Brevet FR2338901A1 — publié le 19770819

La présente invention concerne un procédé pour le traitement de l'eau de mer par osmose inverse à l'aide d'au moins un module constitué essentiellement de fibres creuses semi perméables, mis en pression par un circuit haute pression avec rejet partiel à la mer de l'eau sursaturée et production d'eau adoucie, ledit circuit haute pression étant alimenté par un circuit basse pression où l'eau de mer est préalablement traitée, notamment par filtration. L'invention concerne également le dispositif permettant d'appliquer ledit procédé. L'osmose inverse est largement connue. Une difficulté essentielle était la mise au point d'une membrane suffisamment résistante, à porosité adéquate, de mise en oeuvre facile et de prix de revient accessible. Ceci a été réalisé depuis un certain temps par la Société DUPONT DE NEMOURS. Cette Société a mis au point unefibre as symétrique en polyamide aromatique, stable par nature, non bio-dégradable, pouvant etre exploitée avec des eaux ayant des Ph situés de 5 à 11 et présentant les caractéristiques requises pour un traitement économique des eaux par osmose inverse. Ces fibres tubulaires, constituant la membrane semi perméable, ont un diamètre exterieur d'environ 84 microns et un diamètre intérieur d'environ 40 microns. Leurs parois sont poreuses et les interstices qu'elles présentent ont un diamètre compris entre 5 et 20 Angströms. Ces fibres sont associées dans des modules qui en comprennent environ 1 million, qui sont enfermés dans une enveloppe tubulaire avec, aux extrémités, deux plaques de tete. En quelque sorte, 1 'ensemble a la configuration d'une chaudière tubulaire où les fibres figureraient les tubes. Si lton a à traiter une eau de mer contenant environ 35 g par litre de différents sels à la température moyenne de l'ordre de 150, on obtient une pres sion osmotique de l'ordre de 25 bars, par rapport à l'eau pure, qu'il faut vaincre par une pompe donnant une pression nettement supérieure.En d'autres termes, si on applique à l'eau de mer cette pression, de l'eau débarassée des ions salins traverse la membrane pour constituer de l'eau quasiment pure tandis que l'eau en amont de la membrane s'enrichit en sel et on la rejette à la mer. Ceci est connu actuellement et ne fait pas partie de l'invention. On a appliqué le principe et lesdits modules à la production d'eau douce à partir d'eau de mer pratiquement propre et pour des installations fixes fonctionnant de façon continue. Cependant, sur des bateaux, par exemple, ces modules et l'osmose inverse ne peuvent plus être appliqués en raison de divers inconvénients. En effet, l'eau polluée près des cotes, et surtout dans les ports, obstrue et détériore rapidement l'installation. Lorsque le bateau relâche ou, lorsqu'il est inutilisé, notamment pour un bateau de plaisance, le séjour de l'eau de mer dans les circuits provoque des détériorations. Par ailleurs, on sait que de l'eau douce séjournant dans des circuits inactifs montre une prolifération des bactéries et des divers organismes vivants qui produit aussi des détériorations de l'installation et rend non potable les réserves d'eau traitée.Enfin, les modules d'osmose inverse nécessitent, à intervalles réguliers, des opérations de nettoyage et régénération avec introduction dans le circuit de solutions diverses pendant des temps définis, opérations complexes plus que compliquées mais qui nécessitent une grande attention et une rigueur dans les manoeuvres, les temps de traitement et les dosages utilisés. Ce sont ces divers inconvénients que se propose d'éliminer la présente invention. Suivant l'invention, le procédé est caractérisé par la combinaison des opérations de a) filtration, poussée de l'eau de mer admise dans le circuit basse pression, b) rinçage du circuit haute pression (le plus délicat) après chaque usage, éliminant l'eau de mer dans les moindres parties du circuit, c) régénération préventive du module, notamment avec des produits nettoyants et des produits détartrants, d) purge du circuit haute pression à chaque mise en service, e) purge du circuit basse pression à chaque mise en service, l'ensemble de ces opérations étant coordonné automatiquement avec intervention manuelle au moment de la mise en service de l'arrêt et de la régénération. Une caractéristique secondaire du procédé de l'invention consiste à filtrer l'eau admise dans le circuit basse pression pour éliminer les particules allant jusqu'à environ 5 microns. L'invention concerne aussi le