WO2024052583A1 - Dispositivo desalinizador multiefecto multitren memtd - Google Patents

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WO2024052583A1
WO2024052583A1 PCT/ES2023/070545 ES2023070545W WO2024052583A1 WO 2024052583 A1 WO2024052583 A1 WO 2024052583A1 ES 2023070545 W ES2023070545 W ES 2023070545W WO 2024052583 A1 WO2024052583 A1 WO 2024052583A1
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condenser
evaporator
effect
train
effects
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PCT/ES2023/070545
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English (en)
French (fr)
Inventor
Juan Eusebio Nomen Calvet
Dan Alexandru Hanganu
Original Assignee
Wga Water Global Access S.L.
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/26—Multiple-effect evaporating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • 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
    • C02F1/10—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation by direct contact with a particulate solid or with a fluid, as a heat transfer medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D3/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
    • F28D3/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits with tubular conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
    • F28D5/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits

Definitions

  • the present invention refers to a multi-effect desalination device by phase change, with at least two trains of evaporator-condenser effects and with low thermal jump due to the evaporator-condenser effect.
  • Multi-effect desalination devices which are based on a series process consisting of evaporation-condensation stages or effects under vacuum conditions, using residual steam from an adjacent power plant or other steam source. as initial steam.
  • Current MED multi-effect desalination devices comprise a plurality of shell device and heat exchanger tubes or chambers.
  • One embodiment of a MED Multi-Effect Desalination or Distillation plant is formed by vertical shells with vertical or horizontal heat exchanger tubes or chambers, condensers on the inside and evaporators on the outside.
  • the steam condenses inside the tubes or chambers and as a consequence of the thermal exchange through the walls of the tube or chamber makes it possible for the salt water, which flows over the outer evaporating side of the tubes or chambers, to be evaporate.
  • This salt-free steam passes to the next effect and heats the internal part of the tubes or chambers while it condenses in the form of desalinated water.
  • New salt water at a lower temperature is added to the outside of these tubes or chambers for the next effect, which evaporates. This process is repeated successively in a series of evaporator-condenser effects, typically between 8 and 13 times.
  • the MED multi-effect desalination device receives energy provided in the form of heat from residual steam coming from an electrical generation plant using steam turbines or from another steam source.
  • This heat is provided to the first effect, where the temperature of the steam contributed to the first effect is below 70°C in order to limit mineral precipitation problems;
  • the thermal difference between the temperature of the water to be evaporated and the steam to be condensed is usually around 3°C by effect;
  • the number of effects is usually between 8 and 13 evaporator-condenser effects;
  • the heat recovery system throughout the multi-effect plant combines sudden evaporation-condensation or flash phenomena in the flash boxes, flash boxes, flash evaporation-condensation phenomena or flash in the superheated feedwater inlet to each effect and condensation of part of the steam from each effect in the feed heaters;
  • the heat sink located after the last effect is due to condensation of the steam evaporated in the last effect on condenser tubes within which sea cooling water circulates in an amount greater than that of the feed water; and
  • a problem with current MED multi-effect desalination devices is their high specific energy consumption per unit of water produced.
  • the high specific energy consumption of current MEDs is due to the fact that: current MEDs only recycle on average about 10 times the latent heat of the steam contributed to the first effect; It is difficult to add more than 13 effects in a train of effects because the initial temperature should not exceed 70 ° C to avoid problems of mineral precipitation and because the greater the number of effects, the greater the salinity of the water to be treated in the latter effects and the greater the thermal jump imposed by the elevation of the boiling point of the aqueous solution to be evaporated; and the consumption by pumping of the large quantities of sea cooling water to be contributed to the final heat sink, which is poured back into the sea without being used as feed water.
  • the current condenser evaporator tubes or chambers of the current condenser evaporator effects of a MED multi-effect desalination device are heat exchangers through whose evaporating side a saline solution to be evaporated flows and through whose condensing side water that has condensed flows.
  • the water to be evaporated and the condensed water flow forming a layer or film of water on the evaporator and condenser faces of each of the tubes or chambers.
  • tubes or chambers with corrugated walls are used to increase the heat exchange surface and to create turbulence in the downward flows of liquids, mainly to facilitate thermal convection by breaking the boundary layer and also to achieve areas of liquid layers. finer ones in which the conduction resistance to heat flow is lower.
  • the aqueous solution to be evaporated flows in a film on the outer evaporator face while the condensed water flows horizontally on the inner condenser face, creating a film. of water with high resistance to heat flow throughout the wall covered by the liquid flow.
  • a water meniscus is divided into three regions characterized by having very different behaviors with respect to heat transmission through the liquid film and the solid-liquid interfacial adhesion force. These three regions are the adsorption region, the transition region, and the bulk region of the meniscus. It is known that the thickness of the liquid water film is smaller in the adsorption region, but the thin liquid film remains tightly adhered to the solid substrate by the intermolecular forces between the liquid and the solid. In this adsorption region, the thermal conduction resistance is small and the interfacial thermal resistance is large. In the massive region of the meniscus, due to the large thickness of the water film, the conduction thermal resistance is large and the interfacial thermal resistance is small.
  • the transition region is located between the adsorption region and the bulk region of the meniscus. This transition region is characterized by a low conduction thermal resistance resulting from the reduced thickness of the water layer and by a low interfacial thermal resistance.
  • a reference disclosure on this subject is the article Review of the Effects of Surface Topography, Surface Chemistry, and Fluid Physics on Contact Line Evaporation, Review of the Effects of Surface Topography, Surface Chemistry, and Fluid Physics on Evaporation at the Contact Line, of which Joel L. Plawsky, of the Rensselaer Polytechnic Institute in New York, is the first author.
  • ABSHP Absorption heat pumps
  • ABHP MED multi-effect misalignment plants
  • These ABHP MED misalignment plants present the problem of high energy cost due to the few times that latent heat is recycled throughout the between 6 to 12 effects in which these configurations usually occur.
  • TVC MED Steam ejectors coupled to multi-effect thermal vapor compression desalination installations, generally called TVC MED by their acronym in English, are known. These TVC MED installations present the problem of high specific energy cost per unit of product, due to the few times that the latent heat is recycled throughout the few effects that these configurations usually have, which have less than 13 evaporator-condenser effects, and due to the energy cost of the higher temperature steam used as motive steam for the ejector.
  • the present invention is defined in the Claims section.
  • a MED multi-effect desalination device with a plurality of trains of evaporation-condensation effects, with a low gradient or thermal jump due to the evaporator-condenser effect has the capacity to multiply about three times the current capacity that the MED multi-effect desalination or distillation plants achieve from of a given mass flow of residual steam and using a given flow of cooling water in the heat sink.
  • the multi-effect multi-train desalination device uses as feed water a greater proportion of the cooling water flow of the heat sink represented by the final condenser, thus reducing the specific energy expenditure for pumping seawater compared to current desalination facilities.
  • multi-effect MED uses as feed water a greater proportion of the cooling water flow of the heat sink represented by the final condenser, thus reducing the specific energy expenditure for pumping seawater compared to current desalination facilities.
  • the multi-effect multi-train desalination device is a phase change desalination device that comprises at least one heat exchanger that we call high density transition regions characterized by being composed of heat exchanger tubes or chambers in which the condensed water on the condensing face and the aqueous solution to be evaporated on the evaporating face flow within channels whose walls are close, normally less than 1mm, so that the flow of water or aqueous solution within these channels has the interface liquid- gas curved throughout the entire width from wall to wall, which allows achieving a high density of transition regions on the surface of the evaporating face and the condensing face.
  • One embodiment of the high-density transition region heat exchanger is using evaporator-condenser tubes or chambers with a wall profile of the evaporator-condenser tube or chamber that in its cut perpendicular to the flow of liquid has a sinusoid, sawtooth or similar profile so that the entire liquid-gas interface of the water or the aqueous solution that flows inside microchannels in which the forces The adhesion of water on the side wall of the microchannel curves its liquid-gas interface across the entire width of the wall-to-wall liquid-gas interface of the microchannel.
  • the measurements of the microchannels that cover, at least in part, the evaporating face and the condensing face of the evaporator-condenser tubes or chambers of a high-density heat exchanger of transition regions will depend on the adhesion and cohesion forces and this, In turn, it depends on the properties of the aqueous solution, the material properties of the tube wall or evaporator-condenser chamber, the angle of inclination of the microchannel walls and many other factors such as the finish or treatment applied to the walls. walls of the evaporator-condenser tube or chamber with hydrophilic or hydrophobic properties.
