Brevet FR2474646A2 — publié le 19810731

FR 2474646 A2 19810731 FR 8001882 A 19800129 Le brevet principal a pour objet un procédé fournissant, au moyen de l'énergie solaire, simultanément et dans les meilleures conditions économiques, d'autres sources d'énergie, de l'eau dou- ce et au moins un sous-produit, à partir de substances aqueuses. Ce procédé, suivant lequel on porte à l'ébullition la substance aqueuse enfermée dans une enceinte étanche en faisant appel à l'énergie solaire pour la chauffer, l'enceinte étant pourvue de moyens d'alimentation en substance aqueuse et de moyens de récu- pération de la vapeur d'eau et du résidu de l'évaporation, on envoie la vapeur d'eau produite, sous pression, dans une turbine de turbo-alternateur pour la production d'électri- cite, on condense en eau douce la vapeur d'eau sortant de la turbine, pour l'utiliser comme eau potable, eau à usagesdomes- tiques, ou eau d'arrosage ou d'irrigation, et on récupère comme sousproduit le résidu de l'évaporation de la substance aqueuse, est caractérisé en ce que l'on envoie en outre la vapeur d'eau, soit directement, soit à sa sortie de la turbine, sur du fer chauffé à environ 800'C, également au moyen de l'énergie solaire, pour la réduire partiellement en hydrogène que l'on recueille, et on condense en eau douce la vapeur d'eau, qui n'a pas été réduite après passage sur le fer, pour l'utiliser aux fins susindiquées. La substance aqueuse de départ peut être de l'eau de mer, le sous-produit étant le sel marin, qui est transformable en un autre sous-produit, le chlorate de sodium, NaClO3, par oxyda- tion du sel marin, le chlorate de sodium étant utilisable entre autres comme Mcrburant solide.; l'oxydation est obtenue notamment par une 6lectreo*&yse, qui fournît simultanément de l'hydrogène, combustible de valeur. La substance aqueuse de.départ peut aussi être constituée par les boues des stations d'épuration d'eau, le sous-produit étant les boues séchées et stérilisées, utilisables comme engrais ou transformables par compression en un autre sous-produit, à savoir des briquettes combustibles, autre source d'énergie. La présente invention concerne des variantes du procédé décrit dans le brevet principal. * C'est ainsi que l'on peut utiliser, comme source.d'énergie initiale, pour chauffer la substance aqueuse de départ et la va- peur d'eau à réduire, non pas seulement l'énergie solaire, mais toute autre source connue d'énergie, telle que charbon, gaz com- bustibles, électricité, tourbe, déchets combustibles, cette liste n'étant pas limitative, et que l'on peut même avoir recours à une source d'énergie inutilisée parce que trop onéreuse, mais qui de- vient rentable du fait que le présent procédé fournit lui-même des sources d'énergie abaissant le coût de l'énergie ini- tiale. A titre d'exemple, du charbon situé à de grandes pro- fondeurs et dont on n'exploite plus les gisements, à-cause du coUt d'extraction trop élevé, devient utilisable et rentable dans le présent procédé, en tant que source d'énergie-initiale, d'au- tant plus que le procédé fournit, outre des sources d'énergie, des sous-produits négociables, comme le sel et les éléments chi- Niques qu'il contient, ou bien un engrais. Ainsi, dans le cas d'un charbon, dont les couches sont situées à 800 m de profondeur, si le prix de revient de son extraction est double de celui du charbon d'importation, le présent procédé ramène en fait, ce prix à une valeur non pas égale, mais même moindre que celle du charbon importé. Il est à noter que les récipients, dans lesquels on chauffe, soit la substance aqueuse de départ pour produire de la-vapeur d'eau, soit cette vapeur pour la réduire en hydrogène, sont chauffés par le dessus, lorsque l'énergie employée à cet effet est l'énergie solaire et le sont généralement par le dessous, lorsqu'elle est une autre forme d'énergie. Suivant une autre-variante, on peut employer, comme subs- tance aqueuse de départ, non seulement l'eau de mer, mais encore