Brevet FR2176532A1 — publié le 19731102

la présente invention concerne le traitement des fluides d'alimentation et de récupération, notamment destinés aux ensem bles d'échange à deux sources de température, mettant en oeuvre une réserve externe dteau qui constitue l'un des fluides, et un gaz partiellement soluble dans l'eau qui constitue un autre des fluides. lies brevets des Etats-Unis d'Amérique N 2 895 807 et N0 3 142 540 décrivent un dispositif dtentratnement par régéné ration dtun gaz (par exemple H2S) dans un liquide (de l'eau), à l'aide de vapeur introduite à une température nettement supé rieure à celle de saturation du liquide en gaz, suivie par une récupération partielle de la chaleur par échange par contact indirect avec un fluide froid. L'invention concerne un dispositif perfectionné de traite- ment de fluides a t alimentation et de récupération, destiné à améliorer la récupération dtun gaz (par exemple H28) dtun liqui de (par exemple de lteau) qui contient les constituants dissous (par exemple des matières solides quton trouve dans lteau de mer et d'autres eaux impures), à de basses températures, avec un rendement accru par rapport aux dispositifs de la technique antérieure. Un tel dispositif assure. le traitement du liquide d'alimentation de manière simple et efficace et fournit un sous produit liquide dis-tillé ,pratiquement dépourvu de matières so lubles. . prautres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront mieux de la description qui va suivre, faite en réfé rence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma simplifié d'un. dispositif inté gré de traitement de fluides d2alimentation et effluent destiné à la mise en oeuvre d'un procédé dtéchange hydrogène sulfuré eau, selon un mode de réalisation de l'invention dans lequel une eau contaminée (par exemple de l'eau de mer) constitue le fluide d'alimentation ; et la figure 2 est un schéma d'un autre mode de réalisation. lies modes de réalisation représentés sur les dessins conviennent particulièrement bien à l'introduc tion d'un liquide dans un dispositif traitant on tel liquide et un tel gaz partiellement solubles,et au traitement d'un effluent de ce dispositif, tels que décrits dans la d erarde de brevet français déposée ce jour par le Deman- deur sous le titre "Procédé de concentration par échange entre des fluides à températures différentes", qui est incluse au présent mémoire à titre de référence. Grâce. à ces modes de réalisation, concernant la production d'eau lourde, on peut tirer avantage du fait que l'eau de mer con- tient environ 5 % de deutérium de plus que les eaux de rivière et de lac lie dispositif de traitement d'une eau (par exemple dteau de mer) fonctionne d'une part avec l'eau de mer appauvrie -évacuée de la tour chaude comme déchets, et fournit l'eau de mer saturée en H2S et chauffée,destinée à l'extraction du deutérium dans le dispositif dtéchange à deux sources de chaleur.Dans le mode de réalisation représenté, l'eau d'alimentation est ini tialement utilisée pour le refroidissement des fluides du dispositif d'échange de chaleur , et elle est reçue légèrement chauffée en 3A pour le traitement. li'eau passe alors en 4A dans un hydrocyclone épaississeur en acier au carbone revêtu de caoutchouc F-001 où les solides sont retirés dans le courant inférieur et évacués comme déchets. L'eau épurée pénètre alors dans un désaérateur T-001 en acier inoxydable revêtu de résine époxyde dans lequel l'oxygène et le gaz carbonique dissous sont chassés. lies gaz sont retirés par deux étages d'éjecteurs J~003 et J-004 et vii condenseur intermédiaire barométrique E-001. L'eau de la partie inférieure du condenseur passe dans un puits chaud. L'oxygène est retiré pour empêcher la corrosion des sur- faces métalliques et empocher la précipitation du soufre lorsque l'eau vient au contact de H2S utilisé, par exemple par la réaction 2H2S + 02 = 21120 + 25. lie soufre insoluble précipite et peut obturer les canalisations. lie gaz carbonique est retiré pour empocher la dilution de H2S gazeux de traitement et pour empêcher la corrosion accéléré de l'appareillage du fait de l'acide carbonique formé en solution aqueuse. lie rendement du dispositif à deux sources est réduit en proportion de l'accumu- lation d'impuretés inertes dans le gaz de traitement.L'eau de