Brevet FR2010285A1 — publié le 19700213

» 30 35 40 18633 i 2010285 La présente invention concerne l'obtention d'eau lourde par distillation et consiste à utiliser, pour produire de l'eau lourde, la chaleur perdue à la réfrigération dans des tours de l'eau de refroidissement des centrales génératrices d'énergie électrique. L'eau lourde DgO constitue, à cause de sa faible absorption des neutrons, un excellent modérateur de réacteurs nucléaires. Elle eift cependant chère, car sa production est très onéreuse. Elle existe uniformément dans l'eau normale, dans le monde, avec une concentration très réduite, qui est seulement de 0,015$. Pour produire un kilo d'eau lourde, il faut donc traiter environ 10 tonnes d'eau normale. Comme et H^O ont des proprié tés chimiques très peu distinctes, on en vient à envisager de les séparer par des procédés principalement physiques. C'est ainsi que la différence de leurs points d'ébullition vaut assez exactement 1,4°C vers J60 mm de mercure. Leur séparation par distillation est donc possible. Il résulte des lois physiques pour le mélange H^O-D^O un taux de reflux dont la grandeur, selon la température à laquelle on opère, est de l'ordre de 10. Cela signifie qu'il faut vaporiser une quantité décuple d'eau normale, donc 100 tonnes, pour produire par distillation un kilo d'eau lourde. Si l'on prend la chaleur de vaporisation à environ 500 kilocalories par kilo, on a besoin d'à peu près 50.10 kcal pour produire un kilo d'eau lourde. Ceci rend non exploitable l'obtention distillatoire d'eau lourde, de sorte que ce procédé a difficilement trouvé des débouchés à grande échelle. Dans les centrales à réfrigération atmosphérique, c'est-à-dire réfrigération par air dans des tours de l'eau qui refroidit les condenseurs des groupes de turbines à vapeur et circuit de cette eau de refroidissement avec alimentation en eau d'appoint passant par le condenseur et la tour, il se perd une chaleur qui, jusqu'à présent, peut difficilement être exploitée. Il faut même, dans l'exploitation d'une centrale, mettre en jeu des frais considérables pour cette réfrigération, en vue d'évacuer à l'atmosphère la chaleur de condensation. Les problèmes relatifs à l'obtention d'eau lourde par distillation n'ont jusqu'à présent pas été influencés par ces conditions d'exploitation des centrales. L'invention a pour but la simplicité d'obtention d'eau lourde dans des centrales génératrices d'énergie électrique BÂD ORIGINAL 18633 2 2010285 Elle est issue d" fait qulcr. peut mettre en oeuvre, povr produire de l'eau lourde, la chaleur perdue à la réfrigération atmosphérique desdites centrales. L'invention a donc pour objet l'application de cette chaleur perdue à l'obtention d3eau lourde et consiste à cet effet, à tirer parti de l'air saturé en vapeur dseau d'une tour réfrigérante dans une zone postérieure destinée à entraîner le composant H?0, dont le point d'ébullition est le plus bas, de l'eau d'appoint qu'on doit ajouter en exploitant normalement la tour; il y a ainsi enrichissement en D^O dans le circuit d'eau de refroidis&einr-nt, d'où l'on peut soutirer l'eau enrichie en D^O. Dans une forme d'exécution préférée qui conduit à renforcer l'effet souhaité, l'eau lourde est extraite du mélange d'air et de vapeur de la zone d'entraînement, dans une zone postérieure de renforcement, par lavage avec de l'eau appauvrie en DgO; le mélange sortant d'air et de vapeur est pour cela condensé au-dessus de la zone de renforcement et le condensât ramené à travers cette zone. On peut bien entendu veiller à disposer, dans les zones d'entraînement et de renforcement, de surfaces d'échange suffisamment grandes, ce qu'on peut obtenir par des pièces incorporées, des éléments de garnissage, ou bien d'une autre nanière. L'eau enrichie en D^O est soutirée du circuit de refroidissement qu'elle parcourt. Les avantages auxquels on parvient grâce à l'invention résident dans le fait qu'on peut ainsi mettre à profit la chaleur peu coûteuse perdue à la réfrigération des centrales pour obtenir de l'eau lourde par distillation. A cet égard, l'invention a aussi pour objet une tour de réfrigération destinée à l'application envisagée, dont un exemple va être à présent décrit, en regard de la planche de dessin annexée. La figure unique montre très schématiquement en coupe verticale une tour