ES2330432T3 - Maquina desaladora. - Google Patents
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Abstract
Un aparato de destilación multiefecto para desalar agua que contiene sólidos disueltos, teniendo dicho aparato un evaporador de tubos externos en formato de anillo y que comprende tubos de evaporador verticales (8), teniendo también el aparato un haz cilíndrico central (15) de tubos igualmente verticales, incluyéndose los tubos (8) del evaporador de tubos externos en un primer efecto de un evaporador multiefecto, caracterizado también por que los tubos del haz cilíndrico central (15) son tubos del evaporador y se incluyen en un efecto final de un evaporador multiefecto.
Description
Máquina desaladora.
La presente invención se refiere a un proceso de
destilación que usa evaporadores de tubo vertical en un proceso
multiefecto y es aplicable a la desalinización de agua de mar, aguas
salobres y en general cualquier agua con sólidos disueltos, para
producir agua dulce para plataformas petrolíferas costa afuera,
barcos y para algunas localizaciones áridas usando el calor
residual rechazado de las máquinas térmicas.
El proceso de destilación multiefecto (MED) se
ha usado en la industria para la evaporación de jugos, para
concentrar una sustancia, para la producción de sales y para la
destilación de agua salada y marina para la producción de agua
dulce.
En el proceso MED, sólo se evapora una parte del
concentrado sometido a las superficies de transferencia de calor.
Cada efecto trabaja a una presión diferente. El líquido restante de
cada efecto, normalmente denominado salmuera, se suministra al
plato de líquido del siguiente efecto o etapa, donde parte del mismo
se evapora en forma de vapor. El vapor producido en un efecto
calentará hasta hervir el líquido transferido al siguiente efecto
debido a la diferencia de temperatura entre ellos.
Normalmente los efectos o fases tienen
evaporadores localizados en cámaras diferentes, que requieren una
tubería para conducir el vapor de una fase a la siguiente, como se
muestra en las Patentes de Estados Unidos Nº 3884767, 3261766 y
3021265.
El documento DE 29 50 211 A1 describe un
dispositivo para obtener agua dulce a partir de agua marina. En este
dispositivo conocido previamente, una columna vertical se divide en
un número de secciones cilíndricas. Las diferentes secciones tienen
evaporadores de película en forma de haces de tubos verticales con o
sin una carcasa externa. Un receptáculo se conecta en su parte
inferior a la placa del evaporador de la misma sección (en la
última sección, sin un evaporador) y se conecta en su parte superior
a la placa de tubos inferior del evaporador de la sección superior.
Un sistema regulador se dispone en la parte inferior de cada
receptáculo para permitir que la salmuera pase desde el receptáculo
a un segundo receptáculo, cuyo fondo está constituido por la placa
de tubos superior del evaporador de película subyacente. El
dispositivo comprende también uno o más cambiadores de calor para
precalentar el agua de mar con vapor. Se dispone un condensador
final en la columna por debajo de la última fase. En un
receptáculo, la salmuera de la sección superior se recoge y un
separador lamelar separa gotas de salmuera del vapor. El haz de
tubos del evaporador de película y el haz de tubos del cambiador de
calor para precalentar el agua de mar se conectan en la parte
superior de la misma placa de tubos. El cambiador del calor se
dispone centralmente dentro de los evaporadores de película.
Se pretende mejorar el rendimiento y reducir las
dimensiones de esta clase de equipo, por lo que la presente
invención se desarrolla ensamblando los diversos evaporadores en
disposición concéntrica, usando un cambiador de carcasa y tubos
para la primera fase y un haz de tubos para las etapas posteriores,
que se inserta uno dentro de otro. Mediante esta disposición
constructiva, se consiguen las siguientes ventajas: reducción de
material debido a la ausencia de tuberías de vapor; reducción de las
pérdidas de fricción con vapor al mínimo; menor tamaño debido a lo
compacto de la disposición concéntrica de los evaporadores. No hay
pérdida de calor en las fases internas; y eficacia respecto a
costes.
Esta unidad puede usarse también para concentrar
una mezcla usando un proceso evaporativo a baja temperatura.
