementar en una instalación desalinizadora de nueva construcción o se puede implementar en una actualización de una disposición MED del estado del arte preexistente. En el caso de la aplicación de una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED con compresión térmica de vapor, MED-TVC, de bajo ratio de compresión para la mejora de una instalación MED del estado del arte preexistente en la que se mantiene la fuente de energía, se mantiene el sumidero, se substituyen los intercambiadores de calor, se mantienen las carcasas existentes, se añade un eyector o compresor térmico de vapor de bajo ratio de compresión, en torno a 1 0,08(n-1), siendo n el número de efectos, entre el primer y el último efecto, se adaptan los conductos de fluidos a los nuevos caudales, se reduce el salto de temperatura por efecto a alrededor de un tercio o menos de un tercio del salto de temperatura preexistente, se reduce el diferencial de temperatura entre el primer efecto y el último efecto a alrededor de un tercio o menos de un tercio, comparado con el salto de temperatura preexistente, se reduce la temperatura del primer efecto y se logra un múltiplo en torno a 2,o más de 2, de la cantidad de agua producida y se logra reducir a la mitad, o a menos de la mitad, el consumo de energía específico por unidad de agua desalinizada producida.
Dado el elevado coeficiente de transferencia de calor latente de las placas o tubos de intercambio de calor latente, se puede diseñar una forma de realización de la disposición desalinizadora con un gradiente de temperatura por efecto inferior a 1 °C. En este caso, la ratio de compresión disminuye, disminuye el consumo específico de vapor y el reciclado de vapor del último efecto pasa a ser superior al 50%, de modo que se multiplica por más de 2 veces la capacidad de producción de agua desalinizada y se reduce a menos de la mitad el coste energético por unidad de agua desalinizada.
Otra forma de realización de la disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión es con 10 efectos, con un diferencial de temperatura, por efecto, de 1°C y una fuente de vapor a 3 bares, que es una fuente de vapor compatible con los MED-TVC del estado de la técnica. El termocompresor 12 utiliza la fuente de energía 1 en forma de vapor a 3 bares como vapor activo y succiona vapor 11 del último efecto, para generar vapor 13 que se aporta al primer efecto. Para un vapor del último efecto 15 con una temperatura en torno a 35°C, y un vapor 13 aportado al primer efecto a unos 45°C, esta configuración permite una ratio de compresión de aproximadamente 1,7 y un consumo específico de vapor de aproximadamente 0,65kg de vapor activo 1 a unos 3 bares por kg de vapor en torno a 35°C succionado 11.
De modo que se aportan algunos 1,65kg de vapor 13 a unos 45°C al primer efecto. En un MED-TVC del estado de la técnica con un vapor a una temperatura de 70°C en el primer efecto, la ratio de compresión se sitúa en torno a 6 y el consumo específico de vapor es de 4kg de vapor activo por kg de vapor succionado, mientras que debido a la reducción de la ratio de compresión a niveles de 1,7 con la forma de realización descrita de un MED-TVC de bajo ratio de compresión, el consumo específico de vapor pasa ser de unos 0,65kg de vapor activo por kilo de vapor succionado, o lo que es lo mismo, 4kg de vapor activo por cada 6kg de vapor succionado, de forma que el total de vapor que se aporta en cada efecto es de unos 10kg de vapor por cada 4kg de vapor activo aportado por la fuente 1. En otras palabras, con esta configuración de una disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión se recicla un 50% adicional del vapor del último efecto comparado con el que puede reciclar un MED-TVC de estado de la técnica, de forma que una disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión permite doblar, o más que doblar, la cantidad de vapor condensado en cada efecto en comparación con la cantidad de vapor que se condensa por efecto en un MED-TVC del estado de la técnica por unidad de vapor activo aportada por una fuente de vapor 1 dada.
