Brevet FR2380050A1 — publié le 19780908

La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour retirer d'une solution aqueuse des solides qui y sont dissous. Des considérations d'environnement et de préservation ont à nouveau attiré l'attention sur les moyens existants d'évacuer la chaleur perdue dans les grandes installations industrielles telles que des centrales énergétiques. Une centrale électrique à turbine à vapeur moderne a un rendement thermique de seulement 40%, ce qui signifie que 60% de l'énergie thermique introduite dans l'installation doit etre éliminée comme déchets. Dans la majorité de ces centrales, la chaleur est évacuée en aspirant de l'eau dans un courant, un lac, voire une masse d'eau salée, en la faisant circuler une fois à travers la centrale et en ramenant ensuite l'eau ch fiee à sa source.Ce type de refroidissement devient de moins en moins satisfaisant du fait des problèmes soulevés par les sources d'eau de refroidissement et les effets biologiques du réchauffement des masses d'eau naturelle. On utilise couramment deux autres méthodes au lieu de la méthode de refroidissement par "passage unique" : ce sont les systèmes de tours de refroidissement "sèches" et "humides". Dans le système à sec, la chaleur est transférée de 11 eau de service à l'air. Bien que l'air soit un parfait refroidissant, on doit déplacer d'énormes volumes gazeux et prévoir des surfaces d'échange thermique complexes afin de refroidir efficacement une grande centrale. Le coft initial d'un tel système est donc élevé. Une variante plus pratique est la tour de refroidissement "humide", où l'air et l'eau servent tous deux d'agents de refroidissement. Dans une telle tour, l'eau de service circulant à travers la centrale vient en contact intime avec l'air en circulation et la chaleur est évacuée, principalement par évaporation. L'eau restante est recueillie en bas de la tour et renvoyée au système pour accomplir son rle dans le condenseur de vapeur lorsque l'eau est à nouveau chauffée. Du fait que le refroidissement dans la tour s'effectue principalement par évaporation, on perd une partie de l'eau de service circulant à travers le système. En pratique, on constate une perte par évaporation de 2% pour chaque 100C de refroidissement. Il existe deux autres sources de perte d'eau; l'une est l'entrainement, c'est-à-dire l'eau qui est emportée hors de la tour sous forme de très fines gouttelettes en suspension dans l'air quittant la tour. La seconde source de pertes provient de la nécessité d'évacuer constamment une partie de l'eau afin de maintenir un niveau pratiquement fixe de solides dissous dans l'eau. Sans cette évacuation, ou "extraction", la perte d'eau par évaporation entratnerait des augmentations continues de concentrations des solides dissous dans 11 eau restante. L'addition d'eau d'appoint pour remplacer cette perte par évaporation et par entrainement ne diluerait pas suffisamment les fortes concentrations de solides dissous pour empecher ceux-ci d'atteindre ou de dépasser le niveau de saturation et obstruer alors la circulation dans la tour en formant des dépits sur des parties du système, et genant ainsi son fonctionnement.Il devient nécessaire d'enlever effectivement du système une partie de l'eau contenant des solides dissous à forte concentration et d'ajouter davantage d'eau d'appoint pour maintenir le système opérationnel avec un niveau de solides dissous pouvant etre toléré et situé en dessous du seuil de saturation. En pratique, l'eau ainsi extraite correspond à environ 0,6% de l'eau de service dans tcut le système pour chaque 100C de refroidissement effectué par la tour. Cette nécessité de procéder à une extraction d'eau soulève deux problèmes importants. Le premier problème est d'évacuer l'eau d'extraction qui, par définition, est polluée avec une forte concentration de solides dissous. Le deuxième problème est un problème de conservation d'eau. Bien que les pertes par entraSne- ment nécessitent un appoint, cette partie de la perte totale est relativement faible, n'excédant pas 0,2% de l'eau totale circulant dans une tour bien conçue. Toutefois, le total des pertes, y compris la perte par extraction, est importante dans une grande tour de refroidissement.Par exemple, dans une centrale moderne de 680 mégawatts, la quantité d'eau circulant à travers les tours, dans des conditions estivales moyennes, est de l'ordre de 1 300 000 m3/jour et l'appoint doit etre de 25 000 m3/jour environ, dont une partie considérable pourrait être économisée si l'on ne procédait pas à une extraction. Bien que l'on ait déjà proposé de nombreuses méthodes pour enlever des solides dissous dans de grandes quantités d'eau, par exemple dans des eaux d'extraction, ces procédés n'ont pas donné entièrement satisfaction, soit du point de vue économique, soit du point de vue rendement. Parmi ces procédés, on peut citer un procédé d'osmose inverse suivie d'une vidange de saumure, un procédé d'échange d'ions suivi