Brevet FR2003871A1 — publié le 19691114

La déminéralisation de l'eau, de l'eau salée notamment de l'eau de mer pose un problème, généralement mal résolu pour l'évacuation des saumures saturées ou des cristaux de sels qui se déposent dans les appareils. ma présente invention a pour but de permettre la seta- tion facile aes saumures concentrees e- sels et leur évacuation des appareils de distillation. La présente invention a pour objet un procédé de distil- lation d'eau, caractérisé par le fait qu'on réalise, à l'intérieur d'un espace de vaporisation permettant une évacuation continue des résidus de la distillation sans entartrage, une pulvérisation d"s'- à distiller à une température inférieure a sa température d'ébullition ; qu'on met cette eau ainsi pulvérisée en contact intime avec une source de chaleur dont la température est supérieure à la température d'ébullition de l'eau à distiller pour provoquer une vaporisation intense d'au moiras une partie de cette eau. La présente invention a également pour objet une installation de distillation d'eau, caractérisée par le fait qu'elle comporte une enceinte maintenue dans sa totalité sous un vide déterminé par une pompe à vide et au moins une amenée d'eau à distiller ; cette enceinte comportant au moins un espace délimité muni d'une part d'un dispositif de pulvérisation de l'eau a distiller à une température inférieure à sa température d'ébullition et d'autre part d'une source de chaleur dont la température est supérieure à la température d'ébullition de l'eau a distiller cet espace étant conformé pour permettre une évacuation sans entartrage des déchets de la distillation et étant muni d'un dispositif d'évacuation de ces déchets. Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple deux formes d'exécution de l'installation de aistilla- tion selon l'invention. La figure 1 est un schéma de la première forme 'ex-cu- tion. La figure 2 est un schéma de la seconde forme d'exécu- tion. la figure 3 est un schéma d'une troisième forme d'exé- cution. La figure 4 est un schéma d'une quatrième forme d'exé- cution. Le procédé décrit consiste à éviter que l'eau salée ou saumâtre à distiller ne soit portée a sa température d'ébullition sauf en un espace de vaporisation à l'intérieur duquel la va@@ri- sation totale de cette eau saumâtre est réalisée sans que celle- ci n'entre n contact avec les parois de cet espace : les déchets de distillation étant collectés sous forme solide au bas de cet espace de vaporisation qui est muni d'un dispositif d'évacuation de ces déchets. Grâce a ces dispositions on évite tout entartrage de l'appareIllage et on collecte les déchets de distillation en un endroit localisé sous forme solide. La description qui va suivre d'une installation schéma tique pour la mise en oeuvre du procédé décrit permettra de mieux comprendre et de mieux faire ressortir les caractéristiques ori- ginales du procédé de distillation. Cette installation comporte dans l'exemple illustré un échangeur de chaleur ECH dont le circuit primaire est alimenté en eau à distiller en vue de son réchauffage. La sortie de ce circuit primaire de l'échangeur ECH est reliée à un premier évaporateur LVI permettant, avec apport de calories ou non,d'évaporer une partie de l'eau à distiller. ma vapeur fournie par cette première évaporation partielle est captée en 1 tandis que la saumure concentrée est évacuée en 2. Il faut noter toutefois que dans ce premier évaporateur EV1, la température de l'eau à distiller et de l'eau saumâtre n'atteint pas la température d'ébullition, généralement cette température sera inférieure à 50 C, de sorte qu'aucun dépôt ou entartrage ne peut se produire dans cet appareil. La saumure sortant de ce premier évaporateur El est aspirée par une pompe P qui refoule cette saumure v~rz un second évaporateur EV2. La vapeur formée dans l'évaporateur EV1 est surchauffée par une source chaude SC, puis injectée dans l'évaporateur