Brevet FR2433964A1 — publié le 19800321

La séparation des solutions chargées en sels par emploi de l'osmose inverse pour obtenir un perméat a faible teneur en sel et un concentrat enrichi en sel par rapport a une solution salée affluant vers l'installation d'osmose inverse, est une technique connue. Ainsi, par exemple, l'eau industrielle et l'eau potable peuvent être préparées à partir de l'eau de mer ou de l'eau saumâture, chargées en sel (C1 Na). La partie d'osmose inverse proprement dite d'une telle installation est représentée schématiquement sur la figure 1. Une pompe 1 fait passer la solution à dessaler 2 de la pression ambiante PO à la pression de travail P1.Cette pression de travail P1 doit satisfaire les conditions suivantes . elle doit être supérieure à la pression osmotique correspondant aux concentrations de sel X1, X2 et XO, et doit correspondre aux propriétés spécifiques de l'appareil, ctest-à-dire la chute de pression interne de P1 à P2 dans l'appareil d'osmose inverse du coté concentrat ainsi que la puissance nécessaire au perméat pour une surface active donnée ou prescrite de la membrane semiperméable. Le rapport du perméat P ainsi que du concentrat K à la solution L affluant est limité, et cela dans le cas extrême par la concentration de saturation du sel dissous X5 (X2 doit rester inférieur à X5 > et en général par l'économie du procédé, parce que la pression osmotique et ainsi la pression de travail P1 croit considérablement par rapport à la différence de concentration X2 - X0. Bien que le procédé d'osmose inverse puisse en principe économiser de l'énergie en tant que procédé réversible, la consommation d'énergie est en général très élevée si le rapport K/L est relativement grand pour les raisons indiquées ci-dessus, et la récupération d'énergie du concentrat par la chute de pression en arrière de l'appareil d'osmose inverse de P2 à la pression ambiante PO (ou une autre pression inférieure ou supérieure à PO) n'a pas été possible pour des raisons techniques ou économiques. Ainsi, jusqu'à maintenant, on ne connaît pas de réussite avec application de machines de détente. La chute de pression de P2 à PO dans le courant de concentrat K est donc réalisée en général avec un étranglement (3, fig.1) en renonçant à la récupération d'énergie. Toutefois, dans la mise en oeuvre d'un procédé déjà,prDposé avec un appareil analogue, on peut renoncer à utiliser une machine de détente à la place de l'étranglement 3 et récupérer l'énergie potentielle du concentrat K dans une proportion élevée. Ce procédet est représenté sur les figures 2a et 2b pour deux phases de fonctonnement en alternance. Le courant de solution L est partagé en deux : un courant L1 = P (perméat) et un courant L2 = K (concentrat). La pompe de.circulation 5 fait monter L1 de la pression ambiante P3 à la pression de travail P1. La pompe de circulation 4 amène aussi le courant différentiel L2 de la pression ambiante Po à une pression P4 seulement légèrement supérieure, grâce à laquelle, conformément à la figure 2a, bn3E 1ume déterminé de concentrat doit être envoyé du double accumulateur à membrane 7.2 à l'extérieur, en surmontant les pertes de'#Pression, comme il sera expliqué plus en détails ci-après.Mis à pa"t#il'#rnose inverse 2, l'ensemble de l'appareil fonctionne périodiquemert La solution L arrive cependant de façon continue dans l'installation et le concentrat est évacué de façon intermittente ou quasi continue Les doubles accumulateurs à membrane 7.1 et 7.2 appelés aussi échangeurs flow work sont constitués chacun d'un récipient pressurisé qui est partagé en deux chambres de volume variable par une membrane. Toutefois, on ne connaît pas encore jusqu'à maintenant une application pratique du principe proposé, sans doute en raison des difficultés technologiques d'application. Les membranes partageant les récipients pressurisés en deux chambres ne peuvent travailler de façon sûre et durable que si les récipients pressurisés et les membranes sont réalisés avec des formes géométriques judi creusement adaptées entre elles. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu par le fait que dans les deux positions extremes, les membranes sont complètement appli quées contre les surfaces internes des récipients pressurisés. Des formes de réalisation avantageuses de l'accumulateur selon la présente invention sont représentées sur les figures 7 à 10.Sur ces figures, le récipient pressurisé porte la référence 12 et la membrane la référence 13. Sur la figure 7, le récipient pressurisé a la forme d'une sphère et la membrane est une demi-sphère souple et/ou élastique, fixée à la sphère sur un grand cercle. Sur la figure 8, le récipient est constitué par un ellipsoïde de révolution au lieu d'une sphère. Sur la figure 9, le récipient est un double cône. Toutes les configurations des figures 7 à 9 interdisent toute mise en place désor- donnée de la membrane aux positions extrêmes, de sorte que la membrane ne peut pas être endommagée sous l'effet de la pression.On peut également obtenir un effet analogue si la membrane 13 est disposée dans le réservoir pressurisé sphérique de la figure 10 conformément au principe de la vessie de ballon de football, la vessie étant fixée au point le plus haut et au point le plus bas de la sphère, le point de fixation inférieur par exemple étant utilisé pour l'introduction du liquide à l'intérieur de la vessie. Avec l'emploi des accumulateurs doubles représentés, le concentrat s'écoule, dans la phase de fonctionnement représentée sur la fiaure 2, à la pression P2 dans la chambre supérieure de l'accumulateur 7.1 et refoule le volume de solution se trouvant dans la partie inférieure vers le côté aspiration de la pompe 6 qui a à compenser la différence de pression relativement faible P1 - P3. La pression différentielle P2 P s'ajoute à la 2 3 résistance de foulage de la membrane dans l'accumulateur et à la résistance à l'écoulement dans le système de conduite. La pression différentielle P1 - Pç est la chute de pression interne de l'appareil d'osmose inverse.La membrane de l'accumulateur est en pratique toujours exempte de tension de traction, où les sollicitations de traction correspondantes sont supposées limitées parce que la membrane s'appuie contre la paroi du récipient dans les positions extrêmes et n'est chargée dans les positions flottantes intermédiaires que par sa résistance au foulage. Cette absence ou cette limitation de tension est considérable par rapport à la suppression du système de commutation nécessaire. Une sécurité inhérente au système résulte encore du fait que dans les deux chambres variables, la solution L2 se trouve sur un côté et le concentrat K de l'autre côté, les deux solutions ne pouvant donc pas passer dans le perméat P en cas de rupture d'une membrane. La membrane peut donc être réalisée extrêmement souple. Quand la solution L2 est refoulée hors de l'accumuinteur 7.1, la pompe 4 met sous pression la solution L2 dans l'accumulateur 7.2 en chassant le volume de concentrat se trouvant de l'autre côté de la membrane. Quand il n'y a plus de solution L2 dans l'accumulateur 7.1, les deux accumulateurs sont commutés conformément au schéma de la figure 2.2. Le perméat P et le concentrat K s'écoulent en pratique de façon continue. Les positions des vannes sont représentées sur les figures 2.1 et 2.2. Une installation d'osmose inverse peut aussi fonctionner conformément à l'invention avec un nombre d'accumulateurs à membranes supérieure à 2, ce qui peut être opportun pour une installation de grande capacité ou pour des raisons de technique de commande. Les avantages de l'application de la présente invention résident dans la possibilité de parvenir à des économies d'énergie considérables en employant des pompes classiques 4, 5, 6 et sans machine de détente pour le concentrat, comme on peut le voir avec l'exemple suivant, à partir de 60 m3/h d'eau de mer ayant une teneur en sel X1 = 38.000 ppm, il faut produire 20 m3/h d'eau potable ayant une concentration en sel X0 = 500 ppm. La concentration du concentrat est X2 = 57.000 ppm. Avec ces données, une osmose inverse à plaques à membranes plates impose les conditions suivantes L = 60 m3/h P0 = 1 bar P = 20 m3/h P1 = 80 bars K = 40 m3/h P2 = 75 bars Avec un rendement d'ensemble de 50%, la puissance nécessaire de la pompe 1 pour une installation conforme à la figure 1 est de 280 kW, soit 14 kW/m3 de perméat. La puissance nécessaire pour une installation selon l'invention conforme aux figures 2a et 2b se monte par contre avec P3 = 73 bars et P4 = 3 bars, ainsi que L1 = P = 20 m3/h et L2 K K = 40 m3/h toutes choses égales d'ailleurs pour la pompe 4 : 4,5 kW pour la pompe 5 : 93,0 kW pour la pompe 6 : 16,5 kW TotaL 114,0 kW soit 5,7 kW/h pour chaque m3 de perméat. Par rapport 'a la disposition de la figure 1, avec la présente invention, on économise 60% de