  • One form of embodiment of the faces of a wall of a tube or evaporator-condenser chamber of a high-density heat exchanger of transition regions is using marine aluminum alloys, with a profile of symmetrically alternating channels, sawtooth or zig-zag that forms microchannels on both the evaporating face and the condensing face with a depth of maximum 1 mm and a distance between summits or vertices of the microchannel of maximum 1 mm.
  • a high-density transition region heat exchanger operates with a thermal jump or temperature difference between the aqueous solution to be evaporated on the evaporating side of the evaporator-condenser tube or chamber and the temperature of the secondary water vapor to be condensed on the condensing side of the evaporator-condenser tube or chamber less than or equal to 0.3°C plus the elevation of the boiling point corresponding to the salinity and temperature of the aqueous solution to be evaporated.
  • this temperature difference of 0.3°C plus the boiling point elevation results in a temperature difference less than or equal to 1°C compared to the 3°C typically required in heat exchangers.
  • the result achieved with the high-density transition region heat exchanger is a low temperature differential between the aqueous solution to be evaporated and the condensed fresh water and this is due to a structure of the wall of the evaporator-condenser tube or chamber in the that the cohesion and adhesion forces of the water molecules position the flow of the aqueous solution to be evaporated from the evaporating face of the evaporator-condenser tube or chamber and position the flow of condensed water on the condenser face of the evaporator tube or chamber condenser so that the liquid-gas interface is curved throughout the entire amplitude of the flow between the walls of each microchannel and a high density of transition regions is achieved on the evaporating surface and on the condensing surface.
  • the result of positioning the liquid flows between microchannel walls so that the adhesion and cohesion forces maintain the curvature of the liquid-gas interface throughout the entire width, from wall to wall, of the microchannel is to achieve a high surface density. of water in the transition region on both the evaporating side and the condensing side.
  • the wall of at least one evaporator-condenser tube or chamber of the heat exchanger has the profile of the section normal to both the solution flow.
  • the at least one high-density evaporator-condenser transition region heat exchanger of each evaporator-condenser effect is characterized by having evaporator-condenser tubes or chambers with a wall design that, in cross section, the wall is alternating, so that the evaporating meniscus is reversed, rotated 180°, forming an inverse symmetry with the condensing meniscus and this structure juxtaposes or places in proximity a transition region of an evaporating meniscus with a transition region of a condensing meniscus or with a water-free region of the condensing face, such that the flow of latent heat energy of condensation released over the water-free surface of the condensing face or released over the transition region of a condensing meniscus of the condensing face flows through from the wall of the tube or condensing-evaporating chamber to the transition region of an evaporating meniscus of the evaporating face where the heat flow is transformed, at least in part, into latent
  • This design of the evaporator-condenser tubes or chambers with alternating channels positions the evaporator menisci in inverse symmetry with the condensers and this structure allows a high density of transition regions and allows a transition region of the evaporator meniscus to be close to a transition region of the condenser meniscus and creates a latent heat exchange passage through the wall of the condenser evaporator tube or chamber with high heat flux, low thermal resistance and low temperature gradient between the aqueous solution to be evaporated and the vapor that is condensed.
  • the multi-effect multi-train desalination device uses a residual steam source below 70 e C as used by current MED multi-effect desalination plants, although the specific consumption of steam mass flow per unit of product water is reduced up to to be one third of the specific consumption of external steam mass flow of the current MED desalination plants.
  • the multi-effect multi-train desalination device comprises at least two trains of n evaporator-condenser effects and with at least one sensible heat exchanger of aqueous solutions between two successive trains.
  • the MEMTD multi-train multi-effect desalination device with incoming steam in the first effect below 70°C and steam around 37°3 condensing in the final heat sink, is formed by three trains of 10 effects.
  • evaporators condensers each train, with a temperature difference between the water to be evaporated and the steam to be condensed of less than 1°C due to the evaporator-condenser effect and with at least one sensible heat exchanger between two trains of successive effects and with a loss of sensible heat exchange less than 2°C, and this realization allows multiplying the production of product water produced by a current MED plant per unit of energy contributed to the system in the form of residual steam contributed to the first effect and pumped refrigerant seawater to the heat sink of the last effect.
  • MEMTD multi-train multi-effect desalination device
  • the flow of brine leaving the last condenser evaporator effect of the preceding train exchanges the sensible heat with a flow of new feed water that is supplied to the first condenser evaporator effect of the next train.
  • the temperature loss between the temperature of the incoming brine flow of the last evaporator-condenser effect of the preceding train and the temperature of the outflow of the new feed water contributed to the first evaporator-condenser effect of the following train will be lower the larger the exchange surface. in it sensitive heat exchanger and the better its heat transfer properties will be, with a temperature difference of less than 2°C.
  • the multi-effect multi-train desalination device is coupled to an absorption heat pump steam compressor, AB MEMTD. This increases the amount of water produced, in exchange for using residual steam with more exergy, but with a final total result of lower specific energy consumption per unit of product.
  • the multi-effect multi-train desalination device, MEMTD is coupled to a thermal ejector vapor compressor, TVC MEMTD.
  • TVC MEMTD thermal ejector vapor compressor
  • Figure 1 shows in a longitudinal section diagram the three regions of an evaporating meniscus close to the three regions of a condensing meniscus and highlights the properties of the heat flow from a condensing transition region to an evaporating transition region, located in proximity,
  • Figure 2 shows in a longitudinal section diagram the three regions of an evaporating meniscus close to the three regions of a condensing meniscus and highlights the properties of the heat flow from a condensing transition region and from a water-free zone of the condensing face to an evaporating transition region, located nearby
  • Figure 3 shows a schematic of a multi-train multi-effect desalination device, MEMTD, formed by three trains of evaporator-condenser effects and their sensible heat exchangers between trains,
  • Figure 4 shows a schematic of a multi-train multi-effect desalination device coupled to an absorption heat pump compressor, ABHP MEMTD,
  • Figure 5 shows a schematic of a multi-train multi-effect desalination device coupled to a thermal vapor compressor, TVC MEMTD, and
  • Figure 6 shows in a diagram a cross section, perpendicular to the flow of aqueous solution on the evaporating side and water on the condensing side, of a section of the wall of an evaporator-condenser tube or chamber of a high-pressure heat exchanger.
  • a multi-train multi-effect desalination device comprises at least two trains of chambers or successive evaporation-condensation effects where each evaporator-condenser effect comprises, in turn, at least one heat exchanger that we call high-density transition regions and two Successive trains are thermally interconnected with each other by a sensible heat exchanger.
  • Figure 1 which also shows a curvature of the gas-liquid interface or a meniscus of condensed water on the condensing face of the high-density heat exchanger of transition regions that is divided into three regions: the adsorption region 55, the massive region 57 of the meniscus and the transition region 56.
  • a heat flow exchange passage Q is achieved through which the latent heat released by the condensed vapor 58 over the condensing transition region 56 flows with a low thermal resistance and with a low thermal gradient towards the evaporating transition region 4 where the energy O is absorbed, at least in part, as latent heat of evaporation for the vapor 59 evaporated from the evaporating face.
  • water-free zones where vapor 61 condenses directly on the condenser face of the wall 60 of an evaporator-condenser tube or chamber.
  • These water-free zones are produced by the design of the condensing face with areas partially covered with a hydrophobic layer that quickly repels the droplets that form by condensation. They are also produced as a result of the effects of free or forced dynamic oscillations in the water flow. condensed within the condensing structure and are also produced by the design of the microchannels with a depth greater than the height of the condensed water flow.
  • the proximity of the evaporating transition regions with condensing transition regions and with waterless zones of the condensing face creates paths of high heat flux Q 1 , C 2 and low thermal resistance.
  • a high density of transition regions on the condenser side and on the evaporator side achieve a high heat transfer coefficient per unit area and unit temperature gradient, which allows operation with low temperature differentials in each evaporator-condenser effect. .
  • the design of the condensing surface with microchannels ensures the orderly passive drainage of condensed water by capillarity within the microchannels, ensuring the existence of surfaces free of thermally insulating water films.
  • Figure 6 schematically shows a cross section, perpendicular to the flow of aqueous solution on the evaporator face and the flow of condensed water on the condenser face, of a wall segment 62 of a tube or an evaporator-condenser chamber of a high-density transition region heat exchanger showing the curved gas-liquid interface profile of the saline solution stream 63 to be evaporated flowing within a microchannel of the evaporating face, with full-width curvature of the gas-liquid interface from to wall of the microchannel, and the curved profile of the liquid-gas interface of the condensed water flow 64 flowing within a microchannel of the condensing face, with curvature of the liquid-gas interface throughout the entire width from wall to wall of the microchannel .