de réfrigération conforme à l'invention. La tour réfrigérante que représente la figure est en principe constituée par une enveloppe 1, des pièces incorporées de ruissellement 2 et un distributeur d'eau J appartenant à un circuit 5 d'eau de refroidissement qui passe par le condenseur h d'un groupe de turbine: la tour ccirport-e sus si' 'T. dispositif c d'alimentation en aau d'apj-irt, -:ne entrée basac 7 d'air BAD ORIGINAL 69 18633 3 2010285 réfrigérant et une sortie haute 8 pour cet air; dans cet exemple, on prévoit un ventilateur d'aspiration 9 dans la sortie 8. L'invention peut toutefois être aussi mise en pratique avec des tours de réfrigération à effet d'entraînement thermique. 5 Cette tour est, conformément à l'invention, mise en quelque sorte sous forme de colonne à distillation d'eau lourde. A cet effet, on dispose au-dessus des pièces de ruissellement 2 , pour le fonctionnement normal en réfrigération avec distributeur d'eau 3 associé, une colonne d'entraînement 10 destinée à l'air 10 réfrigérant saturé de vapeur d'eau et l'on met au-dessus de la colonne 10 le dispositif 6 d'alimentation en eau d'appoint. Dans cet exemple, et selon un mode de réalisation préférentiel, il y a encore au-dessus de la colonne 10 une colonne spéciale de renforcement 11 suivie d'un condenseur 12, de ^5 préférence un condenseur de retour inclus dans le circuit 5 d'eau de refroidissement. Les colonnes 10 et 11 sont logées en tant que pièces Incorporées dans l'enveloppe 1 convenablement prolonr-gée de la tour ou dans une partie supérieure. La chaleur perdue à la réfrigération peut ainsi être utilisée pour produire de gg l'eau lourde. L'air de la tour, saturé en vapeur d'eau, sert dans la colonne postérieure d'entraînement 10 à extraire le constituant HgO à point d'ébullition le plus bas de l'eau d'appoint ajoutée pour qu'ait lieu l'exploitation normale en refroidisse-25 ment et, ainsi, à enrichir en DgO l'eau d'appoint et le circuit 5. Il s'agit pour ainsi dire d'une colonne de distillation qui fonctionne, pour abaisser la pression partielle du mélange à séparer, avec un gaz inerte. La faible valeur de la pression partielle des constituants à séparer améliore l'effet de sépara-2J0 tion. DgO est extrait du mélange d'air et de vapeur de la colonne 10, dans la colonne postérieure de renforcement 11, par lavage avec de l'eau appauvrie en DgO; la condensation déjà décrite est pour cela réalisée au-dessus de ladite zone de renforcement. L'eau, de refroidissement réchauffée dans le condenseur 35 s'écoule par le distributeur 3 habituel aux tours de réfrigération et ruisselle vers le bas en passant par les pièces 2. Elle est refroidie de façon ordinaire par l'air ascendant et se rassemble dans le bassin collecteur 13. L'air qui monte en traversant les pièces 2 se réchauffe alors et se sature en vapeur d'eau. ^0 teneur de l'air chaud en vapeur dépend de la température de 1' 69 18633 * 2010285 eau chaude issue du condenseur 4 et du débit propre d'air réfrigérant. Ceci constitue le fonctionnement normal et connu d'une tour de réfrigération. Mais il faut à présent des pièces incorporées supplé-5 mentaires pour enrichir l'eau en DgO. L'air réchauffé, dont la pression partielle correspond au contenu en vapeur d'eau, pression qui est due à la température de l'air, continue à monter à travers la colonne 10 d'entraînement. Celle-ci comprend une couche d'éléments de garnissage ou des pièces incorporées de ruisselle-10 ment à surface spécifique très grande. Il ruisselle dans cette colonne 10 le même poids d'eau vers le bas qu'il s'en, éèouleivers le haut de vapeur, apparue au voisinage des pièces de ruissellement 2. Le constituant HgO à point d'ébullition le plus bas 15 est extrait du liquide et se concentre dans la vapeur, tandis que le constituant DgO à point d'ébullition plus haut se concentre dans le liquide. . L'eau d'appoint nécessaire pour exploiter normalement la tour réfrigérante est amenée au-dessus de la colonne 10 par 20 le dispositif 6. La concentration en DgO dtf la vapeur d'eau au-dessus de la colonne 10 correspond à celle de l'eau d'appoint. Le mélange d'air et de vapeur continue de monter, en traversant la colonne 11 où la concentration en HgO se renforce. De l'eau appauvrie en DgO y ruisselle vers le bas en extrayant par lavage 25 DgO de la vapeur ascendante