WO2019020601A1 - Installation de dessalement d'eau par compression mécanique de vapeur isolée thermiquement dans un local étanche - Google Patents

Installation de dessalement d'eau par compression mécanique de vapeur isolée thermiquement dans un local étanche Download PDF

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Winandy FRANÇOIS-MATHIEU
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Industrial Advanced Services Fz, Llc
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination

Definitions

  • CMV distillation is used for the desalination of seawater or brackish water for the purpose of producing drinking water or producing demineralized water.
  • a desalination unit by CMV conventionally comprises an evaporator-condenser (EC), comprising an evaporation zone and a condensation zone, a compression system and a liquid supply to be distilled.
  • the desalination unit is generally placed under partial vacuum, in order to reduce the boiling temperature of the liquid to be distilled.
  • the CMV desalination unit is further provided with a non-condensable gas removal system, a distillate extraction system, and a concentrate extraction system.
  • the liquid to be distilled is introduced into the desalination unit by the feed intended for this purpose.
  • the liquid is then distributed over the evaporation zone of TEC.
  • the liquid to be distilled is then evaporated and the steam created is transported to a compressor, where it is compressed. This compressed steam is then sent to the condensing zone of TEC, where it is condensed.
  • the distillate and the concentrate are then extracted separately.
  • Such a CMV desalination unit generally displays an energy consumption of the order of 8 to 18 kWh / m 3 of distillate produced.
  • the desalination process by CMV implements a latent heat transfer of the order of 640 kWh / m 3 . Therefore, the least loss of latent heat during the distillation process, even in the order of 1%, has a significant impact on the energy consumption of the process. Indeed, the least loss of latent heat must be compensated by the mechanical compression, whose performance is not the best. It is therefore particularly important to minimize heat loss during the CMV process.
  • any temperature difference between the surface of the evaporator-condenser and the inner wall of the desalination unit is low when it results from natural heat losses through the appropriately installed insulation, or more important when it results from poor thermal insulation, is directly filled by condensation of steam on the inner wall of the unit.
  • This displaced condensation decreases the amount of vapor condensing on the evaporator-condenser.
  • the process then undergoes a latent heat loss of condensation of the evaporator-condenser, and thus also a decrease in the recovery of the latent heat of vaporization. This latent heat loss is directly compensated by mechanical compression, inevitably increasing the energy consumption of the process.
  • the units are generally provided with thermal insulation adjacent to the body of the unit and the various piping and associated equipment or instruments.
  • This thermal insulation is usually made on site and consists of insulators, usually covered with an aluminum carcass.
  • insulators usually covered with an aluminum carcass.
  • junctions are not always completely sealed and therefore generate heat losses.
  • the present invention relates to a water desalination plant by thermal distillation by mechanical vapor compression, comprising a sealed room arranged to receive several desalination units, comprising, inside, at least one unit partially under vacuum , comprising an evaporator-condenser and auxiliary control, regulation and operating equipment, the room naturally surrounding the unit a space of thermal insulation.
  • the configuration of the thermal insulation is simplified, the number of junctions which are the main sources of heat loss in the thermal insulation protections of the building is reduced.
  • the prior art and it makes possible the use of rigid insulating materials and / or thick and more efficient.
  • the invention of the present application requires to have a larger space than required the heat-insulating protections of the prior art.
  • the installation is capable of receiving several desalination units in a single sealed room, the difficulty related to congestion disappears, in favor of a reduction in the complexity of implementation and costs.
  • the temperature of the insulation space is slightly greater than the evaporation temperature inside the desalination unit. In this way, much better than to reduce it, the phenomenon of condensation of steam on the internal walls of the desalination unit is completely inhibited. Such displaced condensation would indeed result in a latent heat loss, which would inevitably be offset by mechanical compression, thus implying an increase in energy consumption.
  • the sealed room includes a well insulated door, which allows operators to enter the interior of said room and thus to circulate directly around the unit or desalination units while being inside the space of thermal insulation. In this way, all the parts of the units are permanently visible and accessible, as well as their ancillary equipment, for any maintenance, maintenance or inspection operation, without the operator having to dismount a portion of the insulation. thermal.
  • the desalination plant 1 comprises a sealed room 2 defining a thermal insulation space 3, thermally insulated from the outside environment 16.
  • the installation here comprises four desalination units 4 inside said room 2.
  • Each of these units 4 comprises an envelope 5, under partial vacuum, containing an evaporator-condenser 6, a compressor 7 and its motor 8.
  • the envelope is further provided with various auxiliary equipment, such as a raw water supply 9, a system 10 for partial evacuation and elimination of non-condensable gases, an outlet 1 1 for extracting the distillate and an outlet 12 for extracting the concentrate.
  • Sprinklers 13 are also provided above the evaporator-condenser 6, to distribute the raw water to be desalinated on the evaporator-condenser 6.
  • the room 2 here has the shape of a parallelepiped and is formed of rigid panels, well joined, air tight and thick.
  • the room is further provided with an access door 14, well insulated, to allow access to operators 15, to easily perform maintenance, maintenance, or inspection, without having to disassemble the insulation protection of room 2.
  • the water desalination process can be operated at temperatures well below 100 ° C especially at temperatures of about 20 to 55 ° C. At such temperatures, it is quite conceivable for an operator to be able to circulate around the desalination units 4 while being subjected to the temperature of the room 2, without suffering any problem or danger related to the heat. It is then enough for him to take some precautions of use such as to hydrate regularly and possibly to be provided with adapted protective equipment.
  • the room 2 is here also provided with an auxiliary heating system 17.
  • This system 17 makes it possible to set the temperature of the heat-insulating space 3 so that it is slightly greater than the temperature inside. desalination units 4, which corresponds to the temperature at which the desalination process is implemented. With this, it is avoided that the temperature at the inner walls 18 of the desalination units 4 is slightly lower than the temperature at the evaporator-condenser 6. Such a difference in temperature would indeed result in a call of condensation of steam on the internal walls 18 of the units 4, which would inevitably cause an increase in energy consumption.
  • Desalination plant 1 has been described here by a sealed room 2 comprising four desalination units 4. It is obvious that the present invention is not limited to this specific number of units and that the installation can include any number of desalination units, or even only one.

