Brevet FR2718125A1 — publié le 19951006

La présente invention se rapporte à une nouvelle tour de distillation qui assure, avec une dépense d'énergie minime, un processus de distillation de l'eau qui peut être avantageusement appliqué au dessalement de l'eau de mer, à l'épuration des eaux résiduelles d'installations industrielles, etc.. Les procédés de distillation connus traditionnellement exigent un apport extérieur de chaleur considérable capable d'enlever la température de l'eau à la température d'ébullition à la pression atmosphérique. Même avec les techniques modernes d'évaporation à effets multiples, il est nécessaire d'apporter une quantité de chaleur extérieure suffisante pour élever la température extérieure de l'eau jusqu'à environ 70 C ; en outre, bien qu'on envisage dans ce procédé une efficace récupération de la chaleur de vaporisation avec des techniques de compression mécanique de la chaleur, l'installation nécessaire pour cela est relativement compliquée et coûteuse. Dans l'application au dessalement de l'eau de mer, on connaît des systèmes qui sont compétitifs avec la distillation mais qui ne sont pas basés sur ce processus et sont au contraire fondés sur un processus de filtration par osmose inverse, dans lequel on fait en sorte qu'une membrane semi-perméable soit traversée par de l'eau sous pression qui, pour économiser l'énergie, peut être poussée par l'eau qui ne traverse pas cette membrane. Selon l'invention, la tour de distillation possède, en haut, une chambre d'ébullition au-dessous de laquelle elle est subdivisée verticalement en deux compartiments, l'un pour l'entrée de l'eau et l'autre pour la sortie, qui forment des colonnes d'eau soumises en bas à la pression atmosphérique et, qui fonctionnellement, contiennent des eaux ayant respectivement une faible et une forte concentration en sels et en substances polluantes ; le compartiment d'entrée présente, en bas, une vanne d'entrée unidirectionnelle, il renferme intérieurement le serpentin de condensation, ou condenseur et, en haut, il est en communication avec ledit compartiment de sortie à travers une turbine génératrice d'énergie électrique, installée au-dessous du niveau de travail de l'eau dans le compartiment de sortie ; ce compartiment de sortie est fermé en bas par une vanne bidirectionnelle, il possède une grande surface de communication directe avec ladite chambre d'ébullition et il est en communication par un trop-plein avec ledit compartiment d'entrée ; le condenseur a son entrée supérieure en communication avec ladite chambre d'ébullition à travers un compresseur de vapeur qui, à sa sortie, comporte une pompe d'entraînement qui envoie le distillat à travers une vanne unidirectionnelle à un conduit collecteur muni d'un robinet de purge ; et il est prévu un circuit d'amorçage qui communique, au moyen d'une pompe correspondante et à travers un robinet d'amorçage, avec la partie supérieure de ladite chambre d'ébullition, et est complété par le compresseur, le condenseur, la pompe d'entraînement, le conduit collecteur et le robinet de purge. Avec cette constitution, une fois exécuté l'amorçage et lorsque la pompe d'amorçage est arrêtée et que lesdits robinets d'amorçage et de purge sont fermés, les vannes inférieures d'entrée et de sortie étant elles aussi fermées, lorsqu'on ouvre la vanne bidirectionnelle de sortie, il se produit dans le compartiment de sortie la descente correspondante de la colonne d'eau jusqu'à équilibrer la pression atmosphérique existant au niveau extérieur de l'eau, en établissant ainsi un niveau de travail de l'eau qui est situé au-dessus de ladite turbine et au-dessous dudit compresseur, en même temps qu'à partir dudit niveau de travail, est définie ladite chambre d'ébullition dans laquelle règne une basse pression, inférieure à la tension de vapeur de liteau. Comme on l'a exposé dans les deux paragraphes ci-dessus, la caractéristique essentielle de l'invention réside dans la formation de ladite chambre d'ébullition, où la pression descend très au-dessous de la tension de vapeur de l'eau ce qui, en vertu de principes physiques universellement