ES2545696A1 - Procedimiento de optimización energética en sistemas de evaporación y cristalización de sales - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de optimización energética en sistemas de evaporación y cristalización de sales, que comprende utilizar una bomba de calor (1), que a su vez comprende un circuito cerrado formado por un compresor (3), un condensador (4), una válvula de expansión (5) y un evaporador (6) por el que circula un fluido refrigerante (2) con bajo punto de ebullición, donde, en su funcionamiento, el condensador (4) cede calor a un foco caliente (7) y el evaporador (6) absorbe calor de un foco frío (8), comprendiendo el procedimiento utilizar el foco caliente (7) en un sistema de evaporización/cristalización (9) de salmueras y el foco frío (8) en un sistema de refrigeración (10).

Description

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DESCRIPCIÓN
Procedimiento de optimización energética en sistemas de evaporación y cristalización de sales 5
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene aplicación en la industria de procesos, y más concretamente en el ámbito de los procesos de evaporación y de cristalización, permitiendo conseguir una
10 optimización energética de los procesos industriales de evaporación y cristalización de sales como sulfato sódico o cloruro sódico, entre otras, a partir del uso de corrientes líquidas, como puede ser agua de refrigeración y/o condensados generados, mediante la utilización del principio de bomba de calor, habitualmente conocido como ciclo Carnot.
15 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad resultan habituales las aplicaciones que utilizan plantas o sistemas industriales de evaporación y cristalización para obtener productos de valor añadido, tratar corrientes residuales e incluso desalinizar aguas.
20 En los procesos de evaporación, se lleva a cabo un proceso físico que comprende un cambio de fase de una sustancia denominada disolvente, habitualmente agua, de un estado líquido a un estado gaseoso, para lo cual tiene que haber adquirido suficiente energía. El objeto de estos procesos es obtener una corriente liquida con una mayor concentración.
25 Análogamente, los procesos de cristalización comprenden un cambio de fase de una sustancia denominada soluto, habitualmente formada por sales inorgánicas y orgánicas, de un estado líquido a un estado sólido tras haber alcanzado los límites de su solubilidad mediante el sometimiento a un proceso de evaporación.
30 Un ejemplo de aplicación práctica de este tipo de procesos puede encontrarse en la solicitud internacional n.º WO-2012112359-A1, donde se describe una planta de desalinización que utiliza una bomba de calor y energía fotovoltaica, donde la energía para conseguir la evaporación de agua se consigue del calor aportado por la bomba de calor y la
35 condensación por el enfriamiento del agua del foco frío. La energía eléctrica que es necesario aportar al ciclo se obtiene por un sistema fotovoltaico.
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Otro ejemplo puede encontrarse en la solicitud internacional n.º WO-2012032403-A1, donde se describe un método de evaporación y posible destilación de fluidos mediante la utilización de una bomba de calor. El proceso requiere realizar aportes adicionales de energía calorífica de diferente procedencia para que el foco caliente tenga el nivel suficiente de temperatura para conseguir la evaporación requerida.
En el caso del tratamiento de aguas residuales, en la solicitud de patente europea n.º EP-933331-A2 se describe un sistema en el que se realiza un proceso de evaporación, para lo cual el sistema comprende una bomba de calor por absorción.
A la vista de los ejemplos anteriores se pone de manifiesto que en los procesos de evaporación y cristalización se encuentran involucradas grandes cantidades de energía, dado que es necesario realizar cambios de estado de la materia, razón por la cual se considera necesario optimizar las energías implicadas en dichos procesos, con el objetivo de minimizar tanto el uso de fuentes externas de energía, en forma de vapor y electricidad, en los puntos demandantes de la misma, como las pérdidas energéticas originadas por la necesidad de dispersión de energía sobrante en otros puntos del sistema, como ocurre por ejemplo en las torres de refrigeración.
Con el objetivo de solucionar esta problemática, actualmente se conocen diferentes procesos que tienen como objeto común optimizar los recursos energéticos para realizar las evaporaciones y cristalizaciones requeridas, tratando así de reducir las necesidades energéticas de vapor y electricidad implicadas.
En este sentido, cabe mencionar los procesos que comprenden el uso de termo eyectores, que mediante el uso de vapor vivo a elevadas presiones, superiores a la presión atmosférica, reutilizan los vapores generados en el propio proceso de evaporación/cristalización, aumentando su presión para poder ser usado de nuevo como corriente de aporte energético o como medio de extracción de los vapores generados en el proceso (disipación de energías).
