FR2531418A1

FR2531418A1 - Desalination plant

Info

Publication number: FR2531418A1
Application number: FR8312514A
Authority: FR
Inventors: Masaharu Takada
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 1982-08-06
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1984-02-10
Also published as: DE3327958C2; KR860001490B1; FR2531418B1; KR840005706A; JPS5926184A; DE3327958A1

Abstract

Brine or seawater is distilled to produce fresh water by vaporisation, compression of the vapours, condensation and sepn. into fresh water and concd. brine. A heat pump is used to extract heat from the outgoing prods. and to use it to preheat the seawater entering the plant. This results in still further reduction of the energy consumption for the desalination. Specifically the distn. plant (1) consists of an evaporator (2), a motor driven compressor (3), a heat exchanger (4) to preheat the incoming seawater (6), and a heat pump (5) to preheat it further by the condenser (10). The Freon in the heat pump circuit extracts heat from the concentrated brine (21) which is taken by a pump (14) through the heat exchanger (4) and the evaporator (13) to the discharge. A compressor (11) takes it through the condenser (10) and an expansion valve (12). The condensate (23) is taken by a pump (25) through the heat exchanger (4) to the discharge (26). Not condensable gases are discharged by an extractor (27) to atmosphere.

Description

Procédé et appareil de distillation de saumure pour l'obten- tion d'eau douce.Brine distillation process and apparatus for obtaining fresh water.

L'invention concerne un procédé et un appareil de distillation de saumure pour l'obtention d'eau douce. The invention relates to a method and an apparatus for distilling brine for obtaining fresh water.

Un procédé de-distillation de saumure, telle que l'eau de mer, pour obtenir de l'eau douce avec une faible consommation d'énergie1 consiste à comprimer directement une vapeur engendrée par la saumure. Dans ce procédé de distillation, un moyen de diminuer davantage la consommation d'énergie consiste à améliorer le fonctionnement de l'évaporateur de saumure en maintenant l'équilibre thermique meme quand on fait fonctionner le compresseur de vapeur à un petit rapport de compression.Un autre moyen, qui fait l'objet de l'invention, est de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour maintenir l'évaporateur à la température de fonctionnement (qui est supérieure à la température ambiante)
Lorsqu'on économise de l'énergie en faisant fonctionner un compresseur de vapeur à un petit rapport de -com- pression, la quantité de chaleur résultant de la conversion de l'énergie motrice est par conséquent petite et donc, elle contribue peu à maintenir à une température supérieure prédéterminée (environ 720C dans l'invention) l'évaporateur auquel est amenée la saumure froide. Par conséquent, il faut une quantité supplémentaire d'énergie extérieure simplement pour maintenir l'évaporateur à une haute température.En conséquence, la consommation globale d'énergie devient grande si l'on ne réduit pas la quantité supplémentaire d'énergie.A method of distilling brine, such as seawater, to obtain fresh water with low energy consumption1 consists in directly compressing a vapor generated by the brine. In this distillation process, one way to further reduce energy consumption is to improve the operation of the brine evaporator by maintaining thermal equilibrium even when the steam compressor is operated at a small compression ratio. another means, which is the subject of the invention, is to reduce the amount of energy necessary to maintain the evaporator at the operating temperature (which is higher than the ambient temperature)
When saving energy by operating a steam compressor at a small compression ratio, the amount of heat resulting from the conversion of motive energy is therefore small and therefore, it does little to maintain at a predetermined higher temperature (around 720C in the invention) the evaporator to which the cold brine is brought. Therefore, an additional amount of external energy is required just to keep the evaporator at a high temperature, therefore the overall energy consumption becomes large if the additional amount of energy is not reduced.

Dans le procédé classique de compression de vapeur, on tient compte du rendement thermique en utilisant un échangeur thermique pour transférer à l'eau brute ou à la saumure la chaleur de l'eau obtenue comme produit et/ou de la saumure concentrée épuisée. Toutefois, cela n'est pas suffisant en soi pour maintenir la saumure à une température d'évaporation assez élevée pour obtenir une évaporation efficace. In the conventional vapor compression process, thermal efficiency is taken into account by using a heat exchanger to transfer the heat of the water obtained as a product and / or of the spent concentrated brine to the raw water or to the brine. However, this is not sufficient in itself to maintain the brine at an evaporation temperature high enough to obtain efficient evaporation.