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Abstract

L'invention concerne une installation (1) de dessalement d'eau par distillation thermique par compression mécanique de vapeur, qui comprend un local étanche (2) agencé pour recevoir plusieurs unités de dessalement (4) et comprenant au moins une unité (4) partiellement sous vide, ledit local (2) ménageant naturellement autour de l'unité (4) un espace d'isolation thermique (3).

Description

Installation de dessalement d'eau par compression mécanique de vapeur isolée thermiquement dans un local étanche
Le domaine de l'invention est celui de la distillation thermique par compression mécanique de vapeur (CMV). En particulier, la distillation par CMV est utilisée pour le dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre à des fins de production d'eau potable ou de production d'eau déminéralisée.
Une unité de dessalement par CMV comprend classiquement un évaporateur- condenseur (EC), comportant une zone d'évaporation et une zone de condensation, un système de compression et une alimentation de liquide à distiller. L'unité de dessalement est généralement placée sous vide partiel, afin de diminuer la température d'ébullition du liquide à distiller. L'unité de dessalement par CMV est en outre pourvue d'un système d'élimination des gaz non condensables, un système d'extraction du distillât, et un système d'extraction du concentrât.
En pratique, le liquide à distiller est introduit dans l'unité de dessalement par l'alimentation prévue à cet effet. Le liquide est alors réparti sur la zone d'évaporation de TEC. Le liquide à distiller est alors évaporé et la vapeur créée est transportée vers un compresseur, où elle est compressée. Cette vapeur compressée est ensuite envoyée vers la zone de condensation de TEC, où elle est condensée. Le distillât et le concentrât sont alors tous les deux extraits séparément.
Une telle unité de dessalement par CMV affiche en général une consommation énergétique de l'ordre de 8 à 18 kWh/m3 de distillât produit. De récents développements, mentionnés dans la demande de brevet WO2015/014840, permettent toutefois de limiter la consommation énergétique à seulement quelques kWh/m3 de distillât produit, par exemple de 2 à 8 kWh/m3.
Avec cette consommation énergétique relativement faible, le procédé de dessalement par CMV met en œuvre un transfert de chaleur latente de l'ordre de 640 kWh/m3. Par conséquent, la moindre perte de chaleur latente durant le procédé de distillation, même de l'ordre de 1 %, a des répercussions importantes sur la consommation énergétique du procédé. En effet, la moindre perte de chaleur latente doit être compensée par la compression mécanique, dont le rendement n'est pas des meilleurs. Il est donc particulièrement important de limiter autant que possible les pertes de chaleur durant le procédé CMV.
Pour ce faire, il est nécessaire d'isoler thermiquement l'unité de dessalement. En effet, toute différence de température entre la surface de l'évaporateur-condenseur et la paroi interne de l'unité de dessalement, soit faible lorsqu'elle résulte des déperditions calorifiques naturelles au travers de l'isolant convenablement installé, soit plus importante lorsqu'elle résulte d'une mauvaise isolation thermique, est directement comblée par de la condensation de vapeur sur la paroi interne de l'unité. Cette condensation déplacée diminue la quantité de vapeur se condensant sur l'évaporateur-condenseur. Le procédé subit alors une perte de chaleur latente de condensation de l'évaporateur-condenseur, et donc également une diminution de la restitution de la chaleur latente de vaporisation. Cette perte de chaleur latente est directement compensée par la compression mécanique, en augmentant inévitablement la consommation énergétique du procédé.