EV2. Enfin, la vapeur produite dans l'évaporateur EV2 est extraite de celui-ci, au-travers du circuit secondaire de l'é- changeur de chaleur CH dans lequel elle se condense puis est é- vacuée par une pompe à vide rr cul maintien un vide détermine dans toute l'inatallation. Dans ce qui suit, la conception particulière et origi- nale du second évaporateur EV2 va être décrite plus en détail. Cet évaporateur EV2 constitue une chambre ou un espace de vaporisation intense, même totale, de la saumure provenant au premier évaporateur EVl. cette saumure est introduite dans ltéva- porateur V2, par l'action conjuguée du refoulement de la pompe D et de l'ast'iratlon due au vide régnant dans cet évaporateur EV2, par un pulvérisateur. Ce pulvérisateur divise cette saumiure en une multitude de très fines gouttelettes formant un brouillard dans l'espace de vaporisation. Il faut remarquer que lors de sa pulvérisation, la sau- mure est à une température bien inférieure a sa température d'ébullition de sorte qu'aucun risque d'entartrage des canalisations de la pompe P ou du pulvérisateur n'est à craindre. A-l'intérieur de ce second évaporateur UT2, soit dans l'espace de vaporisation, la vapeur extraite du premier évapora- teur et surchauffée dans la source chaude SR est injectée de manière à être mise en contact intime, sur une grande surface, avec le brouillard de saumure. Cette vapeur surchauffée vaporise instantanément et complètement, la saumure finement divisée, alors, même que celle-ci n'est en contact avec aucune partie de l'installation de distillation ce qui évite tout entartrage de ce second évaporateur EV2. Par cette vaporisation intense, on obtient d'une part une précipitation solide des sels contenus dans l'eau qui tombent par gravité au fond de l'évaporateur EV2 qui est muni d'un dispositif d'extraction de ces déchets de distillation. La vapeur par contre produite lors de la vaporation intense et totale de la saumure, est soutirée par la pompe à vide PV hors du second évaporateur EV2, passe dans le circuit secor aaire de l'échangeur ECH où elle se condense pour être rrpérée dans un bac adéquat. Lors de son passage dans l'échangeur de chaleur ECH, cette vapeur cède tout ou partie de ses calories - salée alimentant l'installation de distillation, ce qui augmente l'efficacité du premier évaporateur PV1. Le dispositif d'extraction EX disposé au fond du second évaporateur EV2 permet d'extraire, hors de cet évaporateur ' V2, de fanon continue ou non, les déchets solides de la distillation. Les principaux avantages de l'installation de distillation décrite sont les suivants a) Tout entartrage de l'installation est évité du fait lue par tout o l'eau saumâtre est en contact avec des parties méca- niques de celle-ci, la température de cette eau saumâtre est bien inférieure à sa température d'ébullition aux conditions atmosphériques normales. b) Les déchets de la distillation sont précipités sous forme so lide en un endroit bien localisé de l'installation d'où ils peuvent être évacués facilement. Dans ce qui précède, on a décrit une installation de distillation lui soit la plus simple possible pour faciliter la compréhension du procédé revendiqué, toutefois il est bien évident que dans le but d'augmenter encore le rendement d'une telle installation de distillation d'autres appareils peuvent lui être adjoints. Par exemple la vapeur formée par le premier évaporateur EVl pourrait être surchauffée par une source chaude quelconque par l'intermédiaire d'un fluide de transport. Un échangeur de chaleur serait alors prévu pour transmettre les calories nécessaires à cette vapeur pour la surchauffer avant de l'injecter dans le second évaporateur EV2. Dans une telle réalisation, on peut par souci d'économie prévoir un autre échangeur de chaleur, permettant de préchauffer l'eau saumâtre sortant du premier évaporateur EVl en récupérant les calories contenues dans le fluide de transport une fois que