Brevet FR2680776A1 — publié le 19930305

-A 2680776 APPAREIL POUR LA PRODUCTION D'UNE EAU ULTRA-PURE La présente invention porte sur un appareil pour la production d'une eau ultra-pure destinée à être utilisée, par exemple, dans les industries électroniques telles que les industries des semi- conducteurs et similaires. Depuis quelques années, les industries électroniques, telles que les industries des semi-conducteurs et similaires, nécessitent de l'eau purifiée d'un degré de pureté extrêmement élevé Quand de l'eau non potable, de l'eau de ville, de l'eau de puits ou similaires, est utilisée comme eau brute en vue de l'obtention de l'eau purifiée, des matières en suspension, des électrolytes, de fines particules, des microorganismes, des substances organiques et des gaz dissous sont contenus dans l'eau brute dans une quantité importante en excès de la valeur fixée par les réglementations sur les normes de qualité de l'eau. En conséquence, ces impuretés doivent être éliminées. Les procédés illustrés sur la Figure 2 et la Figure 3 ont été utilisés dans l'état antérieur de la technique pour produire une eau ultra-pure par élimination des impuretés mentionnées ci-dessus. Si l'on se réfère à la Figure 2, on peut voir que l'eau brute passe à travers un tube échangeur de chaleur dans un condenseur ( 51) intégré dans un évaporateur ( 1), et que l'eau est chauffée en recevant une chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau produite dans un tube d'évaporation ( 56) au niveau du nièe effet final Une partie de l'eau brute chauffée est amenée dans un dispositif de décarbonatation/dégazage ( 52) en tant qu'eau d'alimentation, sa valeur de p H étant abaissée à 4 ou au-dessous par addition d'un acide En conséquence, les ions (HCO 3-, CO 3) dissous dans l'eau d'alimentation sont convertis en (H 20 + C 02) et le dioxyde de carbone gazeux est extrait par dégazage de l'eau brute conjointement avec les gaz volatils tels que l'oxygène dissous dans l'eau d'alimentation lorsque l'eau d'alimentation est introduite dans le dispositif de décarbonatation/dégazage ( 52). L'eau d'alimentation dégazée est envoyée dans un tube de pré-chauffage ( 54) de l'évaporateur (I) à l'aide d'une pompe ( 53), l'eau s'écoulant à travers le tube et étant finalement chauffée à une température prédéterminée L'eau d'alimentation pré-chauffée est mélangée au condensat provenant du premier effet, et le mélange est envoyé, par une pompe de circulation ( 55) et au travers d'un tube de circulation ( 57), dans un tube d'évaporation ( 56) situé dans le premier effet, o il s'écoule vers le bas L'eau s'évapore en recevant une chaleur latente de condensation de la vapeur chauffée amenée sur la surface extérieure du tube, ce qui permet de produire de la vapeur d'eau La vapeur d'eau produite passe à travers un séparateur de buées ( 58) pour éliminer les buées qui l'accompagnent là, elle s'écoule dans la partie extérieure d'un tube d'évaporation ( 56) du deuxième effet et elle se condense sur la surface extérieure du tube Après la répétition de ces processus d'évaporation et de condensation, de l'eau pure est finalement prélevée de l'évaporateur (I) par une pompe à eau pure ( 59) depuis un réservoir ( 60) situé à la partie, se trouvant à la température la plus basse, de l'évaporateur (x). Dans ce procédé, on pouvait empêcher que n'apparaisse un dépôt de tartre comprenant Ca CO 3 et Mg(OH)2 sur le tube de pré-chauffage ( 54) et le tube d'évaporation ( 56) par chauffage de l'eau d'alimentation dans l'évaporateur (I), parce que l'eau était soumise à un processus de décarbonatation/dégazage avant de pénétrer dans l'évaporateur (I). Cependant, on ne pouvait pas empêcher l'apparition de tartre formé à partir de Ca SO 4, par le seul traitement de décarbonatation, et, de ce fait, la température maximale de chauffage de l'eau d'alimentation du premier effet était maintenue à 1250 C ou au-dessous, abaissant ainsi les rendements thermiques au niveau de l'évaporateur Lorsque l'eau d'alimentation était chauffée à une température de plus de 1250 c, du tartre comprenant Ca SO 4 précipitait sur les tubes échangeurs de chaleur comme décrit ci-dessus on était contraint d'arrêter temporairement le fonctionnement de l'appareil pour l'éliminer par décapage ou nettoyage mécanique des tubes échangeurs de chaleur, occasionnant ainsi des frais d'entretien élevés. Un évaporateur représenté sur la Figure 3 a été proposé pour tenter de résoudre les problèmes qui se posaient avec l'évaporateur représenté sur la Figure 2 Dans cet appareil, l'eau d'alimentation était introduite dans un équipement d'osmose inverse ( 63) à l'aide d'une pompe ( 62) pour éliminer la plupart des substances ioniques, telles