connus, déclenche un processus d'évaporation dans lequel la chaleur nécessaire est prise sur la colonne d'eau qui reste à l'état liquide dans le compartiment de sortie, et qui se refroidit, et de sorte qu'il n'est nécessaire de procéder à aucun apport de chaleur. La vapeur d'eau produite gagne le serpentin, où elle se condense, en cédant de la chaleur à la colonne d'eau du compartiment d'entrée ; ce processus est forcé par l'action du compresseur installé à l'entrée du serpentin, ce qui permet d'accélérer le phénomène de formation de vapeur en maintenant la pression de la chambre d'ébullition à des valeurs suffisamment basses pour que la vitesse de vaporisation et, en conséquence, le débit fourni par la tour, soient élevés. Les phénomènes simultanés de refroidissement de l'eau dans le compartiment de sortie et de chauffage de l'eau dans le compartiment d'entrée donnent naissance à un courant de convection du deuxième compartiment vers le premier qui, en faisant tourner la turbine de production d'énergie électrique, assure dans les conditions initiales l'accès de l'eau au compartiment d'entrée dans les conditions initiales et l'expulsion de l'eau par le compartiment de sortie de l'eau à une température plus basse et avec une plus grande concentration de sel et/ou de substances polluantes ; dans chaque cas, cette eau expulsée conserve des conditions de température et de salinité et évite la cristallisation des sels dissous. L'énergie électrique engendrée par la turbine peut être suffisante pour actionner le compresseur de vapeur et pour élever le distillat résultant au niveau nécessaire pour sa distribution, ceci dépendant logiquement du type de compresseur utilisé et du niveau de distribution qu'on cherche à obtenir. En ce qui concerne le type de compresseur à utiliser, on peut se contenter d'un ventilateur à ailettes ou d'un compresseur centrifuge à un étage mais, lorsqu'on désire atteindre un niveau de distribution plus élevé, on peut utiliser un compresseur à haute compression, et sa puissance additionnelle serait mise à profit pour atteindre le niveau élevé précité. Selon une autre caractéristique de l'invention, le serpentin de condensation est composé d'une pluralité de branches horizontales réunies successivement entre le compresseur et la pompe d'entraînement, et par une pluralité de fins tubes verticaux qui s'étendent entre chaque branche horizontale et la branche de sortie du serpentin. Cette disposition a pour effet qu'au fur et à mesure qu'elles se condensent, les gouttes distillées abandonnent rapidement leur branche horizontale et atteignent la branche de sortie du condenseur ; de cette façon, le processus est plus rapide, du fait que la surface de condensation des branches horizontales n'est pas diminuée par la présence des gouttes et, en même temps, le distillat atteint la sortie du condenseur avec une certaine vitesse qui est mis à profit pour gagner de la hauteur en conservant la même pompe de sortie, ou pour permettre d'utiliser une pompe de plus faible capacité et moins coûteuse ou encore pour lui imposer un taux de travail plus faible. Une application typique consiste à obtenir de l'eau distillée à partir d'eaux provenant de ressources naturelles, qu'il s'agisse d'eaux douces ou qu'il s'agisse de désaliniser des eaux marines. Dans chaque cas, lorsqu'il s'agit de fournir de petits débits d'eau distillée, la tour peut être construite de façon modulaire, les compartiments d'entrée étant des tubes isolants thermiques qui contient intérieurement le condenseur et les compartiments de sortie étant des tubes, par exemple, en acier, et la chambre d'ébullition étant portée par des piliers en béton, ou par une structure métallique dans laquelle les autres constituants sont assemblés. Lorsqu'il s'agit de fournir de grands débits d'eau distillée, il conviendra de construire un ouvrage de génie civil comprenant une batterie de serpentins en parallèle. Une autre application typique consiste à distiller des eaux résiduelles de processus industriels, ce qui, au lieu de contaminer les cours d'eau et les mers, permettrait de réutiliser l'eau dans la