celui-ci a traversé l'échangeur de chaleur permettait la surchauffe de la vapeur délivrée par le premier évaporateur EVl. Dans une forme d'exécution préférée, le premier évaporateur EV1 peut etre constitué par un insolateur ou évaporateur solaire. En outre l'installation de distillation peut être munie d'un ou plusieurs évaporateurs secondaires EVS branchés en série, par exemple des évaporateurs du type à barbotage alimentés en eau salée 3 et dans lesquels la vapeur 4 délivrée par le second évaporateur V2 barbote, perd de ce fait des calories sans toutefois se condenser, et évapore une partie de cette eau salée avant de passer dans l'échangeur LOB pour se condenser et préchauffer l'eau salée à distiller (Fig.2). La saumure sortant en 5 de cet ou ces évaporateurs secondaires est envoyée à l'évaporateur EV2 par la pompe P. Dans cette seconde forme d'exécution la source chaude SC est constituée par un échangeur de chaleur dont le circuit primaire est alimenté par n'importe quel fluide chaud. De plus différentes formes d'exécution peuvent être prévues pour le second évaporateur EV2, ainsi que pour son dis positif d'extraction des déchets ó. rn effet l'indection de vapeur surchauffée dans ce second évaporateur EV2 peut se faire soit coaxialement à la pulvérisation de l'eau saumâtre, par exemple par une tubulure entourant le pulvérisateur, soit par une couronne disposée ss rroximlté de l'extrémité inférieure de l'éva- adorateur 7-;"2. tn outre cet évaporateur peut être muni d'un filtre, par exemple en tissu, disposé à faible distance de ses parois latérales empêchant l'eau saumâtre pulvérisée d'entrer en contact avec les parois de l'évaporateur. Ces filtres peuvent être lavés ou rincés par un dispositif d'injection d'eau douce par exemple. Dans certaines variantes on peut prévoir une vaporisation incomplète dans le second évaporateur EV2 et l'évacuation d'une saumure très concentrée par le dispositif d'extraction EX. Dans d'autres variantes on peut prévoir que la source chaude soitplacée directement à l'intérieur du second évaporateur EV2 et que cette source chaude provoque, soit la vaporisation d'eau douce devant vaporiser l'eau saumâtre pulvérisée dans cet évaporateur, soit la vaporisation directe de cette eau saumâtre. Dans d'autres variantes on peut prévoir plusieurs évaporateurs EV2 en série, la saumure du premier étant réintroduite dans le suivant. Dans ces conditions la source chaude ne serait appliquée qu'au dernier évaporateur -EV2 de la série qui seul effectue une évaporation complète et délivre un déchet solide. Dans la troisième forme d'exécution (fiv.3) l'installation à vapeur comporte un atomiseur qui comporte une buse alimentée an eau salée ou saumâtre, par exemple en eau de mer, par une pompe Pl. Cette eau salée peut être préchauffée dans un échangeur de chaleur E comme on le verra plus loin. La buse disperse cette eau salée en un fin brouillard à l'intérieur de l'atomiseur i. Une source de chaleur provoque- la vaporisation totale de ce brouillard d'eau salée de sorte que le sel tombe au fond 2 de l'atomiseur sous forme solide et peut an être facilement extrait tandis que la vapeur produite est soutirée par une pompe ou un ventIlateur P. Un surchauffeur S, formé par un échangeur de chaleur dont le primaire est alimenté par une source chaude, surchauffe la vapeur soutirée de l'atomiseur 1. ne partie a de cette vapeur surchauffée est introduite à l'intérieur de l'atomiseur, de préférence concentriquement à la buse d'injection d'eau salée, et constitue la source chaude provoquant la vaporisation de cette eau salée finement pulvérisé~ Le reste b de cette vapeur surchauffée est utilisé pour l'alimentation d'une turbine à vapeur rn La vapeur détendue et dont la température a été abaissée est récupérée la sortie de la turbine T dans un condenseur L'eau distillée ainsi condensée est évacuée à l'aide d'une pompe et peut être stockée ou utilisée a diverses fins. Enfin