EP1791790A1 - Seawater desalination plant - Google Patents
Seawater desalination plantInfo
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- EP1791790A1 EP1791790A1 EP05785071A EP05785071A EP1791790A1 EP 1791790 A1 EP1791790 A1 EP 1791790A1 EP 05785071 A EP05785071 A EP 05785071A EP 05785071 A EP05785071 A EP 05785071A EP 1791790 A1 EP1791790 A1 EP 1791790A1
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- seawater
- heat
- cascade
- desalination plant
- seawater desalination
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
- C02F1/06—Flash evaporation
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
- B01D3/007—Energy recuperation; Heat pumps
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
- B01D3/06—Flash distillation
- B01D3/065—Multiple-effect flash distillation (more than two traps)
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
- C02F1/16—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation using waste heat from other processes
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- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
- C02F1/14—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation using solar energy
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- C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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- C02F2301/06—Pressure conditions
- C02F2301/063—Underpressure, vacuum
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- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/124—Water desalination
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- Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency
Definitions
- the invention relates to a seawater desalination plant.
- the inflowing salt water (saline feedwater) is heated after a small chemical treatment to prevent deposition, progressively in the preheating section (tube bundle heat exchanger) and reaches the end heater (Brine Heater).
- the water with the aid of Wär ⁇ meenergy usually water vapor at 90 0 C - heated 110 0 C.
- a higher temperature is not desirable because, in particular, calcium sulfate (CaSO4) to solve at 115 0 C from the salt water and heavy deposits. cause the system to be shut down.
- the heated water is now forwarded to the first evaporation stage, de ⁇ ren ambient pressure is reduced, that a part of the water ver ⁇ flashes (flashing).
- the water vapor condenses and additionally heats the countercurrent salt water.
- the resulting distillate is collected and discharged separately.
- the remaining Brine is pumped further into the following boiler, where the same process takes place again at lower pressure and temperature levels.
- Typical MSF plants have between 15 and 25 stages and produce between 4,000 - 100,000 m 3 / d fresh water.
- Another method for desalination of seawater is the multi-effect distillation (MED) and the methods based on reverse osmosis on a membrane (reverse osmosis or RO) in question.
- MED multi-effect distillation
- RO reverse osmosis
- the membrane process (RO) is significantly better than the thermal processes (MSF, MED), since only in the case of the Distillation process thermal energy is needed.
- the bandwidths given in the table depend on the type of installation and the size of the installation, because with increasing system efficiency (system type) and increasing steam volume (system size), the specific energy requirement decreases.
- the membrane process does not score significantly better than the thermal process MED, since the maintenance costs are lower in the distillation processes.
- the filters used in the membrane process only have a lifespan of five years, which leads to high costs.
- the bandwidths given in the table do not depend on the type of installation and the size of the installation but on the type of energy used (gas, oil, nuclear energy).
- the selection criteria for the selected project goal can now be formulated.
- the task for the invention results from the improvement of the known processes for the production of drinking water from seawater (seawater desalination), in particular with regard to energy and the creation of a cost-effective and efficiently operated plant.
- the plant can thus be operated independently up to the supply of fossil fuels.
- a support or even complete operation by solar energies is possible.
- By suitable dimensioning a delivery of electrical energy is conceivable.
- FIG. 2 shows a schematic representation of the seawater desalination plant according to the invention
- FIG. 3 shows a table for the thermodynamic analysis of an MSF
- Figure 4 is a diagram of a heat pump
- FIG. 5 shows a diagram of a block heating station
- Figure 6 is a diagram for energy transport
- Figure 7 is a diagram for heat recovery.
- the plant concept according to the invention is as follows.
- the plant is based on the method of evaporation in order to allow desalting as free of residue as possible.
- the stepwise expansion or multi-stage flash technology is used:
- the construction of a chamber for Vakumverdampfung is shown in Figure 1.
- Seawater inlet Seawater (salt water) coming from the previous stage, which forces the condensation of the steam in the heat exchanger
- Residual water outlet cooled, partially evaporated seawater, which could not be evaporated and is passed on to the next stage
- Vacuum pump Supply line to the vacuum pump, which supplies the necessary vacuum for evaporation via a control valve
- the cogeneration plant is currently available as standard in heating systems and can provide heating energy and electricity at low cost through high efficiency.
- the heat pump can reduce the necessary heating demand and is supplied with electrical energy by the combined heat and power plant.
- the combined heat and power supplies, etc. also the power for pumps, control systems ..
- the heat pump preferably operates at temperatures up to 6O 0 C, des ⁇ semi it is to be used very effectively in the lower stages of MSF chambers to reduce the temperature differences.
- FIG. 2 shows the block diagram of a seawater desalination plant with a diesel generator DS, a heat pump WP and a few heat exchangers WT connected in the circuit.
- the heat exchanger WT are integrated in the liquid circulation of a cascade of cascade tanks K1, K2, Kn.
- the cascade container K1, K2, Kn are connected via pressure regulator DR with a vacuum pump VP, which generates the negative pressure for the evaporation of the seawater.
- the heat pump WP and the vacuum pump VP are operated by means of an energy station ES.
- the diesel generator DS generates the necessary electrical energy.
- the resulting heat energy is transferred via a heat exchanger WT to the liquid circuit for further heating of the seawater.
- the diesel generator DS can be coupled with systems for the use of solar energy and / or boil-off heat
- the invention is based on the additional heat transfer from the raw water by means of the heat pump WP to the water to be heated in the cascade sections K1, K2, Kn. This saves heating energy and significantly increases the efficiency of the process. Furthermore, the heat pump WP can be switched and coupled to heat exchangers WT in such a way that the residual energy contained in the pure water is removed. taken and introduced into the heating process of the seawater (see Fig. 2). Thus, the necessary cooling can be supported on the withdrawal side of the pure water. At the same time, the surplus energy is used to minimize the energy required to heat up the seawater through energy sources.