  • the curvature of the liquid-gas interface across the width of the microchannels that cover, at least in part, the evaporating face and through which the saline solution to be evaporated 63 flows achieves a high density of transition regions 4 in the curvature of the liquid-vapor interface of the saline solution to be desalted and with the consequent high density of zones with a high latent heat flux of evaporation that absorbs the evaporated vapor 59.
  • the curvature of the liquid-gas interface across the width of the microchannels that cover, At least in part, the condensing face and through which the condensed water flows 64 achieves a high density of transition regions 46 in the curvature of the liquid-vapor interface of the condensed water and with the consequent high density of zones with a high flow latent heat of condensation 58.
  • the sinusoidal shape of the wall 62 allows an evaporating meniscus 63 and a condensing meniscus 64 to alternate in successive inversions, with rotations of 180 e , in such a way that the condensing transition region 56 of a condensing meniscus 64 where it occurs the condensation releasing latent heat of condensation of the vapor 58 with a greater flow of energy per unit area, is close to an evaporating transition region 4 of an evaporating meniscus 63 absorbing latent heat of evaporation for the evaporated vapor 59 with a greater flow of energy absorbed per unit area.
  • the high density of transition regions that occur in this alternating structure of evaporating microchannels and condensing microchannels or other sawtooth, zigzag or similar structure make it possible to achieve a high density of paths of high Qi flow of energy in the form of latent heat released in the condensing transition region 56 or and a high density of high flow paths Q2 of energy in the form of latent heat released on a water-free surface of the condensing face on which vapor condenses 61, which flow to the transition region 4 evaporator of the evaporator face where the energy is absorbed in the form of latent heat of evaporation 59.
  • One form of embodiment of the evaporator-condenser latent heat exchanger tubes or chambers with sinusoidal, zigzag, sawtooth or similar wall 62 is by extrusion of aluminum alloys or by stamping forming microchannels of I mm depth and 1 mm wide from top to top of each microchannel. Depth greater than or equal to I mm allows greater flow rates to be managed and allows longer evaporator-condenser tubes or chambers. The depth of the microchannels less than 1 mm reduces the width of each channel and, consequently, increases the number of channels per unit of perimeter of the evaporator-condenser tube or chamber and increases the density of transition regions per unit of tube surface. or evaporator condenser chamber.
  • the sinusoidal shape is modified with a profile of angled ends, creating a zigzag shape, or with flat ends, creating a crenellated shape, instead of the rounded ends of the sinusoidal shape.
  • transition regions are unattainable with the current double-fluted, double-fluted evaporator-condenser tubes or chambers, designed to create turbulence in the descending water flows since large areas of flat liquid-gas interface would form in these tubes, and is unattainable with fluted or grooved tubes on only one side.
  • one embodiment of the multi-effect multi-train desalination device comprises an arrangement of vertical shells, with vertical exchanger tubes or chambers with the inner evaporating face and the outer condensing face.
  • the casings are horizontal with horizontal tubes or chambers with the interior evaporating face and the exterior condensing face.
  • the multi-effect multi-train desalination device, MEMTD, the horizontal or vertical casings comprise heat exchange chambers or tubes with the exterior evaporating face and the interior condensing face.
  • MEMTD multi-train multi-effect desalination device
  • the multi-effect multi-train desalination device incorporates traditional MED devices for heat transfer between fluids: feed heater, feed heater, heat exchange between the released steam and the feed water flow, box flash, flash box, steam generation by reducing the temperature of the condensate and inlet flash of the superheated feed liquid in each effect.
  • the multi-train multi-effect desalination device comprises at least one sensible heat exchanger 6 at the end of each train except in the case of the last train, c, in which the last effect evaporator condenser n c is connected to the final condenser 7.
  • the at least one sensible heat exchanger 6 between two evaporator-condenser effects trains exchanges the sensible heat of the brine outflow 18 of the last effect n a and nb of the preceding effects train which after passing through the sensible heat exchanger 19 is returned to the environment, with an incoming flow of preheated seawater 20 from the final condenser 7 and which, after passing through at least one sensitive heat exchanger 6, is provided as feed water 21 to the first effect of the next train.
  • effects 1 b and 1 c at a temperature that is at least equal to the temperature of the brine 18 of the last effect n a , n b , of the preceding train minus 2°C.
  • the succession of effect trains connected with sensible heat exchangers allows in this configuration to place up to 30 effects placed in three trains of 10 evaporator-condenser effects in each train, between the source of residual steam 8 at less than 70°C and the final condenser 7 which usually works at a temperature around 37°C, so that the recovery ratio, the relationship between the mass of produced water and the mass of feed water, remains at the traditional levels of the MED around 35%, most of the sensible heat is recycled between two trains of effects and 100% of the latent heat is recycled between two trains of effects, which allows the specific consumption of energy provided in the form of heat to be reduced to 1/3 to the system per unit of water produced, compared to current MEDs.
  • the first effect of the first train 1 a receives the flow of residual steam 8 from an electricity generation plant using steam turbines or from a steam generating facility, at a temperature below 70°C to avoid mineral precipitation on the evaporator side. and returns the condensed water 9 to the generation plant to generate new steam, as happens with current MEDs.
  • the outlet of the steam 10 generated in the first effect and the output of the brine 12 generated in the first effect are managed as in the current MED with the corresponding heat recycling processes.
  • each train of effects receive the water vapor 16 from the outlet of the preceding effect 10, they receive the brine 12 of the preceding effect that is used as feed water 13, product water is extracted from them. 17and brine 14 and the new vapor 15 is brought to the condenser of the following evaporator effect condenser, as in a traditional MED device.
  • the outlet of the steam 22 of the last effect n c of the last train c of effects is connected to a final condenser or heat sink 7 in which the steam 22 of the last effect n c of the last train c of effects is condensed against tubes or chambers heat exchangers within which sea cooling water flows 23 at room temperature.
  • the cooling seawater 24 leaves the condenser 7 at a higher temperature than the ambient temperature and is distributed, at least in part, as feed water to the three effects trains a, b and c.
  • the multi-effect multi-train desalination device, MEMTD in a configuration of three trains of effects and ten condenser-evaporator effects per train recycles latent heat between condenser-evaporator effects of a train, recycles sensible heat between two consecutive trains of effects, recycles as water from the three effects trains to all the cooling water 23 supplied to the final condenser 7, works with recovery ratios at the same level as the current MEDs, uses all the current knowledge in heat recycling between the MED fluids, reduces the specific heat consumption per unit of produced water by up to a third, reduces the specific electricity consumption per unit of product water by around a third for pumping cooling liquid from the final condenser and desalinates 40,000ppm seawater with an electricity consumption of less than 1.2kWh/m 3 of product and recycling residual steam at 70 fi C from a steam turbine power generation plant that, without coupling the MEMTD desalination plant, should expel the steam into the atmosphere at a temperature greater than 100 e C with the corresponding loss of exer
  • the multi-effect multi-train desalination device comprises three effect trains: a, b and c, connected by two sensible heat exchangers 6 and coupled to at least one heat pump per ABHP absorption creating an ABHP MEMTD absorption pump multi-train multi-effect desalination device.
  • a vapor fraction 25 of up to 50% of the vapor evaporated 22 in the last effect n c of the last train c is provided 26 within the casing of at least one absorber 27 of the absorption heat pump, where it hydrates a aqueous solution of lithium bromide 31 provided within the casing of at least one absorber 27 of the absorption heat pump.
  • This absorption process releases energy from the condensation of the supplied steam 26, which is absorbed by the condensed water 30 of the first effect 1 a of the first train a as it circulates inside heat exchange tubes 28 inside the absorber 27, which evaporates generating steam 29 and that is contributed to the first effect 1 a of the first train a.
  • the hydrated lithium bromide solution 32 is removed from the absorber 27 via an outlet tube 33 connected to a pump 34 that drives the hydrated lithium bromide solution through at least one sensible heat exchanger 35 where the hydrated solution of lithium bromide 32 absorbs sensible heat from the dehydrated solution 40 which, through a drain pipe 41, leaves the at least one generator 42 of the absorption heat pump.
  • the lithium solution 37 is provided on the evaporator condenser tubes 38 of the at least one generator 42. Inside the evaporator condenser tubes 38, It condenses residual steam 36 supplied at about 100 e C from the power generation plant by steam turbines and the concentrate is returned to the power generation plant to generate more steam.
  • the lithium bromide solution 37 gives off steam that is channeled 39 as steam for the first effect 1 a of the first train a.
  • This ABHP MEMTD configuration of three trains of ten effects evaporators condensers coupled to an absorption heat pump allows achieving a mass flow rate of product water of up to sixty times the mass flow rate of external steam 36 contributed to the desalination plant.
