WO2011124806A1 - Installation de dessalement d'eau de mer par distillation a effets multiples - Google Patents

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WO2011124806A1
WO2011124806A1 PCT/FR2011/050620 FR2011050620W WO2011124806A1 WO 2011124806 A1 WO2011124806 A1 WO 2011124806A1 FR 2011050620 W FR2011050620 W FR 2011050620W WO 2011124806 A1 WO2011124806 A1 WO 2011124806A1
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brine
effect
steam
exchanger
seawater
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PCT/FR2011/050620
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Dominique Larger
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I.D.
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/04—Evaporators with horizontal tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/30—Accessories for evaporators ; Constructional details thereof
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • 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
    • C02F1/048—Purification of waste water by evaporation
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    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination

Definitions

  • the invention relates to a seawater desalination plant by multi-effect distillation (MED or Multi Effect Distillation).
  • MED multi-effect distillation
  • MED or multi-effect distillation technique is currently the most used and replaces a previous flash distillation technique (MSF or Multi Stage Flash) which is less efficient in terms of investment and energy consumption.
  • MSF or Multi Stage Flash flash distillation technique
  • MED evaporator systems can have high capacities, up to 36,000 m 3 per day, or 1500 tons of evaporated water per hour.
  • the multi-effect distillation is carried out in enclosures or "effects" arranged in series and each comprising a supply of seawater which is run off on horizontal tubes of vapor passage connected by one end to a steam box and by their other end to a water box.
  • MED plants consume a small amount of electrical energy, mainly for the circulation of seawater and for the extraction of distilled water and brine, and are associated with low-temperature heat sources, the order of 70 ° C, the thermal energy consumption of an installation depending on the number of effects.
  • a six-effect MED plant can produce, for example, about 5.4 tons of distilled water per ton of vapor condensing in the first effect.
  • the efficiency of this installation is characterized by the ratio of quantity of distilled water / tonne of condensed vapor, called GOR (Gain Output Ratio). Since the heat source is not always vapor, the GOR is estimated by the latent heat ratio of the steam (648kWh / t) / heat consumed per ton of distilled water in kWh / t.
  • a GOR of 5.4 thus corresponds to a specific heat consumption of 120 kWh per tonne of distilled water.
  • a MED plant To reduce the energy consumption of a MED plant, it can be supplied with heat at high temperature (above 1 10 ° C) in the form of steam at high or medium pressure, produced for example by a boiler or a steam turbine in an electricity generating facility.
  • This technique described in documents FR 2869307 and FR 2867771, consists in using an injector or thermocomputer to recycle a portion of the vapor produced in a low temperature effect (and therefore at low pressure) by compressing it to inject it. as heating vapor in the first effect.
  • the vapor pressure is less than 5 bar, that is to say when the temperature of the heat source is less than about 150 ° C.
  • We can not therefore use this technique when the heat source available is for example: hot water from solar collectors at a temperature of about 80 ° C. to 100 ° C.
  • the present invention essentially relates to a multi-effect distillation plant, operating with a heat source at a temperature above 75 ° C and for example between 75 ° C and 150 ° C.
  • each effect comprising a bundle of condensation tubes whose inputs are fed by a steam box and the outlets are connected to a water box, these tubes extending into an enclosure equipped with a seawater supply for the runoff of seawater on the tubes and a steam outlet opening into a steam box of the subsequent effect or in a condenser in the case of the last effect, characterized in that it comprises a seawater heating exchanger or a feed brine of the first effect steam box, this exchanger comprising a primary circuit connected to an external source of heat having a temperature greater than 75 ° C, and a secondary circuit for passing sea water or brine connected to the outlet of the first effect steam box and injecting seawater therein or brine at a temperature greater than 70 ° C and at a pressure higher than the liquid-vapor equilibrium pressure in the steam box to produce by expansion of the vapor that passes into the tubes of the first effect and condenses to be recovered in the water box of the first effect, the latter
  • the seawater or brine is heated and evaporated at temperatures above 70.degree. precipitation of encrusting salts, thanks to the fact that the evaporation of this water is effected by expansion in the first effect steam box, outside the heat exchanger.
  • Feeding the first effect with steam at a temperature of at least 70 ° C results in a significant increase in the production of distilled water, for a given energy consumption.
  • the seawater or the brine circulates at a relatively high speed, typically at least 1.5 m / s in the secondary circuit of the heating exchanger, which limits or avoids the precipitation of incrusting salts in this exchanger .
  • the secondary circuit of the heating exchanger is fed with a mixture of sea water and brine extracted from the first effect steam box, the seawater being supplied by a circuit that feeds the speakers of different effects and being preheated in condensers that are fed with steam through the outlet ducts of the steam boxes of different effects.
  • the mass flow rate of sea water mixed with the brine before passing through the heating exchanger is greater than about two times the mass flow rate of vapor produced by expansion in the first effect steam box, and is for example between two and four times this flow of relaxation steam. This makes it possible to maintain the average salt concentration of the brine circuit constant and to avoid salt precipitation.
  • the first effect steam box is connected to the enclosure of the first effect by a brine conduit, for extracting the brine from the steam box and injecting it into the brine. enclosure, the mass flow of brine in this conduit being equal to the difference between the aforementioned mass flow of seawater and the mass flow rate of vapor produced by expansion.
  • the invention provides for associating heat recovery stages with the heat exchanger to produce additional distilled water without consuming more heat. heat, thus increasing the production capacity of the installation and decreasing the specific consumption of thermal energy.
  • the installation according to the invention comprises heat recovery stages connected in series between the first brine extraction pipe and the secondary circuit of the heat exchanger, each of these stages comprising a condenser and a space of relaxation, the condensers being connected to the first brine extraction pipe and supplying the secondary circuit of the heating exchanger, the expansion spaces being supplied by the output of the secondary circuit of this exchanger and being connected at the output to a conduit injection in the first effect steam box, distilled water being produced in the condensers and added to that produced in the first effect.
  • the primary circuit of the heating exchanger of this installation can be supplied by the heat source at a temperature of, for example, between 85 ° C. and 150 ° C.
  • FIG. 1 shows schematically an effect of a known seawater desalination plant
  • FIG. 2 diagrammatically represents a known installation with six successive effects
  • FIG. 3 is a partial view showing a heating exchanger and the first two effects of an installation according to the invention
  • FIG. 4 is a partial view showing a heat exchanger and heat recovery stages for supplying the first effect of an installation according to the invention
  • FIG. 7 is a graph illustrating the performance of an installation according to the invention.
  • FIG. 2 The installation of FIG. 2 comprises six speakers or "effects" 10 arranged in series, each containing a bundle of horizontal tubes 12 of vapor condensation which extend between a steam box 14 and a water box 16, each enclosure 10 further containing means 18 for distributing seawater on the tubes 12, the seawater being supplied to the distribution means 18 by a circuit 20 which comprises heaters 22 traversed by the seawater and fed by steam leaving an enclosure 10, each heater 22 having a steam inlet duct 24 connected to a steam outlet of the corresponding enclosure 10.
  • the installation comprises an effect heater, except in the last effect where the sea water is heated by a condenser 28.
  • the steam box 14 of the first chamber 10 comprises a conduit 26 for supplying steam.
  • the upper part of the first chamber 10 comprises a steam outlet which supplies, on the one hand, the duct 24 of a heater 22 and, on the other hand, the inlet 26 of the steam box 14 of the second enclosure 10.
  • a vapor outlet of the second chamber 10 feeds the conduit 24 of a heater 22 and the inlet 26 of the steam box 14 of the third enclosure 10, and so on, the vapor outlet of the sixth enclosure 10 supplying an inlet of a condenser 28 traversed by the seawater entering the circuit 20 supply of the speakers, the condenser 28 comprising a conduit 30 for distilled water outlet.
  • the water box 16 of the first enclosure comprises in the lower part a condensate outlet duct 31 ensuring their return to the means for producing the steam arriving in the steam box 14.
  • the first chamber 10 comprises, under the tubes 12, a brine outlet duct 34 connected to the second chamber 10 under the tubes 12.
  • the water box 16 of the second chamber 10 comprises in the lower part a conduit 36 for distilled water outlet, which is connected to the lower part of the steam box 14 of the third enclosure 10.