l'énergie, c'est-à-dire 8,3 kW/h par m3 de perméat. Une autre possibilité d'application du procédé d'économie d'énergie selon la présente invention est représentée sur la figure 3 pour la phase de fonctionnement correspondant à la figure 2a. Les chambres des doubles accumulateurs à membrane sont ici séparées l'une de l'autre (7.1 devient 7.1a et 7.1b, 7.2 devient 7.2a et 7.2b) et les membranes de séparation sont remplacées par un tampon de gaz. Comme le gaz tampon se dissout dans le liquide avec le temps, le gaz doit être renouvelé de temps en temps ou de façon continue. Pour réduire la surface de contact d'échange pour l'absorption du gaz tampon conformément à la présente invention la surface libre du fluide dans les récipients 7.la, 7.lob, 7.2a et 7.2b est recouverte d'une couche flottante empêchant ou réduisant la diffusion. Il est encore possible selon une autre caractéristique de l1inven- tion de remplacer partiellement dans leur effet séparatoire les membranes des accumulateurs par des guides de courant appropriés. Les figures 4, Sa et 5b représentent des possibilités de réaliser un écoulement tampon nécessaire pour une telle substitution. On fait usage du fait décrit plus haut, si un mélange important provoqué par un dérangement de l'installation ou un mélange faible inhérent au système de la solution L et du concentrat K n'est pas nuisible à la qualité du perméat P produit (voir figures 1, 2a et 2b). Sur la figure 4, les accumulateurs 7.1 et 7.2 sont remplacés par une série de N accumulateurs, qui sont traversés en sens différents dans les deux phases de fonctionnement en alternance. Sur la moitié gauche de la figure 4, le concentrat K repousse la solution L2 sous haute pression, grâce à la pompe d'élévation de pression de l'osmose inverse. Sur la moitié droite de la figure 4, un courant L'2 supérieur ou égal à K repousse à l'ambiante le concentrat K en excédent sous basse pression. Les concentrations dans les différents accumulateurs 7.1.N à 7.1.1. ou 7.2.N à 7.2.1 décroissent en suivant le troisième chiffre de cette désignation, ce qui est facile à comprendre.Comme un certain accroissement de concentration dans les accumulateurs 7.1.1. et 7.1.2 par rapport à la séparation au moyen de membranes ne peut être exclu, le rinçage est effectué dans la phase basse pression avec une quantité L'2 > à celle qui correspondrait à l'osmose inverse en solution courante. L'effet de l'accroissement de concentration par mélange en retour est d'autant plus faible que le nombre d'étages est plus élevé. Pour cette raison, conformément à une autre caractéristique de l'invention, on propose de remplacer un nombre défini d'étages conformément aux figures Sa et 5b par des récipients isolés 7.1 et 7.2 avec un garnissage interne, qui divise longitudinalement ces récipients (figures Sa et 5b) en un nombre quasi infini de petits récipients séparés. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on introduit le courant spécifique lourd inférieur et le courant spécifique léger supérieur dans les accumulateurs sans membrane, ce qui réduit le remé langage. Dans ce cas, on a trouvé particulièrement avantageuses des structures lamellaires parcourues par des courants laminaires, correspondant la figure Sa. Tandis qu'avec des structures en forme de cylindres de révolution ou de canaux, avec un écoulement laminaire, les fibres d'écoulement les plus rapides ont une vitesse qui est environ le double de celle delta moyenne intégrée, la fibre d'écoulement la plus rapide entre des lamelles parallèles n'est environ que 1,5 fois plus rapide. Ces rapports dépendent des propriétés hydro-dynamiques des milieux en écoulement. Une amélioration essentielle de ces rapports peut encore être obtenue si les lamelles sont disposées avec un decalaae relatif par paire comme représenté sur la figure 6. Pour une même surface globale de lamelles, la fibre d'écoulement la plus rapide s'écoule à une vitesse qui est environ 1,3 fois supérieure à la moyenne integrée. Par suite de l'écoulement laminaire, il ne se produit en raison de la théorie de la dynamique des fluides aucun mélange des courants de substance s'écoulant l'un derrière l'autre. La vitesse de diffusion est d'un ordre de grandeur secondaire. La tendance au mélange qui peut malgré tout subsister peut encore être réduite par le fait que, conformément à l'invention, le courant spécifique lourd est accumulé dans la partie inférieure de l'accumulateur.Avec