refroidissement pénétrant par l9A dans le condensen E-00i provient du courant d'eau de mer reçu en 3A ; la vapeur utilisée comrae force motrice pour les éjecteurs provient d'un collecteur de vapeur à pression intermédiaire. Une pompe P-001 retire l'eau d'alimentation de la partie inférieure du désaérateur en 77A et l'envoie du coté des tubes des échangeurs E-107. Une connexion permet l'introduction d'un produit chimique dans les échangeurs, par exemple l'acide sul purique. De cette manière, on peut ajouter un acide ou un produit chimique convenable pour dissoudre le tartre, par exemple les sulfates et carbonates précipités, dans le cas où il s'en forme sur les tubes des échangeurs du fait du chauffage de l'eau de mer. Dans le mode de réalisation représenté, les échangeurs E-107- sont formés par trois trains parallèles de quatre échangeurs chacun. L'effluent chaud de la tour chaude du dispositif d'échange parvient en 8A, après retrait de l'hydrogène sulfuré dissous, et passe par 87A et 88A dans l'enveloppe des échangeurs, si bien que l'eau d'alimentation est chauffée à environ 1200C. Un thermocompresseur J-001 fournit de la vapeur qui a été récu- pérée en partie en 89A de l'effluent d'eau de mer par ltévapo- rateur D-006 fonctionnant par distillation éclair, par 94A, vers ltinjecteur J-002 en vue d'assurer le chauffage supplémen- taire de l'eau. La vapeur est injectée dans l'eau d'alimenta- tion avec un débit réglé de manière que la température de l'eau soit maintenue à 1300C. Une pompe P-002 fait passer le courant d'eau d'alimentation chauffée à la partie supérieure du saturateur T-002. Celui-ci est une tour en acier revêtu d'"Inconel", destinée à saturer environ 900 tonnes d'eau chauffée par heure avec H2Ssà 23 bars. Un courant supplémentaire d'eau chauffée qui était utilisé dans les sections supérieures de refroidissement du dispositif P-004 dtextraction et de l'évaporateur éclair P-005 destiné au refroidissement du gaz, décrit plus loin, passe aussi à la partie supérieure du saturateur T-002. Ces courants se rassemblent et descendent à contre-coulant de H2S gazeux, en se saturant et constituent l'eau de mer d'alimentation fournie à la tour chaude du dispositif d'échange. L'eau saturée est évacuée de la partie inférieure du saturateur en 6A et est chassée par les pompes P-003- dans des hydrocyclones de lavage F-003- en "Inconel" qui retirent les sulfures métalliques lourds et d t autres matières solides formées par réaction de matières minérales dissoutes dans l'eau de mer dans les conditions existant dans le saturateur. lie courant retiré à la base des hydrocyclones passe en 101A dans vn réservoir D-010 de boue en vue d'être traité avant retrait, par exemple évacuation dans un courant effluent en 109A.Ce traitement peut com d'un produit prendre une addition chimique, par exemple d'un acide qui réagit avec les solides de manière à les solubiliser et à former H2S renvoyé comme gaz dans le dispositif d'échange en 108A-7A. L'eau d'alimentation saturée passe par 55A des hydrocyclones à la partie supérieure de la section d'alimentation des tours chaudes du premier étage. H2S fourni en 5A au saturateur T-002 est retiré de la section d'hydratation des tours chaudes du premier étage du dispositif échange Dans le saturateur, H2S réagit avec les bicar- bonat-es dissous et les décompose, libérant ainsi du gaz carbonique et formant un hydrosulfure (ion HS ) et, dans une moindre mesure, un sulfure (iorw S=). lie gaz carbonique et d:autres gaz non dissous, par exemple de l'azote et de lthydrogène, passent dans la section de purge à la partie supérieure du saturateur. Un petit courant d'eau relativement pure, par exemple de condensat , est introduit en 60A à la partie supérieure de la section dans celle-cl de purge de manière qu'il absorbe H2S contenu et ce courant d'eau descend dans la section de purge puis rejoint le courant d'eau d'alimentation dans le saturateur. lie courant gazeux restant qui comprend pratiquement la totalité de CO2 et des gaz inertes des fluides introduits dans le saturateur T-002 est retiré en 96A, par exemple vers une cheminée d'évacuation dans l'atmosphère. L'eau des sections de refroidissement de gaz placées à la partie supérieure du dispositif d'extraction T-004 et à la par tle supérieure du dispositif de séparation