  • a conduit 38 for extraction and brine circulation connects the lower part of the second chamber 10 to the lower part of the third chamber 10, under the tubes 12.
  • the sixth enclosure 10 comprises in the lower part an outlet conduit 40 and brine extraction, equipped with a pump 42, and its water box 16 comprises in the lower part a conduit 44 distilled water outlet, connected to the conduit 30 of the condenser 28, an extraction pump 46 being mounted in the common downstream portion of these two ducts.
  • the bundle of tubes 12 of an enclosure 10 comprises two steam paths with two water boxes 16 and 48 respectively, the second water box 48 being located in the steam box 14 at the outlet of a small number of tubes 12 which are supplied with steam at their opposite end in the water box 16.
  • the second water box 48 comprises in the upper part an outlet pipe 50 of incondensable, and in the lower part a U-tube 52 for discharging distilled water into the steam box 14.
  • the water is then returned to the water box 16 of the chamber 10, or by the lowest tubes 12 of this enclosure, either by a U-shaped tube 54 outside the enclosure 10, to avoid drowning the lowest tubes of the enclosure. This deposition is perm and the recovery of the condensates at the end of the condensation of the steam.
  • FIGS. 1 and 2 The installation shown in FIGS. 1 and 2 operates as follows:
  • Steam is introduced at 26 in the steam box 14 and in the tubes 12 of the first chamber 10, at an absolute pressure of 0.31 bar and condenses inside the tubes 12 at the temperature TC1 of about 70 ° C.
  • the seawater supplied by the circuit 20 and preheated in the heaters 22 flows on the tubes 12 of the first chamber 10 and is vaporized outside these tubes at a temperature of about 67 ° C. under an absolute pressure of about 0.27 bar.
  • the vapor produced in the first chamber 10 is directed at 24, 26 to the last heater 22 of the circuit 20 and to the inlet of the steam box 14 of the second chamber 10.
  • the brine is extracted from the lower part of the first enclosure 10 via the conduit 34 to be injected into the lower part of the second enclosure 10.
  • the heating is provided by the steam from the chamber 10 of the first effect, at an absolute pressure of 0.26 bar, which corresponds to a condensation temperature close to 66 ° C.
  • the vapor which has condensed in the tubes 12 of the second effect is collected in the water box 16 of this second effect and is injected into the steam box 14 of the third effect via the duct 36.
  • the steam produced in the second chamber 10 feeds the second to last heater 22 of the circuit 20 and the steam box 14 of the third effect 10, the brine being extracted from the second chamber by the conduit 38 and injected into the third enclosure 10.
  • the number of effects of the installation is limited by the temperature of the seawater, which is the cold source of the system.
  • the steam produced is condensed in the condenser 28 which is at the inlet of the seawater supply circuit 20. If this seawater is at a temperature of 30 ° C., it is heated. 30 to 42 ° C by passing through the condenser 28 while the steam exiting the last enclosure 10 is condensed at a TCC temperature of about 46 ° C under an absolute pressure of 0.1 bar.
  • the seawater which has been reheated in the condenser 28 is injected into the sixth, fifth, fourth, third, second and first effects, where it flows on the tubes 12 to be partially evaporated.
  • the circuit 20 may comprise downstream of the condenser 28 a conduit 56 of seawater discharge, depending on the seawater temperature at the inlet.
  • the distilled water which comes from the condensation of the vapor produced by evaporation of the seawater in an enclosure 10 is injected into the next enclosure 10 by virtue of the pressure difference existing between the enclosures.
  • the distilled water produced in the last enclosure 10 is mixed with the water leaving the condenser 28 to be pumped out.
  • incondensable gases are found inside the various effects, these gases coming from the degassing of the sea water and the air intakes in the enclosures, which are due to the practical impossibility. to achieve a perfect seal.
  • These incondensables are collected in the water boxes 48 ( Figure 1) and in the condenser 28 and recompressed at atmospheric pressure to be released to the atmosphere.
  • thermo-compressors also called thermo-compressors
  • thermocompressor does not allow a significant reduction in energy consumption when the temperature of the heat source is below 150 ° C and it does not work. when it is below 100 ° C. In the latter case, there is no known way to reduce energy consumption.
  • a heat source S is connected to the primary circuit 60 of a heating exchanger 62 associated with the steam box 14 of the first enclosure 10 of a seawater desalination plant.
  • the exchanger 62 having a secondary circuit formed of a set of tubes 64 for circulating a mixture of sea water and brine, the brine being extracted from the steam box 14 of the first enclosure 10 by means of a pump 66 and a conduit 68 opening partially Bottom of the steam box 14.
  • the seawater is supplied by the supply circuit of the enclosures 10 and is mixed with the brine extracted via the duct 68.
  • the seawater-brine mixture circulates in the secondary circuit 64 the heating exchanger 62 to be reinjected by a pipe 70 into the steam box 14 of the first chamber 10.
  • This seawater-brine mixture is cooled by expansion in the steam box 14 by producing steam at a pressure close to the equilibrium liquid-vapor pressure in the steam box 14.
  • This vapor then circulates in the tubes 12 of the first chamber and condenses in these tubes, providing heat allowing a partial vaporization of the water
  • a duct 32 connects the water box 16 to the steam box 14 of the second effect for extracting the distilled water produced by condensation of the steam.
  • a conduit 88 connects the steam box 14 and the chamber 10 of the first effect for the circulation of the brine.
  • a partition 72 can be installed in the water box 14 of the first enclosure to divide it into two compartments, one of which is a compartment for the production of steam by expansion and the other of which supplies steam to the tubes 12 of the first chamber. enclosure 10, the partition 72 thus forming a separation between the brine and the steam. It is also possible to provide a deflector 74 at the outlet of the duct 70 in the box 14 to prevent the projection of brine during expansion, and a droplet separator 76, for example made of woven metal, between the two compartments of the steam box 14 .
  • the seawater which is supplied by the circuit 20 to be mixed with the brine in the conduit 68 passes into an additional heater 78 supplied with steam from the upper part of the steam box 14 of the first chamber 10.
  • This heater 78 is followed by one or more condensers 80 fed by steam supplied by one or more ejectors 82 for extracting the incondensables 84 from the condenser 28 of the last effect 10 and the Steam boxes 48, the ejectors 82 for recompressing these incondensables and then reject them to the atmosphere, using high pressure steam 86 input ejectors.
  • the seawater is thus heated successively in the heater 78 and in the condensers 80 before being mixed with the brine extracted from the first-effect steam box 14 in the duct 68.
  • a mixture of sea water and brine is injected into the first effect steam box 14 via line 70 at a temperature T2 which is greater than about 70 ° C., the absolute pressure in the steam box 14 being About 0.3 bar.
  • the mixture of sea water and brine is cooled by expansion in the steam box 14 at a temperature T1 of about 70 ° C by producing steam at a pressure close to the pressure of the liquid-vapor equilibrium, about 0.3 bar.
  • This vapor passes into the tubes 12 of the first effect 10 and condenses by yielding heat to the seawater flowing on the tubes 12 and causing the partial evaporation of this seawater.
  • the condensation temperature of the TC1 vapor is slightly lower than the brine temperature due to the salinity and the pressure drops of the steam.
  • the flash steam flow is between 0.5 and 5% of the brine flow.
  • the partition 72 arranged in the steam box 14 ensures the separation between the steam that passes into the tubes 12 and the brine, which is extracted from the steam box 14 by a conduit 88 to be introduced into the chamber 10 of the first effect , under the tubes 12.
  • a brine flow is also extracted from the first effect steam box 14 by pumping into the conduit 68, to be mixed with the seawater supplied by a line 90 from the outlet of the end mounted condensers 80 of the circuit. , the mixture of sea water and brine passing then in the tubes 64 of the exchanger 62 fed by the heat source S at an average temperature above 75 ° C, the heat source S providing for example steam at an absolute pressure greater than 0.38 bar.
  • the circulation velocity of the seawater-brine mixture in the secondary circuit 64 of the exchanger 62 is preferably greater than 1.5 m / s to avoid salt encrustation in the secondary circuit 64.