Asimismo, también son conocidos los procesos que comprenden el uso de intercambiadores de calor de distintas clases, que en definitiva son dispositivos que permiten transferir energía desde un foco caliente a un foco frío.
En cualquier caso, en la actualidad sigue existiendo el problema de minimizar y optimizar los
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recursos energéticos en instalaciones industriales de evaporación y cristalización, como por ejemplo en plantas de sulfato sódico, cloruro sódico o en instalaciones de tratamiento de vertidos líquidos con descarga liquida cero, donde sigue existiendo la necesidad, en mayor o menor medida, de utilizar fuentes externas de aporte de energía así como disipar fuera del sistema las energías excedentarias que se producen en determinados puntos.
Por lo tanto, se tiene la necesidad de conseguir un aprovechamiento más eficiente de los flujos de energía involucrados en estos sistemas, considerando adicionalmente que la mayoría de las aplicaciones los usos energéticos se encuentran limitados por las condiciones ambientales y las diferencias de salto térmico necesarias para conseguir de manera continua un aprovechamiento eficaz de las fuentes energéticas. Esto supone que en muchas aplicaciones se tiene la necesidad de realizar un aporte continuo de vapor y/o electricidad como fuente de energía y la utilización de torres de refrigeración u otros tipos de sistemas de dispersión de energía al exterior, con consecuencias perjudiciales al medio ambiente además del coste adicional que ello conlleva.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento de optimización energética en sistemas de evaporación y cristalización de sales, que permite el doble objetivo de enfriar un agua de refrigeración y calentar una salmuera o efluente de proceso, consiguiendo de este modo optimizar los procesos industriales de evaporación y cristalización al conseguir el enfriamiento/calentamiento de dos fuentes que pueden no estar relacionadas, lo que minimiza la utilización de energía eléctrica adicional.
El procedimiento que la invención propone comprende utilizar una bomba de calor que comprende un circuito cerrado formado por un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador por el que circula un fluido refrigerante con bajo punto de ebullición. En su funcionamiento, el condensador cede calor a un foco caliente y el evaporador absorbe calor de un foco frío. El procedimiento comprende utilizar el foco caliente en un sistema de evaporización/cristalización de salmueras y el foco frío en un sistema de refrigeración.
Se contempla la posibilidad, de acuerdo con la invención, de que el procedimiento comprenda enfriar en el foco frío salmueras o efluentes líquidos que utilizan eyectores de vapor, mediante un proceso de condensación de vapores generados utilizando aguas
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enfriadas en el evaporador de la bomba de calor.
Alternativamente se contempla la posibilidad de que el procedimiento comprenda enfriar en el foco frío salmueras o efluentes líquidos que utilizan eyectores de vapor, mediante un
5 enfriamiento directo de aguas de refrigeración utilizadas en el proceso de condensación de vapores procedentes de la cristalización de salmueras o de un proceso de evaporación/concentración de efluentes.
Asimismo, se contempla la posibilidad de que el procedimiento comprenda calentar en el
10 foco caliente salmueras o efluentes de un proceso de cristalización o concentración por evaporación.
Tal y como se explica en detalle más adelante en los ejemplos de aplicación del procedimiento de la invención, se contempla que las salmueras comprendan sulfato sódico o
15 cloruro sódico.
Por lo tanto la presente invención se refiere a un procedimiento para optimizar energéticamente las instalaciones industriales de evaporación y cristalización, por ejemplo de sulfato sódico y cloruro sódico, mediante un mejor aprovechamiento y captación de
20 energía en corrientes excedentarias de energía, para transferirlas a aquellas corrientes del proceso que son deficitarias de la misma, mediante la aplicación del principio de bomba de calor.
Por medio del procedimiento de la invención se produce una optimización energética debido
25 a una transferencia de calor desde corrientes consideradas como foco frío; sobre las cuales el estado de la técnica de los procesos de evaporación/cristalización no actuaba más allá de contemplar sistemas adicionales de refrigeración para la dispersión requerida de energía, a corrientes consideradas como foco caliente y que requieren de un aporte de energía adicional para poderse adecuar a las condiciones del proceso exigidas.
30 Esta transferencia de energía en forma de calor sensible de corrientes líquidas es llevada a cabo mediante el principio de bomba de calor.
Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía mediante calor
35 de un sistema a otro. Para ello es necesario un aporte de trabajo, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, según la cual el calor se dirige de manera espontánea de
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un foco caliente a otro frío, nunca al revés, hasta que sus temperaturas se igualan. Además este trabajo aportado, en forma de electricidad, es convertido en calor en su práctica totalidad, sumándose al calor aportado por el propio ciclo.
Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza principalmente mediante de un sistema por compresión de gases refrigerantes. Una bomba de calor emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición que requiere energía, denominada calor latente, para evaporarse. La bomba de calor extrae esa energía de su alrededor en forma de calor.
El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por el compresor, que eleva su presión y aumenta con ello su entalpía. Una vez comprimido, el fluido refrigerante pasa por un intercambiador de calor denominado llamado condensador, y ahí cede calor al foco caliente, dado que el fluido refrigerante, que ha salido del compresor, está aún más caliente que dicho foco caliente. En cualquier caso, al enfriarse el fluido refrigerante en el condensador mediante la cesión de calor al foco caliente, cambia su estado de gas a líquido.
Después, a la salida del condensador, el fluido refrigerante atraviesa la válvula de expansión, lo cual supone una brusca caída de presión recuperándose la presión inicial. A esa presión mucho menor que la que había en el condensador, el fluido refrigerante empieza a evaporarse.
Este efecto se aprovecha en el intercambiador de calor llamado evaporador que hay justo después de la válvula de expansión. En el evaporador, el fluido refrigerante, a mucha menos presión que la que había en el condensador, empieza a evaporarse, y con ello absorbe calor del foco frío, puesto que el propio fluido refrigerante está más frío que dicho foco. El fluido evaporado regresa al compresor, cerrándose el ciclo.
De acuerdo con la invención, este ciclo concreto se aplica a los sistemas de evaporación y cristalización directamente mediante el enfriamiento del foco frío y el calentamiento de alguna de las corrientes de proceso, que aun siendo el foco caliente requiera de una mayor cantidad de energía.
En lo relativo al enfriamiento del foco frío, la invención tiene el propósito de complementar a sistemas de enfriamiento de salmueras, por ejemplo de sulfato sódico o cloruro sódico, o efluentes líquidos que utilizan eyectores de vapor, mediante la condensación de los vapores generados utilizando aguas enfriadas en el evaporador del sistema de bomba de calor. O
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bien por medio del enfriamiento directo de las aguas de refrigeración utilizadas en el proceso de condensación de vapores procedentes de la cristalización de salmueras, por ejemplo de sulfato sódico o cloruro sódico, o de un proceso de evaporación/concentración de efluentes.
5 Asimismo, en lo relativo al calentamiento del foco caliente, la invención tiene su finalidad a través del calentamiento directo o indirecto de salmueras de proceso o de efluentes de un proceso de cristalización o concentración por evaporación, por ejemplo de sulfato sódico o cloruro sódico.
10 El objeto de la invención tiene la aplicación directa en procesos de cristalización por evaporación a vacio, o en la concentración de efluentes por evaporación. Concretamente en procesos comprendidos en plantas de evaporación/cristalización de sulfato sódico y cloruro sódico tanto por evaporación a vacio, como en evaporaciones/cristalizaciones a presiones atmosféricas y superiores donde se encuentre incluido un sistema de refrigeración por agua.
15 La invención permite optimizar el uso de las energías implicadas, disminuyendo así los requerimientos de disipación de la energía sobrante.
De acuerdo con la invención la corriente de agua de refrigeración (foco frío) es enfriada
20 mediante la bomba de calor, mejorándose así la capacidad de trabajo del condensador de los vapores y siendo menor la cantidad de energía requerida en los sistemas de disipación de calor al medioambiente (torre de refrigeración).
De igual manera, la corriente de proceso (salmuera) recibe la energía necesaria para
25 incrementar su temperatura y así poder obtener una mayor capacidad de evaporación y consecuentemente de cristalización, reduciendo la utilización de energías externas al proceso como el uso de vapor, electricidad u otros.
En definitiva, a través de la aplicación de bomba de calor se consigue un mejor
30 aprovechamiento del sistema de refrigeración/condensación, teniendo el sistema una mayor capacidad de condensación, con un menor requerimiento de trabajo en la torre de refrigeración y aportando a la corriente de proceso deseada una energía en forma de calor que de otra manera seria necesaria utilizar fuente externas de energía (vapor y/o electricidad).