Esta forma de realización se puede implementar en una instalación desalinizadora de nueva construcción o se puede implementar en la mejora de una disposición MED-TVC del estado del arte preexistente. En el caso de la aplicación de una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED con compresión térmica de vapor, MED-TVC, de bajo ratio de compresión para la mejora de una instalación MED-TVC del estado del arte preexistente en la que se mantiene la fuente de energía, se mantiene el sumidero, se substituyen los intercambiadores de calor, se mantienen las carcasas existentes, se adapta o se substituye el eyector o compresor térmico de vapor de forma que se instala un eyector de bajo ratio de compresión, en torno 1+0,08(n-1) siendo n el número de efectos, entre el primer y el último efecto, se adaptan los conductos de fluidos a los nuevos caudales, se reduce el salto de temperatura por efecto, que pasa a ser en torno a un tercio o menos de un tercio del salto de temperatura preexistente, se reduce el diferencial de temperatura entre el primer efecto y el último efecto, que pasa a ser en torno a un tercio o menos de un tercio del salto de temperatura preexistente, se reduce la temperatura del primer efecto y se logra un múltiplo en torno a 2, o más de 2, de la cantidad de agua producida y se logra reducir a la mitad o a menos de la mitad el consumo de energía especifico por unidad de agua desalinizada producida.
Una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED con compresión térmica de vapor, MED-TVC, de bajo ratio de compresión tiene un límite en el número de efectos a partir del cual el incremento de un efecto supone un incremento del GOR inferior a 1. Este límite se debe a la relación no lineal entre el aumento de la ratio de compresión y el aumento del consumo específico de vapor del eyector. Por lo que, dependiendo de las prioridades de cantidad de producción, de GOR y de las disponibilidades de terreno y de capital, a partir de este límite en el número de efectos se puede optar por dedicar el capital a la construcción de otra disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED con compresión térmica de vapor MED-TVC de bajo ratio de compresión.
En una forma de realización de una disposición desalinizadora de destilación multi-efecto MED con compresión térmica de vapor MED-TVC de bajo ratio de compresión como la descrita anteriormente de 10 efectos con una fuente de vapor a 3 bares, hemos descrito que el resultado de esta configuración, sin tener en cuenta mermas de funcionamiento y calentado del agua, es que por cada kilo de vapor activo aportado al sistema, se aportan en torno a 2,5kg de vapor al primer efecto que se condensan y se evaporan diez veces a lo largo de los diez efectos, es decir que se logran 25 kg de agua destilada por cada kg de vapor activo aportado. Y dado que se trabaja a temperaturas muy bajas, las mermas por calentado del agua son también bajas. Pero si en lugar de una realización con 10 efectos consideramos un modo de realización con 15 efectos y 1°C de gradiente de temperatura por efecto, entonces la temperatura del primer efecto seria de 50°C y la ratio de compresión entre el vapor del primer efecto a 50°C y el último efecto a 35°C seria de aproximadamente 2,2 y el consumo específico de vapor se situaría en torno a 1,2 kg de vapor activo por cada kg de vapor succionado. En otras palabras, que por cada kilo de vapor activo aportado al sistema llegan 1,8kg de vapor al primer efecto que, al pasar por 15 ciclos de condensación a lo largo de 15 efectos, producen 27kg de agua desalinizada, sin considerar las mermas del sistema. Al comparar un multiplicador de 25 para 12 efectos con un multiplicador de 27 para 15 efectos no parece justificado el CAPEX para tres efectos adicionales si sólo se consigue un incremento de agua desalinizada equivalente a 2 condensaciones adicionales. Este resultado se debe a la penalización que sufre el consumo específico de vapor cuando la ratio de compresión sube por encima de 2, dada la curva tipo logarítmica de la relación entre ratio de compresión y consumo específico de vapor. Esta relación tipo logarítmica entre ratio de compresión y consumo específico del eyector comporta que la disposición de desalinización MED-TVC de bajo ratio de compresión tiene una relación o cociente entre GOR de la disposición y numero de efectos que disminuye a medida que aumenta el número de efectos. Del mismo modo, esta ratio entre el GOR y número de efectos aumenta fuertemente al descender en la zona más vertical de la curva entre ratio de compresión y consumo específico de vapor, es decir, a medida que se reduce en ratio de compresión, llegando al nivel máximo para el caso de un disposición MED-TVC de dos efectos, es decir intercambiador de calor latente y un sumidero, para el cual el ratio de compresión se puede situar en torno a 1,06 y el consumo específico de vapor activo se reduce drásticamente por unidad de vapor succionado. Podemos observar que, para las distintas configuraciones de la disposición desalinizadora MED-TVC la relación optima entre su número de efectos n y su ratio de compresión se aproxima a 1+0,08(n-1), o menos, siendo n-1 el número de efectos menos el último efecto donde se encuentra el sumidero y la succión de una parte del vapor final. De modo similar, observamos que si se inserta un eyector entre dos efectos, distinto del primero y el último, el ratio óptimo de compresión se aproxima a 1+0.08x siendo x el número de efectos entre los cuales se instala el eyector.
La disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión se puede implementar para plantas de nueva construcción o para mejorar las prestaciones de plantas MED o de plantas MED-TVC preexistentes.
La disposición desalinizadora MED-TVC de bajo ratio de compresión se puede utilizar para desalinizar agua de mar, agua salobre u otros tipos de soluciones salinas.
Claims (9)
1. Disposición desalinizadora de destilación multi-efecto (MED) con compresión térmica de vapor (MED-TVC) de bajo ratio de compresión,caracterizada por quecomprende
una pluralidad de efectos interconectados, en donde cada efecto interconectado comprende un intercambiador de calor latente (14) que comprende al menos un tubo o cámara evaporador-condensador que tiene una cara evaporadora cubierta, al menos parcialmente, por microcanales o microhendiduras, estando dichos microcanales o microhendiduras configurados para permitir el flujo de una disolución salina a desalar a través de ellos formando meniscos de disolución salina (16) en los microcanales o microhendiduras, de modo que el vapor de agua se evapora desde los extremos de los meniscos (16) y una cara condensadora que está cubierta, al menos parcialmente, por microcanales u otra estructura capilar, estando los microcanales u otra estructura capilar configurados para permitir que el vapor de agua condense en régimen de condensación capilar en los microcanales u otra estructura capilar, de forma que se forman meniscos de agua (18) en los mismos; y
al menos un termocompresor o eyector (12) configurado para succionar vapor de agua (15) de un efecto de la pluralidad de efectos interconectados y suministrar el vapor de agua (13) a otro efecto anterior de la pluralidad de efectos interconectados, teniendo el al menos un termocompresor o eyector (12) una ratio de compresión igual o inferior que '1 0,08*(n-1)', siendo 'n' el número de efectos de la pluralidad de efectos, resultando la ratio de compresión de la disminución de temperatura y presión de trabajo del primer efecto de la pluralidad de efectos,
donde el aporte de la solución salina a desalinizar sobre la cara evaporadora se hace dentro de los microcanales o microhendiduras sin formar finas películas de agua;
donde una sección de pared de los tubos o cámaras evaporadoras-condensadoras tiene la forma de una línea continua quebrada, dentada u ondulada, y está configurada para tener un trayecto térmico (17) entre el punto de condensación en los meniscos de agua (18) donde se libera el calor latente de condensación y los extremos superiores de los meniscos de la solución salina (16) donde se produce la evaporación y tiene lugar la absorción del calor latente de evaporación, que está libre de capas de agua,
donde los intercambiadores de calor de calor latente (14) están configurados para tener un coeficiente de transferencia de calor que permite llevar a cabo un ciclo de condensación y evaporación, por efecto, con un salto térmico de 0,8 °C, o menos, más una diferencia de temperatura debida a la elevación del punto de ebullición de la solución salina; y
donde el primer efecto de la pluralidad de efectos presenta una temperatura de funcionamiento inferior a 70 °C la cual corresponde a la temperatura de funcionamiento de un último efecto de la pluralidad de efectos más un salto térmico por efecto multiplicado por el número de efectos de la pluralidad de efectos.
2. La disposición de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizada por quela disposición comprende un número de efectos que es inferior al número de efectos a partir del cual un efecto adicional en la disposición comporta un incremento de la relación de ganancia de salida (GOR) inferior a 1.