  • the conduit 70 for injecting the seawater-brine mixture into the steambox may be equipped with means for maintaining a sufficient pressure in this mixture, to prevent its vaporization upstream of the steambox 14.
  • the mass flow rate of seawater which is added to the brine extracted via line 68 is between about two and four times the rate of expansion steam in the steam box 14, to keep the average salt concentration substantially constant. brine circuit and avoid the risk of precipitation or crystallization.
  • the flow rate of brine extracted from the steam box 14 via line 88 is determined in order to keep the volume of the brine circulating in the installation constant, the flow of brine in line 88 being equal to the difference between the flow rate of seawater brought by the pipe 90 and the flash-gas flow, ie one to three times the flow of flash steam.
  • the distilled water from the flash steam which has condensed inside the tubes 12 of the first effect 10, is injected via the conduit 32 into the second effect 10 to be mixed with the distilled water produced for this purpose.
  • the additional distilled water condensation in the first effect 10 of the installation of FIG. 3 makes it possible to increase the production, for example by more than 15% in the case of a MED installation with six effects.
  • This increase in production of distilled water is made without increasing the thermal consumption and therefore reduces the specific heat consumption in the same proportions.
  • the invention is applicable to an existing MED installation without difficulty, since the relaxation of the brine takes place in the steam box 14 of the first effect and does not require any modification of the tube network 12 of the first effect.
  • the temperature of the heat supplied by the source S is generally between about 75 ° C. and 150 ° C. When this temperature is greater than about 80 ° C., heat recovery stages such as those provided in the flash-flash seawater desalination plants can be associated with the heat exchanger 62, this characteristic of the heat exchanger. invention being shown schematically in FIG.
  • the heat recovery stages 100 are five in number and designated by the references 101, 102, 103, 104 and 105.
  • Each heat recovery stage comprises a condenser 1 through which the seawater-brine mixture supplied by the conduit 68 and the pump 66 passes, the condensers 1 10 of the recovery stages 100 being connected in series.
  • Each stage 100 also comprises a relaxation space January 12 located under the condenser 1 10, in the same enclosure as this one.
  • the output of the condenser 1 10 of the last heat recovery stage 105 is connected to the input of the secondary circuit of the heat exchanger.
  • heating 62 associated with the heat source S the output of the secondary circuit of this exchanger being connected to the inlet of the expansion space 1 12 of the last recovery stage 105, the relaxation spaces 1 12 of the different stages being connected in series by means 1 14 brine passage at their lower end.
  • the operation of this variant embodiment is as follows: The mixture of seawater and the brine extracted from the steam box 14 of the first effect 10 of the installation is introduced into the condenser 1 10 of the recovery stage 101 the coldest and passes successively in the cores of the 1 1 0 d es to very recovery shelves warming up a temperature T1 equal for example to 70 ° C at a temperature T3 equal for example to 90 ° C at the outlet of the condenser rdu five th stage 1 05 recovery, the absolute pressures of steam ranging from 0.42 bar to about 0.78 bar.
  • the mixture of seawater and brine is then heated in the exchanger 62 to a temperature of about 98 ° C, when the temperature of the heat source S is about 100 ° C.
  • the hot mixture of seawater and brine leaving the exchanger 62 is cooled by expansion in the spaces 1 12 of the heat recovery stages 100, producing vapor which condenses in the condensers 1 10 of these stages. .
  • the mixture of seawater and brine leaving the expansion space 12 of the recovery stage 101 is introduced at 116 in the steam box 14 of the first effect 10 of the installation, in order to produce the relaxing steam.
  • each condenser 1 10 The distilled water that is produced in each condenser 1 10 is collected by U-tubes and injected at 1 18 in the steam box 14 of the first effect 10 of the installation.
  • all of the heat transmitted to the seawater-brine mixture in the exchanger 62 is transferred to the first effect of the installation and the temperature drop of the brine in the first effect, mainly by expansion. , Equals the temperature increase of the brine in the heating exchanger 62.
  • the number of heat recovery stages 100 is greater than the ratio between the temperature difference of the brine in these recovery stages and the temperature difference due to the expansion in the steam box 14.
  • FIG. 5 schematically shows the arrangement of a steam box 14 of the first effect 10 of an installation according to the invention, this arrangement comprising, with respect to a known installation of the prior art:
  • an injector 120 for mixing the seawater supplied by the circuit 20 with the brine extracted from the steam box 14 via the duct 68 and the pump 66, -
  • the injection of brine into the steam box 14 of the first effect 10 is made by U-shaped tubes 1 16 having a height sufficient to avoid the passage of steam between the last evaporator 1 12 and the steam box 14.
  • a brine passage restriction it is possible to install a brine passage restriction to reduce this height and to the limit allow a horizontal flow of the brine.
  • the injection of distilled water from the condensers 1 10 in the steam box 14 on the side of the tubes 12 is made by a tube January 18 whose height is sufficient to prevent a passage of steam between the condenser 1 10 and the box. steam 14.
  • FIG. 7 is a graph representing the GOR values, that is to say the amount of distilled water produced per tonne of steam, taking as a basis of calculation a value of 648 kWh for the heat delivered by a ton of steam, depending on the total surface of the exchangers of an installation, this surface being expressed in m 2 for an hourly production of one ton of distilled water.
  • a first "standard" curve gives the values of the GOR as a function of the exchange surface for MED installations comprising respectively five, six, seven and eight effects.
  • the curve "type 1" gives the values of the GOR as a function of the exchange surface in the case of an installation according to the invention of the type shown in FIGS. 3 and 5, when the heat source S supplies steam to an absolute pressure of 0.6 bar or hot water at a temperature of 90 ° C at the inlet of the heat exchanger and 80 ° C at the outlet of this exchanger.
  • the four points on the type 1, type 2 and type 3 curves give GOR values when the installation includes five effects, six effects, seven effects or eight effects respectively, as in the case of the standard curve.
  • the reduction of the thermal energy consumption can reach about 40%, with a reduction of the exchange surface of 15%.
  • the reduction of the thermal energy consumption can reach 31%, and the exchange surface can decrease by 20%.
  • the invention guarantees the purity of the distilled water produced because it has no contact with the steam of the heat source and therefore does not risk being polluted by the chemical additives generally present in such a vapor.
  • the invention makes it possible to avoid the use of a steam generator when the heat is supplied by a hot water circuit. Since the tube bundle of the first effect of the plant would not withstand the high pressure of the hot water circuit, a generator is used in the prior art to produce low pressure steam from hot water.
  • the heating exchanger 62 used in the installation according to the invention is a standard water / water tubular exchanger and not a steam generator.
  • the installation according to the invention can operate in a wide range of temperatures and powers of the heat source, which can often be very variable, for example depending on the sunlight in the case of solar heating or the electricity demand in the case of steam leaving a turbine.
  • the pressures and temperatures of the installation according to the invention are adaptable to these variations and the installation can permanently produce distilled water depending on the available heat, with the best efficiency.

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Abstract

Installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (62) de chauffage d'une saumure d'alimentation de la boîte à vapeur (14) du premier effet (10), cet échangeur étant alimenté par une source externe de chaleur (S) à une température supérieure à 75°C, la saumure étant injectée dans la boîte à vapeur (14) à une température supérieure à 70°C et à une pression supérieure à la pression d'équilibre liquide-vapeur pour produire par détente de la vapeur qui se condense dans les tubes (12) de l'échangeur du premier effet et est récupérée dans la boîte à eau (16) de ce premier effet.

Description

Installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples
L'invention concerne une installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples (MED ou Multi Effect Distillation).
II est connu de produire de l'eau douce par évaporation d'eau de mer et condensation de la vapeur produite, les installations actuelles permettant d'obtenir, à partir de quatre tonnes environ d'eau de mer, une tonne d'eau distillée et trois tonnes d'eau de mer faiblement concentrée (saumure).
La technique MED ou de distillation à effets multiples est actuellement la plus utilisée et remplace une précédente technique à distillation flash (MSF ou Multi Stage Flash) qui est moins performante en termes d'investissement et de consommation énergétique. Les installations à évaporateur MED peuvent avoir des capacités élevées, jusqu'à 36 000 m3 par jour, soit 1500 tonnes d'eau évaporée par heure.
