Brevet FR2261983A1 — publié le 19750919

La présente invention est relativ#e à une installation pour distiller une eau brute quelconque, en particulier l'eau de mer, ou pour concentrer une solution aqueuse, par compression de vapeur Dans la description ci-après, "eau mère" désigne l'eau brute ou la solution aqueuse dont une partie de l'eau a été évaporée dans l'installation. Par rapport aux installations connues, l'installation selon l'invention diffère notamment dans l'application à l'évapo- rateur, de tube#s en verre à paroi mince Le faible-coefficient de transfert thermique du verre et son mouillage facile rendent 1' évaporateur moins sensible à l'entartrage, et il-n'y a pas de risque de contamination de l'eau distillée en cas de bris de tube. En outre, l'absence de conduction thermique latérale dans la paroi mince permet le dégagement par évaporation, sans formation de mousse, d'une plus grande masse de vapeur. Pour obtenir un meilleur mouillage du verre et augmenter la surface d'évaporation de l'eau mère, les tubes en verse sont assemblés en au moins un faisceau sensiblement horizontal et assez compact de sorte que, lors de l'arrosage de ce faisceau par l'eau mère, de nombreux ponts (ou liaisons) liquides sont formés, entre des tubes adjacents, par l'eau mère s'évaporant à l'extérieur des tubes susdits, tandis que la vapeur d'eau est comprimée et condensée à l'intérieur de ceux-ci, Pour diminuer l'énergie supplémentaire, nécessitée par la distillation en raison de la concentration en substances dissoutes, l'eau mère est évaporée sous une même pression, en particulier la pression atmosphérique, dans plusieurs étages de concentration parcourus successivement par l'eau mère à des concentration9 croissantes en substances dissoutes.Avantageusement, ces différents étages sont situés dans un même évaporateur. Sur le parcours de l'eau brute ou de la solution aqueuse et/ou de l'eau mère, un filtre en laine de verre ou maté riau similaire (laine de roche, fibre de 'verre) permet d'obtenir, dans un volume relativement faible, une énorme surface de nature semblable à celle des tubes en verre, de sorte que les impuretés susceptibles d'être fixées par le verre (matières organiques, particules argileuses, etc.) sont retenues par adsorption à la surface des fibres constituant le filtre. La mise en solution de subatances en provenance du filtre permet en outre de diminuer l'attaque chimique des tubes en verre de l'évaporateur. Avantageusement, ce filtre est traversé par l'eau brute (ou par la solution aqueuse) après que celle-ci ait été chauffée dans un échangeur à mélange alimenté par la vapeur de purges en provenance de l'évaporateur. D'autres détails et particularités de l'invention apparaitront au cours de la description des dessins annexés au présent mémoire qui représentent schématiquement et à titre d'exemple seulement, deux formes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une coupe longitudinale, suivant un plan vertical médian, d'une première forme de réalisation de l'évaporateur selon l'invention. Sur cette figure sont aussi représentés des organes périphériques ainsi que le parcours de l'eau brute (ou de la solution aqueuse) et celui de la vapeur. La figure 2 illustre le raccordement d'un tube en verre à une perforation dans une plaque perforée (ou plaque tubulaire), ainsi que le raccordement de deux tubes entre eux. La figure 3 est une coupe transversale suivant le plan A-B indiqué sur la figure 1. La figure 4 illustre la disposition des tubes, en quinconce à 600, et des ponts liquides entre ces tubes. La figure 5 est une coupe horizontale d'une deuxiè- me forme de réalisation de l'évaporateur selon l'invention. Dans le cercle, un dispositif d'assemblage des tubes dans une plaque tubulaire est représenté en coupe transversale. Dans l'une et l'autre forme de réalisation, l'eau brute à distiller (ou la solution aqueuse à concentrer) est amenée à l'entrée 1 d'un échangeur de préchauffage 2. L'eau brute y est préchauffée jusqu'à environ 90 C; elle est ensuite canalisée, par une conduite 3, vers une cuve cylindrique 4 dans laquelle l'eau brute est répartie par un bac distributeur 5. Dans la cuve 4, l'eau brute reçoit un supplément de chaleur qui