- the heat pump WP is coupled as a preferably multi-stage arrangement on réelletau ⁇ shear WT both on the energy extraction side with the piping system of the raw water (seawater) and with the line system of pure water.
- several heat pumps WP can be used.
- tube bundle heat exchangers can be used here in a particularly advantageous manner, which are provided with an efficient heat transferring filler. This makes possible an improved forwarding of the heat to be recovered.
- thermodynamic analysis The special effect of the system can be demonstrated by a thermodynamic analysis.
- the table according to FIG. 3 shows the thermodynamic analysis of an MSF cascade.
- the table shows the values for the thermodynamic analysis of an MSF cascade.
- the seawater temperature rises when passing through 10 cascade stages from 31 to 89 degrees C.
- the temperature increase from stage to stage is 5 - 6 degrees C.
- FIG. 4 shows the functional diagram of a heat pump.
- the heat pump is integrated as a per se known assembly in the field of seawater desalination plant. In this case, it is driven by the electric supply by means of a diesel generator. This can be part a combined heat and power plant.
- a station for power generation is designed as a diesel generator DS.
- FIG. 5 shows the functional diagram of a diesel generator DS.
- the diesel generator DS supplies the required heat energy for the operation of the MSF stages and the electric power for the heat pump WP, the vacuum pump VP and the entire system. This is thus, in addition to the required fuel, completely self-sufficient, and can also be operated away from developed areas.
- An extension of the seawater desalination system according to the invention results from heat pump arrangements.
- FIGS. 6 and 7 show the energy balance of such a system.
- FIG. 6 shows that the evaporation energy can be recovered from the condensation energy. The temperature increase necessary for the evaporation is applied by means of introduced evaporation energy. At the same time condensation energy is released again during the condensation of the pure water, whereby the temperature drops again. Although both processes take place at different temperature levels, the energy released can be used to replace the required energy.
- FIG. 7 this is utilized according to FIG. 7 in that a heat pump is integrated in the region of the discharge of the pure water via a heat exchanger (see FIG. 2). The energy obtained there can be introduced into the cascade section for heating the water to be evaporated.
- FIG. 7 shows the temperature reduction of the seawater via the cascade stages (condensation stages).
- the temperature of the pure water reached at the end of the cascade stages is further lowered via a heat exchanger of the heat pump.
- the amount of heat gained is introduced by means of the heat pump at an elevated temperature level in addition - and at the same time reduction - the necessary heating power for the evaporation wie ⁇ in the cascade stages.
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Abstract
The invention relates to a seawater desalination plant comprising a cascade of evaporation bodies which are connected by a line system which guides the sea water containing salt. Each cascade can be impinged upon by low pressure. The seawater is guided to the evaporation bodies after having flown through the cascades, such that it can be successively evaporated. In order to improve the energy balance of the plant, an arrangement of heat exchangers (WT) is placed at least in the supply line of the sea water and a water pump (WP) is connected to one or several heat exchangers (WT).
Description
MEERWASSERENTSALZUHGSANLAGE MEERWASSERENTSALZUHGSANLAGE
Die Erfindung betrifft eine Meerwasserentsalzungsanlage.The invention relates to a seawater desalination plant.
Es ist bekannt Meerwasserentsalzungsanlagen beispielsweise mit der Verfah¬ rensanordnung Multi Stage Flash (MSF) zu betreiben, die auf dem Prinzip der Vakuumverdampfung beruhen: Um die benötigte Energie effizient zu nutzen, werden kommerzielle Entsalzungsverfahren so entwickelt, dass der Destillati- onsprozess in mehreren Stufen wiederholt wird. Sukzessive wird von Stufe zu Stufe das Druck- und Temperatumiveau gesenkt.It is known to operate seawater desalination plants, for example with the multi-stage flash method (MSF), which are based on the principle of vacuum evaporation: In order to use the required energy efficiently, commercial desalination processes are developed so that the distillation process is repeated in several stages becomes. Gradually, the pressure and temperature levels are lowered from level to level.
Das einströmende Salzwasser (Saline Feedwater) wird nach einer geringen che¬ mischen Behandlung zur Ablagerungsvermeidung, progressiv in der Vorwärm¬ strecke (Rohrbündel-Wärmetauscher) aufgewärmt und erreicht den Enderhitzer (Brine Heater). Innerhalb des Enderhitzers wird das Wasser mit Hilfe von Wär¬ meenergie (normalerweise Wasserdampf auf 90 0C - 110 0C erhitzt. Eine höhere Temperatur ist nicht erwünscht, da sich insbesondere Kalziumsulfate (CaSO4) bei 115 0C aus dem Salzwasser lösen und starke Ablagerungen verursachen, die bis zur Stilllegung der Anlage führen können.The inflowing salt water (saline feedwater) is heated after a small chemical treatment to prevent deposition, progressively in the preheating section (tube bundle heat exchanger) and reaches the end heater (Brine Heater). Within the final superheater, the water with the aid of Wär¬ meenergie (usually water vapor at 90 0 C - heated 110 0 C. A higher temperature is not desirable because, in particular, calcium sulfate (CaSO4) to solve at 115 0 C from the salt water and heavy deposits. cause the system to be shut down.