De façon bien connue, la distillation à effets multiples est effectuée dans des enceintes ou « effets » agencés en série et qui comprennent chacun une alimentation en eau de mer que l'on fait ruisseler sur des tubes horizontaux de passage de vapeur reliés par une extrémité à une boîte à vapeur et par leur autre extrémité à une boîte à eau.
Les installations MED consomment une faible quantité d'énergie électrique, essentiellement pour la circulation de l'eau de mer et pour l'extraction de l'eau distillée et de la saumure, et sont associées à des sources de chaleur à basse température, de l'ordre de 70°C, la consommation d'énergie thermique d'une installation dépendant du nombre d'effets.
Une installation MED à six effets peut produire par exemple environ 5,4 tonnes d'eau distillée par tonne de vapeur se condensant dans le premier effet. L'efficacité de cette installation est caractérisée par le rapport quantité d'eau distillée/tonne de vapeur condensée, appelé GOR (Gain Output Ratio). Comme la source de chaleur n'est pas toujours de la vapeur, le GOR est estimé par le rapport chaleur latente de la vapeur (648kWh/t)/chaleur consommée par tonne d'eau distillée en kWh/t. Un GOR de 5,4 correspond ainsi à une consommation spécifique de chaleur de 120 kWh par tonne d'eau distillée.
Le coût de cette consommation de chaleur est prépondérant dans le coût de production d'eau distillée. Pour le réduire, on cherche à augmenter le nombre N d'effets de l'installation, ce nombre étant toutefois limité par la température TC1 de condensation de la vapeur entrant dans le premier effet, par la température TCC de la vapeur se condensant dans le condenseur du dernier effet, et par l'écart moyen EC des températures de condensation de deux effets successifs. TC1 est inférieur à 72°C environ pour limiter l'entartrage, pour conserver une production constante et pour éviter de fréquents lessivages acides qui sont onéreux et dangereux pour la santé des matériaux de l'installation. TCC est le plus souvent supérieur ou égal à 42°C pour des raisons économiques, pour une température d'eau de mer pouvant atteindre 32°C et pour éviter un fonctionnement avec un vide poussé dans le condenseur. EC est en général compris entre 3°C et 6°C. En conséquence, le nombre N d'effets (N = (TC1 -TCC)/EC) est compris entre 5 et 10.
Pour réduire la consommation énergétique d'une installation MED, on peut l'alimenter en chaleur à température élevée (supérieure à 1 10°C) sous forme de vapeur à haute ou moyenne pression, produite par exemple par une chaudière ou une turbine à vapeur dans une installation de production d'électricité. Cette technique, décrite dans les documents FR 2869307 et FR 2867771 , consiste à utiliser un injecteur ou thermo- compresseur pour recycler une partie de la vapeur produite dans un effet à basse température (et donc à basse pression) en la comprimant pour l'injecter comme vapeur de chauffage dans le premier effet. Elle n'est toutefois pas très performante lorsque la pression de vapeur est inférieure à 5 bars, c'est-à-dire lorsque la température de la source de chaleur est inférieure à 150°C environ. On ne peut donc utiliser cette technique quand la source de chaleur dont on dispose est par exemple : - de l'eau chaude provenant de capteurs solaires, à une température de 80°C à 100°C environ,
- de la vapeur à une pression inférieure à 1 bar,
- de la chaleur de récupération ou en co-génération (par exemple chaleur de refroidissement de moteurs électrogènes) qui est le plus souvent inférieure à 100°C.
La présente invention a essentiellement pour objet une installation de distillation à effets multiples, fonctionnant avec une source de chaleur à une température supérieure à 75°C et par exemple comprise entre 75°C et 150°C environ.
Elle propose une installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples (MED), chaque effet comprenant un faisceau de tubes de condensation dont les entrées sont alimentées par une boîte à vapeur et les sorties sont reliées à une boîte à eau, ces tubes s'étendant dans une enceinte équipée d'une alimentation en eau de mer pour le ruissellement d'eau de mer sur les tubes et d'une sortie de vapeur débouchant dans une boîte à vapeu r de l 'effet su ivant ou dans u n condenseur dans le cas du dernier effet, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chauffage d'eau de mer ou d'une saumure d'alimentation de la boîte à vapeur du premier effet, cet échangeur comprenant un circuit primaire relié à une source externe de chaleur ayant une température supérieure à 75°C, et un circuit secondaire de passage de l'eau de mer ou de la saumure relié en sortie à la boîte à vapeur du premier effet et y injectant de l'eau de mer ou de la saumure à une température supérieure à 70°C et à une pression supérieure à la pression d'équilibre liquide-vapeur dans la boîte à vapeur pour produire par détente de la vapeur qui passe dans les tubes du premier effet et se condense pour être récupérée dans la boîte à eau du premier effet, celle-ci comportant un conduit d'extraction d'eau distillée.
Dans l'installation selon l'invention, l'eau de mer ou la saumure est chauffée et évaporée à des températures supérieures à 70°C sans précipitation de sels incrustants, grâce au fait que l'évaporation de cette eau s'effectue par détente dans la boîte à vapeur du premier effet, en dehors de l'échangeur de chauffage.
L'alimentation du premier effet par de la vapeur à une température d'au moins 70°C se traduit par une augmentation notable de la production d'eau distillée, pour une consommation énergétique donnée.
Avantageusement, l'eau de mer ou la saumure circule à vitesse relativement élevée, typiquement d'au moins 1 ,5m/s dans le circuit secondaire de l'échangeur de chauffage, ce qui limite ou évite les précipitations de sels incrustants dans cet échangeur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit secondaire de l'échangeur de chauffage est alimenté par un mélange d'eau de mer et de saumure extraite de la boîte à vapeur du premier effet, l'eau de mer étant fournie par un circuit qui alimente les enceintes des différents effets et étant préchauffée dans des condenseurs qui sont alimentés en vapeur par des conduits de sortie des boîtes à vapeur des différents effets.
Le débit massique d'eau de mer mélangée à la saumure avant passage dans l'échangeur de chauffage est supérieur à deux fois environ le débit massique de vapeur produit par détente dans la boîte à vapeur du premier effet, et est par exemple compris entre deux et quatre fois ce débit de vapeur de détente. Cela permet de maintenir constante la concentration moyenne en sels du circuit de saumure et d'éviter les précipitations de sels.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la boîte à vapeur du premier effet est reliée à l'enceinte du premier effet par un conduit de saumure, permettant d'extraire la saumure de la boîte à vapeur et de l'injecter dans l'enceinte, le débit massique de saumure dans ce conduit étant égal à la différence entre le débit massique précité d'eau de mer et le débit massique de vapeur produit par détente.
Cela permet de maintenir constant le volume de la saumure qui circule dans l'installation. Lorsque la source de chaleur fournit de la chaleur à une température supérieure à 80°C, l'invention prévoit d'associer des étages de récupération de chaleur à l'échangeur de chauffage, pour produire de l'eau distillée supplémentaire sans consommer davantage de chaleur, en augmentant ainsi la capacité de production de l'installation et en diminuant la consommation spécifique d'énergie thermique.
Pour cela, l'installation selon l'invention comprend des étages de récupération de chaleur montés en série entre le premier conduit d'extraction de saumure et le circuit secondaire de l'échangeur de chauffage, chacun de ces étages comprenant un condenseur et un espace de détente, les condenseurs étant reliés au premier conduit d'extraction de saumure et alimentant le circuit secondaire de l'échangeur de chauffage, les espaces de détente étant alimentés par la sortie du circuit secondaire de cet échangeur et étant reliés en sortie à un conduit d'injection dans la boîte à vapeur du premier effet, de l'eau distillée étant produite dans les condenseurs et ajoutée à celle produite dans le premier effet.
Le circuit primaire de l'échangeur de chauffage de cette installation peut être alimenté par la source de chaleur à une température comprise par exemple entre 85°C et 150°C.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un effet d'une installation connue de dessalement d'eau de mer ;
- la figure 2 représente schématiquement une installation connue à six effets successifs ;
- la figure 3 est une vue partielle représentant un échangeur de chauffage et les deux premiers effets d'une installation selon l'invention ; - la figure 4 est une vue partielle représentant un échangeur de chauffage et des étages de récupération de chaleur pour l'alimentation du premier effet d'une installation selon l'invention ;
- les figures 5 et 6 représentent des détails de réalisation de la boîte à vapeur du premier effet des installations des figures 3 et 4 ;
- la figure 7 est un graphique illustrant les performances d'une installation selon l'invention.