que HCO 3-, Ca 3, Ca++ et 504 susceptibles de former les composants du tartre, avant que l'eau traitée ne soit fournie à l'évaporateur Ainsi, l'appareil présentait un perfectionnement tenant au fait que l'eau d'alimentation pouvait être chauffée à une température se situant au- dessus de 1250 c sans amener du tartre, tel que formé par Ca CO 3, Mg(OH)2 et Ca SO 4, à apparaître sur le tube de pré-chauffage ( 64) et le tube d'évaporation ( 65), et les surfaces d'échange de chaleur de l'évaporateur ( 1) pouvaient être petites, rendant ainsi le condenseur (I) lui-même compact Cependant, étant donné que de très faibles quantités d'H Co 3 et de Co 3 ne pouvaient être éliminées par l'équipement d'osmose inverse ( 63), ces composants restants de HCO 3 et C 03 étaient convertis en dioxyde de carbone gazeux dans l'évaporateur (I) en raison de la décomposition thermique Les ions restants décrits ci-dessus se redissolvaient dans le liquide condensé pendant le processus de condensation de la vapeur d'eau produite dans l'évaporateur (I) sur les surfaces extérieures du tube d'évaporation ( 65) et du tube de pré- chauffage ( 64), diminuant ainsi la résistivité électrique spécifique du liquide condensé et rendant impossible l'obtention d'une eau ultra-pure ayant une résistivité électrique de, par exemple, 17 Mû cm ou davantage à la sortie de l'évaporateur La sédimentation des impuretés sur la surface de la membrane d'osmose inverse ou des détériorations de la membrane en fonction du temps rendaient parfois impossible la réduction des teneurs en HCO 3 et C 03 pour qu'elles se situent au- dessous d'un niveau attendu, ce qui constituait une autre cause de diminution de la résistivité électrique spécifique. La présente invention a pour objectif de proposer un appareil pour la production d'une eau ultra-pure, qui puisse résoudre tous les problèmes de l'état antérieur de la technique. Conformément à l'invention, on propose à cette fin un appareil pour la production d'une eau ultra-pure, caractérisé par le fait qu'un dispositif de décarbonatation/dégazage et un équipement d'osmose inverse pour le pré-traitement de l'eau d'alimentation sont installés en amont d'un évaporateur à effets multiples. L'un ou l'autre du dispositif de décarbonatation/dégazage et de l'équipement d'osmose inverse peut être installé en amont dans l'ordre d'installation. Conformément à l'invention, on propose un procédé pour la production d'une eau ultra-pure, caractérisé par le fait qu'avant d'amener l'eau à l'évaporateur à effets multiples, l'eau d'alimentation est soumise à un traitement de décarbonatation/dégazage pour extraire la plus grande partie des groupes carbonate restant dans l'eau d'alimen- tation, suivi par un traitement d'osmose inverse pour éliminer la plus grande partie de Ca+, SOJ et Mg"+' qui sont les composants du tartre, de l'eau d'alimentation. Un acide est ajouté à l'eau d'alimentation, de préférence, pendant le traitement de décarbonatation/dégazage ou en amont du traitement, pour maintenir la valeur du p H de l'eau à 4 ou au-dessous dans le présent procédé. Dans le présent procédé, un alcali est également ajouté, de préférence, en aval du dispositif de décarbonatation/dégazage et en amont de l'évaporateur à effets multiples, pour maintenir la valeur du p H de l'eau d'alimentation dans une plage de 7 à 8. Le procédé comprenant les étapes décrites ci-dessus présente les caractéristiques ou avantages suivants: étant donné qu'un dispositif de décarbonatation/dégazage pour le pré-traitement de l'eau d'alimentation et un équipement d'osmose inverse sont installés en amont de l'évaporateur à effets multiples, il est possible d'extraire la plus grande partie des groupes carbonate dissous dans l'eau d'alimen- tation à l'aide du dispositif de décarbonatation/dégazage, et d'éliminer la plus grande partie de Ca++, 50 J et Mg, qui sont les composants du tartre, de l'eau d'alimentation, à l'aide de l'équipement d'osmose inverse En conséquence, la re-dissolution du dioxyde de carbone gazeux, qui est provoquée par une décomposition thermique des groupes carbonate dans l'évaporateur, peut être supprimée d'une manière efficace, et une eau ultra-pure, ayant une pureté extrêmement élevée, peut être recueillie. De plus, l'eau d'alimentation peut être chauffée à une température de plus de 1250 c sans être affectée par une sédimentation des substances formant le tartre, telles que le sulfate de calcium ou similaires, rendant ainsi l'évaporateur compact et réduisant les frais d'entretien. Etant donné qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des résines échangeuses d'ions ni de dispositifs de déminéralisation et qu'un petit nombre de dispositifs de traitement sont intégrés dans l'appareil, la structure de l'appareil est simplifiée et, par conséquent, la surveillance du fonctionnement ou l'entretien et l'exploitation du système sont facilités. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, un mode de réalisation donné à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la Figure 1 est un schéma de principe montrant ce mode de réalisation de l'invention; et la Figure 2 et la Figure 3 sont des schémas de principe montrant les exemples de l'état antérieur de la technique. La présente invention est maintenant décrite en détail en référence aux exemples. Sur la Figure 1, de l'eau brute, telle que de l'eau non potable, de l'eau de ville ou similaires, passe à travers un tube échangeur de chaleur ( 12) dans un condenseur ( 1) intégré dans un évaporateur (I), et l'eau est chauffée à une température prédéterminée en recevant une chaleur latente de condensation produite dans un tube d'évaporation ( 7) au niveau du nième effet Une partie de l'eau brute chauffée est amenée dans un dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) en tant qu'eau d'alimentation un acide minéral, l'acide sulfurique par exemple, est ajouté à l'eau d'alimentation en amont du dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) pour maintenir la valeur du p H de l'eau d'alimentation à 4 ou au-dessous La vapeur d'eau nécessaire pour la séparation est introduite à la partie inférieure du dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2), puis s'écoule vers le haut en entrant en contact avec l'eau d'alimentation et sort de l'équipement par la partie supérieure de celui-ci Des ions tels que HCO 3 et C 03 dissous dans l'eau d'alimentation sont présents sous la forme de (H 20 + C 02) parce que la valeur du p H de l'eau est rendue inférieure à 4, et le dioxyde de carbone est extrait par la vapeur d'eau conjointement avec les gaz volatils dissous dans l'eau d'alimentation provenant du dispositif de décarbona- tation/dégazage ( 2), ce qui permet de réduire la teneur en dioxyde de carbone gazeux de l'eau d'alimentation à la sortie du dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) pour que cette teneur se situe à un niveau extrêmement faible. L'eau d'alimentation, extraite du dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) par une pompe ( 3), qui présente une possibilité de corroder les matériaux métalliques constituant l'évaporateur lorsque l'eau intacte est introduite dans l'évaporateur, est amenée dans un équipement d'osmose inverse ( 4) après addition d'un alcali, tel que de l'hydroxyde de sodium, pour porter la valeur du p H de l'eau de 4 à environ 7 à 8 La plupart des ions tels que Ca+ et SO 47, qui sont dissous dans l'eau d'alimentation en tant que composants susceptibles de former le tartre, sont éliminés par l'équipement d'osmose inverse ( 4). L'eau de perméat est amenée dans un tube de pré-chauffage ( 5) pénétrant dans chaque effet de l'évaporateur ( 1), est chauffée en recevant une partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau produite dans un tube d'évaporation d'eau chauffée dans le tube de pré-chauffage ( 5) du premier effet. Finalement, l'eau est introduite dans un séparateur d'eau ( 13) à la partie inférieure du premier effet L'eau d'alimentation du séparateur d'eau ( 13) est mélangée au condensat restant après la production de la vapeur d'eau dans le tube d'évaporation ( 7), et la plus grande partie du liquide mélangé est amenée, par l'intermédiaire d'une pompe de circulation ( 6), dans une chambre supérieure de distribution d'eau ( 15) reliée à la partie supérieure du premier effet L'eau s'écoule vers le bas dans le tube d'évaporation ( 7) installé verticalement, formant un film mince de liquide, et elle s'évapore à une température de plus de 1250 c en recevant la plus grande partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur chauffée provenant de l'extérieur du tube, produisant ainsi de la vapeur d'eau Le condensat, après la production de la vapeur d'eau, descend dans le séparateur d'eau ( 13) et est mélangé à l'eau d'alimentation comme décrit auparavant, et la plus grande partie de l'eau mélangée est envoyée dans la chambre supérieure de distribution d'eau ( 15) par l'intermédiaire de la pompe de circulation ( 6) Le liquide mélangé restant est introduit dans un séparateur d'eau ( 13) au niveau du second effet à travers un orifice de communication ( 14), o le liquide est mélangé au condensat descendant le tube d'évaporation ( 7) de la même manière que celle décrite auparavant La plus grande partie du liquide mélangé décrit ci- dessus est amenée dans la chambre supérieure de distribution d'eau ( 15) à la partie supérieure du