instantanée T-005 provient par 1A de la canalisation d'alimentation en eau de mer utilisée par le dispositif dc refroidissement et de déshydra tation du premier étage du dispositif d'échange. Cette eau passe dans un hydrocyclone F-002 de nettoyage qui retire les matières solides et dont le courant inférieur constitue un déchet. L'eau épurée passe dans un désaérateur T-009. On peu-t ajouter iul produit chimique, par exemple de l'acide sulfurique, , dans 1 , eau de mer par cette connexion, en amont du désaérateur, L'acide est ajouté pour décomposer le bicarbonate disous et libérer C02 avant que l'eau ne pénètre dans les dispositifs T-005 et T-004 où elle est au contact avec H2S.Le C02 créé et d'autres gaz dissous sont retirés de l'eau dans le désaérateur T-009 par trois étages d'éjecteurs J-005, J-006 et J-007 et deux condenseurs barométriques E-002 et E-003, l'eau désaérée étantiretirée en 98A par la pompe P-019 et passe par 61A vers le dispositif T-004 et par 62A vers le dispositif T-005. Le courant effluent circulant en 100A comprend essentiellement une eau de mer épuisée en deutérium provenant des tours chaudes du premier. étage du dispositif échange, avec le courant traité prélevé au-dessous des hydrocyclones comme décrit précédemment. Un rôle essentiel du dispositif de traitement est de ré- cupérer H2S présent à une concentration d'environ 2 % dans l'effluent d'eau de mer du dispositif d'échange. Un autre de ses rôles est de récupérer la chaleur de l'effluent, qui se trouve à 13000, lorsqu'il quitte les tours chaudes du premier étage.H2S est récupéré dans les dispositifs T-008 et T-005 d'évaporation instantanée et dans le dispositif T-004 d'extrac- tion et renvoyé par 7A dans le dispositif d'échange. lia chaleur est récupérée dans l'évaporateur instantané D-006 ou l'effluent, après retrait de X2S, est évaporé partiellement et instantané- ment sous forme de vapeur destinée à être utilisée par l'inter- médiaire de 90A dans le dispositif d'extraction et par 94A pour chauffer l'eau de mer introduite ainsi que dans une série d'échangeurs E-107- ou le reste de la chaleur de l'effluent es-t utilisée avant évacuation pour chauffer liteau de mer introduite dans le dispositif à deux sources de chaleur. N2 5 est; récupéré par passage de l t effluent chaud évacué par la section d'alimentation de de la tour chaude du premier étage par une série de quatre dispositifs T-008, T-007, T-006 et T-005 d'evanoration instantanée,dans cet ordre. il s'agit de réacteurs horizontaux en acier recouvert d'"Inconel" comprenant une section d'évaporation instantanée et une section de refroidissement de gaz dans laquelle H2S chaud libéré est refroidi par contact direct avec un contre-courant d'eau froide.Comme représenté, trois dispositifs -008, T-007 et T-006 sont associés à des tours de refroidissement par mise en contact. B'une dtelles, T-005, fono tienne avec une tour séparée de mise en contact représentée par le plateau étanche en 76A qui ne permet que le passage du gaz. lies dispositifs d'évaporation instantanée des matières de déchets fonctionnent à des pressions de plus en plus basses, par exemple à 31, 17, 12 et 5 bars, respectivement. A chaque étage de réduction de pression, H2S s'échappe de lteffluent. H2S libéré remonte vers les sections de refroidisseur où la vapeur d'eau est condensée et H2S refroidi. lie gaz H2S est alors remis sous pression, par exemple par les compresseurs C-002, C-003 et C-004, à la pression de 21 bars, et renvoyé par 7A au premier étage du dispositif d'échange. lie gaz provenant du dispositif T-008 est évacué à la pression de 21 bars à la partie supérieure de la tour froide du premier étage du dispositif d'échange, qui nta pas à être mis sous une pression plus élevée. Après passage dans les dispositifs d'évaporation instantanée, l'effluent passe vers le dispositif d'extraction T-004 où H2S dissous restant est en partie retiré par évaporation instantanée à 2,5 bars, le reste étant retiré par le contre-courant de vapeur d'extraction. Ce dispositif est une tour en "Inconel" ayant environ 25 m de haut. il comprend une section supérieure de refroidissement séparée, comme représenté en T-005, et une section inférieure d'évaporation instantanée d'extraction. H2S libéré de l'effluent dans la section d'évaporation instantanée remonte dans la