On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 représentant les moyens essentiels d'une installation de dessalement d'eau de mer par distillation à effets multiples.
L'installation de la figure 2 comprend six enceintes ou « effets » 10 agencés en série, contenant chacun un faisceau de tubes horizontaux 12 de condensation de vapeur qui s'étendent entre une boîte à vapeur 14 et une boîte à eau 16, chaque enceinte 10 contenant de plus des moyens 18 de distribution d'eau de mer sur les tubes 12, l'eau de mer étant amenée aux moyens de distribution 18 par un circuit 20 qui comprend des réchauffeurs 22 traversés par l'eau de mer et alimentés par de la vapeur sortant d'une enceinte 10, chaque réchauffeur 22 comportant un conduit d'entrée de vapeur 24 relié à une sortie vapeur de l'enceinte 10 correspondante. Dans l'exemple de la figure 2, l'installation comporte un réchauffeur par effet, sauf dans le dernier effet où l'eau de mer est réchauffée par un condenseur 28.
La boîte à vapeur 14 de la première enceinte 10 comprend un conduit 26 d'amenée de vapeur. La partie supérieure de la première enceinte 10 comprend une sortie de vapeur qui alimente d'une part le conduit 24 d'un réchauffeur 22 et d'autre part l'entrée 26 de la boîte à vapeur 14 de la deuxième enceinte 10. De même, une sortie de vapeur de la deuxième enceinte 10 alimente le conduit 24 d'un réchauffeur 22 et l'entrée 26 de la boîte à vapeur 14 de la troisième enceinte 10, et ainsi de suite, la sortie de vapeur de la sixième enceinte 10 alimentant une entrée d'un condenseur 28 traversé par l'eau de mer entrant dans le circuit 20 d'alimentation des enceintes, le condenseur 28 comprenant un conduit 30 de sortie d'eau distillée.
La boîte à eau 16 de la première enceinte comprend en partie inférieure un conduit 31 de sortie de condensais assurant leur retour aux moyens de production de la vapeur arrivant dans la boîte à vapeur 14.
La première enceinte 10 comprend, sous les tubes 12, un conduit 34 de sortie de saumure, relié à la deuxième enceinte 10 sous les tubes 12.
La boîte à eau 16 de la deuxième enceinte 10 comprend en partie inférieure un conduit 36 de sortie d'eau distillée, qui est raccordé à la partie inférieure de la boîte à vapeur 14 de la troisième enceinte 10. Un conduit 38 d'extraction et de circulation de saumure relie la partie inférieure de la deuxième enceinte 10 à la partie inférieure de la troisième enceinte 10, sous les tubes 12. Les connexions des troisième, quatrième, cinquième et sixième enceintes 10, de leurs boîtes à vapeur et de leurs boîtes à eau sont identiques à celles déjà décrites pour les deuxième et troisième enceintes, comme on peut le voir en figure 2.
La sixième enceinte 10 comprend en partie inférieure un conduit 40 de sortie et d'extraction de saumure, équipé d'une pompe 42, et sa boîte à eau 16 comprend en partie inférieure un conduit 44 de sortie d'eau distillée, raccordé au conduit 30 de sortie du condenseur 28, une pompe d'extraction 46 étant montée dans la partie commune aval de ces deux conduits.
En général, et comme on l'a représenté plus en détail en figure 1 , le faisceau de tubes 12 d'une enceinte 10 comprend deux parcours de vapeur avec deux boîtes à eau 16 et 48 respectivement, la seconde boîte à eau 48 se trouvant dans la boîte à vapeur 14 à la sortie d'un petit nombre de tubes 12 qui sont alimentés en vapeur à leur extrémité opposée dans la boîte à eau 16. La seconde boîte à eau 48 comprend en partie supérieure un conduit 50 de sortie d'incondensables, et en partie inférieure un tube en U 52 de rejet d'eau distillée dans la boîte à vapeur 14. L'eau est ensuite ramenée dans la boîte à eau 16 de l'enceinte 10, soit par les tubes 12 les plus bas de cette enceinte, soit par un tube en U 54 extérieur à l'enceinte 10, pour éviter de noyer les tubes les plus bas de l'enceinte. Cette d ispos ition perm et d e récu pérer l es i ncond ensa bles à l a fi n de l a condensation de la vapeur.
L'installation représentée aux figures 1 et 2 fonctionne de la façon suivante :
De la vapeur est introduite en 26 dans la boîte à vapeur 14 et dans les tubes 12 de la première enceinte 10, à une pression absolue de 0,31 bar et se condense à l'intérieur des tubes 12 à la température TC1 d'environ 70°C.
L'eau de mer fournie par le circuit 20 et préchauffée dans les réchauffeurs 22 ruisselle sur les tubes 12 de la première enceinte 10 et est vaporisée à l'extérieur de ces tubes à une température d'environ 67°C sous une pression absolue d'environ 0,27 bar. La vapeur produite dans la première enceinte 10 est dirigée en 24, 26 vers le dernier réchauffeur 22 du circuit 20 et vers l'entrée de la boîte à vapeur 14 de la deuxième enceinte 10.
La saumure est extraite de la partie inférieure de la première enceinte 10 par le conduit 34 pour être injectée en partie inférieure de la deuxième enceinte 10.
Dans la deuxième enceinte 10, le chauffage est assuré par la vapeur provenant de l'enceinte 10 du premier effet, à une pression absolue de 0,26 bar, ce qui correspond à une température de condensation proche de 66°C. La vapeur qui s'est condensée dans les tubes 12 du deuxième effet est collectée dans la boîte à eau 16 de ce deuxième effet et est injectée dans la boîte à vapeur 14 du troisième effet par la conduit 36.
L'eau de mer qui a été amenée dans la deuxième enceinte 10 par le circuit 20 et qui a ruisselé sur les tubes 12, s'évapore à une température de 63°C environ, sous une pression absolue d'environ 0,22 bar. La vapeur produite dans la deuxième enceinte 10 alimente l'avant dernier réchauffeur 22 du circuit 20 et la boîte à vapeur 14 du troisième effet 10, la saumure étant extraite de la deuxième enceinte par le conduit 38 et injectée dans la troisième enceinte 10.
Le même processus est répété dans les troisième, quatrième, cinquième et sixième enceintes 10, les températures de condensation de la vapeur produite par évaporation de l'eau de mer diminuant d'environ 4°C d'une enceinte à la suivante. Cette diminution correspond à l'écart EC mentionné ci-dessus.
Le nombre d'effets de l'installation est limité par la température de l'eau de mer, qui est la source froide du système. Dans le dernier effet 10, la vapeur produite est condensée dans le condenseur 28 qui se trouve à l'entrée du circuit 20 d'alimentation en eau de mer. Si cette eau de mer est à une température de 30°C, elle est échauffée de 30 à 42°C par passage dans le condenseur 28 tandis que la vapeur sortant de la dernière enceinte 10 est condensée à une températu re TCC d 'environ 46°C sous u ne pression absolue de 0,1 bar.
L'eau de mer qui a été réchauffée dans le condenseur 28 est injectée dans les sixième, cinquième, quatrième, troisième, deuxième et premier effets, où elle ruisselle sur les tubes 12 pour être partiellement évaporée. Le circuit 20 peut comprendre en aval du condenseur 28 un conduit 56 de rejet d'eau de mer, en fonction de la température de l'eau de mer à l'entrée.
L'eau distillée qui provient de la condensation de la vapeur produite par évaporation de l'eau de mer dans une enceinte 10 est injectée dans l'enceinte 10 suivante grâce à la différence de pression existant entre les enceintes. L'eau distillée produite dans la dernière enceinte 10 est mélangée avec l'eau sortant d u condenseur 28 pour être extraite par pompage.