dans l'exemple illustré, une certaine quantité de vapeur est prélevée à un étage intermédiaire de la turbine T et alimente le primaire de l'échangeur E en vue du préchauffage de l'eau salée devant être introduite dans l'atomiseur 1. Après passage dans cet échangeur E cette vapeur est également condensée dans le condenseur C. Des calculs ont montré que cette installation permettait d'obtenir un rendement théorique de 28 % du point de vue énergé- tique, l'eau distillée et le sel étant obtenus en plus. La quatrième forme d'exécution illustrée à la figure 4 est une variante de l'installation illustrée à la figure 3 mais simplifiée. Elle comprend également un atomiseur 1 qui délivre de la vapeur an A et dans lequel règne la pression atmosphérique, est comprimée isentropiquement par un compresseur 2 puis surchauf fée dans un surchauffeur 3 pouvant être un échangeur de chaleur par exemple ou une source chaude quelconque. Cette vapeur comprimée et surchauffée (C) est délivrée à une turbine 5 vapeur 4 qui délivre une puissance mécanique. La vapeur traversant cette turbine est récupérée en E dans un condenseur 5 puis l'eau distillée ainsi obtenue est évacuée par une pompe P2. La source chaude de l'atomiseur 1 est constituée par une introduction de vapeur surchauffée x obtenue par soutirage en D à un étage intermédiaire de la turbine t. Cette installation présente les avantages suivants 1. Obtention d'une puissance mécanique. 2. Obtention, en plus de cette puissance tétanique dont le ren dement sera indiqué ci-dessous, d'une part de sel sous forme cristalline solide et a'autre part d'eau distillée. 3. Ponctionnemant de l'atomiseur a la pression atmosphérique ce wai an siplifie la construction et an diminue le coût par rapport à un atomiseur soit sous vide soit sous pression. 4. Obtention d'un rendement théorique de près de 45 2, en ne comptant que la production d'énergie mecanique. En effet ce rendement peut être calculé de la maniera suivante : En A, vapeur saturée à l00 C. 1 bar iA - 640 Kcal/Kg. De A a B compression isentropique = 4 bars. iB = 707 Kcal/kg. En C, vapeur portée à 500 C. 4 bars ic = 831 Kcal/kg. Soutirage en D de x kg de vapeur à 1 bar. iD= 728 Kcal/kg. Sortie de la turbine en E à 20 iE = 570 Kcal/kg. En F entrée d'eau saumâtre à 20 C iF = 20 Kcal/kg. Calculs de x: iF + X iD = (1 # x) iA 20 + xx 728 = (1 + x) x 640 620 640 - 20 = x (728 - 640) x = 88 = 7,05 kg. Chaleur fournie Q = (1 = x) (ic - ib) = 8,05 ( 831 - 707 Q = 8,05 x 124 = 1000 Kcal. Travail de compression wc = (1 + x) (ib - iA) Wc =8,05 (707 - 640) = 8,05 x 67 = 540 Kcal. Travail de détente Wt = 8,05 (ic - id) + id - iE Wt = 8,05 (831 - 728) + 728 - 570 = 8,05 x 103 + 158 Wt =830 + 158 = 988 Kcal. Travail utile W = Wt - Wc = 988 - 540 = 448 Kcal. W 448 Rendement : n = Q = 1000 = 1000 4480, Il est à noter qu'il existe un taux de compression optimum de A à B permettant un rendement maximum de l'inatallation. Dans le cas choisi la compression de 4 bars correspond approximativement à cet optimum. Dans une variante on pourrait prévoir un préchauffage de l'eau salée introduite dans l'atomiseur par une partie de la vapeur délivrée par la turbina. REVENDICATIONS 1. Procédé de distillation d'eau, caractérisé par le fait qu'on réalise, i l'intérieur d'un espace de vaporisation permettant une évacuation continue des résidus de la distillation sans entartrage, une pulvérisation d'eau à distiller à une tempéra ture inférieure à sa température Q ébullition aux conditions atmosphériques normales qu'on met cette eau ainsi pulvérisée en contact intime avec une source de chaleur dont la tempéra ture est supérieure à la température d'ébullition de l'eau à distiller pour provoquer une vaporisation intense d'au moins une partie de cette eau. 2. Procédé salon la revendication 1, caractérisé par le fait qu' on condense la vapeur surchauffée et abaisse la température du condensat obtenu en transférant ses calories à l'eau à distil ler de manière à récupérer pratiquement toutes les calories, puis qu'on évacue l'eau distillée. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu' on pulvérise 5 l'intérieur de l'espace de vaporisation de l'eau à distiller et qu'on introduit simultanément dans cet espace de la vapeur d'eau surchauffée provoquant ainsi une vaporisa tion instantanée de l'eau à distiller et une cristallisation des sels contenus dans cette eau qui tombent par gravité au fond de l'espace. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu' on porte l'espace de vaporisation à une température plus éle vée que la température de vaporisation de l'eau à distiller et qu'on pulvérise à l'intérieur de cet espace de l'eau à distil ler provoquant ainsi une vaporisation instantanée de l'eau à distiller et une cristallisation des sels contenus dans cette eau qui tombent par gravité au fond de l'espace de vaporisa- tion. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait Ru' on pulvérise à l'intérieur de l'espace de vaporisation de l'eau distillée, luron vaporise cette eau pour obtenir de la vapeur d'eau surchauffée, et qu'on pulvérise à l'intérieur de ltessa- ce de vaporisation de l'eau à distiller qui est instantanément vaporisée par la vapeur surchauffée de sorte qu'on obtient une cristallisation des sels contenus dan#s cette eau à distil ler qui tombent au fond de l'espace de vaporisation. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la vapeur produite dans l'espace de vaporisation est utilisée pour réchauffer et/ou concentrer l'eau à distil ler avant qu'elle ne soit vaporisée, et par le fait qu'on réa lise ces opérations à l'intérieur d'un seul circuit maintenu entièrement sous vide. 7. Installation de distillation d'eau, caractérisée par le fait qu'elle comporte une enceinte maintenue dans sa totalité sous un vide déterminé par une pompe à vide et au moins une amenée d'eau à distiller ; cette enceinte comportant au moins un es pace délimité muni d'une part d'un dispositif de pulvérisation de l'eau à distiller à une température inférieure à sa tempé rature d'ébullition aux conditions atmosphériques normales, et d'autre part d'une source de chaleur dont la température est supérieure à la température d'ébullition de l'eau à distil ler ; cet espace étant conformé pour permettre une évacuation sans entartrage des déchets de la distillation et étant muni d'un dispositif d'évacuation de ces déchets. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée par le fait que l'enceinte comporte en outre au moins un réchauffeur et/ou un évaporateur à basse température de l'eau à distiller dont la source chaude est constituée par la vapeur surchauffée pro duite dans l'espace de vaporisation et par le fait que toute l'installation est maintenue sous vide. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la pompe à vide évacue l'eau distillée une fois que celle ci a restituée la presque totalité de ces calories à l'eau à déminéraliser. 10 Installation selon l'une des revendications 7 ou 8, caractéri sée par le fait que le dispositif d'évaporation est constitué par un pulvérisateur d'eau à déminéraliser dans l'espace déli- mité tandis que la source de chaleur est constituée or de la vapeur d'eau surchauffée. l; Installation selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'alla comporte un dispositif de surchauffage de la va peur produite dans l'évaporateur à basse température et d'in jection de cette vapeur surchauffée dans l'espace de vapori sation. 12 Installation selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'île comporte un dispositif de chauffage de l'espace de vaporisation ainsi qu'un dispositif d'injection de la va peur produite dans l'évaporateur à basse température dans cet espace. 13. Installation selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'un filtre en toile est monté dans l'espace de vapori sation ainsi qu'un dispositif de rin;age de ce filtre. 