Pour compenser ce manque de chaleur, on a essayé d'autres procédés dont l'un consiste à fournir de la vapeur d'eau engendrée extérieurement et un autre à utiliser la chaleur du gaz d'échappement mais le procédé le plus avantageux est d'utiliser un appareil de chauffage électrique. Toutefois, l'électricité peut engendrer seulement 3595 kJ/kWh de chaleur lorsqu'on l'utilise comme moyen de chauffage et c'est l'une des sources d'énergie les plus coûteuses. To compensate for this lack of heat, other methods have been tried, one of which consists in supplying steam generated externally and another in using the heat of the exhaust gas, but the most advantageous method is to use an electric heater. However, electricity can generate only 3,595 kJ / kWh of heat when used for heating and is one of the most expensive sources of energy.

Un but général de l'invention est de fournir un procédé et une pompe de chaleur pour éliminer la chaleur retenue dans l'eau qui est le produit de sortie et/ou dans la saumure concentrée, puis de fournir la chaleur à un évaporateur ou à un appareil à distiller à compression de vapeur, de sorte que l'évaporation normale s'accomplit efficacement à une haute température avec-une consommation réduite d'énergie électrique en comparaison avec le cas du chauffage électrique direct. A general object of the invention is to provide a method and a heat pump for removing the heat retained in the water which is the output product and / or in the concentrated brine, then supplying the heat to an evaporator or to a vapor compression distiller, so that normal evaporation is effectively accomplished at a high temperature with reduced consumption of electrical energy compared to the case of direct electric heating.

A titre d'exemple numérique, un évaporateur nécessite 50 327 kJ/h de chaleur pour effectuer l'évaporation à environ 700C. Si la chaleur était fournie par un appareil de chauffage électrique, la consommation équivalente d'énergie serait d'environ 14 kwh. Par contre, si la température est élevée de 140C à 730C par une pompe de chaleur de 5,5 kW, la quantité de chaleur sera d'environ 32 311 kJ/h selon les caractéristiques des pompes de chaleur que l'on trouve dans le commerce. Etant donné que l'équivalent en chaleur de 5,5 kW est de 19 771 kJ/h, la quantité de chaleur efficace pour le chauffage est de 32 311 + 19 771 = 52 082 kJ/h, ce qui approche de la quantité de chaleur disponible dans le cas de l'appareil de chauffage électrique ci-dessus.Il en résulte une consommation d'énergie nécessaire de 5,5 kWh au lieu de 14 kWh, de sorte que l'on obtient le même effet de chauffage avec environ 1/2,5 de l'énergie. As a numerical example, an evaporator requires 50,327 kJ / h of heat to perform evaporation at around 700C. If the heat was supplied by an electric heater, the equivalent energy consumption would be around 14 kwh. On the other hand, if the temperature is raised from 140C to 730C by a 5.5 kW heat pump, the amount of heat will be around 32,311 kJ / h depending on the characteristics of the heat pumps found in the trade. Since the heat equivalent of 5.5 kW is 19,771 kJ / h, the amount of effective heat for heating is 32,311 + 19,771 = 52,082 kJ / h, which approximates the amount of heat available in the case of the electric heater above, resulting in a necessary energy consumption of 5.5 kWh instead of 14 kWh, so that the same heating effect is obtained with approximately 1/2 of the energy.

Un mode d'exécution préférentiel de l'invention est représenté par la figure unique du dessin qui est un organigramme d'un système de distillation. A preferred embodiment of the invention is represented by the single figure of the drawing which is a flow diagram of a distillation system.

Un appareil de distillation de saumure 1 du type à compression de vapeur comprend un évaporateur 2, un compresseur de vapeur 3 entraîné par moteur, un échangeur thermique 4 et une pompe de chaleur 5 servant à pomper de la chaleur de la saumure concentrée évacuée à l'eau d'alimentation entrante. A brine distillation apparatus 1 of the vapor compression type comprises an evaporator 2, a motor-driven steam compressor 3, a heat exchanger 4 and a heat pump 5 used to pump heat from the concentrated brine discharged to the incoming feed water.

La pompe de chaleur 5 comprend un compresseur 11 entraîné par moteur, un condenseur de fréon 10, une valve de détente 12 et un évaporateur de fréon 13, tous branchés dans un circuit fermé dans lequel on fait circuler un agent thermique tel que le fréon.The heat pump 5 comprises a compressor 11 driven by a motor, a freon condenser 10, an expansion valve 12 and a freon evaporator 13, all connected in a closed circuit in which a thermal agent such as freon is circulated.