Das erhitzte Wasser wird nun in die erste Verdampfungsstufe weitergeleitet, de¬ ren Umgebungsdruck verringert ist, dass ein Teil des Wassers blitzartig ver¬ dampft (Flashing). An dem Rohrbündel-Wärmetauscher kondensiert der Was¬ serdampf und erhitzt zusätzlich das gegenströmende Salzwasser. Das so erhal- tene Destillat wird aufgefangen und separat abgeleitet. Die verbleibende Sole (Brine) wir weiter in den folgenden Kessel gepumpt, bei dem derselbe Prozess auf niedrigerem Druck- und Temperaturniveau erneut stattfindet.The heated water is now forwarded to the first evaporation stage, de¬ ren ambient pressure is reduced, that a part of the water ver¬ flashes (flashing). At the tube bundle heat exchanger, the water vapor condenses and additionally heats the countercurrent salt water. The resulting distillate is collected and discharged separately. The remaining Brine is pumped further into the following boiler, where the same process takes place again at lower pressure and temperature levels.
Typische MSF-Anlagen besitzen zwischen 15 und 25 Stufen und produzieren zwischen 4.000 - 100.000 m3/d Frischwasser.
Als weiterer Verfahren zur Meerwasserentsalzung kommen die Multi-Effect- Destillation (MED) und die Verfahren auf Basis der Umkehr-Osmose an einer Membran (Reverse Osmosis oder RO) in Frage.Typical MSF plants have between 15 and 25 stages and produce between 4,000 - 100,000 m 3 / d fresh water. Another method for desalination of seawater is the multi-effect distillation (MED) and the methods based on reverse osmosis on a membrane (reverse osmosis or RO) in question.
Über die energetische und ökonomische Beurteilung von Meerwasserentsal¬ zungsanlagen ist folgendes zu bemerken.The following should be noted about the energetic and economic assessment of seawater desalination plants.
Die meisten der errichteten großtechnischen Meerwasserentsalzungsanlagen sind Destillationsanlagen, welche Niederdruckdampf als Wärmequelle benöti- gen. Aus thermodynamischer und wirtschaftlicher Sicht ist es deshalb sinnvoll, Meerwasserentsalzungsanlagen und Kraftwerke in kombinierten Anlagen zu vereinen, in denen der erzeugte Hochdruckdampf zur Produktion von elektri¬ schem Strom im Turbogenerator, und der Niedrigdruckabdampf oder - entnahmedampf der Dampfturbinen zur Versorgung der Destillationsanlage ver- wendet wird.Most of the large-scale seawater desalination plants built are distillation plants which require low-pressure steam as the heat source. From a thermodynamic and economic point of view, it therefore makes sense to combine seawater desalination plants and power plants in combined plants in which the high-pressure steam produced is used to produce electrical current in the turbo-generator , and the low pressure steam exhaust steam is used to supply the distillation plant.
Die Errichtung und der Betrieb einer solchen kombinierten Anlage mit Kraftwerk und Meerwasserentsalzung erfordern große finanzielle Aufwendungen. Die Betreiber müssen viele relevante Faktoren berücksichtigen, wenn die technisch und wirtschaftlich beste Anlagenkombination gewählt, und eine gerechte Auftei¬ lung der gesamten Produktionskosten in Strom- und Trinkwassergestehungskos¬ ten erfolgen soll.The construction and operation of such a combined plant with power plant and seawater desalination require large financial expenditures. The operators must take into account many relevant factors if the technically and economically best plant combination is selected, and a fair apportionment of the total production costs in electricity and drinking water production costs is to take place.
Bei der energetischen Beurteilung von Meerwasserentsalzungsverfahren kann folgende Tabelle helfen:The following table can help in the energetic assessment of seawater desalination processes:
Bei der energetischen Betrachtung schneidet das Membranverfahren (RO) be¬ deutend besser als die thermischen Verfahren (MSF, MED) ab, da nur bei den
Destillationsverfahren thermische Energie benötigt wird. Die in der Tabelle an¬ gegebenen Bandbreiten hängen vom Anlagentyp und von de Anlagengröße ab, denn mit steigendem Anlagenwirkungsgrad (Anlagentyp) und steigender Dampfmenge (Anlagengröße) sinkt der spezifische Energiebedarf.In the energetic analysis, the membrane process (RO) is significantly better than the thermal processes (MSF, MED), since only in the case of the Distillation process thermal energy is needed. The bandwidths given in the table depend on the type of installation and the size of the installation, because with increasing system efficiency (system type) and increasing steam volume (system size), the specific energy requirement decreases.
Bei der ökonomischen Beurteilung von Meerwasserentsalzungsverfahren kann folgende Tabelle helfen:The following table can help in the economic assessment of seawater desalination processes:
Bei der ökonomischen Betrachtung schneidet das Membranverfahren (RO) nicht bedeutend besser als das thermische Verfahren MED ab, da bei den Destillati¬ onsverfahren die Wartungskosten niedriger sind. Die beim Membranverfahren verwendeten Filter haben lediglich eine Lebensdauer von fünf Jahren, was zu hohen Kosten führt. Die in der Tabelle angegebenen Bandbreiten hängen nicht vom Anlagentyp und von der Anlagengröße ab, sondern von der verwendeten Energieform (Gas, Öl, Kernenergie).When considered economically, the membrane process (RO) does not score significantly better than the thermal process MED, since the maintenance costs are lower in the distillation processes. The filters used in the membrane process only have a lifespan of five years, which leads to high costs. The bandwidths given in the table do not depend on the type of installation and the size of the installation but on the type of energy used (gas, oil, nuclear energy).
Für die Verfahrensauswahl bei der Konzeption einer Meerwasserentsalzungsan¬ lage sind also verschiedene Dinge zu beachten.For the process selection in the conception of a seawater desalination plant, therefore, different things have to be considered.