3. La disposición de acuerdo con la reivindicación 2,caracterizada por quela disposición comprende 15 efectos.
4. La disposición de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizada por queel al menos un termocompresor o eyector (12) está configurado para un consumo especifico de vapor de aproximadamente 1 kg o menos de vapor activo, por cada kilogramo de vapor succionado del último efecto de la pluralidad de efectos.
5. La disposición de acuerdo a la reivindicación 1,caracterizada por queel termocompresor o eyector (12) está configurado para succionar la mitad, o más de la mitad, de la masa de vapor del último efecto de la pluralidad de efectos, de modo que recicla la mitad o más de la mitad del calor latente que fluye por la disposición.
6. La disposición de acuerdo a la reivindicación 1,caracterizada por queel termocompresor o eyector (12) está configurado para reciclar el vapor entre dos efectos de la pluralidad de efectos, otros que el último y el primer efecto, separados por x efectos y con una ratio de compresión en torno a 1+0,08x. 8.
7. La disposición de acuerdo con la reivindicación 4,caracterizada por quese aplica para mejorar o poner al día una planta MED preexistente.
8. La disposición de acuerdo con la reivindicación 5,caracterizada por quese aplica para mejorar o poner al día una planta MED-TVC preexistente.
9. Un método para desalar una solución salina que emplea una disposición de destilación multi-efecto (MED), según se define en la reivindicación 1, con compresión térmica de vapor (MED-TVC) que tiene una baja relación de compresión, comprendiendo dicha la disposición de destilación MED una pluralidad de efectos interconectados, en donde un intercambiador de calor de calor latente (14) de cada efecto comprende al menos un tubo o cámara evaporador-condensador cuya cara evaporadora está cubierta, al menos parcialmente, por microcanales o microhendiduras, y cuya cara condensadora está cubierta, al menos parcialmente, por microcanales u otra estructura capilar; y al menos un termocompresor o eyector (12) que presenta una ratio de compresión igual o inferior a '1 0,08 * (n-1)', siendo 'n' el número de efectos de la pluralidad de efectos, el método comprende:
suministrar la solución salina a desalar a través de los microcanales o microhendiduras de la cara evaporadora del intercambiador de calor de calor latente (14), formando meniscos (16) en dichos microcanales o microhendiduras, de modo que la solución salina se evapora desde los extremos de los meniscos (16), siendo la solución salina suministrada dentro de los microcanales o microhendiduras sin formar películas finas de agua;
suministrar vapor de agua sobre la cara condensadora del intercambiador de calor de calor latente, de forma que el vapor de agua condensa en régimen de condensación capilar dentro de los microcanales u otra estructura capilar de la cara condensadora formando meniscos (18) en ellos;
aspirar, mediante el al menos un termocompresor o eyector (12), vapor de agua (15) de uno de los efectos de la pluralidad de efectos interconectados;
proveer, mediante el al menos un termocompresor o eyector (12), el vapor de agua (13) a otro efecto anterior de la pluralidad de efectos interconectados, resultando la ratio de compresión de la disposición MED de la disminución de temperatura y presión de trabajo del primer efecto de la pluralidad de efectos;
en donde una sección de pared de los tubos o cámaras evaporadores-condensadores (14) tiene la forma de una línea quebrada continua, dentada u ondulada, y presenta un trayecto térmico (17), entre el punto de condensación en los meniscos de agua (18) donde se libera el calor latente de condensación y los extremos superiores de los meniscos de la solución salina (16) donde se produce la evaporación y tiene lugar la absorción del calor latente de evaporación, está libre de capas de agua, que está libre de capas de agua;
en donde los intercambiadores de calor de calor latente (14) tienen un coeficiente de transferencia térmica que permite llevar a cabo un ciclo de condensación y evaporación, por efecto, con un salto térmico de 0,8 °C, o menos, más una diferencia de temperatura debida a la elevación del punto de ebullición de la solución salina; y
en donde una temperatura de trabajo del primer efecto de la pluralidad de efectos es inferior a 70 °C y corresponde a la temperatura de trabajo de un último efecto de la pluralidad de efectos más el salto térmico por efecto multiplicado por el número de efectos de la pluralidad de efectos.
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