section de refroïdissement, et le liquide effluent descend vers la sectioe-j d'extraction où il circule à contre-courant de a vapeur d'extraction. ta concentration en E2S dans l'effluent d'eau de mer quittant le dispositif d'extrac- tion est inférieure à 1 ppm, et 1125 extrait passe dans le compresseur C-001 qui le renvoie au premier étage, comme décrit précédemment. L'effluent d2eau de mer provenant du dispositif T--004 passe dans un évaporateur instantané D-005 où une partie de l'eau est évaporée instantanément en vapeur. L'évaporateur est un réacteur en alliage de cuivre et de nickel ayant environ 1,8 m de diamètre et environ 4 m de long. Il fonctionne avec un thermocompresseur J-001 qui récupère une partie de lténergie présente dans lteffluent.Le thermocompresseur crée une pression réduite dans l'évaporateur et transforme une partie de lteffluent en vapeur qui est évacuée par 91A de manière à être utilisée comme vapeur d'extraction par l'intermédiaire de 90A, vers le dispositif d'extraction et pour être injectée par 94A dans le courant principal d'alimentation du dispositif d'échange. L'effluent chaud provenant de l'évaporateur par 88A est pompé à l'aide de la pompe P-017, dans l'enveloppe du train dtéchangeur E-107-, de manière à chauffer le courant principal d'eau du cEté des tubes. Cet effluent refroidi est alors évacué comme déchet par l'intermédiaire de 100A. lie courant prélevé à la base des hydrocyclones F-003- est évacué par 101)1 dans un réservoir D-010 de boue dans lequel on ajoute de acide sulfurique. Ce réservoir est un réacteur en "Inconel". H2S est libéré dans ce réacteur du fait de la réac- tion de l'acide avec les sulfures retirés par les hydrocyclones. Comme on l'a représenté, H2S libéré passe dans la tour derefroidissement à la partie supérieure de l'évaporateur i-007 de manière à rejoindre le courant de gaz récupérés et a' outre renvoyé au premier étage du dispositif d'échange, l'évacuation du réservoir en 109A étant mélangée avec l'effluent du dispositif T-008, par la canalisation 84A. Tout acide en excès qui peut être présent à l'évacuation du réservoir continue à réagir avec les sulfures dissous dans l'effluent d'eau de mer de manière à chasser encore H2S qui est associé chimiquement ou autremer;s et qui n'a pas été libéré au cours des opérations d'évaporation et d'extraction. H2S libéré passe des dispositifs d'évaporation et d'extraction à des compresseurs. Dans le mode de réalisation représenté, les compresseurs C-001, C-002, C-003 et C-004 peuvent être entraînés par une seule turbine à vapeur, avec un arbre commun, comprenant un compresseur à plusieurs étage destiné à traiter H2S libéré de manière à le renvoyer dans le dispositif d'échage. On se réfère maintenant à la figure 2 sur laquelle l'eau de mer froide dtalimentation (par exemple à 200C) passe dans vn échangeur 10 à contact indirect, à contre-courant de l'effluent traité destiné à être évacué, et elle est chauffée (par exemple à 120 C) alors que lteffluent est refroidi (par exemple de 135 à 4500). eau chauffée passe par la canalisation 11 jusqu'à un saturateur à deux étages, assurant la saturation en H2S, et à l'extracteur de gaz inerteskt de C02 dissous 12, 13 dans lequel un contact à contre-courant avec un courant de H2S assure la saturation de l'eau d'abord à une pression relativement fai à ble, puis/une pression élevée, les carbonates dissous étant transformés en hydrosulfures et sulfures et libérant C02 qui est retiré avec les gaz inertes éventuels des courants de H2S et/ou d'eau. Dans le premier étage 12, le gaz est chauffé à une faible pression (par exemple à 1,7 bar) à une valeur proche de la température du courant de H2S (environ 1300C) suivant la quantité de gaz chaud fournie.Dans le second étage 14 dans lequel est pompée lreau traitée du premier étage, par l'intermédiaire de la canalisation 15, la pression est élevée (par exemple 21 bars) et la saturation est assurée par le gaz à cette pression. lie liquide dont doivent être retirées les matières minérales, vers tuellement récupéres, (par exemple l'eau de mer) peut être traité par des additifs fournis par 16 et destinés à faire pré cipiter les matières dissoutes qui peuvent être retirées alors par exemple à ltaide drun filtre, d'un décanteur ou d'un sépara- teur différent 17, à partir duquel