et en s'enrichissant par là en DgO. La vapeur appauvrie en DgO est extraite pour la plus grande . partie de l'air de réfrigération au condenseur 12 et s'écoule vers le bas en traversant la colonne 11. Il subsiste seulement dans l'air autant de vapeur qu'il est nécessaire pour que la tour 30 fonctionne normalement. Le condenseur de retour 12 est refroidi par l'eau froide qui s'est écoulée dans le bassin collecteur 13. Elle se réchauffe dans le condenseur 12, puis pénètre dans lé condenseur 4 destiné à évacuer la chaleur de la vapeur d'échappement. Elie continue 35 ainsi à se réchauffer et sort de ce condenseur avec une température plus élevée qu'il n'est usuel dans le fonctionnement classique d'une tour réfrigérante. Cela se traduit par une augmentation de la pression du condenseur, entraînant un abaissement du rendement de la tur-40 bine ou une élévation de la consommation spécifique de vapeur. 69 18633 5 2010285 Cette détérioration du rendement, de l'ordre de 10$, est imputée à la consommation de chaleur de l'installation de production d'eau lourde. La dépense thermique du procédé "à tour de réfrigération" est réduite d'un facteur 10, à environ 5 L'eau naturelle peut être enrichie en eau lourde dans une proportion de l'ordre de 1% par le procédé conforme à l'invention. On trouve alors dans le circuit de refroidissement de 10 l'eau lourde à concentration approximative de 1%, que l'on soutire en continu en 14. Le débit y correspond à peu près à 1# de celui de l'eau d'appoint. Les 99# restants disparaissent dans l'atmosphère avec l'air chaud, sous forme de vapeur d'eau appauvrie en DgO. 15 Dans la forme d'exécution décrite, l'eau de refroidis sement du condenseur 12 est de l'eau froide de la tour de réfrigération qui sert, après réchauffage, à évacuer la chaleur de condensation d'une centrale thermique. On a la possibilité de court-circuiter le condenseur 12 en faisant passer directement 20 de l'eau froide nouvellement prise dans l'installation de condensation 4, en disposant ainsi d'une plus grande puissance pour la centrale, par exemple pour son exploitation en pointe. 69 18633 2010285 - REVENDICATIONS - 1.- Application-à l'obtention d'eau lourde de la chaleur perdue lors de la réfrigération dans des tours de l'eau du circuit de refroidissement des centrales génératrices d1éner- 5 gie électrique, caractérisée par l'usage de l'air réfrigérant d!une tour, saturé en vapeur dseau, dans une zone postérieure d'entraînement du constituant HgO, à point d'ébullition le plus bas, de l'eau d'appoint qu'il faut ajouter au cours de l'exploitation normale de la tour, ce qui produit un enrichissement en 10 DgO dans le circuit d'eau de refroidissement, d'où l'on peut soutirer l'eau ainsi enrichie en eau lourde. 2.- Application selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'eau lourde est extraite du mélange d'air et de vapeur de la zone d'entraînement, dans une zone postérieure 15 de renforcement, par lavage avec de l'eau appauvrie en DgO et que, pour cela, le mélange d'air et de vapeur sortant de la zone de renforcement est condensé au-dessus de cette zone, où repasse alors le condensât. 3.- Tour de réfrigération destinée à l'application 20 selon la revendication 1, comportant une enveloppe, des pièces incorporées de ruissellement et un distributeur d'eau qui appartient à un circuit d'eau de refroidissement, un dispositif d'alimentation en eau d'appoint, une entrée basse et une sortie haute pour l'air réfrigérant, tour caractérisée par la présence, 25 au-dessus des pièces de ruissellement (2) dotées du distributeur d'eau (3), d'une colonne (10) d'entraînement destinée à l'air réfrigérant saturé en vapeur d'eau et, au-dessus de la colonne d'entraînement (10), par la présence du dispositif (6) d'alimentation en eau d'appoint. 30 4.-Tour selon la revendication 3, caractérisée par la présence, au-dessus de la colonne d'entraînement (10), d'une colonne de renforcement (11) suivie d'un condenseur (12), de préférence un condenseur de retour appartenant au circuit d'eau de refroidissement. 35 Tour selon les revendications 3 ou 4, caractéri sée par l'inclusion des colonnes d'entraînement (10)-et de renforcement (11) à titre d'organes incorporés dans l'enveloppe (1) prolongée de la tour, cette dernière prenant ainsi la forme a'une colonne de distillation.