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DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
5 de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.-Muestra un diagrama de bloques de un sistema de acuerdo con el principio de 10 bomba de calor.
La figura 2.-Muestra un diagrama de bloques de un sistema optimizado mediante el procedimiento de la invención, en el que se ha representado un sistema de bomba de calor como el representado en la figura 1, integrado en un sistema de refrigeración utilizado en la
15 producción de sulfato sódico.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse cómo en una de las posibles
20 realizaciones de la invención el procedimiento que la invención propone se refiere al diseño de un proceso de carácter industrial enfocado a optimizar energéticamente aquellas instalaciones en las que se encuentren involucrados sistemas de evaporación/cristalización (9), concretamente, de acuerdo con una realización preferente, de sulfato sódico hidratado y su posterior fusión y recristalización en forma anhidra, así como sistemas de
25 evaporación/cristalización (9) de cloruro sódico para la generación de cristales del mencionado producto.
Para ello, el procedimiento comprende utilizar una bomba de calor (1), que a su vez comprende un circuito cerrado formado por un compresor (3), un condensador (4), una
30 válvula de expansión (5) y un evaporador (6) por el que circula un fluido refrigerante (2) con bajo punto de ebullición. En su funcionamiento, el condensador (4) cede calor a un foco caliente (7) y el evaporador (6) absorbe calor de un foco frío (8). Tal y como se explica de manera detallada a continuación, el procedimiento comprende utilizar el foco caliente (7) en un sistema de evaporización/cristalización (9) de salmueras y el foco frío (8) en un sistema
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Por medio del procedimiento de la invención se consigue una optimización energética debido a la transferencia de calor desde corrientes consideradas como foco frío (8) (temperaturas menores de 30-35ºC) a corrientes consideradas como foco caliente (7) (temperaturas mayores de 45ºC) y que requieren de un aporte de energía adicional para poderse adecuar a las condiciones del proceso exigidas.
Esta transferencia de energía en forma de calor sensible de corrientes liquidas es llevada a cabo mediante una bomba de calor (1), tal y como puede apreciarse esquemáticamente en los diagramas de bloques de las figuras 1 y 2.
La aplicación de este ciclo concreto a los sistemas de evaporación/cristalización de sulfato sódico se emplea directamente mediante el enfriamiento de la corriente utilizada para condensar los vapores generados y el calentamiento de alguna de las corrientes de proceso que contengan el producto (salmuera) y que aun siendo el foco caliente requiera de una mayor cantidad de energía para generar la evaporación/cristalización.
Sulfato sódico
La invención permite complementar los sistemas de enfriamiento de salmueras de sulfato sódico, que dada su solubilidad, requieren de procesos de cristalización a temperaturas relativamente bajas, para ello y debido a las condiciones de vacio requerida para poder llevar la evaporación (temperaturas menores de 30ºC y presiones menores de 0,050 kg/cm2) se utilizan eyectores de vapor y condensadores de contacto directo.
Estos equipos requieren de caudales importantes de una corriente refrigerante con una carga energética lo menor posible, de manera que se pueda llevar a cabo la condensación de los vapores generados por simple contacto. Esta corriente refrigerante suele encontrarse en un circuito de recirculación, en el que resulta necesario disipar la energía proveniente de la condensación de los vapores, antes de su reutilización de nuevo en el condensador. Para ello, se emplean de forma general sistemas de disipación de energía como torres de refrigeración o aerorefrigeradores, con importantes costos de inversión y de operación, y sin ningún beneficio de aprovechamiento de la energía, disipándola al medioambiente con efecto negativos en muchos de los casos.
Asimismo, la invención permite el calentamiento directo o indirecto de salmueras involucradas en el proceso de cristalización de sulfato sódico. En las instalaciones
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industriales de evaporación/cristalización de sulfato sódico vía generación de sales hidratadas, una vez obtenida la sal por enfriamiento, el proceso requiere de una gran cantidad de energía de baja intensidad térmica para proceder a su redisolución. Debido a las propiedades físicas del compuesto, esta disolución se realiza a temperaturas superiores a los 35ºC. Es a dicha corriente de proceso a la que se aplica la energía absorbida de la corriente de refrigeración a través de la bomba de calor (1). De otra manera, en el estado de técnica este proceso de redisolución se realiza mediante la aplicación de recursos energéticos externos al proceso como el uso de vapor u otros.