La circulation et l'extraction de la saumure s'effectuent de façon similaire dans les différentes enceintes. La saumure produite dans une enceinte est injectée dans l'enceinte suivante sous l'action de la différence de pression dans les enceintes, et elle est extraite de la dernière enceinte
10 au moyen du conduit 40 et de la pompe 42.
Comme l'installation fonctionne sous vide, des gaz incondensables se retrouvent à l'intérieur des différents effets, ces gaz provenant du dégazage de l'eau de mer et des entrées d'air dans les enceintes, qui sont dues à l'impossibilité pratique de réaliser une étanchéité parfaite. Ces incondensables sont collectés dans les boîtes à eau 48 (figure 1 ) et dans le condenseur 28 et recomprimés à la pression atmosphérique pour être rejetés à l'atmosphère.
Comme indiqué plus haut, on a cherché à réduire la consommation énergétique d'une telle installation lorsque la chaleur disponible est à une température élevée, supérieure à 1 10°C, sous forme de vapeur à moyenne ou haute pression. On utilise dans ce cas des éjecteurs, appelés également thermo-compresseurs, pour recycler une partie de la vapeur produite dans un effet à basse température et à basse pression, en la comprimant pour l'injecter comme vapeur de chauffage dans le premier effet de l'installation.
11 faut noter toutefois qu'à cause de la trop faible pression de la vapeur, le thermocompresseur ne permet pas une réduction significative de la consommation énergétique lorsque la température de la source de chaleur est inférieure à 150°C et qu'il ne fonctionne pas lorsque celle-ci est inférieure à 100°C. Dans ce dernier cas, il n'existe aucun moyen connu pour réduire la consommation énergétique.
La présente invention permet notamment de répondre à ces besoins. Pour cela, comme représenté en figure 3, une source de chaleur S est raccordée au circuit primaire 60 d'un échangeur de chauffage 62 associé à la boîte à vapeur 14 de la première enceinte 10 d'une installation de dessalement d'eau de mer telle que celle représentée en figure 2, l'échangeur 62 comportant un circuit secondaire formé d'un ensemble de tubes 64 de circulation d'un mélange d'eau de mer et de saumure, la saumure étant extraite de la boîte à vapeur 14 de la première enceinte 10 au moyen d'une pompe 66 et d'un conduit 68 débouchant en partie inférieure de la boîte à vapeur 14. L'eau de mer est fournie par le circuit 20 d'alimentation des enceintes 10 et est mélangée à la saumure extraite par le conduit 68. Le mélange eau de mer-saumure circule dans le circuit secondaire 64 de l'échangeur de chauffage 62 pour être réinjecté par un conduit 70 dans la boîte à vapeur 14 de la première enceinte 10. Ce mélange eau de mer-saumure se refroidit par détente dans la boîte à vapeur 14 en produisant de la vapeur à une pression voisine de la pression d'équilibre liquide-vapeur dans la boîte à vapeur 14. Cette vapeur circule ensuite dans les tubes 12 de la première enceinte et se condense dans ces tubes, en fournissant de la chaleur permettant une vaporisation partielle de l'eau de mer injectée dans l'enceinte 10. Un conduit 32 relie la boîte à eau 16 à la boîte à vapeur 14 du deuxième effet pour l'extraction de l'eau distillée produite par condensation de la vapeur. Un conduit 88 relie la boîte à vapeur 14 et l'enceinte 10 du premier effet pour la circulation de la saumure.
Une cloison 72 peut être installée dans la boîte à eau 14 de la première enceinte pour la partager en deux compartiments, dont l'un est un compartiment de production de vapeur par détente et dont l'autre alimente en vapeur les tubes 12 de la première enceinte 10, la cloison 72 formant ainsi une séparation entre la saumure et la vapeur. On peut également prévoir un déflecteur 74 à la sortie du conduit 70 dans la boîte 14 pour éviter la projection de saumure pendant la détente, et un séparateur de gouttelettes 76, par exemple en métal tissé, entre les deux compartiments de la boîte à vapeur 14.
Dans une variante de réalisation, l'eau de mer qui est fournie par le circuit 20 pour être mélangée à la saumure dans le conduit 68, passe dans un réchauffeur supplémentaire 78 alimenté en vapeur depuis la partie supérieure de la boîte à vapeur 14 de la première enceinte 10. Ce réchauffeur 78 est suivi d'un ou plusieurs condenseurs 80 alimentés par de la vapeur fournie par un ou plusieurs éjecteurs 82 permettant d'extraire les incondensables 84 provenant du condenseur 28 du dernier effet 10 et des boîtes à vapeur 48, les éjecteurs 82 permettant de recomprimer ces incondensables pour les rejeter ensuite à l'atmosphère, en utilisant de la vapeur haute pression 86 en entrée des éjecteurs.
L'eau de mer est ainsi réchauffée successivement dans le réchauffeur 78 et dans les condenseurs 80 avant d'être mélangée à la saumure extraite de la boîte à vapeu r 1 4 du prem ier effet 10 dans le conduit 68.
Le fonctionnement global de l'installation représentée partiellement en figure 3 est le suivant :
Un mélange d'eau de mer et de saumure est injecté dans la boîte à vapeur 14 du premier effet 10 par le conduit 70 à une température T2 qui est supérieure à 70°C environ, la pression absolue dans la boîte à vapeur 14 étant de 0,3 bar environ. Le mélange d'eau de mer et de saumure se refroidit par détente dans la boîte à vapeur 14 à une température T1 d'environ 70°C en produisant de la vapeur à une pression voisine de la pression de l'équilibre liquide-vapeur, soit 0,3 bar environ . Cette vapeur passe dans les tubes 12 du premier effet 10 et se condense en cédant de la chaleur à l'eau de mer qui ruisselle sur les tubes 12 et en provoquant l'évaporation partielle de cette eau de mer.
La température de condensation de la vapeur TC1 est légèrement inférieure à la température de la saumure en raison de la salinité et des pertes de charge de la vapeur. Le débit de vapeur de détente est compris entre 0,5 et 5% du débit de saumure.
La cloison 72 agencée dans la boîte à vapeur 14 assure la séparation entre la vapeur qui passe dans les tubes 12 et la saumure, qui est extraite de la boîte à vapeur 14 par un conduit 88 pour être introduite dans l'enceinte 10 du premier effet, sous les tubes 12.
Un débit de saumure est également extrait de la boîte à vapeur 14 du premier effet 10 par pompage dans le conduit 68, pour être mélangé à l'eau de mer fournie par un conduit 90 depuis la sortie des condenseurs 80 montés en bout du circuit 20, le mélange eau de mer-saumure passant ensuite dans les tubes 64 de l'échangeur 62 alimenté par la source de chaleur S à une température moyenne supérieure à 75°C, la source de chaleur S fournissant par exemple de la vapeur à une pression absolue supérieure à 0,38 bar. La vitesse de circulation du mélange eau de mer- saumure dans le circuit secondaire 64 de l'échangeur 62 est de préférence supérieure à 1 ,5 m/s pour éviter une incrustation de sels dans le circuit secondaire 64.
Le conduit 70 d'injection du mélange eau de mer-saumure dans la boîte à vapeur peut être équipé d'un moyen de maintien d'une pression suffisante dans ce mélange, pour éviter sa vaporisation en amont de la boîte à vapeur 14.
Le débit massique d'eau de mer qui est ajouté à la saumure extraite par le conduit 68, est compris entre deux et quatre fois environ le débit de vapeur de détente dans la boîte à vapeur 14, pour maintenir sensiblement constante la concentration moyenne en sels du circuit de saumure et éviter les risques de précipitation ou de cristallisation. Le débit de saumure extrait de la boîte à vapeur 14 par le conduit 88 est déterminé pour maintenir constant le volume de la saumure qui circule dans l'installation, le débit de saumure dans le conduit 88 étant égal à la différence entre le débit d'eau de mer amenée par le conduit 90 et le débit de vapeur de détente, soit une à trois fois environ le débit de vapeur de détente.
L'eau distillée provenant de la vapeur de détente qui s'est condensée à l'intérieur des tubes 12 du premier effet 10, est injectée par le conduit 32 dans le deuxième effet 10 pour être mélangée à l'eau distillée produite dans cet effet.
Pour le reste, l'installation selon l'invention fonctionne comme déjà indiqué en référence à la figure 2.