Los equipos de fabricación de agua dulce se usan
de forma extensiva en plataformas petrolíferas costa afuera y
barcos, normalmente usando el calor de los gases de escape de las
máquinas térmicas.
Las figuras adjuntas son representativas de
cuatro modelos diferentes que muestran sus fases respectivas,
usando todas la misma disposición constructiva denominada aquí
evaporadores concéntricos. Cuanto mayor sea el número de fases
menor será el consumo de energía por volumen producido. La elección
del número de fases depende del calor disponible, la tasa de agua
dulce deseada y, por supuesto, los costes implicados.
La unidad puede diseñarse para producir
cualquier caudal deseado, aunque es habitual que esta clase de
equipo tenga un caudal de producción que varía de 5 a 120
m^{3}/d.
Las dimensiones de una desaladora de 60
m^{3}/d tienen aproximadamente 2,2 m de altura y 1,2 m de
diámetro.
Los diferentes modelos se ejemplificarán ahora
con referencia a los dibujos adjuntos descritos brevemente a
continuación.
Las Figuras 1 a 9 son representativas del modelo
de dos fases.
La Figura 1 es una vista en alzado en sección
transversal del modelo de dos fases totalmente ensamblado;
La Figura 2 es una vista desde arriba de la
primera fase del evaporador denominado aquí Carcasa de Anillo y
Evaporador de Tubo;
La Figura 3 es una vista en alzado en sección
transversal de la Carcasa de Anillo y del Evaporador de Tubo;
La Figura 4 es la vista desde arriba de la
segunda fase del evaporador, denominada aquí Evaporador de Haz
Cilíndrico, que es la fase final;
La Figura 5 es la vista en alzado en sección
transversal del Evaporador de Haz Cilíndrico;
La Figura 6 es la vista desde abajo del cabezal
flotante del Evaporador de Haz Cilíndrico;
La Figura 7 es la vista desde arriba del
condensador insertado en la cámara superior;
La Figura 8 es la vista en alzado en sección
transversal del condensador;
La Figura 9 es la vista frontal del
condensador;
Las Figuras 10 a 15 son representativas del
modelo de tres fases;
La Figura 10 es una vista en alzado en sección
transversal del modelo de tres fases totalmente ensamblado;
La Figura 11 es la vista en alzado en sección
transversal de la primera fase del modelo de tres fases, o la
Carcasa de Anillo y el Evaporador de Tubos;
La Figura 12 es el soporte base para la fase
intermedia donde A es la vista desde arriba y B es una vista en
sección transversal;
La Figura 13 es una vista en alzado en sección
transversal de la fase intermedia, denominada aquí Evaporador del
Haz de Anillo;
La Figura 14 es la vista desde abajo del cabezal
flotante del Evaporador del Haz de Anillo;
La Figura 15 es la sección transversal de la
Figura 14;
La Figura 16 es la vista en alzado en sección
transversal del modelo de cuatro fases.
La siguiente descripción se refiere a las
Figuras 1 a 9, relacionadas todas con el modelo de dos fases, cuya
filosofía operativa es extensiva a los otros modelos.
La Figura 1 muestra el modelo de dos fases con
sus evaporadores ensamblados en la disposición concéntrica donde se
observa que la segunda fase (Figura 5) se ensambla dentro de la
primera fase (Figura 3), soportada y empernada al reborde 1 (Figura
3). Se usa una junta para evitar fugas. La cámara superior (Figura
7) con el condensador 2 insertado en la misma, se ensambla
empernada en el mismo reborde 1.
En las Figuras 2 y 3, se observa que la primera
fase está constituida por un cambiador de carcasa y tubos sin parte
de los tubos centrales, denominado aquí Carcasa de Anillo y
Evaporador de Tubos. La pared interna 3 encierra el agua caliente a
través del interior de la carcasa, que retorna para calentar la
salida 5.
El agua salada se suministra a la primera fase
en la boquilla 6, pasando a través de la cámara 7 y se dirige a los
tubos de la primera fase 8 que reciben suficiente calor del agua
caliente 4 hasta que entran en ebullición. El calor se facilita de
manera que sólo parte del agua se vaporiza para evitar excesivas
costras en los tubos. Se observa en la Figura 2 que la cámara de
vapor por encima del evaporador está ampliada para permitir el paso
del vapor hacia la cámara de condensación 9 (Figura 3).