14 Installation selon la revendication 13, caractérisée par le fait que le filtre est ouvert vers le bas et que la pulvéri sation d'eau à déminéraliser s'effectue à l'intérieur du- fil tre tandis que l'évacuation de la vapeur produite dans cet es pace est réalisée à l'extérieur du filtre. 15 Installatior selon la revendication 10, caractérisée par le fait que le pulvérisateur d'eau à déminéraliser est situé co axialement à l'intérieur d'une tubulure d'amenée de la vapeur d'eau. 16 Installation selon la revendication 10, caractérisée par le fait que le pulvérisateur d'eau à déminéraliser est situé dans la partie supérieure de l'espace de vaporisation tandis que l'introduction de vapeur d'eau s'effectua dans la partie infé rieure de cet espace. 17. Installation selon l'une des revendications 7 ou 8, caracté risée par le fait qu'elle comporte plusieurs évaporateurs en série seul l'espace interne du dernier évaporateur étant por té à une température supérieure à la température d'ébullition de l'eau à distiller. 18 Installation selon l'une des revendications 7 ou 8, caractéri sée par le fait qu'elle comporte encore une ou plusieurs éva porations secondaires en série dont la source chaude est for ne par la vapeur produite dans le ou au moins un des évapora teurs. 1s Installation à vapeur selon la revendication 7, pour la pro duction simultanée d'énergie et d'eau distillée, caractérisée par le fait qu'elle comporte un atomiseur alimenté en eau sa lée sous pression et en vapeur d'eau surchauffée et délivrant d'une part de la vapeur d'eau et d'autre part du sel; un sur chauffeur de la vapeur délivrée par l'atomiseur alimentant d'une part l'atomiseur et d'autre part une turbine en vapeur surchauffée ; et un condenseur de la vapeur ayant traversé la turbine délivrant de l'eau distillée. 2Q Installation selon la revendication 19, caractérisée par le fait qu'alla comporte un échangeur de chaleur de préchauffage dont le primaire est parcouru par de la vapeur soutirée à un étage intermédiaire de la turbine tandis que le secondaire est parcouru par l'eau salée. 21. Installation selon la revendication lq, caractérisée par le fait qu'alla comporte encore une pompe de soutirage de la va peur produite dans l'atomiseur. 22 Installation selon les revendications 19, 20 ou 21, caractéri sée par le fait qu'elle comporte une pompe d'alimentation en eau salée et une pompe d'évacuation d'eau distillée. 23 Installation selon la revendication 22, caractérisée par le fait qu'alla fonctionne sous vide et que la pompe d'évacuation d'eau distillée est une pompe à vide. 24 Installation å vapeur selon la revendication 7 pour la produc tion simultanée d'énergie et d'eau distillée, caractérisée par le fait qu'elle comporte un atomiseur alimenté en eau salée sous pression et en vapeur d'eau surchauffée et délivrant d'une part de la vapeur d'eau et d'autre part du sel; un compresseur et un surchauffeur, branchés en série, de la vapeur délivrée par l'atomiseur alimentant, en vapeur surchauffée sous pres sion une turbine et un condenseur de la vapeur ayant traversé la turbine délivrant de l'eau distillée, et par le fait que la vapeur d'eau surchauffée délivrée à l'atomiseur est soutirée à un étage intermédiaire de la turbine. 25. Installation selon la revendication 2t, caractérisée par le fait qu'alla comporte un échangeur de chaleur de préchauffage dont le primaire est parcouru par la vapeur sortent de la tur bine, ou par de la vapeur soutirée à un étage intermédiaire de cette turbine. 2 & Installation selon la revendication 24, caractérisée par le fait qu'elle comporte une pompe de soutirage de l'eau distil lée produite dans le condenseur. 27. Installation selon la revendication 24, caractérisée par le fait qu'elle comporte une pompe d'alimentation de l'atomiseur en eau salée. 28 Installation selon les revendications 25, 26 ou 27, caractéri sée par le fait que l'atomiseur fonctionne à une pression de 1 bar.