La condensation d'eau distillée supplémentaire dans le premier effet 10 de l'installation de la figure 3 permet d'augmenter la production, par exemple de plus de 15 % dans le cas d'une installation MED à six effets. Cette augmentation de production d'eau distillée est faite sans augmenter la consommation thermique et permet donc de réduire la consommation spécifique de chaleur dans les mêmes proportions.
La totalité de la chaleur transmise au niveau de l'échangeur 62 est transférée au premier effet 10 de l'installation et la chute de température de la saumure dans ce premier effet, principalement par détente, est égale à l'augmentation de température de la saumure dans l'échangeur 62.
L'invention est applicable à une installation MED existante sans difficulté, du fait que la détente de la saumure a lieu dans la boîte à vapeur 14 du premier effet et ne nécessite aucune modification du réseau de tubes 12 du premier effet.
La température de la chaleur fournie par la source S est de façon générale comprise entre 75°C et 150°C environ. Lorsque cette température est supérieure à 80°C environ, on peut associer à l'échangeur de chauffage 62 des étages de récupération de chaleur tels que ceux prévus dans les installations de dessalement d'eau de mer à détente flash, cette caractéristique de l'invention étant représentée schématiquement en figure 4.
Dans cette figure, les étages 100 de récupération de chaleur sont au nombre de cinq et désignés par les références 101 , 102, 103, 104 et 105.
Ils produisent de l'eau distillée sans consommer d'énergie thermique supplémentaire, ce qui permet d'augmenter la capacité de l'installation et de diminuer la consommation spécifique d'énergie thermique.
Chaque étage de récupération de chaleur comprend un condenseur 1 10 traversé par le mélange eau de mer-saumure fourni par le conduit 68 et la pompe 66, les condenseurs 1 10 des étages de récupération 100 étant reliés en série. Chaque étage 100 comprend également un espace de détente 1 12 situé sous le condenseur 1 10, dans la même enceinte que celui-ci.
La sortie du condenseur 1 10 du dernier étage 105 de récupération de chaleur est reliée à l'entrée du circuit secondaire de l'échangeur de chauffage 62 associé à la source de chaleur S, la sortie du circuit secondaire de cet échangeur étant reliée à l'entrée de l'espace de détente 1 12 du dernier étage de récupération 105, les espaces de détente 1 12 des différents étages étant reliés en série par des moyens 1 14 de passage de saumure à leur extrémité inférieure.
Le fonctionnement de cette variante de réalisation est le suivant : Le mélange d'eau de mer et de la saumure extraite de la boîte à vapeur 14 du premier effet 10 de l'installation est introduit dans le condenseur 1 10 de l'étage de récupération 101 le plus froid et passe successivement d a n s l es co n d e n se u rs 1 1 0 d es a u tres étag es d e récupération en se réchauffant d'une température T1 égale par exemple à 70°C à une température T3 égale par exemple à 90°C en sortie du condenseu r d u cinq u ième étage 1 05 de récu pération , l es pressions absolues de vapeur variant de 0,42 bar à 0,78 bar environ. Le mélange d'eau de mer et de saumure est ensuite chauffé dans l'échangeur 62 à une température de 98°C environ, lorsque la température de la source de chaleur S est aux environs de 100°C. Le mélange chaud d'eau de mer et de saumure sortant de l'échangeur 62 est refroidi par détente dans les espaces 1 12 des étages 100 de récupération de chaleur, en produisant de la vapeur qui se condense dans les condenseurs 1 10 de ces étages. Le mélange d'eau de mer et de saumure sortant de l'espace de détente 1 12 de l'étage de récupération 101 est introduit en 1 16 dans la boîte à vapeur 14 du premier effet 10 de l'installation, pour y produire de la vapeur de détente.
L'eau distillée qui est produite dans chaque condenseur 1 10 est collectée par des tubes en U et injectée en 1 18 dans la boîte à vapeur 14 du premier effet 10 de l'installation.
Dans cette variante de réalisation, la totalité de la chaleur transmise au mélange eau de mer-saumure dans l'échangeur 62 est transférée au premier effet 10 de l'installation et la chute de température de la saumure dans le premier effet, principalement par détente, est égale à l'augmentation de température de la saumure dans l 'échangeur de chauffage 62.
Le nombre d'étages 100 de récupération de chaleur est supérieur au rapport entre l'écart de température de la saumure dans ces étages de récupération et l'écart de température dû à la détente dans la boîte à vapeur 14.
On a représenté schématiquement en figure 5 l'aménagement d'une boîte à vapeur 14 du premier effet 10 d'une installation selon l'invention, cet aménagement comprenant, par rapport à une installation connue de la technique antérieure :
- une augmentation des dimensions de la boîte à vapeur, pour disposer d'un volume et d'une surface suffisants pour la détente de la saumure,
- l'installation d'une paroi 72 dans la boîte à vapeur, pour séparer la saumure de la vapeur et éviter l'injection de saumure dans les tubes 12 du premier effet,
- l'installation d'un déflecteur 74 au sommet du tube T d'injection de la saumure et d'un dispositif 76 de séparation des gouttelettes de saumure et de la vapeur de détente,
- le montage du tube T d'amenée de la saumure de sorte que son extrémité supérieure se trouve à une hauteur H au dessus de l'échangeur de chauffage 62, permettant de maintenir la pression de la saumure à l'intérieur de l'échangeur 62 à une valeur supérieure à la pression d'équilibre liquide-vapeur, pour éviter la vaporisation dans l'échangeur 62, - en variante, l'installation dans le conduit 70 en sortie de l'échangeur de chauffage 62 d'une restriction de surface de passage pour créer une perte de charge dans le conduit 70 et éviter ainsi la vaporisation,
- l'utilisation d'un injecteur 120 pour mélanger l'eau de mer fournie par le circuit 20 à la saumure extraite de la boîte à vapeur 14 par le conduit 68 et la pompe 66, - le montage sur le conduit 90 d'un dispositif 122 de réglage de débit pour que le débit d'eau de mer injecté dans la saumure soit proportionnel à la chaleur transmise dans l'échangeur de chauffage 62 et au moins deux fois supérieur au débit de vapeur de détente dans la boîte 14,
- l'extraction de saumure concentrée par le tube en U 88 reliant la boîte à vapeur 14 à l'enceinte 10 du premier effet, pour assurer un niveau de saumure constant dans la boucle de recirculation,
- le chauffage du mélange eau de mer et saumure extraite dans l'échangeur 62 avec une vitesse de circulation d'au moins 1 ,5m/s dans les tubes 64 du circuit secondaire de l'échangeur,
- en variante, l'utilisation d'un échangeur 78 ayant les caractéristiques de l'échangeur de chauffage 62 pour préchauffer l'eau de la mer entrant dans l'enceinte 10 du premier effet.
Lorsque l'installation comporte des étages de récupération de chaleur 100 comme décrit en référence à la figure 4, l'injection de saumure dans la boîte à vapeur 14 du premier effet 10 est faite par des tubes en U 1 16 ayant une hauteur suffisante pour éviter le passage de vapeur entre le dernier évaporateur 1 12 et la boîte à vapeur 14. En variante, on peut installer une restriction de passage de la saumure pour diminuer cette hauteur et à la limite permettre un écoulement horizontal de la saumure. L'injection d'eau distillée provenant des condenseurs 1 10 dans la boîte à vapeur 14 du côté des tubes 12 est faite par un tube 1 18 dont la hauteur est suffisante pour éviter un passage de vapeur entre le condenseur 1 10 et la boîte à vapeur 14.
On a illustré les avantages de l'invention en figure 7, qui est un graphique représentant les valeurs du GOR, c'est-à-dire de la quantité d'eau distillée produite par tonne de vapeur, en prenant comme base de calcul une valeur de 648 kWh pour la chaleur délivrée par une tonne de vapeur, en fonction de la surface totale des échangeurs d'une installation, cette surface étant exprimée en m2 pour une production horaire d'une tonne d'eau distillée. Une première courbe « standard » donne les valeurs du GOR en fonction de la surface d'échange pour des installations MED comprenant respectivement, cinq, six, sept et huit effets.