élève sa température au dessus de 9?cl. Pour permettre l'élimination des impuretés - en particulier des matières argileuses - susceptibles d'être adsorbées sur le verre constituant la paroi d'échange de l'évaporateur, l'eau brute traverse au moins un filtre en laine de verre ou matériau similaire. Un tel filtre peut être placé avant l'entrée de 11 eau brute dans l'échangeur 2. Dans l'exemple représenté, un filtre 6, en laine de verre, est placé à la partie inférieure de la cuve 4. En raison de la température élevée de l'eau brute dans cette cuve 4, la perte de charge occasionnée par le filtre 6 est relativement faible. Par gravité, l'eau brute s'écoule depuis la cuve 4 jusqu'à ltentrée 7 de l'évaporateur 8. Selon une première forme de réalisation de l'évaporateur 8, celui-ci est constitué d'une virole cylindrique 9 à l'intérieur de laquelle est logé le faisceau tubulaire 10. La section transversale de l'espace occupé par ce faisceau 10 est aprproximativement carrée. Ce faisceau 10 est composé de tubes Il en verre neutre ayant une longueur de 1500 mm, un diamètre extérieur de 10175 mm et une épaisseur de paroi de 0,45 mm. Ils sont situés à 14 mm d'axe en axe, un espace de 3,25 mm étant ainsi laissé entre tubes adjacents. Les tubes sont disposés en quinconce à 600 comme illustré par la figure 4. Trois tubes 11 raccordés b6ut-à-bout s'étendent depuis une plaque tubulaire 12 jusqu'à une plaque tubulaire 13. Le raccordement de l'extrémité d'un tube 11 à une perforation 14 d'une plaque tubulaire est effectué au moyen d'un raccord 15 en caoutchouc synthétique dont la section transversale non représentée est circulaire à tous les niveaux. Le raccord 15 présente un bout conique 16 permettant l'introduction facile - mais avec un léger serrage - de la partie cylindrique 17 (diamètre extérieur 9,6 mm) dans une perforation 14 (diamètre 9,5 mm). Un épaulement 18 maintient lors du montage une distance, entre extrémité de tube 11 et plaque tubulaire, suffisante pour qu'une légère déformation d'une plaque tubulaire n'occasionne pas de bris de tubes 11. Un tube 11 présente à chaque extrémité un rétrécissement 19 dû au rebrulage du tube. Ceci facilite l'introduction d'une extrémité du tube 11 placée à serrage dans la partie 20 du raccord 15. Un évasement 21 facilite cette mise en place. Le raccordement de deux tubes 11 entre eux est réalisé au moyen de pièces cylindriques 22 en caoutchouc synthétique. Pour la facilité du montage, ces pièces 22 permettent aussi - par leur superposition - l'entretoisement des tubes en verre de manière à réaliser un empilement avec la disposition en quinconce à 600 illustrée par la figure 4. Des morceaux de tuyau peuvent éventuellement être utilisés au lieu de pièces moulées pour réaliser les raccords 15 et 22. Le faisceau 10 ainsi que les plaques tubulaires 12 et 13 sont assemblés en un tiroir amovible pouvant - par glissement sur des rails non représentés - etre extrait de la virole 9 après enlèvement des calottes 25 et des couvre-joints 26. Le faisceau 10 comporte trois sections (27, 28, 29) correspondant à trois étages## de concentration parcourus successivement par l'eau mère chaude à des concentrations croissantes en substances dissoutes. Les tubes de la deuxième section 28 sont placés au moment du montage à un niveau légèrement supérieur (1,5 centimètre) à celui des extrémités des tubes des sections 27 et 29, raccordées aux plaques tubulaires. Ce détail est fortement accentué sur la figure 1. Cependant, dans un appareil en service, une inclinaison - non représentée sur la figure 1 - d'environ 1,5 centimètre par mètre, est imposée à la virole 9 en élevant la partie droite (sur la figure 1). Il en résulte pour les tubes 11 de la section 27 une inversion de la pente qui devient ainsi de 0,5 cm/m vers la gauche. La pente des tubes de la section 28 est alors de 1,5 cm/m dans le même sens, et la pente dès tubes de la section 29 est accentuée jusqu'à 2,5 cm/m. L'eau brute chaude admise à l'entrée 7 de l'évaporateur 8 est mélangée à l'eau mère chaude du premier étage;.de concentration. Cette eau mère est recueillie au bas de la virole 9 dans un puisard 30 d'où une pompe 31 l'élève, par le tube 32, jusqu'à la partie supérieure de la virole 