dispositif appliquant le procédé qui vivent d'être défini et qui est caractérisé par une intercommunication des éléments de base, à savoir, la crépine d'aspiration, la pompe basse pression, la filtration, la pompe haute pression, le module d'osmose, la vanne de régulation de débit et de pression, le réservoir de stockage, le réservoir de traitement et régénération, le rejet à la mer, par des conduites avec vannes commandées fonctionnant, pour l'essentiel, automatiquement en liaison avec la commande des moteurs de pompe, des dispositifs de sécurité détectant les anomalies de fonctionnement pour les traduire en dispositions nécessaires, notamment l'arrêt de l'installation et l'alarme audio-visuel. L'automatisation du dispositif est réalisée de deux manières différentes. La première consiste à s'assurer que les differen- tes séquences de fonctionnement, à savoir essentiellement les mouvements des vannes à deux et trois voies et la mise en route ou l'arrêt des pompes, soient commandées chacune successivement par l'organe fonctionnant en dernier qui télécommande 1 'ac- tion du suivant. La deuxième manière consiste à s'assurer que les différentes séquences de fonctionnement qui viennent d'être indiquées soient commandées par temporisation. La forme de réalisation de l'automatisation est réalisée électriquement soit avec des relais temporisateurs ou des circuits électroniques statiques sur cartes imprimées enfichables (suivant les cas). Avec le dispositif de llinvention monté sur un bateau, on doit éviter de faire fonctionner l'appareillage dans les eaux polluées des ports. La filtration poussée à l'admission d'eau de mer dans le circuit basse pression, permet d'éviter l'encrassement de l'installation, notamment des modules.L'automatisation des-commandes simplifie les suggestions de#f onction- nement et évite les fausses maflOeuvres. Comme on prévoit un rinçage à l'eau douce du circuit haute pression, on évite les détériorations par l'eau de mer particulièrement agressive Enfin, puisqu'on prévoit une purge du circuit d'eau douce au moment de la remise en action du dispositif après un arrêt, on évite la prolifération des bactéries et, surtout, leur introduction dans le réservoir d'eau potable pret pour l'utilisation L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après qui donne une description non limitative du dispositif qui met en oeuvre le procédé. Cette description est illustrée par les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective de lten- semble du dispositif. - la figure 2 est un schéma simplifié de l'ensemble du dispositif qui a déjà été représenté à la figure 1. - les figures 3 à 8 représentent des parties déterminées de la figure 2 lors des différentes phases de fonctionnement. Les repères des figures 1 et 2 sont rigoureusement identiques et on a représenté en CR la crépine d'aspiration qui est sous le bateau et aspire l'eau de mer grâce à l'électropompe basse pression BP. Le tuyau I entre la crépine CR et la pompe BP peut être obturé par la vanne d'intercommunication VI2, Le tuyau 3 de refoulement de la pompe BP conduit l'eau de mer vers une vanne d'interconnexion VI4 qui peut diriger cette eau soit à la mer par le tuyau 5, soit au poste de prétraitement PT par le tuyau 6. Le poste de prétraitement PT consiste essentiellement en une filtration poussée. Du poste de pré traitement PT, le tuyau 7 dirige l'eau filtrée#vers une vanne d'interconnexion VI8 qui peut soit interconnecter le tuyau 7 avec le tuyau 9, soit interconnecter le tuyau 9 et le tuyau 10. Le tuyau 9 est relié d'un autre côté, avec la vanne VIJI qui est connectée à l'électropompe haute pression HP par le tuyau 12 et au réservoir de stockage en eau potable RS par le tuyau 13 en passant par la vanne V14. Jusqu'à présent, on a décrit une partie du circuit basse pression. Maintenant on va décrire le circuit haute pression qui part, évidemment, de la pompe haute pression HP et se prolonge par les tuyaux 15 et 16 aboutissant au module d'osmose M. On a prévu, à la figure 2, un module MS en service et un module MR en réserve, monté en parallèle, qui peut être mis en service en cas de nécessité. Il n'est pas indispensable, c'est pourquoi on l'a représenté en pointillés. Le tuyau 16 aboutit à la vanne de régulation du débit/pression R qui est réglable suivant la pression que l'on veut obtenir dans le circuit haute press ion. Cette pression dépend de la pression osmotique elle meme fonction de la concentration en sel de l'eau de mer et de la température de celle-ci. Il