Ausgehend von den schon zuvor genannten Aspekten können jetzt die Aus- wahlkriterien für das gewählte Projektziel formuliert werden.Based on the above-mentioned aspects, the selection criteria for the selected project goal can now be formulated.
1. Entsalzung des Meerwassers zu größtmöglichem Reinheitszustand1. Desalination of seawater to the highest possible state of purity
2. Energieverbrauch auf kleinstmöglichem Level2. Energy consumption at the lowest possible level
3. Verwendung eines bewährten Verfahrens 4. Dimensionierungsmöglichkeit für mittleren Verbrauch3. Use of a good practice 4. Dimensioning option for medium consumption
5. Herstellmöglichkeit mittels frei zugänglicher Technologie5. Production possibility by means of freely accessible technology
6. Verfahrensverbesserung durch neue Technologien
Für thermische Verfahren sprechen folgende Argumente:6. Process improvement through new technologies For thermal processes, the following arguments speak:
- Punkt 1 , da sich ein Restsalzgehalt von <50 ppm erreichen lässt,- point 1, since a residual salt content of <50 ppm can be achieved,
- Punkt 3, da als erprobte Technologie seit ca. 50 Jahre in Gebrauch, - Punkt 4, weil die erforderlichen Dimensionierungsverfahren inzwischen sehr ausgereift sind, und- point 3, since as a proven technology in use for about 50 years, - point 4, because the required sizing procedures are now very mature, and
- Punkt 5, da im Hintergrund eine große Erfahrung bei der notwendigen Metallverarbeitung vorliegt.- Point 5, as there is a lot of background experience in the necessary metalworking.
Für Reverse-Osmosis Verfahren spricht folgendes Argument:For reverse osmosis procedures, the following argument holds:
- Nach Punkt 2 ist nur elektrische Energie notwendig, allerdings mit dem Nachteil von hohen laufenden Kosten für Wartung und Dauerbetrieb, was speziell bei kleinen Anlagengrößen kritisch anzusehen ist.- According to point 2, only electrical energy is necessary, but with the disadvantage of high running costs for maintenance and continuous operation, which is especially critical for small system sizes.
Schließlich ist durch den Einsatz neuer Techniken zur Verfahrensverbesserung die Auswahl bestimmt. Die in den letzten Jahren eingeführte Technik der Block¬ heizkraftwerke und Wärmepumpen ist ausschlaggebend für die Auswahl des MSF-Verfahrens als Basis einer neuen MSDP (Medium-Size-Desalination-Plant) Konzeption.Finally, the choice is determined by the use of new techniques for process improvement. The technique of combined heat and power plants and heat pumps introduced in recent years is crucial for the selection of the MSF process as the basis of a new MSDP (Medium Size Desalination Plant) concept.
Die Aufgabenstellung für die Erfindung ergibt sich aus der Verbesserung der bekannten Verfahren zur Trinkwassergewinnung aus Meerwasser (Meerwasser¬ entsalzung) insbesondere in energetischer Hinsicht und der Schaffung einer kos- tengünstigen und effizient zu betreibenden Anlage.The task for the invention results from the improvement of the known processes for the production of drinking water from seawater (seawater desalination), in particular with regard to energy and the creation of a cost-effective and efficiently operated plant.
Die Lösung der Aufgabe gestaltet sich nach den Merkmalen des Anspruches 1 (Verfahren) und des Anspruches 10 (Vorrichtung).The solution of the problem is designed according to the features of claim 1 (method) and claim 10 (device).
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen genannt.
Die weiteren Ausführungen beschreiben eine Anlage mit MSF-Technik zur Ent¬ salzung, eine nachgeschaltete Wärmepumpe und ein Blockheizkraftwerk zur Erzeugung der notwendigen thermisch und elektrischen Energie zum Betrieb der MSF-Stufen und den notwendigen Pumpen und Kontrolleinrichtungen.In the subclaims advantageous developments are called. The further remarks describe a system with MSF technology for desalting salt, a downstream heat pump and a combined heat and power plant for generating the necessary thermal and electrical energy for operating the MSF stages and the necessary pumps and control devices.
Die Anlage kann somit bis auf die Bereitstellung von fossilen Brennstoffen autark betrieben werden. Eine Unterstützung oder auch vollständiger Betrieb durch so¬ lare Energien ist möglich. Durch geeignete Dimensionierung ist eine Abgabe von elektrischer Energie denkbar.The plant can thus be operated independently up to the supply of fossil fuels. A support or even complete operation by solar energies is possible. By suitable dimensioning a delivery of electrical energy is conceivable.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zeichnerischen Darstellungen beispielhaft dargestellt.In the following, the invention is illustrated by way of example by way of drawings.
Dabei zeigen Figur 1 eine Schema zur Vakuum-Verdampfung,1 shows a scheme for vacuum evaporation,
Figur 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Meer¬ wasserentsalzungsanlage,FIG. 2 shows a schematic representation of the seawater desalination plant according to the invention,
Figur 3 eine Tabelle zur thermodynamischen Analyse einer MSF-FIG. 3 shows a table for the thermodynamic analysis of an MSF
Kaskade, Figur 4 ein Schema einer Wärmepumpe,Cascade, Figure 4 is a diagram of a heat pump,
Figur 5 ein Schema einer Blockheizstation,FIG. 5 shows a diagram of a block heating station,
Figur 6 ein Diagramm zum Energietransport undFigure 6 is a diagram for energy transport and
Figur 7 ein Diagramm zur Wärmerückgewinnung.Figure 7 is a diagram for heat recovery.