majeure partie des cas et, en tout cas, de contrôler le déversement des résidus contaminants existants à l'entrée de la tour de distillation. Pour cela, on a prévu une variante de l'invention consistant en ce que les deux compartiments sont mis en communication en un point quelconque au-dessus de leur fond et au-dessus du niveau de l'eau extérieure ; de sorte qu'en maintenant fermée la vanne bidirectionnelle inférieure du compartiment de sortie, il s'établit une recirculation de ce compartiment de sortie au compartiment d'entrée, qui permet d'obtenir de nouveaux processus de distillation qui accroissent la concentration de sels et de substances polluantes dans le compartiment de sortie, en même temps que ceci favorise la décantation des boues sur le côté intérieur de la vanne de sortie, en permettant ainsi de procéder à une évacuation périodique contrôlée de ces boues à travers cette vanne de sortie. D'autres aspects d'applications dont il faut tenir compte consistent dans la possibilité de tirer parti de l'énergie de la chaleur du soleil pour augmenter le rendement du processus, auquel cas on doit chercher à donner au serpentin une orientation au Sud, et installer des panneaux vitrés pour le compartiment d'entrée. Dans l'applications au dessalement de l'eau de mer, les changements de pression résultants de la houle et des marées peuvent être mis à profit pour accélérer le processus de distillation. Lorsqu'il existe des marées, il faut étudier la hauteur que la chambre d'ébullition devrait posséder pour que le niveau de l'eau et la pression de la vapeur soient appropriés pour que le processus de distillation ne s'interrompe pas. I1 est aussi possible d'installer la tour dans une enceinte isolée par des digues qui maintiennent constant le niveau de l'eau extérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation qui montre schématiquement une tour de distillation réalisée selon l'invention et à l'état de travail la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, mais qui correspond à la version réalisée sous la forme d'un ouvrage de génie civil la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 mais qui montre la variante comportant une communication intérieure, qui est de préférence applicable aux eaux résiduelles des processus industriels. La tour selon l'invention comprend : le compartiment d'entrée 2, fermé en bas par la vanne unidirectionnelle 4 et mis en communication en haut avec le compartiment de sortie 3 qui, de son côté, est fermé en bas par la vanne bidirectionnelle 5 ; la chambre d'ébullition 1, qui est mise en communication avec le compartiment de sortie 3 à travers une grande surface de vaporisation 18 et qui, dans sa partie haute, possède un robinet 13 d'arrivée pour l'eau d'amorçage et une sortie de vapeur menant au compresseur de vapeur 7 un serpentin 6 qui est relié, en haut, à la sortie de compresseur de vapeur 7 et, en bas, à l'entrée de la pompe d'entraînement et de sortie 8 qui, à travers la vanne unidirectionnelle 10, élève le distillat par le conduit collecteur 9 équipé du robinet de purge 14 ; une turbine de production d'énergie électrique 11 formant le passage allant du compartiment d'entrée 2 au compartiment de sortie 3, et une pompe d'amorçage 12. Pour mettre la tour en marche, il faut tout d'abord procéder à l'amorçage, ce pourquoi on ouvre lesdites vannes inférieures d'entrée 4 et de sortie 5 et l'eau pénètre dans le compartiment d'entrée 2 et de sortie 3, jusqu'à atteindre le niveau extérieur 15 ; à ce moment, on ferme les vannes 4, 5 et on ouvre les robinets d'amorçage 13 et de purge 14 et on met la pompe d'amorçage 12 en marche ; le compartiment de sortie 3 poursuit son remplissage jusqu'à ce qu'on atteigne le niveau où commence le transvasement dans le compartiment d'entrée 2 et, lorsque ce dernier est plein, on complète le compartiment de sortie 3 et la chambre d'ébullition 1 puis, lorsqu'on a atteint la sortie dirigée vers le compresseur de vapeur 7, le serpentin 6 se remplit et, à travers la pompe d'entraînement 8 et le tube collecteur 9, l'eau finit par sortir par le robinet de purge 14, ce qui