est aussi évident que plus la pression dans le circuit haute pression sera importante, plus le débit d'eau potable pourra être élevé.L'eau de mer haute pression venant par le tuyau 15 se concentre en sel dans le module MS pour sortir concentrée par le tuyau 16, la vanne R et être refoulée dans le tuyau 17 vers la vanne V28 qui dirige cette eau vers l'évacuation à la mer par le tuyau 19. La vanne V28 est reliée au réservoir de traitement et régénération RSR par le tuyau 20. Deux tuyaux 10 et 20 aboutissent au réservoir RSR dont le rôle va être expliqué plus loin. A la sortie du module en service MS, on obtient une eau adoucie transportée par le tuyau 21 vers la vanne V22 à trois voies qui peut orienter cette eau douce soit vers le tuyau 23 relié au tuyau 17, soit vers le tuyau 24 relié directement au réservoir de stockage d'eau potable RS. On peut prévoir un post-traitement de l'eau douce produite par passage sur charbon actif pour éliminer les traces d'iode ne pouvant être éliminées par l'osmose inverse. Les différentes commandes électriques n'ont pas été représentées pour ne pas alourdir le dessin. Toutefois, toutes les vannes sont des électro-vannes commandées par une armoi- re électrique centrale ALS qui renferme aussi les dispositifs de commande des moteurs des pompes BP et HP. Il est encore prévu des pressostats PI, F2, P3, P4 qui déterminent un arrêt des pompes BP (pour PI et P2) ou HP (pour F3 et P4) lorsque la pression varie en dehors d'une fourchette prédéterminée. les pressos-~ tats peuvent être doublés par des manomètres M. En effet, si une obturation plus ou moins complète quelconque se produit dans le poste de prétraitement PT ou dans le module MS, les pressions varient en dehors de la normale.Par ailleurs, les moteurs des pompes sont protégés par des disJoncteurs différentiels qui agissent lorsque l'intensité dépasse une certaine valeur. De préférence, on utilise des disjoncteurs magnéto-thermi que su te fonctionnement du dispositif va maintenant être expliqué en détails en se reportant aux figures 3 à 8. La première phase de production est illustrée à la figure 3. Il s'agit là de la purge basse#pression. Lors de cette purge, la vanne d'isolement VI2 est ouverte et la vanne d'interconnexion VI4 fait communiquer les tuyaux 3 et 5. Le groupe electropompe basse pression BP fonctionne seul-pour purger les canalisations 1 et 3 d'aspiration A la mer pendant un temps variable en fonction de l'installation. Il s'agit là d'éliminer Bateau particulièrement polluée qui aurait pu s'introduire dans le tuyau I lors d'un séjour dans un port. La deuxième phase, qui peut siintituler "purge haute pression," est illustrée à la figure 4. Dans ce cas, la vanne d'interconnexion VI4 met en communication les tuyaux 3 et 6 pour introduire l'eau de mer dans le poste de prétraitement PT. L'eau filtrée est dirigée par la vanne V18,vers la vanne Vlll et l'électrbpompe haute pression en passant par les tuyaux 7, 9 et 12. L'eau sous pression est ensuite dirigée par le tuyau 15 vers le module en service MS d'où elle est orientée en une -eau adoucie passant dans le tuyau 21 par la vanne V22 et en une eau enrichie en sels passant par le tuyau 16, la vanne de régulation débit/pression R et le tuyau 17.Le tuyau 17 aboutissant à la vanne V28, celle-ci est manoeuvrée pour diriger liteau sursalée vers le tuyau 19 afin de la rejeter à la mer. De son côté, la vanne V22 est orientée pour diriger l'eau douce vers le tuyau 23 et le tuyau 17 pour rejoindre le circuit passant par la vanne V28 et le tuyau 19. On réalise que, de cette fa Gan, on purge le module en service MS, les tuyauteries 21 et 23 ainsi que la vanne V22. La troisième phase de production d'eau douce est illustrée A la figure 5. Elle est similaire à la deuxième phase qui vient d'être décrite en référence à la figure 4 et elle en diffère seulement par le fait que la production d'eau potable est dirigée- vers le réservoir de stockage d'eau potable ES du navire. Pour cela, la vanne V22 est tournée pour mettre en communicatlon les tuyaux 21 et 24. Cette phase est essentielle et dure tant qu'il est nécessaire pendant que le navire séjourne ou navigue dans des eaux non polluées, par exemple en haute mer et tant que le réservoir RS n'est pas plein. Lors de cette phase de fonctionnement, on peut pré voir la mise en service automatique de dispositifs qui n'ont pas encore été décrits et qui sont facultatifs. Il s'agit, dans le réservoir RS , de prévoir deux détecteurs de niveau bas et de niveau haut