FR2943555A1

FR2943555A1 - Liquid such as seawater, continuous evaporation and distillation method, involves transmitting thermal energy from superheaters to liquid to be evaporated which is transmitted to vapor

Info

Publication number: FR2943555A1
Application number: FR0901388A
Authority: FR
Inventors: Cyrille Garetier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-01

Abstract

The method involves transmitting thermal energy from superheaters (11) to liquid to be evaporated which is transmitted to vapor (2). An independent claim is also included for a liquid evaporation and distillation installation.

Description

L'invention a pour objet un procédé et une installation pour l'évaporation ou la distillation en continu de liquides. De nos jours, il existe de nombreux procédés de distillation ou d'évaporation. Pour faire son choix, on retient en général trois facteurs déterminants pour sélectionner quelle sera le type d'évaporateur : la compatibilité de la technologie avec le domaine d'application souhaité, le coût d'investissement et les coûts d'exploitation qui comprennent le coût énergétique, le coût humain, les coûts de maintenance et de nettoyage. De manière générale, on constate que le coût d'exploitation est inversement proportionnel au coût d'investissement, en particulier d'un point de vue énergétique. The invention relates to a method and an installation for the evaporation or the continuous distillation of liquids. Nowadays, there are many processes of distillation or evaporation. To make a choice, three factors are generally used to select the type of evaporator: the compatibility of the technology with the desired field of application, the investment cost and the operating costs that include the cost. energy, human costs, maintenance and cleaning costs. In general, it can be seen that the operating cost is inversely proportional to the investment cost, in particular from an energy point of view.

La présente invention a pour but de concilier un faible coût d'investissement avec un faible coût d'exploitation. En effet, l'appareil rassemble plusieurs organes qui sont généralement séparés, à savoir l'évaporateur, le condenseur, le séparateur de buées. L'implantation est donc facilitée et l'encombrement limité. Il n'y a pas de machines tournantes liées au process donc pas de maintenance à prévoir. D'autre part, l'énergie mise en oeuvre peut être pratiquement n'importe quelle source disponible dans l'environnement proche de l'appareil: électricité, vapeur ou tout autre fluide caloporteur. Enfin, la quantité d'énergie mise en oeuvre est faible de part le procédé utilisé. The present invention aims to reconcile a low investment cost with a low operating cost. Indeed, the device combines several organs that are generally separated, namely the evaporator, the condenser, the vapor separator. Implantation is thus facilitated and the space requirement is limited. There are no rotating machines related to the process so no maintenance to predict. On the other hand, the energy used can be virtually any source available in the environment close to the apparatus: electricity, steam or any other coolant. Finally, the amount of energy used is low because of the method used.

Le coeur de l'appareil est un double échangeur croisé et un ou plusieurs surchauffeurs. Le double échangeur croisé est constitué de trois parois pouvant être de type tubulaire, plaque ou spiralé ou tout autre forme géométrique pouvant s'adapter au domaine d'application. De l'extérieur vers le centre de l'appareil, on trouve dans l'ordre, la paroi extérieure, le concentrat, la paroi entre le concentrat et le liquide d'alimentation, le liquide d'alimentation, la paroi entre le liquide d'alimentation et les buées/condensats, les buées et condensats. Le surchauffeur est l'appareil qui permet d'apporter l'énergie nécessaire au système pour générer l'évaporation du liquide. Il peut être de nature diverse, à savoir une ou plusieurs résistances chauffantes, un ou plusieurs échangeurs de chaleur utilisant de la vapeur ou tout autre fluide caloporteur comme par exemple de l'eau chaude. Le ou les surchauffeurs sont placés juste en dessous du séparateur de buées et ils sont immergés dans le liquide à évaporer. The heart of the device is a double cross exchanger and one or more superheaters. The double crossed exchanger consists of three walls that can be of the tubular, plate or spiral type or any other geometric shape that can adapt to the field of application. From the outside to the center of the device, the outer wall, the concentrate, the wall between the concentrate and the feed liquid, the feed liquid, the wall between the liquid and the liquid are arranged in order. supply and the fog / condensate, fog and condensate. The superheater is the device that brings the necessary energy to the system to generate the evaporation of the liquid. It may be of various nature, namely one or more heating resistors, one or more heat exchangers using steam or other heat transfer fluid such as hot water. The superheater or superheaters are placed just below the mist separator and they are immersed in the liquid to be evaporated.