une solution de -gel. Sece, dans leg régions o il existe des gisements de ce gel, dont on est souvent amené à rejeter les excédents, en polluant ainsi les cours d'eau. Les solutions de sel gemme fourniront, dans l'application du présent procédé, du chlorate de sodium et de l'hydrogène, de la même façon que l'eau de mer. Il est à noter que le chlorate de sodium peut être trans- formé, de façon connue, en chlorate de potassium, par double décomposition au moyen du chlorure de potassium, suivant la réaction: NaC103 + KCl ---4 KC103 + NaCl. On obtient un précipité de chlorate de potassium, qui a les mêmes usages que le chlorate de sodium et qui a aussi des appli- cations en pharmacie. Un procédé de préparation du chlorate de potassium est décrit dans l'ouvrage "Techniques de l'Ingénieur', PARIS, France, tome Génie Chimique, page J 6020-961 de la mise à jour 11-1965. Le chlorate, qu'il s'agisse du chlorate de sodium ou du chlorate de potassium, est utilisable comme carburant de la façon suivante: il est partiellement, mais suffisamment soluble dans l'alcool éthylique pour constituer un équivalent de l'essen- ce pour les moteurs à explosion, et il est soluble dans les huiles minérales. en permettant, sous cette forme, de faire tour- ner les moteurs Diesel; en outre, il est directement utilisable sous forme solide pour la propulsion des fusées et il peut, sous cette forme, être mélangé à tout autre produit combustible solide ou être mis en suspension dans tout produit combustible liquide. On peut aussi employercomme substance aqueuse de départ, des boues de stations d'épuration d'eau, ou les eaux à épurer elles-mêmes, que l'on sale par addition d'eau de mer ou de sel gemme. Dans ce cas, l'électrolyse du résidu de l'évaporation, consistant en une saumure chargée de boues et amenée à une con- centration en sel convenable pour l'électrolyse, fournit un mélange de boues et de chlorate de sodium, qui, après dessicca- tion, constitue un meilleur combustible que les boues séchées seules. Ce combustible, comme toutes les sources d'énergie four- nies par le procédé, peut être employé dans le procédé lui- même. Il peut aussi être mélangé avec des ordures ménagères, pour faciliter l'incinération de celles-ci, ou même permettre l'utilisation de ces dernières comme combustible pour la mise en oeuvre du procédé. L'évaporation de la substance aqueuse de départ dans une enceinte étanche peut être effectuée par charges, avec évacua- tion et stockage du résidu, qui, lorsque la substance traitéeest une eau salée, pourra servir à alimenter un électrolyseur. Dans ce cas, le résidu est, de préférence, non pas un solide salé dont il faudrait redissoudre le constituant sel, mais une saumure concentrée ayant une teneur en chlorure de sodium convenant pour l'électrolyse. Toutefois, l'électrolyseur peut aussi être ladite enceinte étanche elle- même, au sommet de laquelle sont placées les électrodes. On laisse alors- le sel s'accumuler au fond de l'enceinte au cours de l'évaporation de la substance aqueuse introduite en continu et on procède à l'électrolyse, après avoir laissé refroidir l'enceinte et l'avoir remplie totalement d'eau, afin d'éviter le mélange détonant air-hydrogène, lorsque la quantité de sel, déposée dans l'enceinte et que l'on redissout dans un volume de liquide remplissant totalement celle-cicorrespond à la concentration de chlorure de sodium souhaitable pour l'électrolyse (environ 200 g/l). Pour le procédé d'électrolyse, on se reportera également à l'ouvrage de Faith, Keyse et Clark "Industrial Chemicals", 2ème Edition, Wiley Editeur, NEW YORK (1957), pages 665-670, chapitre intitulé "Chlorate de sodium obtenu par électrolyse". Les récipients employés pour la mise en oeuvre du procédé doivent bien entendu résister à la corrosion, être par exemple en fer galvanisé ou en acier inoxydable, ou au titane, et ils doivent résister aux hautes pressions, la réalisation de tels récipients étant connue en soi. Le récipient d'évaporation