second effet. La vapeur d'eau produite dans le tube d'évaporation ( 7) au niveau du premier effet est introduite dans la partie extérieure du tube d'évaporation ( 7) au niveau du second effet par l'intermédiaire d'un séparateur de buées ( 16), la plus grande partie de la buée étant éliminée dans le séparateur de buées ( 16), pour que la teneur en buée accompagnant la vapeur d'eau soit rendue extrêmement faible La plus grande partie de la vapeur d'eau se condense sur la surface extérieure du tube d'évaporation ( 7), et le condensat est introduit dans un collecteur de condensat (non représenté sur la figure) du second effet La vapeur d'eau restante se condense sur la surface extérieure du tube de pré- chauffage ( 5) du second effet, et le condensat est mélangé au condensat provenant du tube d'évaporation ( 7) dans le collecteur de condensat, tous les condensats combinés étant introduits dans un collecteur de condensat du troisième effet. comme décrit ci-dessus, la quantité de dioxyde de carbone gazeux produite dans le tube d'évaporation ( 7) et le tube de pré- chauffage ( 5) est très faible, la re-dissolution du dioxyde de carbone gazeux sur la surface extérieure du tube d'évaporation ( 7) et du tube de pré-chauffage ( 5) est supprimée de manière efficace et, par conséquent, le condensat présent dans le collecteur de condensat est une eau ultra- pure ayant une pureté extrêmement élevée, parce que la plus grande partie des ions de l'eau d'alimentation est éliminée par l'appareil d'osmose inverse ( 4), la plus grande partie des buées qui contiennent des impuretés et qui accompagnent la vapeur produite est éliminée par le séparateur de buées ( 16) et, de ce fait, la vapeur produite est devenue de la vapeur d'eau presque pure, et parce que l'eau d'alimentation est traitée par le dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) pour rendre extrêmement faible la teneur des groupes carboniques dans l'eau d'alimentation. Les processus décrits ci-dessus sont répétés au niveau de chaque effet, et finalement le condensat est recueilli sous la forme d'une eau ultra-pure au moyen d'une pompe à eau ultra-pure à partir du collecteur d'eau ( 11) à la partie inférieure du condenseur ( 1), situé très près du nième effet de l'évaporateur. L'eau d'alimentation est traitée par l'appareil d'osmose inverse ( 4) après avoir été soumise à un traitement par le dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) dans l'exemple Cependant, l'ordre du traitement peut être inversé par rapport à celui décrit ci-dessus. L'injection d'un alcali, tel que l'hydroxyde de sodium, est effectuée dans l'eau d'alimentation avant l'introduction de l'eau d'alimentation dans l'appareil d'osmose inverse, mais l'alcali peut être injecté dans l'eau de perméat. on fait évaporer le liquide circulant en le faisant s'écouler vers le bas sous la forme d'un film liquide sur la surface interne du tube d'évaporation ( 7 > dans l'évaporateur à effets multiples Cependant, l'invention n'est pas limitée par ce procédé, le liquide pouvant s'écouler vers le haut et être évaporé à l'intérieur du tube d'évaporation ( 7) On pourrait mettre en oeuvre un autre évaporateur dans lequel l'eau d'alimentation traitée s'évaporerait en s'écoulant sur la surface extérieure d'un tube échangeur de chaleur horizontal un procédé de thermocompression peut également être adopté dans les évaporateurs à effets multiples. REVENDICATIONS 1 Appareil pour la production d'une eau ultra-pure, caractérisé par le fait qu'il est doté d'un dispositif de décarbonatation/dégazage ( 2) et d'un équipement d'osmose inverse ( 4) pour le pré-traitement de l'eau d'alimentation, en amont d'un évaporateur (I) à effets multiples. 2 Procédé pour la production d'une eau ultra-pure, caractérisé par le fait que la plus grande partie des groupes carboniques dissous dans l'eau d'alimentation est extrait par un traitement de décarbonatation/dégazage avant que celle-ci soit amenée dans l'évaporateur (I) à effets multiples, et que l'eau est soumise à un traitement d'osmose inverse pour éliminer la plus grande partie des composants du tartre, tels que Ca, SOJ et Mg, de l'eau d'alimentation. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un acide est ajouté à l'eau d'alimentation dans le traitement de décarbonatation/dégazage ou en amont du traitement de telle sorte que la valeur du p H de l'eau d'alimentation soit maintenue à 4 ou au-dessous. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'un alcali est ajouté à l'eau d'alimentation en aval du dispositif de décarbonatation/ dégazage et en amont de l'évaporateur (I) à effets multiples, de sorte que le p H de l'eau d'alimentation soit maintenu à une valeur de 7 à 8.