Le liquide à évaporer entre dans le double échangeur croisé par le bas où, en remontant, il récupère la chaleur spécifique du concentrât et des condensats, la chaleur latente des buées qui se condensent de l'autre côté de la paroi. Les surchauffeurs transmettent leur énergie thermique au liquide qui se vaporise dans la partie supérieure de l'enceinte. Une séparation naturelle se fait entre le concentrât plus dense et les buées plus légères. Le concentrât va descendre gravitairement vers la sortie située au bas de 5 l'enceinte tout en cédant son énergie au liquide d'alimentation. Les buées sont entraînées dans l'autre partie de l'échangeur croisé où elles vont se condenser en cédant leur énergie au liquide d'alimentation. Les condensats sont alors extraits gravitairement vers la cuve. Les incondensables plus lourd que les buées sont également éliminés gravitairement ou bien ils peuvent être extraits par une pompe 10 à vide. Dans le cas où il n'y a pas de gradient de température important entre le liquide d'alimentation et sa température d'ébullition, on peut ajouter un condenseur supplémentaire avant la pompe à vide. L'énergie à fournir au système ne représente que la différence d'enthalpie de la 15 vapeur d'évaporation et de la vapeur surchauffée, la surchauffe de la vapeur étant réalisée en surchauffant le liquide à concentrer. Au même titre qu'une RMV (Recompression Mécanique de la Vapeur), sa consommation d'énergie devrait se situer aux environs de 10 KW/Tonne d'eau évaporée car la chaleur latente de vaporisation est récupérée par le liquide d'alimentation au niveau du condenseur. En comparaison, il y 20 a plusieurs avantages à la présente invention par rapport à une RMV : il n'y a pas de perte d'énergie liée au rendement du compresseur et surtout, on peut utiliser toute source d'énergie disponible y compris tout liquide dont la température est supérieure à la température d'ébullition du liquide dans le système. Enfm, le coût d'investissement est significativement plus faible car il n'y a pas de compresseur à acheter. Autre 25 avantage, le procédé peut être utilisé même avec des liquides présentant un fort retard à l'ébullition car il suffit d'augmenter la puissance transmise par les surchauffeurs pour augmenter le delta de température, il n'y a pas de limite physique lié au taux de compression du compresseur sélectionné comme dans le cas de la RMV. Dans le cas du dessalement de l'eau de mer afin de diminuer les opérations de 30 pompage et les investissements, l'enceinte peut être immergée. On peut même envisager un système autonome qui utiliserait l'énergie solaire comme énergie thermique et ne nécessiterait qu'une pompe pour évacuer l'eau dessalée. The liquid to be evaporated enters the double cross-over heat exchanger at the bottom where, going up, it recovers the specific heat of the concentrate and the condensates, the latent heat of the fumes which condense on the other side of the wall. The superheaters transmit their thermal energy to the liquid that vaporizes in the upper part of the enclosure. A natural separation is between the denser concentrate and the lighter mist. The concentrate will gravitate toward the outlet at the bottom of the enclosure while yielding its energy to the feed liquid. The fumes are drawn into the other part of the cross exchanger where they will condense by yielding their energy to the feed liquid. The condensates are then extracted gravitarily towards the tank. The incondensables heavier than the fumes are also eliminated gravitarily or they can be extracted by a vacuum pump. In the case where there is no significant temperature gradient between the feed liquid and its boiling point, an additional condenser can be added before the vacuum pump. The energy to be supplied to the system only represents the difference in enthalpy of the evaporative vapor and the superheated vapor, the superheating of the steam being carried out by superheating the liquid to be concentrated. In the same way as a RMV (Mechanical Steam Recompression), its energy consumption should be around 10 KW / Ton of evaporated water because the latent heat of vaporization is recovered by the liquid feed at the level of condenser. In comparison, there are several advantages to the present invention over an RMV: there is no energy loss related to compressor efficiency and most importantly, any available energy source can be used including any liquid whose temperature is higher than the boiling point of the liquid in the system. Finally, the investment cost is significantly lower because there is no compressor to buy. Another advantage is that the process can be used even with liquids with a high boiling retardency because it is sufficient to increase the power transmitted by the superheaters to increase the temperature delta, there is no bounded physical limit at the compression ratio of the selected compressor as in the case of RMV. In the case of desalination of seawater in order to reduce pumping operations and investments, the enclosure may be submerged. One can even consider an autonomous system that would use solar energy as thermal energy and require only a pump to evacuate the desalinated water.