A cette fin, les unités sont généralement pourvues d'une protection calorifuge adjacente au corps de l'unité et aux diverses tuyauteries et équipements ou instruments associés. Cette protection calorifuge est généralement réalisée sur site et se compose d'isolants, le plus souvent recouverts d'une carcasse en aluminium. Toutefois, une telle protection calorifuge nécessite un nombre important de jonctions pour permettre d'isoler l'unité et tous ses auxiliaires. Ces jonctions ne sont pas toujours complètement étanches et engendrent par conséquent des pertes calorifiques.
En outre, en cas d'intervention nécessaire d'un opérateur sur une partie de l'unité de dessalement, il faut alors obligatoirement démonter une portion de la protection calorifuge. De telles opérations externes de maintenance sont donc compliquées et sont par conséquent rarement exécutées à titre préventif. L'isolant perd généralement de son efficacité au fur et à mesure des démontages et remontages effectuées sur site dans des conditions non optimales. La demanderesse a donc jugé nécessaire de proposer une isolation de l'unité de distillation permettant d'éliminer ces inconvénients.
A cet effet, la présente invention concerne une installation de dessalement d'eau par distillation thermique par compression mécanique de vapeur, comprenant un local étanche agencé pour recevoir plusieurs unités de dessalement, comprenant, à l'intérieur, au moins une unité partiellement sous vide, comportant un évaporateur- condenseur et des équipements auxiliaires de contrôle, de régulation et d'exploitation, le local ménageant naturellement autour de l'unité un espace d'isolation thermique.
En désolidarisant l'isolant thermique des unités de dessalement pour le placer autour d'un espace plus grand, on simplifie la configuration de l'isolant thermique, on réduit le nombre de jonctions qui sont les principales sources de pertes calorifiques dans les protections calorifuges de l'art antérieur, et on rend possible l'usage de matériaux isolants rigides et/ou de forte épaisseur et plus performants.
On notera que, de façon surprenante, la demanderesse, en proposant la solution de l'invention au problème de pertes énergétiques des unités de dessalement d'eau, ne s'est pas contentée de résoudre le problème, elle a en plus vaincu un préjugé dissuasif lié aux difficultés de l'exigence d'un espace très élargi, de sorte que son invention implique l'activité inventive requise.
En effet, l'invention de la présente demande requiert de disposer d'un espace plus grand que ne le nécessitaient les protections calorifuges de l'art antérieur. Toutefois, dès lors que l'installation est capable de recevoir plusieurs unités de dessalement dans un seul local étanche, la difficulté liée à l'encombrement disparait, au profit d'une réduction de la complexité de mise en œuvre et des coûts. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la température de l'espace d'isolation est légèrement supérieure à la température d'évaporation à l'intérieur de l'unité de dessalement. De cette façon, bien mieux que de le diminuer, on inhibe totalement le phénomène de condensation de la vapeur sur les parois internes de l'unité de dessalement. Une telle condensation déplacée résulterait en effet en une perte de chaleur latente, qui serait inévitablement compensée par la compression mécanique, impliquant ainsi une augmentation de la consommation énergétique.
Le local étanche comprend une porte bien isolée, qui permet à des opérateurs de pénétrer à l'intérieur dudit local et ainsi de circuler directement autour de l'unité ou des unités de dessalement tout en étant à l'intérieur de l'espace d'isolation thermique. De cette manière, toutes les parties des unités sont en permanence visibles et accessibles, ainsi que leurs équipements auxiliaires, pour toute opération de maintenance, d'entretien ou d'inspection, sans que l'opérateur ne doive démonter une portion de l'isolation thermique.