Brevet FR2396723A1 — publié le 19790202

L'invention concerne un procédé d'extraction d'eau douce a partir d'eau brute salée, qui comporte les phases suivantes a) échauffement de l'eau brute jusqu'a la température d'ébulli- tion, b} vaporisation de l'eau brute, donnant lieu a la formation de vapeur d'eau douce et à un résidu de saumure, c) compression adiabatique de la vapeur d'eau douce, et d) condensation de la vapeur d'eau douce par refroidissement iso bare de la vapeur d'eau douce, la chaleur libérée lors de la condensation étant amenée a l'eau brute. Les procédés connus présentent l'inconvénient de nécessiter une dépense d'énergie relativement élevée pour l'extraction d'eau douce a partir d'eau brute ou d'eau de mer. L'objet de cette invention est d'indiquer, pour un procédé du même genre, des mesures permettant d'obtenir un meilleur rapport que jusqu'a présent entre dépense d'énergie et eau douce obtenue. Le problème posé par l'invention est résolu par l1utili- sationdi travail mécanique d'un moteur à combustion interne pour la compression adiabatique de la vapeur d'eau douce, moteur dont la chaleur est amenée a l'eau brute. Avec cela, il est avantageux de soutirer de la chaleur de l'eau douce formée par la condensation et/ou de la saumure qui reste lors de la vaporisation de l'eau brute. Ces mesures permettent d'obtenir un rendement bien meilleur que celui obtenu avec les procédés connus. La présente invention concerne également une installation pour la réalisation d'un procédé amélioré d'extraction d'eau douce à partir d'eau brute salée. Cette installation est équipée d'une chaudière d'ébullition qui comporte une entrée d'eau brute et une sortie de vapeur, ainsi que d'un compresseur dont l'entrée est reliée à la sortie de vapeur de la chaudière d'ébullition et la sortie a l'extremité d'un tube de chauffage, disposé dans la chaudière et dont l'autre extremité est reliée a une sortie d'eau douce. Cette installation se caractérise par le fait qu'un moteur a combustion interne est prévu pour l'entrainement du compresseur et ce moteur est relié a un autre tube de chauffage disposé dans la chaudière d'6bullition pour céder a l'eau brute la chaleur dégagée lors du fonctionnement de l'installation. L'énergie nécessaire pour le fonctionnement de cette installation est beaucoup plus faible que pour le fonctionnement dtinstallations connues pour la réalisation de procédés thermiques de dessalement d'eau, dans lesquels, grace a un processus a plusieurs étages, on parvient a utiliser plusieurs fois la chaleur d'évaporation amenée au premier étage, pour poursuivre la vaporisation de l'eau. Les frais d'investissement spécifiques pour l'installation correspondant à la présente invention sont eux aussi moins élevés que pour les installations a plusieurs étages connues, utilisées pour la réalisation de procédés thermiques de dessalement d'eau. Un autre aménagement de l'invention prévoit dans l'installation une chaudière de récupération qui comporte un orifice pour l'arrivée des gaz d'échappement chauds du moteur a combustion interne et un orifice de sortie pour les gaz d'echappement, et dans laquelle est disposé un tube de chauffage faisant partie d'une conduite de circulation qui est reliée à l'autre tube de chauffage disposé dans la chaudière d'ébullition. D'après un autre amenagement de l'invention, le moteur a combustion interne est équipé d'un radiateur qui est relié a la conduite de circulation. De cette façon la chaleur cédée dans le radiateur est ainsi amenée à l'eau brute. Ici, le radiateur peut faire partie du système de refroidissement par huile et/ou de refroidissement par eau du moteur a combustion interne. Un autre aménagement de l'invention prévoit un échangeur de chaleur dans lequel parvient l'eau douce évacuée, pour l'échan- ge de chaleur avec l'eau brute amenée à la chaudière d'ébullition. Il est avantageux ici que la chaudière d'ébullition comporte une sortie pour la saumure, qui est reliée a l'échangeur de chaleur, de telle sorte que la saumure évacuée parvienne également a un échange