9. Une plaque distributrice 33 répartit l'eau mère à l'extérieur des tubes 11 de la section 27. En s'écoulant entre les tubes 11, l'eau mère - dont la température est voisine de 1000C - réalise de nombreux ponts liquides 34 entre les tubes 11. Ces ponts sont entourés par la vapeur émise par l'eau mère réalisant ainsi deux réseaux enchevetrés et très mouvants, l'un constitué par l'eau mère, l'autre par la vapeur. Ceci permet à la fois un bon mouillage de la surface extérieure des tubes et un dagagement facile de la vapeur émise en grande partie par évaporation sans ébullition. Le débit de la pompe 31 est très supérieur à la quantité d'eau mère évaporée au cours d'une seule descente à travers la section 27 (p. ex. dans le rapport 50/1). La plus grande partie de l'eau mère est recueillie à la partie inférieure de la virole 9 où elle traverse un filtre 35 en laine de verre avant d'être à nouveau élevée par la pompe 31. En raison de l'arrivée à l'entrée 7 d'une masse d'eau brute supérieure à la masse de vapeur dégagée dans la section 27, une partie de l'eau mère quitte le premier étage de concentration et passe dans le deuxième par une échancrure 36 située dans la cloison 37 séparant, à la partie inférieure de la virole 9, l'eau mère moins concentrée (premier étage) de l'eau mère plus concentrée (deuxième étage). Une autre cloison 38 a une fonction semblable à la partie supérieure de la virole 9. Dans le deuxième étage de concentration, l'eau mère est à nouveau partiellement évaporée, après avoir été distribuée au dessus des tubes constituant la section 28 du faisceau 10. Il en est de même dans le troisième étage de concentration, où une nouvelle évaporation partielle de l'eau mère à l'extérieur des tubes de la section 29 augmente encore la concentration de l'eau mère en substances dissoutes. La vapeur émise par l'eau sèvre dans les sections 27, 28 et 29 du faisceau 10 traverse un désembueur 39 et - par une canalisation 40 - est aspirée à une pression voisine de la pression atmosphérique par la turbosoufflante 41 entraSnée par un moteur diesel non représenté. La vapeur est ainsi comprimée jusqu a atteindre une pression supérieure de 100 b 250 g/cm2 par rapport à la pression atmosphérique. Par une ouverture 42, la vapeur comprimée est introduite dans le caisson 43. Dans la partie inférieure de ce caisson a lieu une circulation d'eau distillée, transformée partiellement en vapeur dans l'échangeur 44 récupérant de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement du moteur diesel. Dans le caisson 43 débouchent des raccords 15 par lesquels la vapeur comprimée et dessurchauffée est introduite à l'intérieur des tubes 11. En raison de la compression, la vapeur est saturée à une température supérieure de quelques degrés à la température de l'eau mère s'écoulant entre les tubes 11. De ce fait, il y a condensation de vapeur d'eau à l'intérieur des tubes 11, la chaleur de condensation étant transmise à travers la paroi des tubes à l'eau mère s'évaporant. Le faible coefficient de transfert thermique du verre présente comme avantage de limiter l'ébullition, la plus grande partie de la vapeur étant dégagée par évaporation. La vapeur comprimée traverse successivement, à vitesse décroissante, les sections 27, 28 et 29 en entraînant l'eau condensée. La diminution de vitesse de la vapeur est compensée par l'augmentation de la pente des tubes 11 depuis la section 27 jusqu a la section 29. Cette pente facilite l'écoulement de l'eau distillée dans le caisson 45, à la partie inférieure duquel l'eau distillée est recueillie, étant ensuite amenée - par la conduite 46 - dans l'échangeur 2 où elle est refroidie en cédant de la chaleur à l'eau brute d'alimentation. Une petite partie de l'eau distillée est canalisée par une conduite 47 vers l'échangeur 44 en vue de la formation de l'appoint de vapeur. Une petite partie de la vapeur comprimée (p. ex. 2 %), entraînant des gaz incondensables, quitte le caisson 45 par une ouverture 48, et est ensuite amenée - par une conduite 49 - dans un espace annulaire délimité, à la partie supérieure de la cuve 4, par une virole 50 à la partie inférieure de laquelle cette vapeur est injectée dans l'eau brute prée#auffée. Elle s'y condense en