Cloruro sódico
La invención permite complementar los sistemas de enfriamiento/condensación con corrientes liquidas utilizadas en intercambiadores de calor cuyo objetivo sea enfriar corriente liquidas secundarias o condensar corrientes gaseosas generadas durante los procesos de evaporación/cristalización.
Estos equipos requieren de caudales importantes de una corriente liquida refrigerante con la menor carga energética posible para maximizar su rendimiento de operación. Esta corriente refrigerante suele encontrarse en un circuito de recirculación, en el que resulta necesario disipar la energía proveniente de la condensación de los vapores, antes de su reutilización de nuevo en el equipo (intercambiador/condensador). Para ello, en el estado de la técnica se emplean sistemas de disipación de energía como torres de refrigeración o aerorefrigeradores, con importantes costos de inversión y de operación, y sin ningún beneficio de aprovechamiento de la energía captada, disipándola al medioambiente con efectos negativos en muchos de los casos.
Mediante la aplicación de la invención en el considerado foco frío (8) se obtienen múltiples efectos relacionados con la disminución de la carga energética (térmica) de la corriente en cuestión en torno a 5-10 ºC. Entre estos efectos cabe mencionar la disminución de los caudales necesarios como corriente de refrigeración y su mejor aprovechamiento, con lo que se evita, o minimizando en algunos casos, la necesidad de aportes continuos por perdidas en los equipos posteriores donde se realiza la disipación de la energía absorbida.
Asimismo, se consigue una descarga de exigencias de disipación energética en los equipos (torres de refrigeración, aerorefrigeradores, etc.) aguas abajo del circuito de refrigeración/condensación de los vapores generados, con consecuencias de ahorro en esos
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equipos.
También hay que mencionar que se consigue un incremento de las diferencias de temperatura (mayores saltos térmicos disponibles) por lo que se puede efectuar un aumento 5 del rendimiento en equipos (condensadores, intercambiadores) ya existentes.
Por último, se tienen un menor requerimiento dimensional en equipos nuevos para llevar a cabo intercambios térmicos similares.
10 Asimismo, la invención permite el calentamiento directo o indirecto de salmueras involucradas en el proceso de cristalización de cloruro sódico entorno a 5-10 ºC. En las instalaciones industriales de cristalización de cloruro sódico vía evaporación/cristalización, las necesidades energéticas de estos procesos son muy importantes, ya que las energías implicadas de cambio de fase del disolvente son elevadas. De manera general la aplicación
15 de recursos energéticos externos al proceso como el uso de vapor u otros es necesaria. Sin embargo, mediante la aplicación del principio de bomba de calor (1), que no solo aprovecha la energía calorífica extraída del foco frío (8), sino que también integra los consumos eléctricos requeridos por el equipo, se puede minimizar de manera considerable estos recursos energéticos externos al propio proceso.
20 A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente
25 que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento de optimización energética en sistemas de evaporación y cristalización de sales, caracterizado por que comprende utilizar una bomba de calor (1), que a su vez 5 comprende un circuito cerrado formado por un compresor (3), un condensador (4), una válvula de expansión (5) y un evaporador (6) por el que circula un fluido refrigerante (2) con bajo punto de ebullición, donde, en su funcionamiento, el condensador (4) cede calor a un foco caliente (7) y el evaporador (6) absorbe calor de un foco frío (8), comprendiendo el procedimiento utilizar el foco caliente (7) en un sistema de evaporización/cristalización (9) de
    10 salmueras y el foco frío (8) en un sistema de refrigeración (10).
  2. 2.-Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende enfriar en el foco frío (8) salmueras o efluentes líquidos que utilizan eyectores de vapor, mediante un proceso de condensación de vapores generados utilizando aguas enfriadas en el evaporador (6) de la
    15 bomba de calor (1).
  3. 3.-Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende enfriar en el foco frío (8) salmueras o efluentes líquidos que utilizan eyectores de vapor, mediante un enfriamiento directo de aguas de refrigeración utilizadas en el proceso de condensación de vapores
    20 procedentes de la cristalización de salmueras o de un proceso de evaporación/concentración de efluentes.
  4. 4.-Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende calentar en el foco caliente (7) salmueras o efluentes de un proceso de cristalización o 25 concentración por evaporación.
  5. 5.-Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las salmueras comprenden sulfato sódico.
    30 6.-Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las salmueras comprenden cloruro sódico.
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