de chaleur avec l'eau brute amenée a la chaudière d'ebul- lition. Sur le schéma figure un exemple de réalisation de l'installation correspondant a l'invention pour l'extraction d'eau douce a partir d'eau brute. Comme le montre le schéma, l'installation correspondant l'invention comporte une chaudière d'ébullition 1 remplie d'eau brute RW, dans laquelle sont disposés des tubes de chauffage 2 et 3. La chaudière d'ébullition 1 comporte à son extrémité inférieu- re unorifice 4 pour l'arrivée de l'eau brute. A son extrémité su périeure, la chaudière d'ébullition X comporte un orifice de sortie 5 pour le soutirage de vapeur d'eau douce. Un autre orifice de sortie 6 de la chaudière d'ébullition 1 est disposé latéralement à la hauteur du niveau de liquide et il sert au soutirage de la saumure S. Venant de l'orifice de sortie 5 de la chaudière d'ébullition 1, une conduite de raccordement se dirige vers l'entrée d'un compresseur 7 qui est actionne par un moteur a combustion interne 8. La sortie du compresseur 7 est relioeà une extrémité du tube de chauffage 3 dont l'autre extrêmité est reliée à une extrémité d'une conduite pour 11 amenée d'eau douce FW. La conduite d'eau douce traverse un échangeur de chaleur à contre-courant 9 et elle est raccordée a un dispositif de maintien de pression 10. Le dispositif de maintien de pression a un orifice de sortie, à partir duquel une conduite mène vers une prise d'eau douce. Une conduite pour l'évacuation de la saumure S mène de l'orifice de sortie 6 de la chaudière d'ébullition 1 a l'échangeur de chaleur a contre-courant 9 et de là vers une sortie pour la saumure S. L'échangeur de chaleur à contre-courant 9 comporte une entrée d'eau brute reliée a une pompe 11 qui, en service, refoule l'eau brute dans l'échangeur de chaleur à contre-courant 9. Une conduite de raccordement relie l'orifice d'entrée 4 de la chaudière d'ébullition 1 à une sortie d'eau brute de l'échangeur de chaleur à contre-courant 9. Le tube de chauffage 2 fait partie d'une conduite de circulation de liquide 12 qui traverse une chaudière de récupération 13. Entre le tube de chauffage 2 et la chaudière de récupération 13 sont disposés une pompe 14 et un radiateur 15 qui est relié au circuit de refroidissement du moteur à combustion interne 8. Une pompe 16, servant au refoulement du produit réfrigérant dans le circuit de refroidissement du moteur å combustion interne 8, est intercalée en aval du radiateur 15. La chaudière de récupération 13 est reliéeaun untuyau d'échappement du moteur à combustion interne, de telle manière que les gar d happement chauds peuvent étre dirigés à travers la chaudière de r#cupération 13 pour la transmission de chaleur au liquide amen6 dans la conduite de circulation 12. Un élément thermique, qui ntest pas représenté, sert au chauffage de la chaudière d'ébullition 1. Le fonctionnement de l'installation correspondant à l'invention est le suivant. La pompe 11 refoule l'eau brute dans l'échangeur de chaleur a contre-courant 9 à partir duquel l'eau brute s'écoule dans la chaudière d'ébullition 1. Dans la chaudière d'ébullition 1, l'eau brute est portée à ébullition, par exemple a une température de îOa0C et une pression de 1 bar. La vapeur se formant lors de l'ébullition est aspirée par le compresseur 7 a une pression de 1 bar approximativement, comprimée adiabatiquement a 1,2 bar et amenée au tube de chauffage où elle se condense a une température de 105 C. La chaleur dégagée lors de la condensation, qui correspond à la différence d'enthalpie entre la vapeur et l'eau de con#densation, est amenée a l'eau brute en ébullition. L'eau de condensation cède à nouveau de la chaleur à l'eau brute dans l'échan- geur de température a contre-courant 9, et est alors disponible sous forme d'eau douce. De même, dans l'échangeur de chaleur à contre-courant 9, la chaleur résiduelle dans la saumure concéntrée qui s'écoule est cédée dans une large mesure à l'eau brute. Etant donné que l'évaporation a lieu à la surface de l'eau bouillante, le risque d'incrustation est faible. Il peut être