Das erfindungsgemäße Anlagenkonzept stellt sich wie folgt dar.The plant concept according to the invention is as follows.
Die Anlage basiert auf der Methode der Verdampfung, um eine möglichst rück¬ standsfreie Entsalzung zu ermöglichen. Als grundsätzliches Verfahren wird die stufenweise Entspannungs- oder Multi Stage Flash-Technologie verwendet: Der Aufbau einer Kammer zur Vakumverdampfung ist in Figur 1 dargestellt. Hierbei stellen dar:
Seewasser-Eingang : von vorheriger Stufe kommendes Seewasser (Salz¬ wasser), das im Wärmetauscher die Kondensation des Dampfes erzwingtThe plant is based on the method of evaporation in order to allow desalting as free of residue as possible. As a basic method, the stepwise expansion or multi-stage flash technology is used: The construction of a chamber for Vakumverdampfung is shown in Figure 1. Here are represent: Seawater inlet: Seawater (salt water) coming from the previous stage, which forces the condensation of the steam in the heat exchanger
Seewasser-Ausgang erwärmtes Seewasser (Salzwasser) wird zur nächsten Stufe geleitetSeawater outlet heated seawater (salt water) is sent to the next stage
Restwasser-Eingang von der vorherigen Stufe kommendes, teilverdampftes Seewasser, das weiter verdampft wirdResidual water input coming from the previous stage, partially evaporated seawater, which is further evaporated
Restwasser-Ausgang : abgekühltes, teilverdampftes Seewasser, das nicht verdampft werden konnte und zur nächsten Stufe ge¬ leitet wirdResidual water outlet: cooled, partially evaporated seawater, which could not be evaporated and is passed on to the next stage
Vakuum-Pumpe: Zuleitung zur Vakuumpumpe, die über ein Regelventil den notwendigen Unterdruck zur Verdampfung liefertVacuum pump: Supply line to the vacuum pump, which supplies the necessary vacuum for evaporation via a control valve
Um die prinzipbedingten Nachteile des geringen Volumens gegenüber aktuellen Anlagen auszugleichen, ist in der Wärmeenergieerzeugung eine Wärmepumpe und ein Blockheizkraftwerk eingesetzt, die erst in den letzten Jahren technisch zu entscheidender Bedeutung entwickelt worden sind. Das Blockheizkraftwerk ist heute in Heizungssystemen standardmäßig verfügbar und kann durch hohen Wirkungsgrad preiswert Heizenergie und elektrischen Strom liefern. Die Wärme- pumpe kann durch Ausnutzung von Umweltenergie den notwendigen Heizbedarf verringern und wird durch das Blockheizkraftwerk mit elektrischer Energie ver¬ sorgt. Das Blockheizkraftwerk liefert auch den Strom für Pumpen, Regelanlagen usw.. Die Wärmepumpe arbeitet vorzugsweise bei Temperaturen bis 6O0C, des¬ halb ist sie auch in den unteren Stufen der MSF Kammern zu Verminderung der Temperaturdifferenzen sehr wirkungsvoll einzusetzen.To compensate for the inherent disadvantages of low volume compared to current systems, a heat pump and a cogeneration plant is used in heat energy generation, which have been developed in recent years technically crucial importance. The cogeneration plant is currently available as standard in heating systems and can provide heating energy and electricity at low cost through high efficiency. By utilizing environmental energy, the heat pump can reduce the necessary heating demand and is supplied with electrical energy by the combined heat and power plant. The combined heat and power supplies, etc. also the power for pumps, control systems .. The heat pump preferably operates at temperatures up to 6O 0 C, des¬ semi it is to be used very effectively in the lower stages of MSF chambers to reduce the temperature differences.
Als Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Anlagen sindAs improvements over conventional systems are
Dimensionierung auf tatsächlichen Bedarf, d.h. keine Überproduktion Geringer Flächenbedarf - fortschrittliche EnergieverwendungDimensioning to actual needs, i. no overproduction Small footprint - advanced energy use
Einsatz neuester Technologien im Wärmetauscherbereich
Betrieb als Stand-Alone Station ohne sonst notwendiges ElektrizitätswerkUse of the latest technologies in the heat exchanger sector Operation as a stand-alone station without otherwise necessary power station
Technische Detail VerbesserungenTechnical detail improvements
Nutzung von Energierückgewinnung durch die Wärmepumpe - Angleichung der Temperaturkurven in den Entspannungsstufen zwischen Verdampfung und der Wärmerückgewinnung durch Kondensation, damit Vermeidung von Verlusten Hocheffektive Wärmerückgewinnung durch modernste WärmetauscherUse of energy recovery by the heat pump - Alignment of the temperature curves in the expansion stages between evaporation and heat recovery by condensation, thus avoiding losses Highly effective heat recovery through state-of-the-art heat exchangers
Im Folgenden wird in einem Blockschaltbild die Funktionalität der gesamten An¬ lage zur Meerwasserentsalzung gezeigt.In the following, the functionality of the entire plant for seawater desalination is shown in a block diagram.