pour arrêter l'installation lorsque le réservoir RS est plein et la remettre en route lorsque ledit réservoir est vide. Ces détecteurs de niveaux peuvent être en particulier, du type à flotteurs et sont suffisamment connus pour que l'on ne s'arrête pas à les décrire puisqutils actionnent des contacts électriques qui commandent soit la séquence complète de mise en marche, soit la séquence complète d'arret. On prévoit également une régulation automatique de la pression d'osmose inverse, sachant que 1) pour une question de colmatage du module, le taux de con-' vertion d'eau de mer en eau douce est impératif, donc par con séquent, le débit d'eau douce en fonction du débit d'eau de mer alimentant le module. 2) la température de l'eau de mer influe sur la pression d'os- mose inverse (une augmentation de température provoque une chute de cette dernière, donc une chute de débit d'eau douce). Mais comme on a vu en 1 que le débit d'eau douce est impératif il faut donc contrer automatiquement les effets de 2. Pour celà, les écarts de débit, détectés et intégrés, coninan- dent la vanne R jusqu'à annulation de l'ordre de commande (asservissement en boucle fermée). En conséquence, que ce soient les effets de la température de l'eau' de mer traitée ou un état de colmatage du module, le débit d'eau douce est toujours le même, donc l'exploitation et la fiabilité du procédé s'en trouvent améliorées. La quatrième phase est l'arrêt que l'on peut appeler la phase de rinçage est illustrée à la figure 6. Elle est uti lisée lorsque le navire est sur le point de quitter des eaux propres, et de rentrer dans une baie ou un port à eau polluée ou à chaque phase d'arrêt en eau propre. A ce moment, après l'arrèt complet de l'installation, on inverse la vanne VI4 qui commande l'inversion de la vanne YIll de manière à ce qu'elle fasse communiquer les tuyaux 12 et 13. La vanne V14 est ouverte de façon que l'eau douce dans le réservoir RS puisse passer par le tuyau 13, la vanne V14, la vanne VIII, le tuyau 12 à pompe haute pression HP, le tuyau 15, le module en service MS, le tuyau 21, la vanne V22, le tuyau 24 vers le réservoir de stockage RS, par ailleurs le tuyau 16, la vanne de régulation R, la vanne V28 et le rejet à la mer. A la fin de cette phase, la vanne V22 est actionnée de façon à mettre en communication les tuyaux 21 et 23 pour que le dispositif soit prêt à la purge suivant la deuxième phase comme il a été illustré à la figure 4 (phase de mise en marche). Après un certain temps qui peut être la fin de saison d'utilisation pour un bateau de plaisance ou un tonnage produit déterminé, par exemple plus de 3 000 tonnes de production d'eau douce, il est nécessaire de régénérer l'installation. Cette opération qui est illustrée aux figures 7 et 8 va maintenant être expliquée. Pour cette opération, il est nécessaire dtinstal- ler le réservoir de traitement et régénération RSR. Ce réservoir peut être fixé à demeure ou encore être un réservoir amovible que l'on installe seulement que pour l'opération en question qui se réalise soit dans un port ou en navigation. La première phase de régénération qui est illustrée à la figure 7, implique que le réservoir RSR ait été au préalable rempli d'eau potable. Ceci peut se faire soit par l'intermé diaire-de la production du dispositif de l'invention en introduisant de l'eau potable venant du réservoir RS, soit simplement par de liteau du port. Pour cette opération, le groupe électropompe haute pression HP fonctionne seul en circuit fermé et recycle l'eau potable du réservoir RSR qui a été au préalable additionnée d'un produit de nettoyage de qualité voulue, un détergent par exemple. Le temps de recyclage de cette eau avéc le produit dépend de l'état de colmatage du module MS. Pour cette phase de régénération, la vanne YI8 met en conmrunication les tuyaux 10 et 9 pour que l'eau du réservoir RSR soit admise vers la vanne Vils, le tuyau 12 et la pompe haute pression HP. L'eau mise sous pression passe par le tuyau 15 et est dirigée vers le module MS, le tuyau 16, la vanne de régulation R, le tuyau 17, la vanne V28, d'un côté, tandis que de l'autre côté l'eau ayant traversé le module Ms est introduite par le tuyau 21 dans la vanne V22, le tuyau 23 et à nouveau le tuyau 17 et la vanne V28.La vanne V28 est orientée de manière à diriger l'eau vers le résçrvoir RSR, Dans la deuxième phase de régénération (figure 8) qui peut être intitulée vidange complètes, on a la meme disposition que dans la phase précédente, illustrée par la figure 