La description détaillée ci-après se rapporte à un exemple non limitatif d'une des 35 formes de réalisation de l'objet de l'invention, en se référant aux dessins annexes représentant schématiquement le dispositif dans son ensemble. The following detailed description refers to a non-limiting example of one of the embodiments of the subject of the invention, with reference to the accompanying drawings schematically showing the device as a whole.

Les figures la, lb (Fig la et Fig lb) représentent l'appareil vu de face. Fig la représente un évaporateur avec les surchauffeurs (11) dans la partie centrale, au milieu des prises d'aspirations du condenseur (32). Fig lb représente un évaporateur avec les surchauffeurs (11) en position déportées. Les figures 2a, 2b et 2c (Fig 2a, Fig 2b et Fig 2C) représente l'appareil vu de profil avec les différentes options retenues pour le surchauffeur immergé (11) : Fig 2a représente le cas d'un chauffage avec de la vapeur : arrivée vapeur (19) avec purgeur (16) et sortie condensats vapeur (17). Fig 2b représente le cas d'un chauffage avec une résistance (18). Fig 2c représente le cas d'un chauffage avec un fluide caloporteur : arrivée fluide caloporteur (20) et sortie fluide caloporteur (21). Les figures 3a et 3b (Fig 3a et Fig 3b) représentent les différentes options pour l'évacuation des condensats et des incondensables : Fig 3a représente l'évacuation des incondensables via une cheminée (10) à l'atmosphère et Fig 3b représente l'évacuation des incondensables via une pompe à vide (23). Fig 3c représente l'évacuation des incondensables via un condenseur additionnel (27) et une pompe à vide (23). Figures la, lb (Fig la and Fig lb) represent the apparatus seen from the front. Fig la shows an evaporator with the superheaters (11) in the central part, in the middle of aspirations of the condenser (32). Fig lb shows an evaporator with the superheaters (11) in remote position. FIGS. 2a, 2b and 2c (FIG. 2a, FIG. 2b and FIG. 2C) represent the apparatus seen in profile with the various options selected for the submerged superheater (11): FIG. 2a represents the case of heating with steam steam inlet (19) with trap (16) and steam outlet (17). Fig 2b shows the case of heating with a resistor (18). FIG. 2c represents the case of heating with a heat transfer fluid: heat transfer fluid inlet (20) and heat transfer fluid outlet (21). FIGS. 3a and 3b (FIGS. 3a and 3b) show the different options for the evacuation of condensates and incondensables: FIG. 3a represents the evacuation of the incondensables via a chimney (10) to the atmosphere and FIG. 3b represents the evacuation of incondensables via a vacuum pump (23). Fig 3c shows the evacuation of incondensables via an additional condenser (27) and a vacuum pump (23).