  • another embodiment of the multi-train multi-effect desalination device, MEMTD comprises three effect trains: a, b and c, connected by two sensible heat exchangers 6 and coupled to at least one compressor.
  • steam ejector 45 creating a multi-effect multipre thermal vapor compression desalination device TVC MEMTD, for its acronym in English.
  • a steam fraction 25 of up to 50% of the evaporated steam 22 in the last effect n c of the last train c is supplied 44 as sucked steam to at least one ejector 45 to which external motive steam 43 is supplied and the ejector generates resulting vapor 46 at the temperature and pressure of the first effect 1 a of the first train a.
  • a multi-train multi-effect desalination device with thermal vapor compression TVC MEMTD comprises more than one ejector at the end of each train or placed between effects of a train.
  • the TVC MEMTD configuration of three trains of ten effects evaporators condensers coupled to at least one steam ejector 45 makes it possible to achieve a mass of product water of up to sixty times the mass of external steam 43 contributed to the misalignment plant as motive steam of the ejector. .

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Abstract

Un dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, por cambio de fase que comprende al menos dos trenes de n efectos evaporadores condensadores, donde cada tren de efectos comprende al menos un intercambiador de calor latente en cada uno de los efectos evaporadores-condensadores, al menos un intercambiador de calor sensible (6) entre cada dos trenes de efectos en el que se intercambia calor sensible entre el flujo de salmuera (18) de salida del último efecto evaporador-condensador del tren de efectos precedente y el flujo de agua entrante (20) que se aporta como agua de alimentación (21) al primer efecto evaporador-condensador del tren siguiente y un condensador final (7) que condensa, al menos en parte, el vapor evaporado (22) del último efecto evaporador-condensador del último tren de efectos evaporadores-condensadores.

Description

Dispositivo desalinizador multiefecto multitren MEMTD
DESCRIPCIÓN
Objeto
La presente invención se refiere a un dispositivo desalinizador multiefecto por cambio de fase, de al menos dos trenes de efectos evaporadores condensadores y con bajo salto térmico por efecto evaporador condensador.
Estado de la técnica
Son conocidos los dispositivos desalinizadores multiefecto, MED por sus siglas en inglés, que se basan en un proceso en serie formado de etapas o efectos de evaporación-condensación bajo condiciones de vacío, usando vapor residual de una planta de energía adyacente u otra fuente de vapor como vapor inicial.
Los actuales dispositivos desalinzadores multiefecto MED comprenden una pluralidad de dispositivo de carcasa y tubos o cámaras intercambiadores de calor. Una forma de realización de una planta de Desalinización o Destilación Multiefecto MED es formada por carcasas verticales con tubos o cámaras intercambiadores de calor verticales u horizontales, condensadores en su cara interior y evaporadores en su cara exterior. En esta configuración, el vapor se condensa dentro de los tubos o cámaras y como consecuencia del intercambio térmico a través de las paredes del tubo o cámara hace posible que el agua salada, que fluye sobre el lado exterior evaporador de los tubos o cámaras, se evapore. Este vapor libre de sales pasa al siguiente efecto y calienta la parte interna de los tubos o cámaras mientras se condensa en forma de agua desalada. Se aporta nueva agua salada a menor temperatura sobre la parte exterior de estos tubos o cámaras del siguiente efecto, que se evapora. Este proceso se repite sucesivamente en una serie de efectos evaporadores condensadores, típicamente entre 8 y 13 veces.
Como se ha comentado anteriormente el dispositivo desalinizador multiefecto MED recibe energía aportada en forma de calor a partir de vapor residual proveniente de una planta de generación eléctrica por turbinas de vapor o de otra fuente de vapor, este calor es aportado al primer efecto, donde la temperatura del vapor aportado al primer efecto está por debajo de los 70°C con el fin de limitar los problemas de precipitación mineral; el salto térmico entre la temperatura del agua a evaporar y el vapor a condensar suele ser en torno a 3°C por efecto; el número de efectos suele ser entre 8 y 13 efectos evaporadores condensadores; el sistema de recuperación de calor a lo largo de la planta multiefecto combina fenómenos de evaporación-condensación súbita o flash en las cajas de flash, flash boxes, los fenómenos de evaporación-condensación súbita o flash en la entrada del agua de alimentación sobrecalentada a cada efecto y condensación de parte del vapor de cada efecto en los calentadores de alimentación, feed heater; el sumidero de calor situado después del último efecto es por condensación del vapor evaporado en el último efecto sobre unos tubos condensadores dentro de los que circula agua refrigerante de mar en una cantidad superior a la del agua de alimentación; y un ratio de recuperación, proporción entre el agua desalineada producida y el agua de alimentación aportada al primer efecto, en torno al 35%.
Un problema que presentan los dispositivos desalinizadores multiefecto MED actuales es su elevado consumo específico de energía por unidad de agua producida. El elevado consumo específico de energía de los actuales MED se debe a que: los actuales MED sólo reciclan en promedio unas 10 veces el calor latente del vapor aportado al primer efecto; es difícil añadir más de 13 efectos en un tren de efectos debido a que la temperatura inicial no debe superar los 70eC para evitar problemas de precipitación mineral y debido a que a mayor número de efectos mayor será la salinidad del agua a tratar en los últimos efectos y mayor será el salto térmico impuesto por la elevación del punto de ebullición de la solución acuosa a evaporar; y el consumo por bombeo de las grandes cantidades de agua refrigerante de mar a aportar al sumidero de calor final, que se vuelve a verter al mar sin ser utilizada como agua de alimentación.
Los actuales tubos o cámaras evaporadores condensadores de los actuales efectos evaporadores condensadores de un dispositivo desalinizador multiefecto MED son intercambiadores de calor por cuya cara evaporadora fluye una solución salina a evaporar y por cuya cara condensadora fluye agua que se ha condensado. En una posición vertical de los tubos o cámaras evaporadores-condensadores, el agua a evaporar y el agua condensada fluyen formando una capa o película de agua sobre las caras evaporadora y condensadora de cada uno de los tubos o cámaras. En algunos casos se usan tubos o cámaras con las paredes corrugadas para aumentar la superficie de intercambio de calor y para crear turbulencias en los flujos descendentes de líquidos, principalmente para facilitar la convección térmica al romper la capa límite y también conseguir zonas de capas de líquido más finas en las que la resistencia a conducción al flujo de calor es menor.
En una posición horizontal de los tubos o cámaras evaporadores condensadores la solución acuosa a evaporar fluye en película por la cara exterior evaporadora mientras que el agua condensada fluye horizontalmente sobre la cara interior condensadora creando una película de agua con elevada resistencia al flujo de calor en toda la pared cubierta por el flujo de líquido.
Es conocido que la interacción de las fuerzas de cohesión y adhesión de las moléculas de agua con la superficie sólida de un recipiente producen una curvatura de la interfaz líquido vapor conocida como menisco de agua o de solución acuosa.
Asimismo, es conocido que un menisco de agua se divide en tres regiones caracterizadas por tener comportamientos muy diferentes respecto a la transmisión de calor a través de la película líquida y la fuerza de adhesión interfacial sólido-líquido. Estas tres regiones son la región de adsorción, la región de transición y la región masiva del menisco. Es conocido que el espesor de la película de agua líquida es más pequeño en la región de adsorción, pero la película líquida delgada se mantiene fuertemente adherida al sustrato sólido por las fuerzas intermoleculares entre el líquido y el sólido. En esta región de adsorción, la resistencia térmica a conducción es pequeña y la resistencia térmica interfacial es grande. En la región masiva del menisco, debido al gran espesor de la película de agua, la resistencia térmica por conducción es grande y la resistencia térmica interfacial es pequeña. En esta región masiva del menisco, la curvatura de la interfase líquido-vapor permanece casi constante. La región de transición se encuentra entre la región de adsorción y la región masiva del menisco. Esta región de transición se caracteriza por una baja resistencia térmica por conducción resultante del reducido espesor de la capa de agua y por una baja resistencia térmica interfacial. Una divulgación de referencia en esta materia es el artículo Revisión de los efectos de la topografía superficial, la química superficial y la física de fluidos sobre la evaporación en la línea de contacto, Review of the Effects of Surface Topography, Surface Chemistry, and Fluid Physics on Evaporation at the Contact Line, del que es primer autor Joel L. Plawsky, del Rensselaer Polytechnic Institute de Nueva York.
Es conocido que en el agua o la solución acuosa que está en contacto con las paredes sólidas de un recipiente se produce una curvatura de la interfaz líquido-gas por efecto de la resultante de las fuerzas de adhesión y de cohesión. Es conocido que, si las paredes son próximas entre si, la interfaz líquido vapor está curvada en toda su amplitud entre pared y pared. Es conocido que, si las paredes del recipiente están a una distancia superior a la de actuación de las fuerzas de adhesión de las moléculas de agua sobre las paredes, entonces la interfaz líquido gas es plana en la zona central entre paredes y sólo se curva en la proximidad de las paredes.