De la saumure brute, qui peut être de l'eau souterraine, de l'eau-usée industrielle ou de l'eau de mer, a' une température d'environ 150C, est reçue par un tuyau 6 et se ramifie dans des faisceaux de tubes 7 et 8 de l'échangeur thermique-4 ou elle échange sa chaleur avec le condensat d'eau formé comme produit et avec la saumure concentrée. L'eau formée comme produit et l'eau concentrée se séparent dans l'échangeur 4 et la saumure brute est chauffée à environ 680C. Raw brine, which can be groundwater, industrial wastewater or seawater, at a temperature of about 150C, is received by a pipe 6 and branches into bundles of tubes 7 and 8 of the heat exchanger-4 or it exchanges its heat with the water condensate formed as product and with the concentrated brine. The water formed as product and the concentrated water separate in the exchanger 4 and the raw brine is heated to around 680C.

Les branches 7 et 8 se rejoignent après l'échangeur thermique et la saumure brute arrive par un tuyau 9 au condenseur de fréon 10 de la pompe de chaleur 5.The branches 7 and 8 meet after the heat exchanger and the raw brine arrives via a pipe 9 at the freon condenser 10 of the heat pump 5.

Dans l'évaporateur de fréon 13 de la pompe de chaleur, le fréon emprunte de la chaleur à la saumure concentrée qui est à une température d'environ 190C et arrive de l'échangeur thermique 4 au moyen d'une pompe 14 et d'un tuyau 15. La saumure concentrée se refroidit davantage dans l'évaporateur 13 et est évacuée par un tuyau 16. In the freon evaporator 13 of the heat pump, the freon borrows heat from the concentrated brine which is at a temperature of about 190C and arrives from the heat exchanger 4 by means of a pump 14 and a pipe 15. The concentrated brine cools further in the evaporator 13 and is discharged through a pipe 16.

La vapeur de fréon à une température d'environ 140C est comprimée adiabatiquement par le compresseur 11 et ainsi chauffée à environ 730C. Le fréon afflue alors au condenseur de fréon 10 où il est en relation d'échange thermique avec la saumure. Le fréon se condense et cède la chaleur de condensation à la saumure qui est chauffée d'environ 680C à environ 7 1 o C o
Ainsi, la saumure d'alimentation est préchauffée une première fois par récupération de chaleur perdue de l'eau qui quitte l'appareil à distiller, dans l'échangeur thermique 4, puis elle est chauffée une deuxième fois par la chaleur de condensation du fréon dans le condenseur 10.Freon vapor at a temperature of about 140C is compressed adiabatically by the compressor 11 and thus heated to about 730C. The freon then flows into the freon condenser 10 where it is in heat exchange relationship with the brine. The freon condenses and transfers the heat of condensation to the brine which is heated from around 680C to around 7 1 o C o
Thus, the feed brine is preheated a first time by recovery of waste heat from the water which leaves the distilling apparatus, in the heat exchanger 4, then it is heated a second time by the heat of condensation of the freon. in condenser 10.

La saumure arrive alors par un tuyau 17 à un plateau 18 à l'intérieur de l'évaporateur 2 et du plateau 18, elle est pulvérisée uniformément sur les tubes horizontaux de transfert de chaleur 19. La vapeur d'eau venant de l'espace situé au-dessus des tubes 19 est à une température d'environ 73,5 C et elle est comprimée par le compresseur de vapeur 3 puis introduite dans les tubes 19. La vapeur d'eau est engendrée sur les surfaces extérieures des tubes 19 et la vapeur afflue par un tuyau 20 au compresseur 3. La saumure non vaporisée ou concentrée se rassemble au fond 21 de l'évaporateur 2 et arrive par un tuyau 22, à une température d1 environ 720C, aux tubes 8 de l'échangeur thermique 4 où elle chauffe la saumure brute. The brine then arrives via a pipe 17 at a tray 18 inside the evaporator 2 and the tray 18, it is sprayed uniformly on the horizontal heat transfer tubes 19. The water vapor coming from space located above the tubes 19 is at a temperature of approximately 73.5 C and it is compressed by the steam compressor 3 then introduced into the tubes 19. The water vapor is generated on the external surfaces of the tubes 19 and the steam flows through a pipe 20 to the compressor 3. The non-vaporized or concentrated brine collects at the bottom 21 of the evaporator 2 and arrives through a pipe 22, at a temperature of approximately 720C, at the tubes 8 of the heat exchanger 4 where it heats the raw brine.