grande partie - élevant ainsi la température de l'eau brute et cause un bouillonnement de l'eau brute favorable au dégazage partiel de celle-ci. Une purge de vapeur 51 existe également dans le corps de l'évaporateur. Cette purge est raccordée au tube 52 traversant le bac distributeur 5. Sous une très faible pression, la vapeur débouche de l'extrémité du tube 52 au voisinage de l'eau brute, étant étalée sur la surface agitée de l'eau brute et au contact des filets liquides s'écoulant du bac distributeur 5. Ceci favorise la récupération de la chaleur contenue dans la vapeur. La partie non condensée de la vapeur des purges, ainsi que des gaz incondensables, sont émis dans l'atmosphère par la cheminée 53. L'eau mère non évaporée dans l'évaporateur 8 - p. ex. environ 50 5; de la masse d'eau brute admise à l'entrée 1, en cas de distillation d'eau de mer - est purgée de manière continue et, par la conduite 54, est canalisée vers l'échangeur 2 dans lequel elle est refroidie en cédant de la chaleur à l'eau brute. Selon une deuxième forme de réalisation, l'évapora- teur 8 est situé dans une enceinte prismatique. La figure 5 est une coupe horizontale de cette deuxième forme de réalisation de l'évaporateur 8. Dans le cercle, un dispositif pour la réalisation d'une plaque tubulaire et pour l'assemblage d'un faisceau est représenté en soupe transversale. L'évaporateur 8 est composé de six étages de concentration de liteau mère, correspondant aux faisceaux tubulaires 55, 56, 57, 58, 59 et 60; chacun de ces faisceaux est assemblé dans un ou plusieurs tiroirs superposés qui peuvent être extraits de 1' évaporateur après enlèvement des couvercles latéraux 61 et 62. Chaque tiroir comprend des tubes en verre neutre 63 s'étendant entre deux plaques tubulaires 64 réalisées par une superposition ou une juxtap#sition de bandes moulées 65. Ces bandes 65 présentent des empreintes hémicylindriques 66 dans lesquelles viennent se loger les extrémités des tubes 63. La longueur de ces bandes 65 est environ 500 mm, leur largeur est de 20 à 30 mm, leur épaisseur dépend du diamètre extérieur des tubes 63 et de leur espacement. Les bandes 65 sont réalisées en matière sznthétique moulée; le diamètre des empreintes 66 est supérieur, d'environ un quart de mm, au diamètre extérieur des tubes 63. L'espace intermédiaire est occupé par un ruban de colle, déposé au moment du montage et assurant l'étanchéité de la plaque tubulaire 64.Sur le dessin - cercle de la figure 5 une bande sur deux a été pointillée pour mieux illustrer la disposition réciproque de bandes 65 permettant un empilement en quinconce à 600 des tubes 63. L'ensemble des bandes 65, constituant une plaque tubulaire 64, est encastré dans un cadre métallique démontable, non représenté, d'environ 500 x 500 mm. Ce mode d'assemblage des tubes 63 permet leur remplacement en cas de bris ou d'entartrage. A concentration croissante en substances dissoutes, l'eau mère chaude est distribuée successivement au dessus des faisceaux tubulaires 55 à 60 et s'écoule, entre les tubes 63 en étant partiellement évaporée. En dessous de chacun des faisceaux-, est situé un puisard 67 dans lequel une pompe aspire l'eau mère et la refoule ensuite par une canalisation 68 dans un bac distributeur situé au dessus du même faisceau. Pour mieux répartir entre les faisceaux les risques dtentartrage qui augmentent avec la concentration dans l'eau mère, on peut inverser et alterner l'ordre dans lequel les faisceaux sont parcourus successivement par l'eau mère. La vapeur émise par l'eau mère s'écoulant entre les tubes 63 est aspirée à une pression voisine de la pression atmosphérique, dans la partie supérieure de l'installation communiquant avec les couloirs 69 situés entre les faisceaux. Par une gaine non représentée, la vapeur est conduite à l'entrée de la turbosoufflante 70 et comprimée par celle-ci jusqutà une pression comprise entre 100 et 250 g/cm2 au dessus de la pression atmosphérique. La vapeur comprimée est introduite d'un côté à 1' intérieur des tubes 63 des faisceaux 55 et 56, et de l'autre côté à l'intérieur des tubes des faisceaux 59 et 60. La vapeur non condensée dans ces faisceaux est introduite - après avoir traversé les caissons 71 ou 72 - d'une