d'une vidange de saumure, un pro cédé d'évaporation mécanique suivie parfois par une vidange de l'extraction par évaporation, et l'utilisation de précipitations chimiques et d'étangs solaires.Compte tenu du cott parfois élevé et de l'inefficacité générale de ces procédés, et compte tenu des grandes quantités de chaleur associées au fonctionnement des tours de refroidissement, c'est un but de la présente invention d'utiliser de façon bénéfique l'énergie thermique, par ailleurs perdue, en créant un moyen plus efficace et économique d'enlever des solides dissous dans de grandes quantités d'eau, même lorsque ce but est le but principal et sans considération aux pertes d'énergie thermique, comme par exemple dans l'extraction dans l'eau de mer de certains éléments ou composés chimiques. La présente invention propose un dispositif pour enlever des solides dans une solution, comportant des moyens pour séparer la solution en une première partie et une deuxième partie, un trajet de liquide fermé ayant une entrée et une sortie pour faire circuler la première partie de la solution, et comportant un évaporateur, des moyens pour injecter des germes de cristaux dans le trajet fermé pour former une boue, des moyens de séparation raccordés en parallèle à ce trajet pour séparer des solides cristallins de la boue, des moyens d'échange thermique et des moyens pour faire passer la deuxième partie de la solution à travers l'échangeur thermique. Sous un autre aspect de l'invention, un évaporateur cristallisant comporte des moyens formant une boucle de circulation de liquide avec une entrée et une sortie, cette sortie comportant des moyens de séparation mécanique raccordés en parallèle avec la boucle, des moyens d'injection de germes de cristaux raccordés à la boucle, une source d'énergie thermique disposée à l'intérieur de cette boucle pour élever la température du liquide qui y circule, un évaporateur disposé dans la boucle comportant une enveloppe fermée ayant une ouverture dans sa partie supérieure, et des orifices dans ses côtés inférieurs pour permettre une circulation d'air traversant, des moyens de distribution de liquide disposés à l'intérieur de la partie supérieure de l'enveloppe et raccordés à la boucle, des moyens pour recueillir le liquide disposé dans la partie inférieure de l'enveloppe et raccordés à cette boucle, une multiplicité de surfaces espacées disposées entre les moyens de distribution et les moyens de collecte pour rendre maximale la surface du liquide circulant entre les moyens de distribution et les moyens de collecte. L'invention sera bien comprise dans la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, d'une réalisation préférée, en liaison avec le dessin joint, sur lequel : la figure 1 est une vue schématique d'une centrale électrique caractéristique utilisant des tours de refroidissement et le procédé et le dispositif de la présente invention pour enlever les solides dissous de l'eau de service; la figure 2 représente schématiquement la circulation dans une forme préférée de mise en-oeuvre du procédé de la présente invention; et la figure 3 représente schématiquement une deuxième réalisation du procédé et du dispositif de la présente invention. Dans le génie chimique, on rencontre deux opérations qui sont souvent envisagées et traitées par catégories : ce sont l'évaporation et la cristallisation, ces deux opérations impliquant le transfert simultané de chaleur et de masse. Dans une opération d'évaporation, une solution est concentrée par évaporation du solvant. On continue la concentration jusqu'à ce que la solution soit saturée et jusqu'à ce que le soluté précipite sous forme de solides cristallins. L'opération est souvent appelée "cristallisation". Cette opération comporte plusieurs phases : tout d'abord, on doit transférer de la chaleur d'un agent chauffant à la solution; en second lieu, on transfère simultanément de la masse et de la chaleur de la phase liquide à la phase vapeur. Pour une opération de cristallisation, il existe également le transfert simultané de chaleur et de masse de la solution à la phase solide. On doit noter que la production réelle de solides cristallins peut s'effectuer par des procédés allant de procédés aussi simples que des bacs contenant la solution concentrée chaude à refroidir jusqu'à des procédés aussi complexes que des procédés multiphases en continu, soigneusement contrlés et mis au point de façon spécifique pour obtenir un produit ayant une granulométrie, une forme, une teneur en humidité et une pureté constantes. Dans ces derniers procédés, on peut de façon appropriée classer l'installation de cristallisation en fonction de la méthode utilisée pour obtenir le dépôt des particules, en conservant l'idée que la formation des cristaux comporte les deux stades suivants formation des cristaux et croissance ultérieure de ceux-ci. Le degré de super-saturation de la solution constitue la force agissante dans les deux phases et constitue en conséquence le paramètre fondamental dans l'obtention des dépôts. Les procédés sont communément classés comme suit I) super-saturation produite par refroidissement sans évaporation substantielle : a) refroidissement atmosphérique par convection naturelle; b) refroidissement par un milieu liquide de refroi dissement absorbant la chaleur à travers des surfaces métalliques. 