marque la fin de l'amorçage. Une fois que l'amorçage a été exécuté, il faut passer au stade opératoire. Pour cela, en maintenant le robinet de purge 14 encore ouvert jusqu'à ce que toute l'eau d'amorçage qui remplit le compresseur 7, le serpentin 6, la pompe d'entraînement 8 et le conduit collecteur 9 sorte, et que le distillat commence à sortir ; on ouvre les vannes d'entrée et de sortie 4 et 5, de sorte que, dans le compartiment de sortie 3, la colonne d'eau descend jusqu'à un niveau de travail 18 qui équilibre la pression atmosphérique extérieure à ce moment, la chambre d'ébullition 1 se forme, où il faut qu'il se produise un vide, et, lorsque la pression tombe audessous de la pression de vapeur de l'eau, commence le processus de vaporisation précité, lequel prend la chaleur nécessaire sur l'eau qui reste liquide, laquelle se refroidit.; la vapeur d'eau produite est comprimée dans le compresseur 7, atteint le serpentin 6, se condense dans les branches horizontales 6a et le distillat descend sans arrêt par les fins tubes verticaux 6b, jusqu'à atteindre la pompe d'entraînement 8 qui, à travers la vanne unidirectionnelle 10, élève ce distillat par le conduit de sortie 9, lequel envoie ce distillat au niveau exigé pour l'application, après que l'eau d'amorçage a été expulsée par le robinet de purge 14 et que le distillat commence à sortir par ce robinet, on ferme le robinet de purge 14. Schématiquement, les figures 1 et 3 illustrent la version de type modulaire, que l'on estime la plus adéquate pour le cas de la distillation de l'eau lorsqu'on demande de faibles débits ; au contraire, sur la figure 2, on a représenté la version d'implantation fixe comportant un ouvrage de génie civil 17 et qui est prévue pour le cas où l'on exige de grands débits de production. Pour l'application au traitement des eaux résiduelles provenant de processus industriels et qui entraînent des substances polluantes, l'invention adopte la forme essentielle représentée sur la figure 3, dans laquelle on a établi la communication inférieure 16 qui, lorsque la vanne de sortie 5 est fermée, détermine une recirculation du débit qui descend dans le compartiment de sortie 3, débit qui s'incorpore au nouveau débit d'entrée qui entre par la vanne d'entrée 4 et subit des processus successifs de vaporisation en même temps que, sur le côté intérieur de la vanne de sortie 5, se décantent les boues 19 de substances polluantes qui pourront être extraites périodiquement de façon contrôlée, en évitant le rejet arbitraire de ces substances dans les cours d'eau et les mers. Sur les dessins, on a réservé les flèches noires en trait gras à l'indication du courant de convection qui est engendré dans le processus tandis que la flèche blanche indique la sortie du distillat. Bien entendu, diverses modifications et variantes pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Tour de distillation d'eau à basse pression, caractérisée en ce qu'elle possède, en haut, une chambre d'ébullition (1) au-dessous de laquelle elle est subdivisée verticalement en deux compartiments, l'un (2) pour l'entrée de l'eau et l'autre (3) pour la sortie, qui forment des colonnes d'eau soumises en bas à la pression atmosphérique et, qui fonctionnellement, contiennent des eaux ayant respectivement une faible et une forte concentration en sels et en substances polluantes ; le compartiment d'entrée (2) présente, en bas, une vanne d'entrée unidirectionnelle (4), il renferme intérieurement le serpentin de condensation, ou condenseur (6) et, en haut, il est en communication avec ledit compartiment de sortie (3) à travers une turbine génératrice d'énergie électrique (11), installée au-dessous du niveau de travail de l'eau (18) dans le compartiment de sortie (3) ; ce compartiment de sortie (3) est fermé en bas par une vanne bidirectionnelle (5), il possède une grande surface (18) de communication directe avec ladite chambre d'ébullition (1) et il est en communication par un trop-plein avec ledit compartiment d'entrée (2) ; le condenseur (6) a son entrée supérieure en communication avec ladite chambre d'ébullition (1) à travers un compresseur de vapeur (7) qui, à sa sortie, comporte une pompe d'entraînement (8) qui envoie le distillat à travers une vanne unidirectionnelle (10) à un conduit collecteur (9) muni d'un robinet de purge (14) ; et il est prévu un circuit d'amorçage qui communique, au moyen d'une pompe correspondante (12) et à travers un robinet d'amorçage (13), avec la partie supérieure de ladite chambre d'ébullition (1), et est complété par le compresseur (7), le condenseur (6), la pompe d'entraînement (8), le conduit collecteur (9) et le robinet de purge (14). 