La courbe « type 1 » donne les valeurs du GOR en fonction de la surface d'échange dans le cas d'une installation selon l'invention du type représenté aux figures 3 et 5, quand la source de chaleur S fournit de la vapeur à une pression absolue de 0,6 bar ou de l'eau chaude à une température de 90°C à l'entrée de l'échangeur de chauffage et de 80°C en sortie de cet échangeur.
Les courbes « type 2 » et « type 3 » donnent les valeurs du GOR en fonction de la surface d'échange totale pour une installation selon l'invention du type représenté aux figures 4 et 6 et comprenant :
- trois étages de récupération de chaleur pour la courbe « type 2 », avec une source de chaleur fournissant de la vapeur à une pression absolue de 1 bar ou de l'eau chaude à une température de 105°C à l'entrée de l'échangeur de chauffage et de 95°C en sortie,
- six étages de récupération de chaleur pour la courbe « type 3 » quand la source de chaleur fournit de la vapeur à une pression absolue de 1 ,7 bar ou de l'eau surchauffée à une température de 120°C à l'entrée de l'échangeur de chauffage et de 1 10°C en sortie.
Les quatre points figurant sur les courbes type 1 , type 2 et type 3 donnent les valeurs du GOR quand l'installation comprend cinq effets, six effets, sept effets ou huit effets respectivement, comme dans le cas de la courbe standard.
On a indiqué ci-dessous les caractéristiques d'une installation produisant 24 000m3 par jour d'eau potable à partir d'eau de mer à 35°C, quand l'installation comprend six effets et huit effets respectivement.
Nombre Nombre Surface GOR Chaleur/tonne d'effets d'étages échangeurs eau KWh/t
100 (m2)
Standard 6 - 74 000 5,3 122 Type 1 6 0 70 000 6,2 105
Type 2 6 3 68 000 7,4 87
Type 3 6 6 63 000 8,7 74
Standard 8 102 000 6,9 94
Type 1 8 0 94 000 7,7 84
Type 2 8 3 88 000 8,9 73
Type 3 8 6 80 000 10 64
Lorsqu'une installation selon l'invention comprend six effets, la réduction de la consommation d'énergie thermique peut atteindre 40% environ, avec une diminution de la surface d'échange de 15%.
Lorsqu'une installation selon l'invention comprend huit effets, la réduction de la consommation d'énergie thermique peut atteindre 31 %, et la surface d'échange peut diminuer de 20%.
L'invention garantit la pureté de l'eau distillée produite car celle-ci n'a aucun contact avec la vapeur de la source de chaleur et ne risque donc pas d'être polluée par les additifs chimiques généralement présents dans une telle vapeur.
On notera également que l'invention permet d'éviter l'utilisation d'un générateur de vapeur lorsque la chaleur est fournie par un circuit d'eau chaude. Comme le faisceau de tubes du premier effet de l'installation ne supporterait pas la pression élevée du circuit d'eau chaude, on utilise dans la technique antérieure un générateur pour produire de la vapeur basse pression à partir de l'eau chaude. L'échangeur de chauffage 62 utilisé dans l'installation selon l'invention est un échangeur tubulaire eau/eau standard et non un générateur de vapeur.
De plus, l'installation selon l'invention peut fonctionner dans une large gamme de températures et de puissances de la source de chaleur, qui peuvent être souvent très variables, par exemple en fonction de l'ensoleillement dans le cas d'un chauffage à énergie solaire ou de la demande d'électricité dans le cas de vapeur sortant d'une turbine. Les pressions et les températures de l'installation selon l'invention sont adaptables à ces variations et l'installation peut produire en permanence de l'eau distillée en fonction de la chaleur disponible, avec la meilleure efficacité.

Claims

Revendications
1 . Installation de dessalement d'eau de mer par d istillation à effets multiples (MED), chaque effet (10) comprenant un faisceau de tubes (12) de condensation dont les entrées sont alimentées par une boîte à vapeur (14) et les sorties sont reliées à une boîte à eau (16), ces tubes s'étendant dans une enceinte (10) équipée d'une alimentation en eau de mer pour le ruissellement d'eau de mer sur les tubes (12) et d'une sortie de vapeur débouchant dans une boîte à vapeur (14) de l'effet suivant ou dans un condenseur (28) dans le cas du dernier effet, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (62) de chauffage d'eau de mer ou d'une saumure d'alimentation de la boîte à vapeur (14) du premier effet, cet échangeur comprenant un circuit primaire relié à une source externe de chaleur S ayant une température supérieure à 75°C, et un circuit secondaire (64) de passage de l'eau de mer ou de la saumure relié en sortie à la boîte à vapeur (14) du premier effet et y injectant de l'eau de mer ou de la saumure à une température supérieure à 70°C et à une pression supérieure à la pression d'équilibre liquide-vapeur dans la boîte à vapeur (14) pour produire par détente de la vapeur qui passe dans les tubes (12) de l'échangeur du premier effet et se condense pour être récupérée dans la boîte à ea u (16) du premier effet, celle-ci comportant un circuit (32) d'extraction d'eau distillée.
2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la vitesse de passage de l'eau de mer ou de la saumure dans le circuit secondaire de l'échangeur de chauffage (62) est d'au moins 1 ,5 m/s.
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce la boîte à vapeur (14) du premier effet comprend un conduit (68) d'extraction de saumure, relié par une pompe (66) à l'entrée du circuit secondaire (64) de l'échangeur de chauffage.
4. Installation selon l'une des revend ications précédentes, caractérisée en ce que le circuit secondaire (64) de l'échangeur de chauffage (62) est alimenté par un mélange de saumure extraite de la boîte à vapeur (14) du premier effet et d'eau de mer.
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'eau de mer mélangée à la saumure est fournie par un circuit (20) d'alimentation des enceintes (10) des différents effets et est préchauffée par passage dans des réchauffeurs (22, 78) alimentés en vapeur par des conduits de sortie des boîtes à vapeur (14) et des enceintes des différents effets.
6. Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le débit massique d'eau de mer mélangé à la saumure est supérieur à deux fois le débit massique de vapeur produit par détente dans la boîte à vapeur (14) du premier effet et est sensiblement proportionnel à la puissance calorifique cédée par la source externe de chaleur (S) dans l'échangeur de chauffage (62).
7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la boîte à vapeur (14) du premier effet est reliée à l'enceinte (10) du premier effet par un second conduit (88) d'extraction de saumure, le débit massique de saumure dans ce second conduit étant égal à la différence entre le débit massique précité d'eau de mer et le débit massique de vapeur produit par détente.
8. Installation selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des étages (100) de récupération de chaleur montés en série entre le premier conduit (68) d'extraction de saumure et le circuit secondaire (64) de l'échangeur de chauffage (62), chacun de ces étages comprenant un condenseur (1 10) et un espace de détente (1 12), les condenseurs (1 10) étant reliés au premier conduit (68) d'extraction de saumure et alimentant le circuit secondaire (64) de l'échangeu r de chauffage, les espaces de détente (1 12) étant alimentés par la sortie du circuit secondaire (64) de cet échangeur et étant reliés en sortie à un conduit (1 16) d'injection dans la boîte à vapeur (14) du premier effet, de l'eau distillée étant produite dans les condenseurs (1 10) et ajoutée à celle produite dans le premier effet.
9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le circuit primaire de l'échangeur de chauffage (62) est alimenté par la source externe de chaleur (S) à une température supérieure à 80°C et par exemple comprise entre 85°C et 150°C.
10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la boîte à vapeur (14) du premier effet comprend une cloison (72) de séparation en un compartiment dans lequel débouche le conduit d'injection de saumure et un compartiment dans lequel débouchent les tubes (12) de l'échangeur, ces deux compartiments communiquant l'un avec l'autre en partie supérieure par l'intermédiaire d'un dispositif (76) de séparation des gouttes de saumure et de vapeur.
1 1 . Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit d'injection de saumure débouche dans la boîte à vapeur (14) à une hauteur permettant de maintenir une pression de liquide supérieure à la pression d'équilibre liquide-vapeur dans le circuit secondaire de l'échangeur de chauffage (62) ou dans un espace de détente (1 12) d'un dernier étage (100) de récupération de chaleur, à partir duquel la saumure est extraite.
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