Son conocidas las bombas de calor por absorción, ABHP por sus siglas en inglés, y es conocido que se acoplan a plantas de desalineación multiefecto, generalmente denominadas ABHP MED por sus siglas en inglés. Estas plantas de desalineación ABHP MED presentan el problema del alto coste energético por las pocas veces que el calor latente se recicla a lo largo de los entre 6 a 12 efectos en que suelen presentarse estas configuraciones.
Son conocidos los eyectores de vapor acoplados a instalaciones de desalinización multiefecto de compresión térmica de vapor, generalmente denominadas TVC MED por sus siglas en inglés. Estas instalaciones TVC MED presentan el problema del alto coste energético específico por unidad de producto, por las pocas veces que el calor latente se recicla a lo largo de los pocos efectos que suelen tener estas configuraciones que disponen de menos de 13 efectos evaporadores condensadores, y debido al coste energético del vapor de mayor temperatura usado como vapor motriz del eyector.
Sumario
La presente invención se define en el apartado de Reivindicaciones.
Un dispositivo desalinizador multiefecto MED con una pluralidad de trenes de efectos de evaporación condensación, de bajo gradiente o salto térmico por efecto evaporador condensador, presenta una capacidad para multiplicar unas tres veces la actual capacidad que las plantas de desalinización o destilación multiefecto MED alcanzan a partir de un determinado flujo másico de vapor residual y utilizando un determinado flujo de agua refrigerante en el sumidero de calor.
El dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, aprovecha como agua de alimentación una mayor proporción del flujo de agua refrigerante del sumidero de calor representado por el condensador final, reduciéndose así el gasto específico de energía de bombeo de agua de mar respecto a las actuales instalaciones desalinizadoras multiefecto MED.
El dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, es un dispositivo desalinizador por cambio de fase que comprende al menos un intercambiador de calor que denominamos de alta densidad de regiones de transición caracterizado por estar compuesto por tubos o cámaras intercambiadores de calor en los que el agua condensada sobre la cara condensadora y la solución acuosa a evaporar sobre la cara evaporadora fluyen dentro de canales cuyas paredes se encuentran a proximidad, normalmente menos de 1mm, de forma que el flujo de agua o de solución acuosa dentro de estos canales tiene la interfaz líquido-gas curvada en toda la amplitud de pared a pared lo que permite conseguir una alta densidad de regiones de transición en la superficie de la cara evaporadora y de la cara condensadora.
Una forma de realización del intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición es usando tubos o cámaras evaporadores-condensadores con un perfil de la pared del tubo o cámara evaporador condensador que en su corte perpendicular al flujo de líquido tiene un perfil sinusoide, en diente de sierra o similar de forma que toda la interfaz líquido gas del agua o la solución acuosa que fluye dentro de microcanales en los que las fuerzas de adhesión del agua sobre la pared lateral del microcanal curva su interfaz líquido gas en todo el ancho de la interfaz líquido gas de pared a pared del microcanal.
Las medidas de los microcanales que cubren, al menos en parte, la cara evaporadora y la cara condensadora de los tubos o cámaras evaporadores condensadores de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición dependerán de las fuerzas de adhesión y cohesión y ello, a su vez, depende de las propiedades de la solución acuosa, de las propiedades del material de la pared de tubo o cámara evaporador condensador, del ángulo de inclinación de las paredes del microcanal y de otros muchos factores como del acabado o tratamiento aplicado a las paredes del tubo o cámara evaporador-condensador con propiedades hidróf ¡las o hidrófugas.
Una forma de realización de las caras de una pared de un tubo o cámara evaporador- condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición es usando aleaciones marinas de aluminio, con un perfil de canales simétricamente alternantes, en diente de sierra o zig-zag que forma unos microcanales tanto en la cara evaporadora como en la cara condensadora de una profundidad de máximo 1 mm y una distancia entre cumbres o vértices del microcanal de máximo 1 mm.
Para conseguir un ciclo de evaporación y condensación, un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición funciona con un salto térmico o diferencia de temperatura entre la solución acuosa a evaporar en la cara evaporadora del tubo o cámara evaporador- condensador y la temperatura del vapor de agua secundario a condensar en la cara condensadora del tubo o cámara evaporador-condensador inferior o igual a 0,3°C más la elevación del punto de ebullición correspondiente a la salinidad y temperatura de la solución acuosa a evaporar. Para aguas marinas, esta diferencia de temperatura de 0,3°C más la elevación del punto de ebullición resulta en una diferencia de temperatura inferior o igual a 1°C en comparación con los 3°C que se suelen requerir en los intercambiadores de calor de los actuales dispositivos desalinizadores multiefecto MED. El resultado conseguido con el intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición es un bajo diferencial de temperatura entre la solución acuosa a evaporar y el agua dulce condensada y ello se debe a una estructura de la pared del tubo o cámara evaporador condensador en la que las fuerzas de cohesión y de adhesión de las moléculas de agua posicionan el flujo de la solución acuosa a evaporar de la cara evaporadora del tubo o cámara evaporador-condensador y posicionan el flujo de agua condensada en la cara condensadora del tubo o cámara evaporador condensador de forma que la interfaz líquido gas está curvada en toda la amplitud del flujo entre las paredes de cada microcanal y se consigue una alta densidad de regiones de transición en la superficie evaporadora y en la superficie condensadora.
El resultado de posicionar los flujos de líquido entre paredes de microcanales de forma que las fuerzas de adhesión y cohesión mantengan la curvatura de la interfaz líquido gas en toda la amplitud, de pared a pared, del microcanal es él de conseguir una alta densidad de superficie de agua en región de transición tanto en la cara evaporadora como en la cara condensadora. Para lograr una elevada densidad de regiones de transición simultáneamente tanto en la cara evaporadora como en la cara condensadora, la pared del, al menos un tubo o cámara evaporador condensador del intercambiador de calor, tiene el perfil de la sección normal tanto al flujo de solución salina a evaporar como a la del flujo de condesado, en forma simétricamente alternante en la que el menisco evaporador de la cara evaporadora queda alternativamente invertido con relación al menisco condensador de la cara condensadora y así sucesivamente a lo largo del perímetro del tubo o cámara evaporador-condensador, de manera que las distancias entre las regiones de transición de los meniscos evaporadores y de los meniscos condensadores sea mínima.
El, al menos un, intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición evaporador-condensador de cada efecto evaporador condensador se caracteriza por tener unos tubos o cámaras evaporadores-condensadores con un diseño de la pared que, en corte transversal, la pared es alternante, de forma que el menisco evaporador queda revertido, rotado 180°, formando una simetría inversa con el menisco condensador y esta estructura yuxtapone o coloca a proximidad una región de transición de un menisco evaporador con una región de transición de un menisco condensador o con una región sin agua de la cara condensadora, de forma que el flujo de energía de calor latente de condensación liberado sobre la superficie libre de agua de la cara condensadora o liberado sobre la región de transición de un menisco condensador de la cara condensadora fluye a través de la pared del tubo o cámara condensadora-evaporadora hasta la región de transición de un menisco evaporador de la cara evaporadora donde el flujo de calor se transforma, al menos en parte, en calor latente de evaporación. Este diseño de los tubos o cámaras evapores-condensadores con canales alternantes, posiciona en simetría inversa los meniscos evaporadores con los condensadores y esta estructura permite una elevada densidad de regiones de transición y permite que una región de transición del menisco evaporador quede a proximidad con una región de transición del menisco condensador y crea un pasaje de intercambio de calor latente por la pared del tubo o cámara evaporador condensador con alto flujo de calor, baja resistencia térmica y bajo gradiente de temperatura entre la solución acuosa a evaporar y el vapor que se condensa.
El dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, utiliza una fuente de vapor residual por debajo de los 70eC como la que utilizan las actuales plantas desalinizadoras multiefecto MED, si bien el consumo específico de flujo másico de vapor por unidad de agua producto se reduce hasta a ser de un tercio del consumo específico de flujo másico de vapor externo de las actuales plantas desalinizadoras MED.
El dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende al menos dos trenes de n efectos evaporadores condensadores y con al menos un intercambiador de calor sensible de soluciones acuosas entre dos trenes sucesivos.