encore réduit en choisissant librement le degré de concentration. Le compresseur 7 est actionné par le moteur combustion interne 8 dont les gaz d'échappement sont dirigés dans la chau dière de récupération 13, dans laquelle le liquide coulant dans la conduite de circulation absorbe la chaleur des gaz d'échappement chauds. Dans le radiateur 15 le produit réfrigérant cède également de la chaleur au liquide passant dans la conduite de circulation 12. Le liquide de circulation s'écoule dans le tube de chauffage 2 disposé dans la chaudière d'ébullition 1 et y cède de la chaleur à l'eau brute. La quantité d'eau douce séparée dépend surtout du travail mécanique fourni par le moteur a combustion interne 8 et transformé en travail de compression dans le compresseur 7, La chaleur dégagée par le moteur sert a combler les pertes de chaleur. L'exemple numérique suivant montre quelle est la dépense d'énergie nécessaire pour obtenir 1 m3 d'eau douce. I - Compresseur Comme compresseur on choisi#t un turbo-compresseur radial ayant les caractéristiques suivantes débit de sortie normal 6 200 kg/h pression d'aspiration 1,0 atm. abs. pression finale 1,2 atm. abs. Température finale 1300C puissance consommée 100 KW puissance motrice à prévoir 120 KW 2 - Point de travail La température d'ébullition et la pression d'aspiration sont variables et se déterminent réciproquement. Le volume d'aspiration en dépend, ainsi que la puissance d'entrainement disponible. La détermination du point de travail se fait suivant des critères économiques, en comparant les dépenses pour 11 isolation, la protection contre la corrosion et l'entretien, la section des conduites, les surfaces de l'échangeur de chaleur. Pour des considérations de principe, on suppose les états de vapeur indiqués en fonction du diagramme Mollier d'E. Schmidt ETAT 1 ETAT 2 P1 = 1,01 bar P2 = 1,21 bar V1 = 1,675 m3/kg V2 = 1,42 m3/kg T1 = 1000C T2 = 105qu H1 = 2675kJ/kg H2 = 2682,5k/kg L'état 2 est atteint à partir de l'état 1 par compression adiabatique puis refroidissement isobare de 1300C à 1050C, en passant par l'état 1' après la compression P11 = 1,21 bar V1, 1,53 m3/kg T1'= 130 C H1'= 2735,7 kJ/kg 3 - Bilan de matière, bilan thermique et bilan énergétique Echange de matière et de chaleur dans le cas de production de 1 kg d'eau douce à partir de 2 kg d'eau brute, rapporté a la chaudière d'ébullition préchauffage eau d'alimentation #T =80 K: #H1 = 335 kJ/kg #M = 2 kg #H =-669,9 kJ évaporation à100 C #H1 = 2255,9 kJ/kg #M = -1kg #H = -2255,9 kJ Compression de vapeur # T = 30 K : #H1 61 kJ/kg #M =0#H = - 61 kJ refroidissement isobare #T = 25 K: #H1 = 53,9 kJ/kg #M = O # H = 53,9 kJ condensation à 105 C # H1 = 2242 kJ/kg M = 0 AH = 2242 kJ refroidissementde l'eau condensée T =800K:H1 = 3-35 kJ/kg #M = O # H = 334,9kJ refroidissement de la saumure T = 75 K : #H1 = 314 kJ/kg #M = -1 kg#H=314kJ déperdition thermique : - 42,0 kJ/kg travail de compresseur nécessaire - 61,0 kJ/kg travail d'entratnement nécessaire - 69,7 kj/kg La déperdition thermique résiduelle de -42 kJ/kg doit entre apportée comme chaleur à la chaudière d'ébullition, de méme que la chaleur additionnelle pour combler les pertes par rayonnement, conduction de chaleur et convection. Le bilan de matière est le suivant eau d'alimentation 2 kg d'eau salée à 200C produit I kg d'eau douce a 250C résidu 1 kg de saumure avec double concentration de sel a 250C Outre la chaleur minimale de 42 kJ, un travail moteur de 69,7 kJ est nécessaire pour extraire 1 kg d'eau douce. 