2) Super-saturation produite par évaporation sans refroidisse ment substantiel, dans laquelle la chaleur nécessaire pour produire l'évaporation est transférée à la solution ê travers des surfaces métalliques. Exemple : évaporateur de cristallisation, cristalliseur-évaporateur. 3) Super-saturation produite par évaporation adiabatique et refroidissement. Normalement, dans l'industrie chimique, le choix de l'équipe- ment et du procédé dépend de la relation entre la solubilité de la substance à cristalliser et la température. Pour des solutés ayant un coefficient thermique de solubilité positif faible ou un coefficient négatif, on doit développer la super-saturation par évnpor2tion. Pour autant que l'on effectue souvent le développement de la super-saturation par des procédés de la classe 2, c'est-à-dire évaporation sans refroidissement substantiel, dans un équipement qui présente les caractéristiques physiques d'un simple évaporateur et est en fait principalement un évaporateur du fait que le problème technique essentiel est un problème de transfert de chaleur, il apparaît dans la description-de cette invention qu'on peut utiliser une tour de refroidissement par évaporation et ses composants intrinsèques pour servir d'évaporateur cristallisant. Par définition, un évaporateur cristallisant fonctionne dans la plage de la super-saturation, tandis qu'une tour de reEroidisse- ment, bien que fonctionnant principalement comme évaporateur, est normalement réglée pour fonctionner dans la plage de sous-saturation afin d'éviter le colmatage de la tour et des circuits d'autres services associés. Cependant, si on maintient l'eau super-saturée isolée du reste du système, la tour de refroidissement et son propre circuit d'eau peuvent fonctionner en super-saturation sans colmater le reste du système. Dans ce mode de fonctionnement, les solides dissous et en suspension contenus dans le fluide circulant dans le trajet ou boucle isolée peuvent être traités de telle sorte qu'on obtient une cristallisation contrôlée et qu'on enlève de la boucle les solides sous forme de cristaux. Outre les caractéristiques des évaporateurs cristallisants de l'industrie et des tours de refroidissement, il existe un deuxième facteur, plus important encore, qui milite pour la conversion d'une tour de refroidissement en un évaporateur cristallisant. Comme on l'a noté précédemment, l'une des phases nécessaires dans une opération de cristallisation est le transfert de chaleur d'un milieu chauffant à la solution. Normalement, on doit engendrer l'énergie thermique, mais, dans le cas de la présente invention, l'énergie thermique est déjà présente sous la forme de chaleur excédentaire ou perdue, qui est normalement à rejeter. Cette énergie thermique excédentaire fournit la chaleur nécessaire pour déclencher la cristallisation. A l'opposé des opérations de cristallisation industrielle, dans lesquelles l'on n'a généralement à envisager qu'un seul soluté, le milieu rencontré dans le fonctionnement d'une tour de refroidissement est constitué par un certain nombre de solutés différents, dont certains peuvent avoir des coefficients thermiques de solubilité positifs tandis que d'autres ont des coefficients négatifs, par exemple le sulfate de calcium. De ce fait, on peut utiliser des procédés de cristallisation fractionnée et on peut contrôler la cristallisation par addition d'un ou plusieurs solvants, solutés, et autres substances. Afin d'accélérer la vitesse de formation des cristaux, d'obtenir un produit chimique plus uniforme, de mieux contrôler la super-saturation de la solution et de réduire le degré nécessaire de super-saturation, les solutions à l'intérieur du circuit de la tour de refroidissement sont de préférence ensemencées avec des cristaux de la matière solide dissoute, technique bien connue dans l'art de la cristallisation. te schéma de la figure 1 illustre une forme préférée de la présente invention, appliquée à une centrale électrique caracté- ristique 1 utilisant des turbines à vapeur 2. Le repère 3 désigne un système de tours de refroidissement. Le repère 5 sur la figure 2 désigne dans son ensemble une tour de refroidissement à contre courant et tirage mécanique particulièrement adaptée au procédé de l'invention. Il est bien entendu que la tour 5 est l'une des tours de refroidissement du système 3, les autres étant entière ment#conventionnelles en ce qui concerne leur construction et leur fonctionnement. La tour de refroidissement 5 a une structure verticale avec un ventilateur 30 dans la partie supérieure pour aspirer l'air à travers les persiennes 32 dans la