En una realización, el dispositivo desalinizador multiefecto multitren MEMTD, con un vapor entrante en el primer efecto por debajo de 70°C y un vapor en torno a 37°3 condensándose en el sumidero de calor final, está formado por tres trenes de 10 efectos evaporadores condensadores cada tren, con una diferencia de temperatura entre el agua a evaporar y el vapor a condensar inferior a 1°C por efecto evaporador condensador y con, al menos, un intercambiador de calor sensible entre dos trenes de efectos sucesivos y con una merma de intercambio de calor sensible inferior a 2°C,y esta realización permite multiplicar la producción de agua producto que produce una planta MED actual por unidad de energía aportada al sistema en forma de vapor residual aportado al primer efecto y de agua de mar refrigerante bombeada al sumidero de calor del último efecto.
La configuración de un dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, de al menos dos trenes de efectos evaporadores condensadores con un intercambiador de calor sensible entre dos trenes sucesivos de efectos de evaporación-condensación permite reciclar el calor latente y permite mantener a un nivel óptimo el nivel de salinidad del agua de alimentación en cada efecto, aunque el número de efectos total de la planta sea de 30 efectos evaporadores condensadores. En el, al menos un, intercambiador de calor sensible entre dos trenes sucesivos de n efectos evaporadores condensadores el flujo de salmuera saliente del último efecto evaporador condensador del tren precedente intercambia el calor sensible con un flujo de nueva agua de alimentación que se aporta al primer efecto evaporador condensador del siguiente tren. La pérdida de temperatura entre la temperatura del flujo entrante de salmuera del último efecto evaporador condensador del tren precedente y la temperatura del flujo saliente de la nueva agua de alimentación aportada al primer efecto evaporador condensador del tren siguiente será menor cuanto mayor sea la superficie de intercambio en el intercambiador de calor sensible y mejor serán sus propiedades de transferencia de calor, siendo una diferencia de temperatura inferior a 2°C.
En otra realización, el dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, se acopla a un compresor de vapor por bomba de calor por absorción, AB MEMTD. Con ello se aumenta la cantidad de agua producida, a cambio de utilizar vapor residual de más exergía, pero con un resultado total final de un menor consumo específico de energía por unidad de producto.
En otra realización, el dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, se acopla a un compresor térmico de vapor por eyector, TVC MEMTD. Con ello se aumenta la cantidad de agua producida, hasta el doble de producto por unidad másica de vapor aportado a un MEMTD sin TVC, a cambio de utilizar vapor residual de mayor exergía, pero con un resultado total final de un menor consumo específico de energía por unidad de producto.
Teniendo en cuenta que el consumo per cápita de electricidad se sitúa entre 13 y 30 kWh/día y teniendo en cuenta que el vapor residual de una turbina eléctrica de vapor, ya sea de una central nuclear, de combustión de hidrocarburo o solar concentrada se sitúa en torno a 1 kg/kWh de electricidad producida, resulta que con los 13 a 30 kg/día de vapor residual per cápita, con el acoplamiento de una planta de desalinización multiefecto multitren, MEMTD, se pueden generar entre 390 y 900 l/día de agua desalinizada por persona que consume electricidad generada con turbina de vapor, satisfaciendo ampliamente las necesidades de agua potable per cápita a un bajo coste específico de energía. En caso de acoplamiento, con una planta AB MEMTD o con una planta TVC MEMTD, se generan entre 780 y 1 .800 l/día de agua desalinizada por persona que consume electricidad generada por turbina de vapor.
Breve descripción de las figuras
Una explicación más detallada de la invención se da en la descripción que sigue y que se basa en las figuras adjuntas:
La Figura 1 muestra en un esquema en corte longitudinal las tres regiones de un menisco evaporador a proximidad de las tres regiones de un menisco condensador y se destacan las propiedades del flujo de calor desde una región de transición condensadora a una región de transición evaporadora, situadas a proximidad,
La Figura 2 muestra en un esquema en corte longitudinal las tres regiones de un menisco evaporador a proximidad de las tres regiones de un menisco condensador y se destacan las propiedades del flujo de calor desde una región de transición condensadora y desde una zona libre de agua de la cara condensadora a una región de transición evaporadora, situadas a proximidad, La Figura 3 muestra en un esquema de un dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, formado por tres trenes de efectos evaporadores condensadores y sus intercambiadores de calor sensible entre trenes,
La Figura 4 muestra en un esquema de un dispositivo desalinizador multiefecto multitren acoplado a un compresor por bomba de calor por absorción, ABHP MEMTD,
La Figura 5 muestra en un esquema de un dispositivo desalinizador multiefecto multitren acoplado a un compresor térmico de vapor, TVC MEMTD, y
La Figura 6 muestra en un esquema un corte transversal, perpendicular al flujo de solución acuosa de la cara evaporadora y de agua de la cara condensadora, de una sección de la pared de un tubo o cámara evaporador-condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición, con un diseño de la pared del tubo o de la cámara evaporador-condensador en forma alternante en que un menisco evaporador queda capiculado, rotado unos 180°, en simetría inversa con relación a cada uno de los dos meniscos condensadores adjuntos y la proximidad de las paredes de los microcanales de la cara evaporadora y de la cara condensadora consigue la curvatura de la interfaz líquido gas, en toda la amplitud del microcanal de pared a pared, del flujo de agua de la cara condensadora y del flujo de solución acuosa de la pared evaporadora consiguiendo una alta densidad de regiones de transición en la superficie de la cara evaporadora y de la cara condensadora y consiguiendo una alta densidad de zonas de alto flujo de calor desde la cara evaporadora a la cara condensadora que resultan en un elevado coeficiente de transferencia de calor latente del intercambiador de calor latente, por unidad de superficie y grado Kelvin de diferencia de temperatura.
Descripción detallada
Un dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende al menos dos trenes de cámaras o efectos sucesivos de evaporación-condensación donde cada efecto evaporador condensador comprende, a su vez, al menos un intercambiador de calor que denominamos de alta densidad de regiones de transición y dos trenes sucesivos están interconectados térmicamente entre sí por un intercambiador de calor sensible.
En relación ahora con la Figura 1 donde se muestra una curvatura de la interfaz líquido gas o un menisco líquido de solución acuosa a desalinizar en una cara evaporadora del, al menos un, intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición que se divide en tres regiones: la región de adsorción 3 donde la película líquida delgada se mantiene fuertemente adherida al sustrato sólido 60 por las fuerzas intermoleculares entre el líquido y el sólido, en esta región de adsorción 3 la resistencia térmica por conducción es pequeña y la resistencia térmica interfacial es grande de forma que la evaporación es casi inexistente en esta región de adsorción 3, la región masiva 5 del menisco con una gran resistencia térmica por conducción térmica debida al grosor de la capa de agua y en la que la resistencia interfacial térmica es pequeña, y la región de transición 4 que se caracteriza por tener la menor resistencia térmica agregada y permitir el mayor flujo Q de calor por unidad de superficie.
En relación con la Figura 1 , donde también se muestra una curvatura de la interfaz líquido gas o un menisco de agua condensada sobre la cara condensadora del intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición que se divide en tres regiones: la región de adsorción 55, la región masiva 57 del menisco y la región de transición 56. Al colocar a proximidad las regiones de transición 4 y 56, a ambos lados de la pared 60 del tubo o cámara evaporadora-condensadora de un tubo o cámara evaporador condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición, se consigue un pasaje de intercambio de flujo Q de calor por el que el calor latente liberado por el vapor 58 condensado sobre la región de transición 56 condensadora fluye con una baja resistencia térmica y con un bajo gradiente térmico hacia la región de transición 4 evaporadora donde la energía O es absorbida, al menos en parte, como calor latente de evaporación para el vapor 59 evaporado desde la cara evaporadora.
Como se muestra en la Figura 2, en la cara evaporadora puede haber zonas libres de agua donde el vapor 61 se condensa directamente sobre la cara condensadora de la pared 60 de un tubo o cámara evaporador-condensador. Estas zonas libres de agua se producen por diseño de la cara condensadora con zonas parcialmente recubiertas de una capa hidrófuga que repele rápidamente las gotas que se forman por condensación, también se producen como resultado de efectos de oscilaciones dinámicas libres o forzadas en el flujo del agua condensada dentro de la estructura condensadora y también se producen por diseño de los microcanales con una profundidad superior a la altura del flujo de agua condensada.