on récupère le liquide traité saturé -en gaz aux températures et aux pressions de la section 18 d'alimentation (représantée comme comprenant le quart inférieur des plateaux de la tour chaude d'un ensemble 19 d'échange à deux sources de chaleur). Dans la section 18, le liquide saturé passe à contre-courant du gaz H2S qui est passé dans le réchauffeur et humidificateur 20 et a atteint la température de la section 18. lie chauffage du gaz,comme représenté,est assuré en partie par contact direct avec une circulation dérivée d'eau pénétrant par 20a et sortant à diverses températures (par exemple à 850C et 45 C) en 20b et 20c, le chauffage étant accru par injection de vapeur en 20d (par exemple à 2180C) en quantité suffisante pour que le gaz atteigne la température de la section 18 et de la tour 19 (par exemple 130 C). lie courant de fluide d'alimenta- tion quittant la section 18 au-dessus de plateau étanche 18a (qui permet la remontée du gaz mais empêche la descente du liquide) est pompé vers le dispositif 25 d'extraction de déchets par l'intermédiaire de la canalisation 22, la pression étant légèrement accrue de manière à permettre le retour du gaz extrait et de la vapeur par 20d à la partie supérieure de la section 20 d'hydratation. La vapeur parvient par 25a à la partie inférieure du dispositif 25 d'extraction, et passe à contrecourant du liquide saturé en H2S provenant de 22, si bien que l'eau quittant le dispositif 25 en 25b est pratiquement dépourvue de gaz (par exemple de H2S).La vapeur supplémentaire nécessaire parvient en 20d par l'intermédiaire de 20e, depuis une réserve convenable, par exemple une chaudière 30. Dans le mode de réalisation représenté, une partie de l'eau épuisée en H2S passe de 25b à 25c et alimente la chaudière 70 où elle est partiellement évaporée par de la chaleur exterieure. Ta partie non évaporée passant en 30a et le liquide passant en 25d peuvent être rassemblés et utilisés en partie pour le chauffage d'une partie au moins des courants cycliques passant en 20c et/ou 20b dans un échangeur 35, et ils peuvent être en partie envoyés dans un dispositif 40 d'évaporation instanta- née travaillant en pression réduite, la vapeur libérée pouvant e'sre utilisée dans le dispositif 41 d'extraction, de manière à retirer H2S d'un courant séparé de condersat saturé en H2S formé par le refroidissement et la déshydratation du gaz chaud provenant de 19, en quantité à peu près égale à la quantité de vapeur introduite en 20d. Le condensat pénétrant en 41 par la canalisation 41a à environ 130 C et sortant par la canalisation 41b à environ 135 C passe alors à contre-courant en 5 de manière à chauffer une autre partie des courants cycliques 20b et/ou 20c lie liquide restant provenant du dispositif 40 et le liquide refroidi provenant de l'échangeur 35 par 10a passent dans l'échangeur 10, comme décrit précédemment. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexees. REVEUDICATIONS 1. Dispositif de traitement de fluides aqueux d'alimentation et d'évacuation d'un ensemble dans lequel de l'hydrogène sulfuré et de l'eau sont mis au contact à pression et température élevées, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'eau est saturée en hydrogène sulfuré auxdites températures et pressions avant introduction dans l'ensemble, à l'aide dtun courant de purge dthydrogène sulfuré gazeux provenant de lten- semble, de la chaleur étant récupérée de l'eau du courant d'évacuation de l'ensemble, les gaz inertes du courant de purge étant évacués et l'eau d'alimentation chauffée étant fournie à l'ensemble. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que l'eau d'alimentation traitée contient des carbonates dissous, et le courant de purge athydrogène sulfuré réagit avec ces carbonates de manière à libérer du gaz carbonique évacué avec les gaz inertes. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'essentiel de lthydrogène sulfuré de l'effluent de ltensem- ble est libéré dans une série dtévaporateurs instantanés à des pressions progressivement réduites. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le reste de lthydrogène sulfuré est contenu dans l'effluent et extrait par de la vapeur à pression réduite fournie par le denier évaporateur instantané. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau est de l'eau de mer.