In Figur 2 ist das Blockschaltbild einer Meerwasserentsalzungsanlage mit einem Dieselgenerator DS, einer Wärmepumpe WP und einigen in den Kreislauf einge¬ schalteten Wärmetauschern WT dargestellt. Die Wärmetauscher WT sind im Flüssigkeitsumlauf einer Kaskadenstrecke von Kaskadenbehältern K1 , K2, Kn eingebunden. Die Kaskadenbehälter K1, K2, Kn sind über Druckregler DR mit einer Vakuumpumpe VP verbunden, die den Unterdruck für die Verdampfung des Seewassers erzeugt. Die Wärmepumpe WP und die Vakuumpumpe VP werden mittels einer Energie- Station ES betrieben. Der Dieselgenerator DS erzeugt die hierfür notwendige elektrische Energie. Die dabei entstehende Wärmeenergie wird über einen Wärmetauscher WT an den Flüssigkeitskreislauf zur weiteren Erhitzung des Seewassers übertragen. Der Dieselgenerator DS kann mit Systemen zur Nut¬ zung von Sonnenenergie und/oder Abdampfwärme gekoppelt werdenFIG. 2 shows the block diagram of a seawater desalination plant with a diesel generator DS, a heat pump WP and a few heat exchangers WT connected in the circuit. The heat exchanger WT are integrated in the liquid circulation of a cascade of cascade tanks K1, K2, Kn. The cascade container K1, K2, Kn are connected via pressure regulator DR with a vacuum pump VP, which generates the negative pressure for the evaporation of the seawater. The heat pump WP and the vacuum pump VP are operated by means of an energy station ES. The diesel generator DS generates the necessary electrical energy. The resulting heat energy is transferred via a heat exchanger WT to the liquid circuit for further heating of the seawater. The diesel generator DS can be coupled with systems for the use of solar energy and / or boil-off heat
Die Erfindung basiert auf der Zusatzwärmeübertragung aus dem Rohwasser mittels der Wärmepumpe WP an das in den Kaskadenstrecken K1 , K2, Kn zu erhitzende Wasser. Damit wird Heizenergie eingespart und der Wirkungsgrad des Prozesses deutlich erhöht. Weiterhin kann die Wärmepumpe WP so geschaltet und mit Wärmetauschern WT gekoppelt werden, dass die in dem Reinwasser enthaltene Restenergie ent-
nommen und in den Heizprozess des Meerwassers eingeführt wird (siehe hierzu Fig. 2). Damit kann auf der Entnahmeseite des Reinwassers die notwendige Kühlung unterstützt werden. Gleichzeitig wird die dort überschüssige Energie verwendet, um die für die Aufheizung zur Verdampfung des Meerwassers not- wendige Energie über Energieerzeuger zu minimieren.The invention is based on the additional heat transfer from the raw water by means of the heat pump WP to the water to be heated in the cascade sections K1, K2, Kn. This saves heating energy and significantly increases the efficiency of the process. Furthermore, the heat pump WP can be switched and coupled to heat exchangers WT in such a way that the residual energy contained in the pure water is removed. taken and introduced into the heating process of the seawater (see Fig. 2). Thus, the necessary cooling can be supported on the withdrawal side of the pure water. At the same time, the surplus energy is used to minimize the energy required to heat up the seawater through energy sources.
Schließlich ist auch eine Kombination der Verfahrensweisen möglich, indem die Wärmepumpe WP als vorzugsweise mehrstufige Anordnung über Wärmetau¬ scher WT sowohl auf der Energieentnahmeseite mit dem Leitungssystem des Rohwassers (Meerwasser) als auch mit dem Leitungssystem des Reinwassers gekoppelt wird. Hierzu können auch mehrere Wärmepumpen WP eingesetzt werden.Finally, a combination of the methods is possible by the heat pump WP is coupled as a preferably multi-stage arrangement on Wärmetau¬ shear WT both on the energy extraction side with the piping system of the raw water (seawater) and with the line system of pure water. For this purpose, several heat pumps WP can be used.
Als Wärmetauscher WT lassen sich hier in besonders vorteilhafter Weise Rohr- bündelwärmetauscher einsetzten, die mit einem effizienten Wärme übertragen¬ den Füllstoff versehen sind. Damit wird eine verbesserte Weiterleitung der zu¬ rück zu gewinnenden Wärme ermöglicht.As a heat exchanger WT, tube bundle heat exchangers can be used here in a particularly advantageous manner, which are provided with an efficient heat transferring filler. This makes possible an improved forwarding of the heat to be recovered.
Der besondere Effekt der Anlage lässt sich anhand einer thermodynamischen Analyse nachweisen.The special effect of the system can be demonstrated by a thermodynamic analysis.
In der Tabelle nach Figur 3 ist die thermodynamische Analyse einer MSF- Kaskade dargestellt. Die Tabelle zeigt die Werte für die thermodynamische Ana¬ lyse einer MSF-Kaskade. Hierbei steigt die Seewassertemperatur beim Durch¬ laufen von 10 Kaskaden-Stufen von 31 auf 89 Grad C. Die Temperaturerhöhung von Stufe zu Stufe liegt bei 5 - 6 Grad C.The table according to FIG. 3 shows the thermodynamic analysis of an MSF cascade. The table shows the values for the thermodynamic analysis of an MSF cascade. Here, the seawater temperature rises when passing through 10 cascade stages from 31 to 89 degrees C. The temperature increase from stage to stage is 5 - 6 degrees C.
Die für die Anlage verwendete Wärmepumpe ist von bekannter Bauart. In Figur 4 ist das Funktionsdiagramm einer Wärmepumpe dargestellt. Die Wärmepumpe ist als an sich bekannte Baugruppe in den Bereich der Meer- Wasserentsalzungsanlage mit integriert. Hierbei wird sie von der elektrischen Versorgung her mittels eines Dieselgenerators angetrieben. Dieser kann Teil
eines Blockheizkraftwerkes sein.The heat pump used for the plant is of known type. FIG. 4 shows the functional diagram of a heat pump. The heat pump is integrated as a per se known assembly in the field of seawater desalination plant. In this case, it is driven by the electric supply by means of a diesel generator. This can be part a combined heat and power plant.