de la substance aqueuse de départ devant fournir une vapeur d'eau susceptible de faire tourner une turbine de turbo-alternateur et la pression de vapeur nécegsaire à cet ef9et étant généralement la tension de la vapeur d'eau à environ 800QC, ledit récipient doit être équipé d'une valve d'évacuation de la vapeur d'eau ne s'ouvrant que lorsque cette pression nécessaire est atteinte. Si la vapeur est envoyée, non pas dans une turbine, mais dans une enceinte de réduction catalytique en hydrogène, la même température d'en- viron 800'C est nécessaire dans cette enceinte et est ainsi immédiatement obtenue. Lorsque le chlorate de potassium est employé comme carburant dans les moteurs, compte tenu de l'effet corrosif du chlore, il convient d'emmloyer, pour les pièces du moteur en contact avec le carburant, des matériaux résistant à la corrosion; on peut avoir recours à un métal doublé de polytétrafluoréthylène, matière plastique vendue sous la marque i5 "Têflon", pour les pièces otû.la température des gaz est infé- rieure a 180'C, comme par exemple le tuyau d'échappement. Un intérêt supplémentaire du présent procédé est que la vapeur d'eau recueillie peut encore, avant d'être condensée, pour servir d'eau douce, être utilisée pour chauffer à des fins industrielles ou domestiques, ce qui représente une récupéra- tion complémentaire d'énergie. La vapeur d'eau recueillie à la sortie de la turbine ou du récipient de réduction en hydrogène étant encore sous haute pression, de l'ordre de 200à 250 bars, les tuyauteries *25 recevant cette vapeur doivent également présenter une résis- tance mécanique adéquate. La résistance nécessaire sera d'ail- leurs dégressive, la pression de la vapeur diminuant par perte de charge, au fur et à mesure que la vapeur progresse dans la canalisation, et cette pression permettant de conduire la vapeur à de longues distances, avant qu'elle ne se condense. EXEMPLE On utilise, comme substance de départ, une eau de mer contenant 20 à 30 g/l de chlorure de sodium et, comme source initiale d'énergie, du charbon. On chauffe l'eau de mer dans un récipient clos de façon étanche, résistant à la corrosion et à la pression et chauffé par le dessous. Ce récipient présente, à sa partie supérieure, 2474646- un orifice sur lequel et.t banchúe. une..icanalsat on.d' introduc- tion de l'eau de see d'.Jl' 3entation et un orifice sur lequel est branchée une canalisatien d'évacuation de la vapeur produite; la première canalisation est pourvue d'une vanne ou d'un robinet et la seconde canalisation est pourvue d'un manomètre et est fermée par un clapet, quine -s'ouvre--que sous l'effet d'une pression correspondant & la tension de vapeur d'eau à 800 C. A la base du récipient, est branchée une canalisation munie d'une vanne ou d'un robinet pour l'évacuation de la saumure concentrée résiduelle. On opère par charges et on arrête l'évaporation et soutire la saumure résiduelle, lorsque celle-ci présente une concentra- tion en chlorure de sodium d'environ 200 g/l, qui est celle-habi- tuellement utilisée pour l'électrolyse fournissant du chlorate de sodium et de l'hydrogène. On rassemble et stocke les saumures résiduelles concentrées, qui serviront à alimenter un électro- lyseur, que l'on fait fonctionner à environ 70 C pour la produc- tion, de façon connue en soi, du chlorate de sodium et de l'hy- drogène. A la sortie de l'électrolyseur, la solution titre environ 500 g/l de chlorate de sodium et 100 g/l de chlorure de sodium; elle est envoyée dans des réservoirs que l'on refroidit par saumure vers -10 C; le chlorate de sodium précipite; la suspension du précipité.est soutirée en discontinu des réser- voirs de refroidissement, le chlorate de sodium est alors séparé, lavé et séché et la solution résiduelle, titrant 300 g/l de chlorate de sodium et 100 g/l de chlorure de sodium est recyclée dans l'électrolyseur, après avoir été enrichie en chlorure de sodium au moyen de la saumure résiduelle concentrée résultant de