L'appareil est constitué d'une enceinte cylindrique (4) isolée thermiquement (6). Dans l'enceinte, on retrouve le double échangeur croisé (7) qui est réalisé avec plusieurs unités (33) composées de deux tubes concentriques disposés parallèlement et d'une hauteur suffisante pour assurer si besoin un gradient de température entre le haut et le bas de l'échangeur. Le nombre d'unités (33) dépend de la capacité évaporatoire que l'on souhaite installer. Toutes ces unités (33) ont leur paroi extérieure en contact avec le concentrât (8). Entre les deux tubes d'une unité (33), on retrouve le liquide d'alimentation (1) qui est amené par le collecteur d'alimentation (30) situé en bas de l'enceinte (4). A l'intérieur du tube intérieur, on retrouve les buées (2) qui se condensent le long de la paroi en commun avec le liquide d'alimentation (9). Les condensats sont récupérés par le collecteur de condensats (31) et acheminées vers la sortie vers le bac condensats (3). Le séparateur de buées (14) est situé au dessus de l'échangeur croisé (7) et au dessus du niveau de liquide (5). Il est dimensionné de telle sorte que les entraînements soient réduits au minimum. Les surchauffeurs (11) sont situées au niveau de la partie haute de l'échangeur croisé (7) dans la partie concentrat. Ils peuvent être positionnés dans la partie centrale voir Fig la, c'est-à-dire intercalés entre les aspirations (32) du condenseur de chaque unité. Sinon, ils peuvent être déportés, voir Fig lb, mais quelque soit le choix, il faut toujours que le liquide d'alimentation sortant de l'échangeur croisé (7) renouvelle en permanence le liquide à leur surface, ceci afin d'éviter les phénomènes de surchauffe du produit. Le niveau de liquide (5) dans l'évaporateur est maintenu constant de telle sorte que les surchauffeurs (11) soient en permanence immergés. The apparatus consists of a cylindrical enclosure (4) thermally insulated (6). In the chamber, there is the double crossed exchanger (7) which is made with several units (33) consisting of two concentric tubes arranged in parallel and of sufficient height to ensure if necessary a temperature gradient between the top and bottom of the exchanger. The number of units (33) depends on the evaporative capacity that is to be installed. All these units (33) have their outer wall in contact with the concentrate (8). Between the two tubes of a unit (33), there is the supply liquid (1) which is fed by the supply manifold (30) located at the bottom of the enclosure (4). Inside the inner tube, there are fogs (2) which condense along the wall in common with the liquid supply (9). The condensates are collected by the condensate collector (31) and conveyed to the outlet to the condensate pan (3). The mist separator (14) is located above the cross exchanger (7) and above the liquid level (5). It is dimensioned so that the drives are reduced to a minimum. The superheaters (11) are located at the upper part of the cross exchanger (7) in the concentrat part. They can be positioned in the central part see Fig la, that is to say interposed between the aspirations (32) of the condenser of each unit. Otherwise, they can be deported, see Fig lb, but whatever the choice, it is always necessary that the feed liquid leaving the cross exchanger (7) constantly renews the liquid on their surface, this in order to avoid the overheating phenomena of the product. The liquid level (5) in the evaporator is kept constant so that the superheaters (11) are permanently immersed.

Des déflecteurs (29) peuvent être installés en sortie de l'échangeur croisé (7) pour guider le liquide d'alimentation vers les surchauffeurs (11). Ils peuvent également servir à limiter les phénomènes de convection du liquide dans la partie concentrat. Deflectors (29) can be installed at the outlet of the cross exchanger (7) to guide the feed liquid to the superheaters (11). They can also serve to limit the phenomena of convection of the liquid in the concentrated part.