partie inférieure des côtés de la tour.L'air se déplace verticalement vers le haut à travers le liquide tombant d'une série d'ajutages 6 dans un système de distribution. De nombreuses barres d'éclaboussement 33 (appelées "garnitures") sont disposées à l'intérieur de la tour, sur une épaisseur considérable, pour interrompre la chute de l'eau et la briser en fines gouttelettes de façon à accroître le rendement d'évaporation. Une série de chicanes 36 est disposée au-dessus du système de distribution pour réduire l'entratnement de l'eau, et la perte qui en résulterait. Une cuve en forme d'entonnoir 21 est disposée au fond de la tour et recueille le liquide après sa chute à travers celle-ci. Bien que la tour 5 soit pratiquement conventionnelle, on doit modifier certains détails de sa conception et de sa réalisation pour traiter efficacement la boue ou pâte qui circule à travers la tour par opposition à l'eau non saturée qui circule dans une tour complètement conventionnelle. Par exemple, on doit remplacer la garniture horizontale par une structure disposée en oblique pour éviter l'accumulation de la boue sur une surface horizontale, ce qui conduirait à des dépôts solides sur la surface des barres de la garniture. L'augmentation de la surface spécifique par la création de minces films de boue tombant à travers la tour permet également d'obtenir de petites gouttelettes.La tour de refroidissement doit entre conçue pour maintenir la patte à sa vitesse maximale afin d'éviter le dépôt de solides à l'intérieur de la tour. L'eau de service circulant dans la partie conventionnelle du système (indiquée par le repère 41 sur la figure 1) est sujette à des augmentations de concentration de solides dissous du fait de la perte par évaporation, comme on l'a noté ci-dessus. Normalement, une partie de cette eau de circulation doit etre évacuée sous forme d'eau perdue d'extraction mais, selon la présente invention, cette "eau d'extraction" est prélevée sur le circuit d'eau de service et est dirigée par un conduit 15 dans une boucle fermée isolée 7 dont une partie çomporte la tour de refroidissement spé ciale 5 et un échangeur thermique 11. Une partie de l'eau de service restante est dirigée par un conduit 9 vers l'échangeur thermique 11 à partir duquel elle est ramenée au système d'eau de service par un conduit 13. Cette partie de l'eau qui est dirigée par le conduit 15 est divisée en deux trajets, un vers la zone 17 d'ensemencement et de préparation chimique et l'autre vers une dérivation autour de la zone 17. Le dispositif d'ensemencement 17 stocke, mélange et injecte des germes de cristaux dans liteau d'appoint arrivant dans cette zone. Le dispositif de la zone 17 comporte également des moyens pour injecter des agents chimiques et créer une supersaturation sélective. On injecte suffisamment de germes de cristaux dans le liquide en circulation pour que le dispositif d'ensemencement maintienne dans le liquide une population de cristaux de solutés ayant une surface spécifique suffisante par volume unitaire de solution pour déclencher un dépôt approprié des cristaux de solutés en suspension.La vitesse du dépôt et le degré de supersaturation peuvent être contrôlés en faisant varier la valeur de la surface spécifique des cristaux de solutés par volume unitaire de solution. Pour autant que les solides dissous en solution préfèrent cristalliser dans leurs cristaux de solutés plutôt que dans une matière étrangère, par exemple les matières de la tour de refroidissement, on choisit le degré de super-saturation pour permettre la cristallisation mais pour éviter l'entartrage. La partie du fluide en circulation qui reçoit une injection de germes de cristaux dans la zone d'ensemencement 17 est réunie à l'eau d'appoint dérivée et est refoulée sous forme de boue ou -p te chaude par les ajutages de pulvérisation 6 du système de distribution de la tour de refroidissement 5. Lorsque cette boue tombe à travers la garniture de barres d'éclaboussement 33 de la tour de refroidissement, il s'effectue une évaporation et une concentration et la pâte refroidie est rassemblée dans la cuve 21 au bas de la tour. Une partie du courant provenant de la pompe de recyclage de la boue 24 est dirigée vers un séparateur mécanique 26 dans lequel les solides cristallisés sont séparés par l'un quelconque de nombreux procédés bien connus.Une pompe de recyclage de liquide 29 renvoie le liquide sortant du séparateur mécanique pour se joindre à la pâte sortant de la pompe de recyclage 24 dans le conduit 32, qui transfère la pâte et le liquide à travers l'échangeur thermique 11; dans ce dernier, une quantité notable de - a~e~:- est t;-ans=~r~e depuis l'eau de service chaude qui pénètre dans ltéchangeur thermique à travers le conduit 9 pour déclencher le processus de cristallisation. Après avoir traversé l'échangeur thermique 11, la boue chaude est dirigée à travers le conduit 35 dans lequel elle rejoint la sortie de la pompe d'appoint 37, refoulant l'eau