l'évaporation de l'eau de mer. En variante, le récipient d'évaporation peut aussi servir lui-même, périodiquement, d'électrolyseur, auquel cas il est muni à son sommet d'une sortie supplémentaire avec canalisation pour l'évacuation de l'hydrogène, la sortie inférieure étant alors utilisée pour l'évacuation de la solution de chlorate de sodium. Les deux électrodes sont placées au sommet du récipient. On procède à l'évaporation, en alimentant en continu le réci- pient avec de l'eau de mer, jusqu'à ce que le dépôt de chlorure de sodium au fond du récipient soit suffisant pour que la disso- lution de ce sel dans un volume d'eau emplissant complètement 2474646 ' le récipient fournisse une saumure à environ 200 g/i de chlorure de sodium. On procède à. l'électrolyse après refroidissement du récipient à la température requise de 70C environ. La vapeur d'eau évacuée à 80O0C au cours de la phase d'évaporation est envoyée, en parallèle, dans une turbine de turbo-alternateur et dans un récipient de réduction, clos de façon étanche et résistant à la corrosion et à la pression. Ce récipient renferme du fer, qui est oxydé en hydroxyde ferrique, tandis qu'une partie de la vapeur d'eau est réduite en hydro- gène, qui s'échappe avec la vapeur d'eau non réduite par un orifice prévu au sommet du récipient de réduction et sur lequel est branchée une canalisation de récupération du gaz et de la vapeur d'eau, cette dernière étant séparée et recueillie par condensation. A la sortie de la turbine, la vapeur d'eau est à une pres- sion comprise entre 200 et 250 bars. On peut immédiatement la refroidir pour la condenser en eau douce, ou bien on utilise sa pression pour l'envoyer se condenser dans des réservoirs situés à grande distance, et l'on récupère de préférence ses calories pour un chauffage industriel ou domestique, au cours de son refroidissement. Ces opérations fournissent donc, comme sources d'énergie, de l'électricité à la sortie du turbo-alternateur, du chlorate de sodium et de l'hydrogène résultant de l'électrolyse, et de. l'hydrogène résultant de la réduction de la vapeur d'eau. Quant aux sous-produits, ce sont l'oxyde ferrique provenant de la réduction de la vapeur d'eau et utilisable comme oligo- élément en agriculture, le sel marin et les éléments chimiques qu'il contient, si l'on recueille une partie du sel sans l'élec- trolyser, et l'eau douce provenant de la condensation de la va- peur d'eau. On comprend que, dans ce cas, la source d'énergie initiale pour.la mise en oeuvre du procédé puisse être un charbon situé à une profondeur telle que son exploitation a été abandonnée, mais peut être reprise et devient rentable dans le cas particulier considéré. Bien entendu, toutes les sources d'énergie produites peuvent, après la mise en route du procédé, remplacer le char- bon, pour chauffer le xécipient d'évaporation et le récipient de réduction; ces énergies sont-également utilisables pour action- ner la pompe alimentant le récipient d'évaporation., celle refou- lant dans les canalisations d'utilisation l'eau douce produite et toutes les'autres pompeset en général tous les moteurs dont l'emploi peut s'avérer nécessaire.-dans le procédé. 2474646 1 R -E V E N D I C A T I O N S 1.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications du brevet principal, pour l'obtention simultanée et rentable de sources d'énergie, d'eau douce et d'au moins un sous-produit, à partir de substances aqueuses et d'une source d'énergie, suivant lequel on porte à ébullition la substance aqueuse enfermée dans une enceinte étanche, l'enceinte étant pourvue de moyens d'alimentation en substance aqueuse et de moyens de récupération de la vapeur d'eau et du résidu, on envoie la va- peur d'eau produite, sous pression, dans une turbine de turbo- alternateur pour la production d'électricité, on condense en eau douce la vapeur d'eau sortant de la turbine, pour l'utili- ser comme eau potable, eau à usages domestiques, ou eau d'arro- sage ou d!irrigation, et