La proximidad de las regiones de transición evaporadora con regiones de transición condensadoras y con zonas sin agua de la cara condensadora crea vías de alto flujo de calor Q1, C2y baja resistencia térmica. Una alta densidad de regiones de transición en la cara condensadora y en la cara evaporadora consiguen un alto coeficiente de transferencia de calor por unidad de superficie y unidad de gradiente de temperatura, lo cual permite operar con bajos diferenciales de temperatura en cada efecto evaporador-condensador. Asimismo, el diseño de la superficie condensadora con microcanales asegura el drenaje pasivo ordenado del agua condensada por capilaridad dentro de los microcanales, asegurando la existencia de superficies libres de películas de agua térmicamente aislantes. La Figura 6, muestra de forma esquemática un corte transversal, perpendicular al flujo de solución acuosa de la cara evaporadora y del flujo de agua condensada sobre la cara condensadora, de un segmento de pared 62 de un tubo o una cámara evaporador- condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición que muestra el perfil curvado de la interfaz líquido gas del flujo de solución salina 63 a evaporar que fluye dentro de un microcanal de la cara evaporadora, con curvatura de la interfaz líquido gas en toda la amplitud de para a pared del microcanal, y el perfil curvado de la interfaz líquido gas del flujo de agua 64 condensada que fluye dentro de un microcanal de la cara condensadora, con curvatura de la interfaz líquido gas en toda la amplitud de pared a pared del microcanal. La curvatura de la interfaz líquido-gas a lo ancho de los microcanales que cubren, al menos en parte, la cara evaporadora y por los que fluye la solución salina a evaporar 63 logra una alta densidad de regiones de transición 4 en la curvatura de la interfaz líquido-vapor de la solución salina a desalinizar y con la consiguiente alta densidad de zonas con un elevado flujo de calor latente de evaporación que absorbe el vapor evaporado 59. La curvatura de la interfaz líquido-gas a lo ancho los microcanales que cubren, al menos en parte, la cara condensadora y por los que fluye el agua condensada 64 logra una alta densidad de regiones de transición 46 en la curvatura de la interfaz líquido-vapor del agua condensada y con la consiguiente alta densidad de zonas con un elevado flujo de calor latente de condensación 58.
La forma sinusoidal de la pared 62 permite alternar en inversiones sucesivas, con rotaciones de 180e, un menisco evaporador 63 y un menisco condensador 64 en simetría inversa, de forma que la región de transición condensadora 56 de un menisco condensador 64 en donde se produce la condensación liberando calor latente de condensación del vapor 58 con un mayor flujo de energía por unidad de superficie, queda a proximidad de una región de transición evaporadora 4 de un menisco evaporador 63 absorbiendo calor latente de evaporación para el vapor evaporado 59 con un mayor flujo de energía absorbida por unidad de superficie. La elevada densidad de regiones de transición que se producen en esta estructura alternante de microcanales evaporadores y microcanales condensadores u otra estructura en diente de sierra, zigzag o similar permiten conseguir una alta densidad de trayectos de alto flujo Qi de energía en forma de calor latente liberado en la región de transición condensadora 56 o y una alta densidad de trayectos de alto flujo Q2 de energía en forma de calor latente liberado en una superficie libre de agua de la cara condensadora sobre la que se condensa vapor 61 , que fluyen hasta la región de transición 4 evaporadora de la cara evaporadora donde la energía es absorbida en forma de calor latente de evaporación 59. Una forma de realización de los tubos o cámaras intercambiadores de calor latente evaporador-condensador con pared 62 sinusoidal, en zigzag, diente de sierra o similar es por extrusión de aleaciones de aluminio o por estampado formando unos microcanales de I mm de profundidad y de 1 mm de ancho de cumbre a cumbre de cada microcanal. La profundidad mayor o igual a I mm permite gestionar mayores caudales y permite tubos o cámaras evaporadores condensadores de mayor longitud. La profundidad de los mircrocanales menor a 1 mm, reduce del ancho de cada canal y, en consecuencia, aumenta el número de canales por unidad de perímetro del tubo o cámara evaporador condensador y aumenta la densidad de regiones de transición por unidad de superficie de tubo o cámara evaporador condensador. Para anchos del microcanal superiores a 1 mm, a medida que se aumenta el ancho de los microcanales aparecen zonas planas, sin curvatura, de la interfaz liquido vapor, se reduce la densidad de regiones de transición y se reduce la eficiencia del intercambiador de calor. En estas zonas planas de la interfaz líquido vapor la transmisión de calor latente tanto de evaporación como de condensación es muy poco eficiente lo que penaliza la eficiencia del intercambiador de calor latente. La forma sinusoidal se modifica con un perfil de extremos en ángulo, creando una forma en zigzag, o con extremos planos, creando una forma almenada, en lugar de extremos redondeados de la forma sinusoidal.
La elevada densidad de regiones de transición es inalcanzable con los actuales tubos o cámaras evaporadores-condensadores de doble estriado, double flutted, diseñados para crear turbulencia en los flujos de agua descendentes dado que en estos tubos se formarían amplias zonas de interfaz líquido gas plana, y es inalcanzable con tubos estriados o ranurados en una sola cara.
Como se ¡lustra en la Figura 3, una forma de realización del dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende una disposición de carcasas verticales, con tubos o cámaras intercambiadores verticales con la cara evaporadora interior y la cara condensadora exterior.
En otra realización el dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD las carcasas son horizontales con tubos o cámaras horizontales con la cara evaporadora interior y cara condensadora exterior.
En otra realización el dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD las carcasas horizontales o verticales, comprenden cámaras o tubos intercambiadores de calor con la cara evaporadora exterior y la cara condensadora interior.
En cada efecto evaporador condensador hay, al menos, un intercambiador de calor de elevada densidad de regiones de transición. Como se ¡lustra en la Figura 3, una forma de realización del dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende tres trenes de efectos: a, b y c, y cada dos trenes de efectos consecutivos están conectados por un intercambiador de calor sensible 6.
En otra realización, el dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, incorpora dispositivos de los MED tradicionales para la transferencia de calor entre fluidos: calentador de alimentación, feed heater, de intercambio de calor entre el vapor liberado y el flujo de agua de alimentación, caja flash, flash box, de generación de vapor al reducir la temperatura del condensado y flash de entrada del líquido de alimentación sobrecalentado en cada efecto.
El dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende al menos un intercambiador de calor sensible 6 al final de cada tren excepto en el caso del último tren, c, en el que el último efecto evaporador condensador nc se conecta con el condensador final 7. El, al menos un, intercambiador de calor sensible 6 entre dos trenes de efectos evaporadores condensadores intercambia el calor sensible del flujo saliente de salmuera 18 del último efecto na y nb del tren de efectos precedente que después de pasar por el intercambiador de calor sensible se retorna 19 al medioambiente, con un flujo entrante de agua de mar precalentada 20 procedente del condensador final 7 y que tras pasar por el, al menos un, intercambiador de calor sensible 6 se aporta como agua de alimentación 21 al primer efecto del siguiente tren de efectos 1 b y 1c a una temperatura que es, por lo menos, igual a la temperatura de la salmuera 18 del último efecto na, nb, del tren precedente menos 2°C.
La sucesión de trenes de efectos conectados con intercambiadores de calor sensible permite en esta configuración colocar hasta 30 efectos colocados en tres trenes de 10 efectos evaporadores condensadores en cada tren, entre la fuente de vapor residual 8 a menos de 70°C y el condensador final 7 que suele trabajar a una temperatura en torno a los 37°C, de forma que el ratio de recuperación, relación entre la masa de agua producida y la masa de agua de alimentación, se mantiene en los niveles tradicionales de los MED en torno al 35%, se consigue reciclar la mayor parte del calor sensible entre dos trenes de efectos y se recicla el 100% del calor latente entre dos trenes de efectos, lo cual permite reducir a 1/3 el consumo específico de energía aportada en forma de calor al sistema por unidad de agua producida, en comparación con los MED actuales.
El primer efecto del primer tren 1a recibe el flujo de vapor residual 8 de una planta de generación de electricidad mediante turbinas de vapor o de una instalación generadora de vapor, a una temperatura inferior a 70°C para evitar precipitaciones minerales en la cara evaporadora y retorna el agua condensada 9 a la planta de generación para generar nuevo vapor, como sucede con los MED actuales. La salida del vapor 10 generado en el primer efecto y la salida de la salmuera 12 generada en el primer efecto se gestionan como en los actuales MED con los correspondientes procesos de reciclado de calor.
Los siguientes efectos, 2 a n-1 , de cada tren de efectos reciben el vapor de agua 16 desde la salida del efecto precedente 10, reciben la salmuera 12 del efecto precedente que se usa como agua de alimentación 13, se les extrae agua producto 17y salmuera 14 y el nuevo vapor 15 se aporta al condensador del siguiente efecto evaporador condensador, como en un dispositivo MED tradicional.