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, en référence à la figure en annexe, qui est une vue schématique d'une installation de l'invention. L'installation de dessalement 1 comprend un local étanche 2 définissant un espace d'isolation thermique 3, isolé thermiquement de l'environnement extérieur 16. L'installation comporte ici quatre unités de dessalement 4 à l'intérieur dudit local 2. Chacune de ces unités 4 comprend une enveloppe 5, sous vide partiel, renfermant un évaporateur-condenseur 6, un compresseur 7 et son moteur 8. L'enveloppe est en outre pourvue de divers équipements auxiliaires, tels qu'une alimentation d'eau brute 9, un système 10 de mise sous vide partiel et d'élimination des gaz non- condensables, une sortie 1 1 pour l'extraction du distillât et une sortie 12 pour l'extraction du concentrât. Des arroseurs 13 sont également prévus au-dessus de l'évaporateur-condenseur 6, pour répartir l'eau brute à dessaler sur l'évaporateur- condenseur 6.
Le local 2 a ici la forme d'un parallélépipède et est formé de panneaux rigides, bien jointifs, étanches à la circulation d'air et de forte épaisseur. Le local est en outre pourvu d'une porte d'accès 14, bien isolée, pour permettre l'accès à des opérateurs 15, afin d'effectuer facilement des opérations de maintenance, d'entretien, ou d'inspection, sans devoir démonter la protection calorifuge du local 2. On notera que, grâce au vide partiel présent dans l'enveloppe 5 des unités de dessalement 4, la température d'ébullition de l'eau est considérablement diminuée. Par conséquent, le procédé de dessalement d'eau peut être opéré à des températures bien en-dessous de 100°C notamment à des températures d'environ 20 à 55°C. A de telles températures, il est tout-à-fait envisageable qu'un opérateur 15 puisse circuler autour des unités de dessalement 4 tout en étant soumis à la température du local 2, sans subir aucun problème ou danger lié à la chaleur. Il lui suffit alors de prendre quelques précautions d'usage telles que de s'hydrater régulièrement et éventuellement de se munir d'équipements de protection adaptés.
Le local 2 est ici également pourvu d'un système auxiliaire de chauffage 17. Ce système 17 permet de fixer la température de l'espace d'isolation thermique 3 de façon à ce qu'elle soit légèrement supérieure à la température à l'intérieur des unités de dessalement 4, qui correspond à la température à laquelle le procédé de dessalement est mis en œuvre. Grâce à cela, on évite que la température au niveau des parois internes 18 des unités de dessalement 4 ne soit légèrement plus faible que la température au niveau de l'évaporateur-condenseur 6. Une telle différence de température résulterait en effet en un appel de condensation de vapeur sur les parois internes 18 des unités 4, ce qui provoquerait inévitablement une augmentation de la consommation énergétique.
On a décrit ici une installation de dessalement 1 isolée par un local étanche 2 comprenant quatre unités 4 de dessalement. Il est évident que la présente invention ne se limite pas à ce nombre spécifique d'unités et que l'installation peut comprendre n'importe quel nombre d'unités de dessalement, voire même une seule.

Claims

Revendications
1 . Installation (1 ) de dessalement d'eau par distillation thermique par compression mécanique de vapeur, comprenant un local étanche (2) agencé pour recevoir plusieurs unités de dessalement (4), comprenant, à l'intérieur, au moins une unité (4) partiellement sous vide et comportant un évaporateur-condenseur (6) et des équipements auxiliaires (7-13) de contrôle, de régulation et d'exploitation, le local (2) ménageant naturellement autour de l'unité (4) un espace d'isolation thermique (3).
2. Installation (1 ) selon la revendication 1 , dans laquelle la température de l'espace d'isolation thermique (3) est supérieure à la température d'évaporation à l'intérieur de l'unité de dessalement (4), pour éviter de la condensation déplacée.
3. Installation (1 ) selon la revendication 2, dans laquelle le local (2) comprend en outre un moyen auxiliaire de chauffage (17).
4. Installation (1 ) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le local (2) comprend une porte (14) pour permettre à un opérateur (15) de pénétrer à l'intérieur dudit local (2).
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