on récupère comme sous-produit le résidu de l'évaporation de la substance aqueuse, et, en outre, on envoie la vapeur d'eau, soit directement, soit à sa sortie de la turbine, sur du fer chauffé à environ 8000C, pour la réduire partiellement en hydrogène que l'on recueille, et on condense en eau douce la vapeur d'eau, qui n'a pas été réduite- après passage sur le fer, pour l'utiliser aux fins susindiquées, caractérisé en ce que l'on emploie comme source d'énergie initia- le pour chauffer la substance aqueuse de départ et la vapeur d'eau à réduire, outre l'énergie solaire, toute autre source connue d'énergie, même non rentable. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source d'énergie non rentable est du charbon extrait à de grandes profondeurs et qui est rentabilisé par les sources d'énergie et les sous-produits résultant de ce procédé. 23.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la substance aqueuse de départ est une solution de sel gemme et en ce que le sous-produit est du chlorure de sodium transformable, comme le sel marin, en chlorate de sodium et hy- drogène. 4.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la substance aqueuse de départ est constituée par des boues de stations d'épuration d'eau ou par les eaux à épurer elles-mêmes, auxquelles on ajoute du sel sous forme d'eau de mer ou de sel gemme. 5.Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'on obtient comme sous-produit, par électrolyse du ré- sidu de l'évaporation consistant en une saumure chargée de boues et amenée à une concentration en sel convenable pour l'électrolyse, un mélange.de boues et de chlorate de sodium, qui, après dessiccationconstitue un combustible meilleur que les boues séchées seules. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'on mélange ledit combustible formé de boues séchées et de chlorate de sodium avec des ordures ménagèresen vue de faciliter l'incinération de celles-ci ou de permettre l'utili- sation de ces dernières comme combustible pour la mise en oeuvre du procédé. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la substance aqueuse de départ est l'eau de mer ou une solution de sel gemme, qui fournit, à titre de sous- produits, du chlorate de sodium et de l'hydrogène, par électro- lyse du résidu de l'évaporation, qui est une solution concentrée de chlorure de sodium, caractérisé en ce que l'on transforme le chlorate de sodium en chlorate de potassium par double décom- position au moyen de chlorure de potassium, ledit chlorate de potassium étant utilisable à titre de carburant et en pharmacie et constituant un sous-produit supplémentaire. 8.- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé'en ce que le chlorate de sodium ou de potassium est utilisable comme carburant, en solution dans l'alcool éthylique pour les moteurs à explosion, en solution dans les huiles minérales pour-les moteurs Diesel, sous forme solide pour la propulsion des fusées, et sous forme solide en mélange avec un autre produit combustible solide ou en suspension dans un autre produit combustible liquide. 9.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2474646 1 1 à 5, la substance.giueise de départ étant Salée, caractérisé en ce que l'on effectue l'électrolyse du résLdu de l'évaporation sous forme d'une saumure cencentrée ayant une teneur en chlorure de sodium convenant pour l'électrolyse, qui fournit du chlorate de sodium et de l'hydrogène. 10.Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que l'on procède à l'électrolyse dans un électrolyseur distinct de l'enceinted'évaporation. 11.- Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'on effectue l'électrolyse dans l'enceinte d'évaporation, apres l'avoir laisséerefroidir et l'avoir remplietotalement d'eau. 12.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la vapeur d'eau recueillie et 15. destinée à être condensée en eau douce est utilisée pour chauffer à des fins industrielles ou domestiques, avant d'être condensée.