Les équipements associés à l'enceinte d'évapo-condensation sont une cuve d'alimentation, une cuve de réception du concentrât et une cuve de condensats (28) sur laquelle est connectée une cheminée (10) ou un départ vers un condenseur (27) et/ou une pompe à vide (23) pour l'extraction des incondensables. On trouvera également les organes de régulation de niveau, de débit, de pression, ainsi qu'un séparateur de gouttelettes (15) pour limiter l'entraînement de produit vers les condensats. Cette liste d'équipements associés est non exhaustive. The equipment associated with the evapo-condensation chamber is a feed tank, a concentrate receiving tank and a condensate tank (28) to which is connected a chimney (10) or a flow to a condenser (27). and / or a vacuum pump (23) for the extraction of incondensables. The level, flow, and pressure regulators as well as a droplet separator (15) are also provided to limit the product entrainment to the condensates. This list of associated equipment is not exhaustive.

Le liquide à évaporer arrive par le collecteur d'alimentation (30). Il entre alors dans le double échangeur croisé (7) par le bas où, en remontant, il récupère la chaleur spécifique du concentrât (8), la chaleur spécifique et la chaleur latente des buées (2) qui se condensent de l'autre côté de la paroi (9). Les surchauffeurs transmettent leur énergie thermique au liquide qui se vaporise dans la partie supérieure de l'enceinte. Ce sont les surchauffeurs (11) qui permettent d'amorcer l'évaporation dans la phase de démarrage. Au niveau des surchauffeurs (11), une séparation naturelle se fait entre le concentrât plus dense et les buées plus légères (2). Le concentrât va descendre gravitairement vers la sortie (13) située au bas de l'enceinte (4) tout en cédant son énergie au liquide d'alimentation (8). Le débit de concentrat sera réglé à l'aide d'une vanne. Les buées (2) sont entraînées dans l'aspiration des condenseurs (32) de chaque unité où elles vont se condenser le long de la paroi (9) en cédant leur énergie au liquide d'alimentation. Les condensats sont alors extraits gravitairement vers le collecteur de condensats (31) puis vers la cuve condensats (28) de laquelle ils peuvent être pompés pour être évacués (25). Il est à noter que la sortie vers bac condensat (3) est connectée à l'entrée vers bac condensats (22). The liquid to be evaporated arrives through the supply manifold (30). It then enters the double crossed exchanger (7) from the bottom where, going up, it recovers the specific heat of the concentrate (8), the specific heat and the latent heat of the fumes (2) which condense on the other side of the wall (9). The superheaters transmit their thermal energy to the liquid that vaporizes in the upper part of the enclosure. It is the superheaters (11) that allow to begin evaporation in the startup phase. At the level of the superheaters (11), a natural separation is made between the denser concentrate and the lighter fumes (2). The concentrate will descend gravitarily to the outlet (13) at the bottom of the enclosure (4) while yielding its energy to the feed liquid (8). Concentrate flow will be adjusted using a valve. The fumes (2) are entrained in the suction condensers (32) of each unit where they will condense along the wall (9) by yielding their energy to the liquid supply. The condensates are then extracted gravitarily to the condensate collector (31) and then to the condensate tank (28) from which they can be pumped to be evacuated (25). It should be noted that the outlet to condensate tank (3) is connected to the inlet to condensate pan (22).