part à l'intérieur du faisceau 57, d'autre part à l'intérieur du faisceau 58. L'eau distillée, condensée à l'intérieur des tubes 63, est recueillie à la partie inférieure des caissons 71, 72 et 73. Un éjecteur 74, alimenté sous pression par la vapeur d'appoint, permet le recyclage à travers la cloison 75 d'une partie de la vapeur non condensée après traversée des faisceaux. Ce recyclage permet de chasser les ménisques d'eau distillée formant des bouchons dans les tubes 63 lorsque leur diamètre intérieur est inférieur à 6 mm. Le déplacement, par la vapeur, de ménisques d'eau condensée à l'intérieur de tubes de petit diamètre, présente comme avantages de pouvoir réduire ou supprimer la pente des tubes et aussi d'améliorer le transfert thermique en enlevant les gouttelettes d'eau distillée, immobilisées sur la paroi à l'intérieur des tubes 63. Il est évident que l'invention n'est pas exclusivement limitée aux formes de réalisation représentées et que bien des modifications peuvent être apportées dans la forme, la disposition et la constitution de certains des éléments intervenant dans leur réalisation, à condition que ces modifications ne soient pas en contradiction avec l'objet de chacune des revendications suivantes. REVENDICATIONS 1.- Installation pour distiller une eau brute quelconque ou pour concentrer une solution aqueuse, par compression de vapeur, caractérisée en ce que la paroi d'échange thermique de l'évaporateur est constituée par les parois de tubes en verre ayant avantageusement une épaisseur inférieure à 0,5 millimètre. 2.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tubes en verre sont assemblés en au moins un faisceau sensiblement horizontal et assez compact de sorte que, lors de l'arrosage du faisceau, de nombreux ponts liquides sont formés entre des tubes adjacents par l'eau mère s'évaporant à l'extérieur desdits tubes, tandis que la vapeur d'eau comprimée est condensée à l'intérieur de ceux-ci. 3.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'eau mère est évaporée sous une même pression dans plusieurs étages de concentration parcourus successivement par liteau mère W des concentrations croissantes en substances dissoutes, lesdits étages de concentration étant avantageusement situés dans un même évaporateur. 4. - Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une partie de la vapeur comprimée traverse en parallèle plusieurs étages de concentration avant d'entre introduite dans un seul autre étage de concentration. 5.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'eau brute ou l'eau mère traverse un filtre en laine de verre ou matériau similaire, ledit filtre étant de préférence traversé par l'eau brute (ou la solution aqueuse) après que celle-ci ait été chauffée, en particulier dans un échangeur à mélange alimenté par la vapeur de purges en provenance de l'évaporateur. 6.. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le faisceau tubulaire est assemblé soit en raccordant par un joint élastique l'extrémité d'un tube à une perforation d'une plaque perforée, soit en superposant ou juxtaposant des bandes présentant des empreintes hémicylindriques dans lesquelles sont placées les extrémités des tubes en verre. 7.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le faisceau tubulaire est composé de tubes réunis bout-à-bout par des pièces de jonction réalisant aussi 1'entretoisement des tubes par des empilements en quinconce à 600, les sections du faisceau tubulaire séparées par lesdits empilements présentant avantageusement une pente croissante depuis la section à l'entrée de laquelle la vapeur comprimée est introduite dans les tubes, jusqu'à la section à la sortie de laquelle l'eau distillée est recueillie. 8.- Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdites sections correspondent chacune à un étage de concentration différent. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'une partie de la vape#ur non condensée à l'intérieur des tubes est recyclée à l'intérieur de ceux-ci sans avoir été détendue dans l'évaporateur. 10.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le diamètre intérieur des tubes est assez petit pour que des ménisques d'eau distillée soient formés à l'intérieur des tubes.