\global\parskip0.930000\baselineskip
La temperatura del agua caliente 4 se calienta a
un máximo de 88ºC para evitar excesivas costras en los tubos. La
temperatura de evaporación operativa varía de 60 a 65ºC en la
primera fase y de 45 a 50ºC en la segunda. Para obtener estas
temperaturas operativas, la presión debe evacuarse y controlarse en
el intervalo de 20,0 a 25,0 kpa abs en la primera fase y en el
intervalo de 9,9 a 12,4 kpa abs en la segunda fase. Se obtiene vacío
mediante una tobera eyectora 10 (Figura 1) que aspira los gases no
condensables tales como aire y dióxido de carbono a través de la
salida de vacío de la primera fase 11 y la salida de vacío de la
segunda fase 12. El agua salada a una presión diseñada específica
13 (Figura 1) se usa para activar la tobera eyectora.
El agua en ebullición y el vapor suben hacia los
tubos 8, salpicando la placa 14 (Figura 3). El vapor fluye hacia
los tubos del evaporador de la segunda fase 15 (Figura 1 y 5)
denominada aquí Evaporador de Haz Cilíndrico. Al tocar las paredes
del tubo, el vapor condensa dando lugar a energía para llevar a
ebullición el agua salada en la segunda fase. El condensado
producido se recoge en el fondo de la cámara 9 (Figura 3) y se
bombea a un tanque de almacenamiento a través de la salida 16, que
suministra calor sensible al agua salada entrante 6 a través del
haz 17 hacia la cámara 7.
La segunda fase se suministra con el agua salada
restante no vaporizada en la primera fase, aspirada por el tubo de
paso a baja presión de la segunda fase 18, vertiéndola en el plato
19 y evaporando el vapor. El tubo 18 recoge el agua salada del
fondo de una tubería extendida para mantener una columna de agua
adecuada para evitar la aspiración de vapor desde la primera fase.
En el plato, el agua se dirige al tubo central 20, cayendo en el
cabezal flotante 21, suministrando al haz de tubo de la segunda fase
15. El plato 19 y la placa 14 evita que la subida de gotas de agua
salada alcance los separadores de partículas 22 (primera fase) y 23
(segunda fase). Tanto la placa 14 como el plato 19 son amovibles
para permitir el acceso a las láminas de tubos.
El agua dulce de la segunda fase se obtiene a
través de la condensación de vapor en el condensador 2, que se
recoge en el recipiente 24. A través de la boquilla de salida 25
(Figura 1), el condensado se bombea al depósito. Dentro de los
tubos del condensador circula agua salada fría a través de la
boquilla de entrada 26 (Figura 1) que sale por la salida de
la
boquilla 27. Aquí, una corriente 4 se deriva para suministro a la primera fase. El agua salada de retorno 28 se descarga.
boquilla 27. Aquí, una corriente 4 se deriva para suministro a la primera fase. El agua salada de retorno 28 se descarga.
El nivel se mantiene en la primera fase mediante
el aliviadero 28. De la misma manera, el nivel de la segunda fase
se mantiene mediante el aliviadero 29. El agua salada que supera el
aliviadero 29 sale de la unidad a través de la salida 30,
aspirándose mediante la tobera eyectora 10 (Figura 1) a la descarga
31 (Figura 1).
El caudal nominal se obtiene mediante la válvula
de control 32 y el caudalímetro 33 (Figura 1). Se usan instrumentos
como termómetros y manómetros para control operativo y una válvula
de alivio de presión de seguridad 34 instalada en la primera fase
evita la sobre presión.
Una carcasa de acero fina 35 (Figura 5),
denominada aquí armadura, que se ensambla en dos mitades mediante
rebordes, encierra el haz de tubos de la segunda fase. El papel de
esta armadura es dirigir el vapor a pasar a través de los tubos,
evitando que se aspire directamente a la tubería de vacío 11 (Figura
1). El borde soldado 36 (Figura 5) soporta la armadura en la parte
superior de la carcasa interna de la primera fase 3. Una junta
unida por debajo del borde evita las fugas de vapor.