Dans les tubes de transfert de chaleur 19, la vapeur d'eau comprimée se condense. Le condensat s'écoule des tubes 19 dans une cuvette à condensat 23, passe par un tuyau 24 et est introduit à une température d'environ 73,5 C dans les tubes 7 de l'échangeur thermique 4 où il chauffe la saumure brute. Là, il se refroidit à environ 190C avant d'être évacué par une pompe 25 et un tuyau 26. In the heat transfer tubes 19, the compressed water vapor condenses. The condensate flows from the tubes 19 into a condensate pan 23, passes through a pipe 24 and is introduced at a temperature of about 73.5 C into the tubes 7 of the heat exchanger 4 where it heats the raw brine. There, it cools to around 190C before being evacuated by a pump 25 and a hose 26.

Une partie supérieure de la cuvette à condensat 23 communique avec un extracteur de gaz 27 qui laisse échapper le gaz non condensable dans l'atmosphère. An upper part of the condensate pan 23 communicates with a gas extractor 27 which lets the non-condensable gas escape into the atmosphere.

Il est entendu que la chaleur de condensation du milieu thermique du condenseur 10, qui constitue en fait un apport supplémentaire de chaleur à l'évaporateur 2, pourrait aussi etre ajoutée à la saumure concentrée ou au condensat, à un endroit approprié de l'évaporateur 2, au lieu d'être ajoutée à la saumure brute dans le condenseur 10. Dans chacun de ces cas, il y a addition de chaleur à l'évaporateur 2. La récupération de chaleur par lÇévaporateur 13 pourrait aussi être tirée du condensat du tuyau 26 au lieu d'être tirée de la saumure concentrée, comme l'indiquent les tiretés 28. It is understood that the heat of condensation of the thermal medium of the condenser 10, which in fact constitutes an additional supply of heat to the evaporator 2, could also be added to the concentrated brine or to the condensate, at a suitable place in the evaporator. 2, instead of being added to the raw brine in the condenser 10. In each of these cases, heat is added to the evaporator 2. The heat recovery by the evaporator 13 could also be taken from the condensate of the pipe 26 instead of being taken from concentrated brine, as indicated by the dashed 28.

Selon l'invention, on combine un appareil de distillation de saumure du type à compression de vapeur et une pompe de chaleur, de sorte que la chaleur de condensation du milieu thermique comprimé est ajoutée à l'appareil à distiller pour élever la température d'évaporation de la saumure. Cela assure le chauffage voulu avec une consommation d'énergie électrique environ 2,5 fois moindre que celle qui est nécessaire dans un système classique comprenant un appareil de chauffage électrique à cet effet. According to the invention, a brine distillation apparatus of the vapor compression type and a heat pump are combined, so that the heat of condensation of the compressed thermal medium is added to the distillation apparatus to raise the temperature of brine evaporation. This provides the desired heating with about 2.5 times less electrical energy consumption than that required in a conventional system comprising an electric heater for this purpose.

Ainsi, dans un système de distillation selon l'invention, on peut effectuer l'évaporation efficacement en fournissant seulement une petite quantité d'énergie électrique. Le système convient à l'obtention d'eau douce et/ou d'eau concentrée sans nécessiter de chaudière, etc. Thus, in a distillation system according to the invention, evaporation can be carried out efficiently by supplying only a small amount of electrical energy. The system is suitable for obtaining fresh and / or concentrated water without the need for a boiler, etc.

Claims

1. Brine distillation process for obtaining water using a distilling apparatus which receives feed brine, generates steam from the brine, compresses the steam, condenses the steam and evacuates concentrated brine and water constituting the product, characterized in that a heat pump (5) is used to draw heat from the outlet of the appliance and that this heat is supplied to the device (1).

2. Method according to claim 1, characterized in that heat is added to the feed brine entering the device.

3. Method according to claim 1, characterized in that the heat is borrowed from the concentrated brine discharged.

4. Apparatus for distilling brine to obtain fresh water, using a distilling apparatus (1) which generates steam from the brine and a steam compressor (3), the vapor being compressed then condensed in the distilling apparatus (1) by heat exchange with the supply brine, the distilling apparatus receiving supply brine and discharging water formed as product and concentrated brine, apparatus characterized in that it comprises a heat pump (5) comprising an evaporator (13) and a condenser (10), the evaporator being designed to be connected to the distillation apparatus (1) so as to borrow heat to the evacuated liquids and the condenser being connected to the distillation apparatus in order to add thereto this borrowed heat.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that it further comprises a heat exchanger (4) designed to be connected between the distilling apparatus (1) and the evaporator (13) and to receive the evacuated liquids and transfer heat to the evaporator, the heat exchanger (4) also being connected to the condenser (10) and preheating the supply brine.