Eine Station zur Energieerzeugung ist als Dieselgenerator DS ausgeführt. In Figur 5 ist das Funktionsdiagramm eines Dieselgenerators DS dargestellt. Der Dieselgenerator DS liefert die benötigte Wärmeenergie für den Betrieb der MSF-Stufen und den elektrischen Strom für die Wärmepumpe WP, die Vakuumpumpe VP und die gesamte Anlage. Diese ist somit, außer dem be¬ nötigten Kraftstoff, völlig autark, und kann auch abseits von erschlossenen Gebieten betrieben werden.A station for power generation is designed as a diesel generator DS. FIG. 5 shows the functional diagram of a diesel generator DS. The diesel generator DS supplies the required heat energy for the operation of the MSF stages and the electric power for the heat pump WP, the vacuum pump VP and the entire system. This is thus, in addition to the required fuel, completely self-sufficient, and can also be operated away from developed areas.
Der Aufbau des Dieselgenerators ist in Figur 5 näher beschrieben. In der Figur sind enthalten die ElementeThe construction of the diesel generator is described in more detail in FIG. The figure contains the elements
1. Heizwasser-Wärmetauscher1. Heating water heat exchanger
2. Abgas-Wärmetauscher 3. Schmierölkühler2. Exhaust gas heat exchanger 3. Lubricating oil cooler
4 Kühlwasserpumpe4 cooling water pump
5. Abgasschalldämpfer5. Exhaust silencer
6.. Gasmotor6 .. gas engine
7. Generator 8. Schaltschrank7. Generator 8. Control cabinet
9. Schmieröltank9. Lubricating oil tank
10. Starterbatterie10. Starter battery
11. Schalldämmhaube11. Soundproof hood
Eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Systems zur Meerwasserentsalzung ergibt sich aus Wärmepumpenanordnungen.An extension of the seawater desalination system according to the invention results from heat pump arrangements.
Durch Erweiterung des bisher geschilderten Konzepts eines einfachen Durch¬ laufs, ist vorgesehen, einen geschlossenen Kreislauf aufzubauen. Dabei ist es notwendig, die auf der heißen Seite der Meerwasserentsalzungsanlage zuge- führte Heizenergie auf der kalten Seite der Meerwasserentsalzungsanlage wie¬ der abzubauen, sonst kann die notwendige Temperaturdifferenz für die Rück-
kondensation nicht aufgebracht werden. Deshalb wird die Wärmepumpe WP kaltwasserseitig vom Ausgang der Kaskade K1 der Verdampfer gespeist. Damit bewirkt die Wärmepumpe WP hier eine Kühlung des gereinigten Wassers und transportiert die - sonst verlorene - Energie wieder auf die heiße Seite der Kas- kade K2, Kn der Verdampfer. Dort steht die so gewonnene Energie wieder zur Heizung des zu reinigenden Seewassers zu Verfügung. Somit wird eine deutli¬ che Energieeinsparung ermöglicht. Während in bisherigen Systemen die Küh¬ lung mittels Frischwasser durchgeführt wird und die Energie damit in das Meer abgeführt wird und somit verloren ist.By expanding the previously described concept of a simple passage, it is envisaged to build a closed circuit. It is necessary to recycle the heat energy supplied on the hot side of the seawater desalination plant on the cold side of the seawater desalination plant, otherwise the necessary temperature difference for the return condensation can not be applied. Therefore, the heat pump WP cold water side is fed from the outlet of the cascade K1 of the evaporator. The heat pump WP hereby cools the cleaned water and transports the - otherwise lost - energy back to the hot side of the K2 kas, Kn evaporator. There, the energy thus gained is available again for heating the seawater to be purified. Thus, a significant energy saving is made possible. While in previous systems, the Küh¬ treatment is carried out using fresh water and the energy is thus discharged into the sea and thus lost.
In Figuren 6 und 7 ist der Energiehaushalt einer derartigen Anlage gezeigt. In Figur 6 ist gezeigt, dass die Verdampfungsenergie aus der Kondensations¬ energie wieder zurück gewonnen werden kann. Die zur Verdampfung notwendi¬ ge Temperaturerhöhung wird mittels eingebrachter Verdampfungsenergie auf- gebracht. Gleichzeitig wird bei der Kondensation des Reinwassers wieder Kon¬ densationsenergie frei, wobei die Temperatur wieder absinkt. Obwohl beide Vor¬ gänge auf verschiedenen Temperaturniveaus ablaufen, kann die frei werdende Energie zum Ersatz der benötigten Energie genutzt werden. In erfindungsgemäßer Form wird dies nach Fig. 7 dadurch ausgenutzt, dass ein Wärmepumpe im Bereich der Ableitung des Reinwassers über einen Wärmetau¬ scher eingebunden wird (siehe Fig. 2). Die dort gewonnene Energie kann in die Kaskadenstrecke zur Aufheizung des zu verdampfenden Wassers eingebracht werden. In Figur 7 ist die Temperaturabsenkung des Seewassers über die Kas¬ kadenstufen (Kondensationsstufen) gezeigt. Die am Ende der Kaskadenstufen erreichte Temperatur des Reinwassers wird über einen Wärmetauscher der Wärmepumpe weiter abgesenkt. Die gewonnene Wärmemenge wird mittels der Wärmepumpe auf erhöhtem Temperaturniveau in Ergänzung - und bei gleich¬ zeitiger Reduzierung - der notwendigen Heizleistung für die Verdampfung wie¬ der in die Kaskadenstufen eingeleitet.