l'écoulement renversé à chaque fois, se produit une inversion du profil d'écoulement et par suite une compensation. La figure 6 représente une dispo sition correspondant par paire des lamelles 9 et 10 dans un récipient pressurisé 1 formant accumulateur double. Les dispositions 11 prévues aux extrêmités supérieures et inférieures des lamelles servent à une meilleure repartition deentree de l'écoulement. Le nombre de paires de lamelles 9 et 10 du paquet est en principe sans importance. En pratique, il est toutefois préférable d'avoir un certain nombre de paires. Bien que dans la phase de rinçage la quantité 2 soit supérieure à la quantité de solution nécessaire L2, le faible supplément de l'ordre d'environ 20% par rapport à la censommation totale est sans importance, parce que la consommation d'énergie pour entretenir ce courant est de faible importance et la quantité de courant supérieure par rapport à un accumulateur à membranes est compensée au point de vue de la puissance des pompes par la perte de pression inférieure dlun accumulateur lamel lire Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sontque des exemples, et qu il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour celadu cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Procédé pour la séparation d'une solution chargée en sel par emploi de l'osmose inverse pour obtenir un perméa#t en faible teneur en sel et un co#ncentrat riche en sel, caractérisé en ce que le concentrat quittant sous pression l'appareil 2 d'osmose inverse s'écoule à chaque fois dans une chambre ou une extrémité d'un accumulateur double (7#1, 7.2) constitué d'un récipient de révolution, sphérique, ellipsoïde ou à double cône avec une membrane de séparation de forme ,géométrique adaptée (12, 13) ou d'un récipient pressurisé sans mem brante, avec ou sans élément de garnissage intérieur ou une structure lamellaire, un volume de solution s'écoulant à partir de l'autre chambre fluide l'autre extrémité de l'accumulateur double vers une pompe (6) @qui met ce volume de solution à une pression d'entrée P1 en surmon tant une pression différentielle relativement faible, en ce que paral lèlement à cette opération, la solution salée à séparer s'écoule dans la partie de chambre correspondante d'un deuxième ou d'un autre accumulateur double à membrane semblable et ainsi refoule à la pression ##m#ante le concentrat K se trouvant de l'autre côté de la membrane pratiquement sans pression, concentrat qui a été introduit dans cette -atrtre- chambre sous pression et avec une puissance de refoulement correspondante dans la phase de fonctionnement précédente de l'alter t-#o'ce. 2) Procédé selon le Revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise deux accumulateurs doubles ou davantage. 3) Procédé selon la Revendication 1 r caractérisé en ce que les##ccumulateurs doubles (7.1 et 7.2) sont constitués chacun par deux accumulateurs, dont les contenus fluides sont séparés par un tampon gazeux. 4) Procédé selon la Revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces libres des fluides sont recouvertes par des couches empêchant ou réduisant la diffusion pour réduire l'absorption du gaz tampon par les fluides. 5) Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que chaque double accumulateur est constitué par au moins deux accumulateurs indépendants parcourus alternativement dans les deux sens. 6) Procédé selon la Revendication 5, caractérisé en ce que la série d'accumulateurs indépendants est constituée par au moins un accumulateur garni d'un élément de remplissage ou de structures incorporées. 7) Procédé selon une des Revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le fluide spécifique lourd inférieur et le fluide spédfique léger supérieur sont accumulés dans les accumulateurs. 8) Procédé selon une des Revendications 3, 5 ou 6, caracté- risé en ce que la quantité de solution qui sert à chasser vers la basse pression le concentrat accumulé sous haute pression dans l'accumulateur double est supérieure à la quantité du concentrat accumulé 9) Procédé selon la Revendication 6, caractérisé en ce que les structures incorporées sont constituées de lamelles parallèles planes ou non. 10) Procédé selon la Revendication 9, caractérisé en ce que les paquets de lamelles sont disposés parallèlement et par paires avec un décalage dans chaque paire, les paquets partiels pouvant etre,cons- titués de deux paires ou davantage.