7, mais la vanne V28 est orientée de manière à mettre en comnuni- cation les tuyaux 17 et 19. Ainsi o n rejette. à la mer l'eau de nettoyages Dans la troisième phase dé régénération, on introduit une nouvelle charge d'eau dans le réservoir RSR avec un acide faible, tel que l'acide citrique ou-un produit similai- re.Le fonctionnement est alors rigoureusement identique à celui qui a été expliqué en ce qui concerne la première phase de regé- nération ci-dessus et illustrée par la figure 7. Dans la quatrième phase de régénération, on vidange de la même façon que dans la deuxième phase ci-dessus (figure 8). Dans la cinquième phase de régénération "remise en ordre"/ on déconnecte le réservoir RSR et la régénération peut être considérée comme terminée. Dans la sixième phase de régénération, On fait fonctionner l'installation de façon identique à la deuxième phase de production, c'est-à-dire celle qui est intitulée "purge haute pression", qui est illustrée à la figure 4. Dans ce cas, on rejette la production à la mer pendant un temps qui est fonction de celui de traitement des générations afin d'éliminer toute trace des produits de nettoyage utilisés. Il ne reste plus qu'à utiliser ensuite le dispositif comme il a été prévu au début de la présente description en ce qui concerne la production. REvE#IDICATI ONS 1 / Procédé pour le traitement de l'eau de mer par osmose inverse à l'aide d'au moins un module constitué essentiellement de fibres creuses semi perméables, mis en pression par un circuit haute pression avec reJet partiel à la mer de l'eau sursaturée et production d'eau adoucie, ledit circuit haute pression étant alimenté par un circuit basse pression où l'eau de mer est préalablement traitée, notamment par fil tration, c a r a c t é r i s é par la combinaison des opérations de a) filtration poussée de l'eau de mer admise dans le circuit basse pression, b) rinçage du circuit haute pression, le plus délicat, après chaque usage, éliminant lteau de mer dans les moindres parties du circuit, c) régénération du circuit haute pression, notamment avec des produits nettoyants et détartrants, d) purge du circuit haute pression à chaque mise en service, e) purge du circuit basse pression à chaque mise en service, l'ensemble de ces opérations étant coordonné-automatiquement avec intervention manuelle au moment de la mise en service et au moment de la régénération0 20/ Procédé, tel que défini dans la revendication I, c a r a c t é r i s é par le fait qu'on filtre l'eau admise dans le circuit basse pression pour éliminer les particules allant jusqu'à environ 5 microns. 3 / Dispositif appliquant le procédé tel qu'il a été défini dans l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, prise isolément, c 2 r a c t é r i s é par une intercommunication des éléments de base, à savoir la crépine d'aspiration, la pompe basse pression, la filtration, la pompe haute pression, le module d'osmose, la vanne de régulation de débit et de pression, le réservoir de stockage, le réservoir de traitement et régénération, des conduites de rejet à la mer, par des conduites avec vannes commandées fonctionnant, pour l'essentiel, automatiquement en liaisoh avec la commande des moteurs de pompe, des dispositifs de sécurité détectant les anomalies de fonctionnement pour les traduire en dispositions nécessaires, notamment l'arrêt de l'installation et l'alarme audio-visuel. 40/ Dispositif tel que défini dans la revendication 3, c a r a c t é r i s é par le fait que les différentes séquences de fonctionnement, à savoir essentiellement les mouvements des vannes à deux et trois voies et la mise en route ou l'arrêt des pompes, sont commandés par un programmateur central. 50/ Dispositif, tel que défini dans la revendication 3, c a r a c té r i s é par le fait que les différentes séquences de fonctionnement, à savoir essentiellement les mouvements des vannes à deux et trois voies et la mise en route ou l'arrêt des pompes, sont commandées chacune successivement par l'organe fonctionnant en dernier qui télécommande l'action du suivant. 60/ Dispositif, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications 4 au 5, prise isolément, c a r a c t é r i s é par le fait que l'automatisme est réalisé électri quement avec des relais temporisateurs. 70/ Dispositif, tel que défini dans llune ou llau-- tre des revendications 4 ou 5, prise isolément, c a r a c t é r i s é par le fait que l'automatisme est réalisé avec des circuits électroniques statiques sur cartes imprimées enfichables.