4 - Moteur à combustion interne Comme élément moteur pour le compresseur de vapeur, on choisit un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz-oil ou au gaz naturel, car celui-ci fournit non seulement le travail mécanique mais aussi la chaleur nécessaire. Pour un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz naturel, avec refroidissement par vaporisation, la répartition de l'effort d'énergie en pourcentage est la suivante -puissance disponible au volant 38 -eau de refroidissement 15 -gaz d'échappement 24 -refroidissement de l'huile 5 Enraie utile 82 % -gaz d'échappement (température 1800 C) il -rayonnement 7 Perte 18 % Si l'on admet un moteur de 120 KW pour une installation relativement petite, on peut soutirer une puissance thermique de 63,2 Kw de l'eau de refroidissement (y compris le refroidissement de l'huile), et de 75,3 KW des gaz d'échappement. L'interconnection du moteur, de la chaudière d'ébullition et du compresseur avec les échangeurs de chaleur nécessaires est illustrée par la figure annexée. Conclusion Avec un moteur d'entratnement d'une puissance disponible au volant de 120 KW et un débit de chaleur de 139 KW correspondant à l'eau de refroidissement et aux gaz d'echappement, et avec le compresseur ayant les caracteristiques indiquées, il est possible de produire 6,2 t d'eau douce à l'heure, avec le procédé conforme a l'invention. Pour l'extraction de I m3 d'eau, une énergie primaire de 50,9 Kwh (5,0 m de gaz naturel ou 5,8 kg de gaz-oil) est nécessaire dans les conditions indiquées. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'extraction d'eau douce à partir d'eau brute salée, comprenant les phases suivantes a) échauffement de l'eau brute jusqu'a la température d'ébullition, b > vaporisation de l'eau brute, donnant lieu à la formation de vapeur d'eau douce et d'un résidu de saumure, c) compression adiabatique de la vapeur d'eau douce,et d) condensation de la vapeur d'eau douce par refroidissement isobare de la vapeur d'eau douce, la chaleur dégagée lors de la condensation étant amenée à l'eau brute procédé caractérisé par le fait que e) pour la compression adiabatique de la vapeur d'eau douce on utilise le travail mécanique d'un moteur à combustion interne (8) dont la chaleur dégagée est amenée à l'eau brute. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que de la chaleur est soutirée de l'eau douce se formant lors de la condensation, et est amenée a l'eau brute. 3.- Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que de la chaleur est soutirée du résidu de saumure laissé par la vaporisation de l'eau brute, et est amenée a l'eau brute. 4.- Installation pour la réalisation du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une chau diète d'ébullition munie d'une entrée -d'eau brute et d'une sortie de vapeur, et un compresseur dont l'entrée est reliee a la sortie de vapeur de la chaudière d'ébullition, et dont la sortie est reliée a une extrémité d'un tube de chauffage disposé dans la chau dière d'ébullition, dont l'autre extrémité est reliée à une sortie d'eau douce, installation caractérisée par le fait qu'un moteur a combustion interne (82 est prévu pour l'entratnement du compresseur (7), ce moteur étant relié à un deuxième tube de chauffage (2) disposé dans la chaudière d'ébullition (1) pour céder à l'eau brute la chaleur dégagée lors du fonctionnement de l'installation. 5.- Installation suivant la revendication 4, caractérisée par le fait qu'il est prévu une chaudière de récupération (13) qui comporte un orifice pour. 11 arrivée des gaz d'échappement chauds du moteur a combustion interne (8) et un orifice de sortie pour les gaz d'échappement, et dans laquelle est disposé un tube de chauffage faisant partie d'une conduite de circulation (12) qui est reliée a l'autre tube de chauffage (2) dispose dans la chaudière d'ébullition (1). 6.- Installation suivant la revendication 5, caractérisée parle fait que le moteur à combustion interne (8) est équipé d'un radiateur (15) qui est relié à la conduite de circulation(12). 7.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 4 a 6, caractérisée par le fait qu'il est prévu un échangeur de chaleur (9) dans lequel arrive l'eau douce évacuée, pour l'échange de chaleur avec l'eau brute amenée à la chaudière d'é- bullition (1). 8.- Installation suivant la revendication 7, caractérisée par le fait que la chaudière d'ébullition (1) comporte une sortie (6) pour la saumure, qui est reliée à l'échangeur de température (9), de telle sorte que la saumure évacuée arrive pour l'échange de chaleur avec l'eau brute amenée a la chaudière d'ébullition (1).