2. Procédé de distillation d'eau à basse pression utilisant la tour selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après l'exécution de l'amorçage et l'arrêt de la pompe d'amorçage (12) et avec les robinets d'amorçage (13) et de purge (14) fermés, lesdites vannes inférieures d'entrée (4) et de sortie (5) étant encore fermées, il se produit à l'ouverture de la vanne bidirectionnelle de sortie (5), une descente de la colonne d'eau dans le compartiment de sortie (3), jusqu'à équilibrer la pression atmosphérique qui existe au niveau extérieur de l'eau (15) en établissant ainsi un niveau de travail (18) de l'eau qui se trouve audessus de ladite turbine (11) et au-dessous dudit compresseur (7) en même temps qu'à partir de ce niveau de travail (18) est définie ladite chambre d'ébullition (1) soumise à une basse pression, inférieure à la tension de la vapeur de l'eau. 3. Procédé de distillation d'eau à basse pression utilisant la tour selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre d'ébullition (1) à basse pression est occupée par de la vapeur d'eau qui, en prenant la chaleur de vaporisation sur la surface (18) de la colonne d'eau qui reste liquide dans le compartiment de sortie (3), cette vapeur d'eau se dégage spontanément avec refroidissement de l'eau qui reste liquide et, avant qu'on atteigne une pression équivalente à la tension de vapeur d'eau, cette vapeur atteint ledit compresseur (7) qui la comprime et la refoule à travers le condenseur (6), d'où le distillat obtenu est envoyé au conduit collecteur (9) par ladite pompe d'entraînement ou de sortie (8). 4. Procédé de distillation d'eau à basse pression utilisant la tour selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en même temps que se produit ledit refroidissement de la colonne d'eau du compartiment de sortie (3), la colonne d'eau du compartiment d'entrée (2) élève sa température en prenant la chaleur de condensation cédée par le condenseur (6), de sorte qu'il s'établit ainsi un courant de convection qui favorise l'entrée de l'eau dans le compartiment d'entrée (2) et la sortie dans le compartiment de sortie (3), et qui fait fonctionner la turbine (11) de production d'énergie électrique. 5. Tour de distillation d'eau à basse pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits compartiments d'entrée (2) et de sortie (3) ont une communication basse (16) en un lieu situé un peu audessus de leur fond et au-dessus du niveau de l'eau extérieure (15). 6. Procédé de distillation d'eau à basse pression utilisant la tour selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lorsque la vanne bidirectionnelle inférieure (5) du compartiment de sortie (3) est fermée, il s'établit une recirculation de ce compartiment de sortie (3) au compartiment d'entrée (2), qui permet de nouveaux processus de distillation qui accroissent la concentration des sels et substances polluantes dans le compartiment de sortie (3), en même temps que ceci favorise la décantation de boues sur le côté intérieur de la vanne de sortie (5), en permettant ainsi une évacuation périodique de ces boues à travers ladite vanne de sortie (5). 7. Tour de distillation d'eau à basse pression selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisée en ce que ledit serpentin de condensation (6) est composé d'une pluralité de branches horizontales (6a) réunies successivement entre le compresseur (7) et la pompe d'entraînement (8), ainsi que d'une pluralité de fins tubes verticaux (6b) qui s'étendent entre chaque branche horizontale (6a) et la branche de sortie du serpentin (6).