FIGS. 6 and 7 show the energy balance of such a system. FIG. 6 shows that the evaporation energy can be recovered from the condensation energy. The temperature increase necessary for the evaporation is applied by means of introduced evaporation energy. At the same time condensation energy is released again during the condensation of the pure water, whereby the temperature drops again. Although both processes take place at different temperature levels, the energy released can be used to replace the required energy. In the form according to the invention, this is utilized according to FIG. 7 in that a heat pump is integrated in the region of the discharge of the pure water via a heat exchanger (see FIG. 2). The energy obtained there can be introduced into the cascade section for heating the water to be evaporated. FIG. 7 shows the temperature reduction of the seawater via the cascade stages (condensation stages). The temperature of the pure water reached at the end of the cascade stages is further lowered via a heat exchanger of the heat pump. The amount of heat gained is introduced by means of the heat pump at an elevated temperature level in addition - and at the same time reduction - the necessary heating power for the evaporation wie¬ in the cascade stages.
Claims
1. Meerwasserentsalzungsanlage mit einer Kaskade von Verdampfungskör¬ pern, einer diesen salzhaltiges Meerwasser zuführendes Leitungssystem, wobei jede Kaskade mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist und / oder eine Heizung beinhaltet, wobei das Meerwasser nach Durchlaufen der Kaskaden den Verdampfungskörpern zugeführt wird, so dass das Meer¬ wasser sukzessive verdampft wird, und ein den Kaskaden Reinwasser ent¬ nehmendes zweites Leitungssystem, gekennzeichnet durch die Anordnung von Wärmetauschern (WT) in der Zufuhrleitung des Meer¬ wassers und einer Wärmepumpe (WP), die mit einem oder mehreren der Wärmetauscher (WT) verbunden ist.1. desalination plant with a cascade of Verdampfungskör¬ pern, one of these salty seawater feeding line system, each cascade can be acted upon by a negative pressure and / or includes a heater, wherein the seawater is fed to the evaporation bodies after passing through the cascades, so that the Meer¬ water is successively evaporated, and a cascade pure water ent¬ taking second conduit system, characterized by the arrangement of heat exchangers (WT) in the supply line of Meer¬ water and a heat pump (WP), which connected to one or more of the heat exchanger (WT) is.
2. Meerwasserentsalzungsanlage mit einer Kaskade von Verdampfungskör¬ pern, einer diesen salzhaltiges Meerwasser zuführendes Leitungssystem, wobei jede Kaskade mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist und / oder eine Heizung beinhaltet, wobei das Meerwasser nach Durchlaufen der Kaskaden den Verdampfungskörpern zugeführt wird, so dass das Meer- wasser sukzessive verdampft wird, und ein den Kaskaden Reinwasser ent¬ nehmendes zweites Leitungssystem, gekennzeichnet durch die Anordnung von Wärmetauschern (WT) im Bereich der Entnahme des noch warmen Reinwassers und deren Verbindung mit einer Wärmepumpe (WP), die mit einem oder mehreren Wärmetauschern (WT) im Bereich der2. seawater desalination plant with a cascade of Verdampfungskör¬ pern, one of these salty seawater feeding line system, each cascade can be acted upon by a negative pressure and / or includes a heater, the seawater is fed after passing through the cascades the evaporation bodies, so that the sea water is successively evaporated, and a cascade pure water ent¬ taking second conduit system, characterized by the arrangement of heat exchangers (WT) in the area of removal of the still warm pure water and their connection to a heat pump (WP), with one or more heat exchangers ( WT) in the field of
Zufuhr von noch unerhitztem oder teilerhitztem Meerwasser gekoppelt ist.Supply of still unheated or teilerhitztem sea water is coupled.
3. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (WP) einen Wärmetauscher (WT) im Bereich der3. seawater desalination plant according to claim 1, characterized in that the heat pump (WP) has a heat exchanger (WT) in the region of
Entnahme des noch warmen Reinwassers mit einem Wärmetauscher (WT) im Bereich der Zufuhr von noch unerhitztem Meerwasser koppelt.Removal of the still warm pure water with a heat exchanger (WT) coupled in the supply of still unheated seawater.
4. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe einen oder mehrere Wärmetauscher im Bereich der4. seawater desalination plant according to claim 1 to 3, characterized in that the heat pump one or more heat exchangers in the field of
Entnahme des noch warmen Reinwassers mit einem Wärmetauscher im Bereich der Zufuhr von schon teilerhitztem Meerwasser zwischen zwei Kaskaden koppelt.Removal of the still warm pure water with a heat exchanger in the supply of already teilerhitztem sea water between two cascades coupled.
5. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (WT) im Bereich der Zufuhr des weitgehend er¬ hitzten Meerwassers mit einem Wärmeerzeuger gekoppelt ist.5. seawater desalination plant according to claim 1 to 3, characterized in that a heat exchanger (WT) is coupled in the region of the supply of largely er¬ heated seawater with a heat generator.
6. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger ein Dieselgenerator (DS) ist.6. seawater desalination plant according to claim 5, characterized in that the heat generator is a diesel generator (DS).
7. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe mittels in dem Dieselgenerator (DS) erzeugter e- lektrischer Energie betrieben wird.7. seawater desalination plant according to claim 1 to 6, characterized in that the heat pump is operated by means of the diesel generator (DS) generated e- lectric energy.
8. Meerwasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher (WT) ein hocheffizienter Rohrbündelwärmetau¬ scher mit Wärme übertragendem Füllstoff verwendet wird. 8. seawater desalination plant according to claim 1 to 6, characterized in that a highly efficient Rohrbündelwärmetau shear with heat-transferring filler is used as the heat exchanger (WT).
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