Les incondensables contenus dans le liquide d'alimentation s'évacuent gravitairement au fur et à mesure que des buées d'évaporation sont générées. Ils passent également par le collecteur de condensats (30) et arrivent dans le bac condensat (28). Ils sont alors extraits (12) par une cheminée (10), voir Fig 3a. Dans le cas où l'on souhaite diminuer la température d'évaporation afin de limiter l'encrassement ou de préserver la nature du produit, on peut mettre en place une pompe à vide (23) au niveau de la cuve de condensats, voir Fig 2b et Fig 2c. C'est cette pompe à vide qui évacue les incondensables et la pression dans l'enceinte au niveau du séparateur de buées (14) détermine la température d'ébullition du liquide. Pour éviter un condenseur additionnel qui nécessiterait un réfrigérant externe au système, il faut maintenir un gradient de température au niveau des liquides d'alimentation, de concentrat et de condensat entre le haut et le bas de l'échangeur croisé. Dans le cas où l'on ne pourrait maintenir un gradient de température, on peut ajouter un condenseur (27) supplémentaire avant la pompe à vide, voir Fig 3c. Ce condenseur possède une entrée réfrigérant (25), une sortie réfrigérant (26). The incondensables contained in the feed liquid evacuate gravitarily as evaporation fumes are generated. They also pass through the condensate collector (30) and arrive in the condensate pan (28). They are then extracted (12) by a chimney (10), see Fig 3a. In the case where it is desired to reduce the evaporation temperature in order to limit fouling or to preserve the nature of the product, a vacuum pump (23) can be set up at the level of the condensate tank, see FIG. 2b and Fig 2c. It is this vacuum pump that evacuates the incondensables and the pressure in the chamber at the mist separator (14) determines the boiling temperature of the liquid. To avoid an additional condenser that would require external refrigerant to the system, it is necessary to maintain a temperature gradient in the feed liquids, concentrate and condensate between the top and bottom of the cross exchanger. In the case where a temperature gradient can not be maintained, an additional condenser (27) can be added before the vacuum pump, see FIG. 3c. This condenser has a refrigerant inlet (25), a refrigerant outlet (26).

Il va de soi que l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de la présente invention. It goes without saying that the invention is not limited to those of its modes of application, nor to those of the embodiments of its various parts. Modifications are possible, especially from the point of view of the constitution of the various elements or by substitution of technical equivalents, without departing from the scope of the present invention.

Claims

CLAIMS1) A method of evaporation and distillation characterized by the fact that it uses the same energy principle as the RMV (Mechanical Steam Recompression) with the difference in the mode of transmission of energy to the system. In the case of RMV, the mechanical energy is transformed into heat energy transmitted directly to the steam. In the process described in the invention, the thermal energy of the superheaters (11) is transmitted to the liquid to be evaporated, which is then transmitted to the steam (2).

2) Evaporation and distillation plant according to claim 1, characterized in that the condenser (7), the liquid separator (14) and the superheaters (11) are combined in the same chamber (4) thermally insulated ( 6).

3) Installation according to claims 1 and 2 characterized by the connections on the enclosure: a product inlet (1), a concentrate outlet (13), a condensate outlet (3), an inlet for the source of thermal energy that can depending on the options, a heating resistor (18), a vapor inlet (19), a heat transfer fluid (20) and an outlet: the steam condensates (17) or the coolant (21).

4) Installation according to claims 1 to 4 characterized by the presence of a double cross exchanger (7) consisting of units and characterized by the presence of superheaters (11), which may be tubular, plate or spiral or any other form geometric design that can be adapted to the field of application.

5) Installation according to claims 1 to 5 characterized in that the superheaters (11) are permanently immersed in the liquid to be evaporated

6) Process and installation of evaporation and distillation according to claims 1 to 5 characterized in that the feed liquid enters the chamber from below (1), recovers back in the central part of each unit (33) of the double crossed exchanger (7) the specific heat of the concentrate (8) and the condensates (9), the latent heat of the condensing vapors (9), leaves at the top of the double crossed exchanger (7) and arrives on the superheaters (11) where it recovers the thermal energy and then separates in the liquid separator (14) in fumes (2) which condense down the wall of the condenser (9) and exit into the tank 25condensates (28) and concentrate falling down the outside of the double cross exchanger (8) which leaves at the bottom of the enclosure (13).

7) Installation according to claims 1 to 6 characterized in that there may be no additional condenser (27), see Fig 3a and Fig 3b in the case where the temperature of the supply liquid is sufficiently far from its boiling temperature to ensure a temperature gradient between the top and bottom of the cross exchanger (7).

8) Installation according to claims 1 to 7 characterized in that the energy source used can be a low entropy energy as in the case where the heat transfer fluid (20) is hot water.