Un corte 37 (Figura 6) hecho en el fondo de la
lámina de tubos y el cabezal flotante 21, permite el paso de la
tubería de vapor fijada 11.
La siguiente descripción se refiere a las
Figuras 10 a 16 del modelo de tres fases.
El modelo de tres fases (Figura 10) tiene la
misma filosofía constructiva que el de dos fases, pero incluyendo
una nueva fase intermedia, denominada aquí Haz del Evaporador de
Anillo (Figura 13) que se convierte en la segunda fase y se inserta
en la primera fase. El evaporador cilíndrico (Figura 5) se convierte
ahora en la tercera fase y se inserta en el Haz del Evaporador de
Anillo (Figura 13).
La primera fase de este modelo (Figura 11) es
similar al modelo de dos fases pero la base 38 (Figura 11) se
suelda ahora a las carcasas interna y externa 39 y 40
respectivamente (Figura 11) para tener una impermeabilidad al agua
fiable. En el centro de esta base se suelda un soporte 41 (Figura 11
y 12) para mantener y centralizar la fase intermedia (Figura
13).
En este modelo, las líneas de vacío 42 y 43
(Figura 11) y las salidas de destilado 44 y 45 se localizan por
debajo de la unidad, para permitir el acceso fácil a la segunda y
terceras fases.
El intercambio de calor se realiza a un
diferencial de temperatura de 15 a 20ºC entre las fases.
El Haz del Evaporador de Anillo tiene una
armadura 46 (Figura 13) para dirigir el vapor de la primera fase a
su haz 47. El cabezal flotante 48 tiene, de esta manera, también un
formato de anillo, como se muestra en la Figura 14 (vista desde
abajo) y la Figura 15 (vista en sección). Una carcasa interna 49
encierra y aísla el vapor dentro de esta fase.
Es necesario que el material usado en la unidad
sea resistente a corrosión por el agua salada, tal como bronce de
aluminio, monel, cobre, níquel y titanio.
El modelo de cuatro fases se representa en una
vista en sección en la Figura 16. Ahora, se incluye otro Haz del
Evaporador de Anillo como una fase intermedia, que conforma de esta
manera el modelo de cuatro fases, y así sucesivamente.
Claims (5)
1. Un aparato de destilación multiefecto para
desalar agua que contiene sólidos disueltos, teniendo dicho aparato
un evaporador de tubos externos en formato de anillo y que comprende
tubos de evaporador verticales (8), teniendo también el aparato un
haz cilíndrico central (15) de tubos igualmente verticales,
incluyéndose los tubos (8) del evaporador de tubos externos en un
primer efecto de un evaporador multiefecto, caracterizado
también por que los tubos del haz cilíndrico central (15) son tubos
del evaporador y se incluyen en un efecto final de un evaporador
multiefecto.
2. Un aparato de destilación multiefecto de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que al menos un haz de
evaporador intermedio de tubos del evaporador verticales se localiza
entre el evaporador de tubos con forma de anillo externo y el haz
de tubos cilíndrico central (15), estando incluido dicho al menos un
haz de tubos intermedio en un efecto intermedio de un evaporador
multiefecto que es posterior a dicho primer efecto pero anterior a
dicho efecto final.
3. Un aparato de destilación multiefecto de
acuerdo con la reivindicación 2, en el que cada haz de tubos está
soportado por una lámina de tubos superior e inferior y la lámina de
tubos superior del haz de evaporador intermedio tiene un diámetro
que es un 30% mayor que el diámetro de la lámina de tubos
inferior.
4. Un aparato de destilación multiefecto de
acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, en el que se proporciona un
soporte para centrar el haz del evaporador intermedio.
5. Un aparato de destilación multiefecto de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que cada haz de tubos está
soportado por una lámina de tubos superior e inferior y la lámina
superior del haz cilíndrico central (15) tiene un diámetro que es
un 30% mayor que el diámetro de la lámina de tubos inferior.
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