d'appoint et l'eau préparée hors de la zone d'ensemencement et de préparation chimique 17. Dans cette forme préférée, l'ensemencement est seulement utilisé au début pour établir une base de germes dans le liquide circulant dans la boucle d'isolation. Ensuite, la cristallisation se propage par autoformation et croissance, principalement dans la tour et dans la cuve de collecte. La quantité de solides en suspension (germes) de la pâte circulante qui excède la quantité nécessaire pour une cristallisation contrôlée, est retirée dans le séparateur mécanique 26, précédemment décrit. La chaleur sensible transférée à travers l'échangeur thermique 11 à la p te en circulation est évacuée, principalement par évaporation dans la tour de refroidissement 5. La quantité de chaleur sensible allant aux tours de refroidissement 3 est réduite par la chaleur transférée à travers l'échangeur thermique 11. La conception de la réalisation de la figure 3 ne diffère pas de celle représentée sur la figure 1; cependant, les modifications nécessaires de la tour de refroidissement conventionnelle conduisent elles-memes à une tour Sa dans laquelle les serpentins de l'échangeur thermique lla peuvent servir de garnitures dans la tour. Les serpentins peuvent eux-memes servir de garnitures ou de barres d'éclaboussement ou ils peuvent etre disposés entre des surfaces planes conductrices de la chaleur sur lesquelles circule un mince film de boue. R#/ENDICAT IONS I.- Dispositif pour enlever des solides dans une solution, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour séparer la solution en une première partie et une deuxième partie, un trajet de liquide fermé avec une entrée et une sortie pour faire circuler la première partie de la solution, y compris des moyens d'évaporateur; des moyens pour injecter des germes de cristaux dans le trajet fermé afin de former une boue, des moyens de séparation raccordés en parallèle pour séparer les cristaux de solides de la boue, des moyens d'échange thermique et des moyens pour faire passer la deuxième partie de la solution à travers l'échangeur thermique. 2.- Evaporateur cristallisant, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens formant une boucle de circulation de liquide avec une entrée et une sortie, la sortie de la boucle comportant des moyens de séparation mécaniques raccordés en parallèle à la boucle, des moyens d'injection de germes de cristaux raccordés à la boucle, une source d'énergie thermique disposée à l'intérieur de la boucle pour élever la température du fluide qui y circule, un évaporateur disposé dans cette boucle et comportant une enveloppe fermée avec une ouverture dans la partie supérieure et des orifices d'aération dans ses côtés inférieurs pour permettre une circulation d'air traversant, des moyens de distribution de liquide disposés dans la partie supérieure de l'enveloppe et raccordés à la boucle, des moyens de collecte de liquide disposés au fond de l'enveloppe et raccordés à la boucle, une multiplicité de surfaces écartées disposées entre les moyens de distribution et les moyens de collecte pour augmenter au maximum la surface spécifique de fluide circulant entre les moyens de distribution et les moyens de collecte. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une tour de refroidissement par évaporation est montée en série dans ce trajet, cette tour ayant des moyens de distribution et des moyens de collecte de liquide verticalement espacés les uns des autres, et des moyens pour faire circuler de l'air à travers la tour. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif est raccordé à une source d'eau de refroidissement de condenseur. 5.- Evaporateur cristallisant selon l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que la source d'énergie thermique est disposée à l'intérieur de l'enveloppe de l'évaporateur. 6.- Evaporateur cristallisant selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire circuler de l'air à travers l'enveloppe. 7. - Procédé pour enlever des solides dissous d'une solution dans l'eau, caractérisé en ce qu'on fait circuler la solution dans un trajet fermé, dans lequel s'effectue l'évaporation, on injecte les germes de cristaux dans la solution circulant dans ce trajet pour former une pâtre, on dérive une partie de cette pâte du trajet considéré et on en sépare les cristaux de solides, et on transfère de l'énergie thermique à la perte en circulation. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le processus d'évaporation consiste à créer un courant d'air ascendant, à répartir la boue en circulation en contact intime avec ce courant d'air ascendant, à briser la boue en petites gouttelettes ou en un mince film et à recueillir la boue après qu'elle soit tombée à travers ce courant d'air ascendant. 9.- Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la solution est de l'eau polluée. 10.- Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la solution est de l'eau de refroidissement de condenseur.