La salida del vapor 22 del último efecto nc del último tren c de efectos se conecta a un condensador final o sumidero de calor 7 en el que el vapor 22 del último efecto nc del último tren cde efectos se condensa contra unos tubos o cámaras intercambiadoras de calor dentro de los que fluye agua refrigerante de mar 23 a temperatura ambiente. El agua de mar refrigerante 24 sale del condensador 7 a mayor temperatura que la ambiente y es distribuida, al menos en parte, como agua de alimentación a los tres trenes a, b y c de efectos. Es posible aportar más agua 23 al condensador final 7 que la que requieren los tres trenes de efectos evaporadores condensadores como agua de alimentación para ahorrar CAPEX del condensador final, pero entonces el coste de bombeo del agua 23 es mayor y disminuye la eficiencia energética de la planta.
El dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, en una configuración de tres trenes de efectos y de diez efectos evaporadores condensadores por tren recicla el calor latente entre efectos evaporadores condensadores de un tren, recicla el calor sensible entre dos trenes consecutivos de efectos, recicla como agua de alimentación de los tres trenes de efectos hasta toda el agua de refrigeración 23 aportada al condensador final 7, trabaja con ratios de recuperación al mismo nivel que los MED actuales, usa todo el conocimiento actual en reciclado del calor entre los fluidos del MED, reduce hasta a un tercio el consumo específico de calor por unidad de agua producida, reduce en torno a un tercio el consumo específico de electricidad por unidad de agua producto para el bombeo de líquido de refrigeración del condensador final y desaliniza agua de mar de 40.000ppm con un consumo de electricidad menor a 1 ,2kWh/m3 de producto y reciclando vapor residual a 70fiC de una planta de generación eléctrica por turbina de vapor que sin el acoplamiento de la desalinizadora MEMTD debería expulsar el vapor a la atmósfera a una temperatura superior a 100eC con la correspondiente pérdida de exergía.
Como se ¡lustra en la Figura 4, alternativamente el dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende tres trenes de efectos: a, b y c, conectados por dos intercambiadores de calor sensible 6 y acoplados a, al menos, una bomba de calor por absorción ABHP creando un dispositivo desalinizador multiefecto multitren de bomba de absorción ABHP MEMTD, por sus siglas en inglés. Una fracción de vapor 25 de hasta el 50% del vapor evaporado 22 en el último efecto nc del último tren c se aporta 26 dentro de la carcasa del, al menos, un absorbedor 27 de la bomba de calor por absorción, donde hidrata una solución acuosa de bromuro de litio 31 aportada dentro de la carcasa del, al menos, un absorbedor 27 de la bomba de calor por absorción. Este proceso de absorción libera energía proveniente de la condensación del vapor aportado 26 que es absorbida por el agua condensada 30 del primer efecto 1a del primer tren a al circular dentro de tubos intercambiadores de calor 28 dentro del absorbedor 27 que se evapora generando vapor 29 y que se aporta al primer efecto 1 a del primer tren a. La solución hidratada de bromuro de litio 32 se extrae del absorbedor 27 mediante un tubo de salida 33 conectado a una bomba 34 que impulsa la solución hidratada de bromuro de litio a través de, al menos, un intercambiador de calor sensible 35 donde la solución hidratada de bromuro de litio 32 absorbe calor sensible de la solución deshidratada 40 que a través de un tubo de desagüe 41 sale del, al menos un, generador 42 de la bomba de calor por absorción. La solución acuosa de bromuro de litio, hidratada y calentada a través del intercambiador de calor sensible 35. Se aporta la solución de litio 37 sobre los tubos condensadores evaporadores 38 del, al menos un, generador 42. Dentro de los tubos condensadoes evaporadores 38 se condensa vapor 36 residual aportado a unos 100eC desde la planta de generación eléctrica por turbinas de vapor y el concentrado se devuelve a la planta de generación eléctrica para generar más vapor. La solución de bromuro de litio 37 desprende vapor que se canaliza 39 como vapor para el primer efecto 1a del primer tren a. Esta configuración ABHP MEMTD de tres trenes de diez efectos evaporadores condensadores acoplados a una bomba de calor por absorción permite conseguir un caudal másico de agua producto de hasta sesenta veces el caudal másico de vapor 36 externo aportado a planta de desalinización.
Como se ¡lustra en la Figura 5, otra forma de realización del dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, comprende tres trenes de efectos: a, by c, conectados por dos intercambiadores de calor sensible 6 y acoplados a, al menos, un compresor de vapor eyector 45, creando un dispositivo desalinizador mulitefecto multipren de compresión térmica de vapor TVC MEMTD, por sus siglas en inglés. Una fracción de vapor 25 de hasta el 50% del vapor evaporado 22 en el último efecto nc del último tren c se aporta 44 como vapor succionado a, al menos, un eyector 45 al que se aporta vapor motriz 43 exterior y el eyector genera vapor resultante 46 a la temperatura y presión del primer efecto 1a del primer tren a. En otra forma de realización de un dispositivo desalinizador multiefecto multitren con compresión térmica de vapor TVC MEMTD comprende más de un eyector al final de cada tren o colocado entre efectos de un tren.
La configuración TVC MEMTD de tres trenes de diez efectos evaporadores condensadores acoplados a, al menos, un eyector de vapor 45 permite conseguir una masa de agua producto de hasta sesenta veces la masa de vapor 43 externo aportada a planta de desalineación como vapor motriz del eyector.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo desalinizador multiefecto multitren, MEMTD, por cambio de fase, caracterizado por que el dispositivo desalinizador comprende al menos dos trenes de n efectos evaporadores condensadores, cada tren de efectos de evaporadores condensadores comprende al menos un intercambiador de calor latente en cada uno de los efectos evaporadores-condensadores, al menos un intercambiador de calor sensible (6) entre cada dos trenes de efectos en el que se intercambia calor sensible entre el flujo de salmuera (18) de salida del último efecto evaporador-condensador del tren de efectos precedente y el flujo de agua entrante (20) que se aporta como agua de alimentación (21 ) al primer efecto evaporador-condensador del tren siguiente y un condensador final (7) que condensa, al menos en parte, el vapor evaporado (22) del último efecto evaporador-condensador del último tren de efectos evaporadores-condensadores.
2. Dispositivo desalinizador de acuerdo con la reivindicación 1 , donde el, al menos un, intercambiador de calor latente en cada efecto evaporador condensador es un intercambiador de alta densidad de regiones de transición caracterizado por tener la cara evaporadora cubierta, al menos en parte, de microcanales por los que fluye la solución salina a evaporar con la interfaz líquido gas curvada en todo el ancho de pared a pared del microcanal y por tener la cara condensadora cubierta, al menos en parte de microcanales por los que fluye el agua condensada con la interfaz líquido gas curvada en todo el ancho de pared a pared del microcanal.
3. Dispositivo desalinizador de acuerdo con la reivindicación 2, donde el intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición es un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición caracterizado por que la región de transición (4) de un menisco o curvatura de la interfaz líquido gas de la cara evaporadora está a proximidad de la región de transición (56) de un menisco o curvatura de la interfaz líquido gas de agua condensada de la cara condensadora o de una zona libre de agua de la cara condensadora en la que se condensa vapor (61) y se crea una vía de transferencia rápida de calor latente en la que el flujo de energía en forma de calor latente liberado por el vapor (58) condensado sobre la región de transición condensadora (56) de la cara condensadora o por el vapor 61 condensado sobre una zona libre de agua de la cara condensadora fluye con baja resistencia térmica, con un bajo gradiente de temperatura y con un elevado flujo de calor a través de la pared 60 del tubo o cámara evaporador condensador a la región de transición evaporadora (4) de la cara evaporadora donde el flujo de energía se transforma, al menos en parte, en calor latente de evaporación del vapor (59) evaporado.
4. Dispositivo desalinizador de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, donde, al menos un tren de efectos evaporadores condensadores se acopla a, al menos, una bomba de calor por absorción donde una parte del vapor (25) evaporado en el último efecto evaporador condensador de, al menos un tren de efectos evaporadores condensadores, se aporta (26) al absorbedor (27), donde vapor de agua (36) de una fuente de vapor exterior se aporta dentro de, al menos, un tubo condensador (38) del generador (42) de la, al menos una, bomba de calor por absorción y el agua condensaba se devuelve a la planta generadora de vapor externa, donde el generador genera vapor de agua (39) que se aporta como parte del vapor de agua aportado al primer efecto de, al menos, un tren de efectos evaporadores condensadores.
5. Dispositivo desalinizador de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, donde al menos un tren de efectos evaporadores condensadores se acopla a, al menos, un eyector de vapor (45), donde parte del vapor (25) evaporado en, al menos, un efecto se aporta en parte como vapor succionado (44) del, al menos un, eyector (45) que recibe vapor motriz (43) de una fuente externa produciendo vapor resultante (46) que se aporta como vapor de entrada de un efecto anterior.
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