Brevet FR2733698A1 — publié le 19961108

L'invention concerne un dispositif de mise en pression à actionnement liquide pour une installation de dessalement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres par osmose inverse, ainsi qu'une installation de dessalement d'eau de mer par osmose inverse comprenant au moins un tel dispositif. Le dessalement de l'eau de mer ou d'eaux saumâtres s'effectue classiquement par deux types de procédés . les procédés de distillation et les procédés à membranes. Dans tous les cas, ces procédés sont fortement consommateurs d'énergie. En particulier, dans les installations de dessalement par osmose inverse, un volume d'eau salée est soumis à une forte pression dans une chambre de filtration équipée d'une membrane semi-perméable. Les sels sont retenus par la membrane, de sorte que l'eau qui traverse la membrane est purifiée. En deça de la membrane demeure une solution concentrée en sels, qui est destinée à être rejetée. Pour assurer le fonctionnement, il est nécessaire d'amener l'eau à dessaler jusqu'à une pression élevée en amont de la membrane. Cette pression élevée est généralement obtenue au moyen d'une pompe à haute pression dont la consommation en énergie est importante. Un des buts de l'invention est de proposer un dispositif de mise en pression d'eau de mer ou d'eaux saumâtres pour une installation de dessalement de l'eau de mer, qui permette de réduire la consommation d'énergie nécessaire au fonctionnement de l'installation. A cet effet, le dispositif de mise en pression selon l'invention pour une installation de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, installation comprenant un réservoir d'eau de mer ou d'eau saumâtre pré-traitée à dessaler alimentant par un conduit un ensemble filtrant de dessalement par osmose inverse relié à un réservoir de stockage d'eau douce et un réservoir de stockage d'eau sursalée, est caractérisé par le fait qu'il comprend une chambre de mise en pression de forme cylindrique de révolution ou autre, dont une extrémité ouvre sur une section du conduit d'alimentation commandée par deux vannes, et dans laquelle coulisse un piston de mise en pression, et une chambre d'actionnement cylindrique ou autre communiquant par une extrémité avec l'atmosphère, et dans laquelle coulisse un piston d'actionnement, le piston d'actionnement étant solidaire du piston de mise en pression, cet ensemble de pistons étant susceptible de coulisser entre une position vidant la chambre de mise en pression et une position remplissant la chambre de mise en pression, la chambre d'actionnement étant de surface de base supérieure à celle de la chambre de mise en pression, et par le fait que la chambre d'actionnement est surmontée d'une colonne de liquide de façon qu'une pression de liquide soit exercée en permanence sur le piston d'actionnement en vue d'amener l'ensemble des pistons vers leur position vidant la chambre de mise en pression, le piston d'actionnement comportant un moyen de rappel qui peut être commandé pour rappeler l'ensemble des pistons dans la position remplissant la chambre de mise en pression. De préférence, L'ensemble de l'installation est immergée dans un liquide, et de préférence également, la chambre d'actionnement, la chambre de mise en pression et la partie de conduit reliant la chambre de mise en pression à l'ensemble filtrant par osmose inverse sont placées verticalement dans le prolongement l'une de l'autre. Le moyen de rappel du piston d'actionnement est avantageusement un réservoir d'air dit "ballast" à pression variable relié au piston d'actionnement et immergé. Par exemple, le ballast peut être relié par un premier conduit à une source d'air ou de gaz comprimé et par un second conduit à l'atmosphère extérieure, ces conduits étant commandés par des vannes de remplissage et de détente. L'ouverture et la fermeture des vannes amont et aval du conduit d'alimentation et des vannes de remplissage et de détente du ballast sont avantageusement commandées par un automate programmable. Le dispositif permet en outre de récupérer une partie de l'énergie utilisée en disposant une turbine de détente sur le conduit reliant l'ensemble filtrant de dessalement et le réservoir d'eau sursalée, de façon à améliorer le rendement. Une installation de dessalement de l'eau de mer ou d'eaux saumâtres selon l'invention comporte avantageusement au moins un dispositif de mise en pression selon l'invention. Avantageusement, I'installation comprend plusieurs modules de filtration équipés chacun d'un ensemble filtrant et d'un dispositif de mise en pression selon l'invention, les ballasts étant alimentés en série par une même source d'air ou de gaz comprimé pour un fonctionnement successif des dispositifs. On comprendra mieux l'invention à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation effectuée en référence aux dessins accompagnants parmi lesquels la figure 1 est une vue schématique d'une installation de dessalement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres comportant un dispositif de mise en pression selon l'invention, dans une position intermédiaire d'un ensemble de pistons en cours de remplissage d'une chambre de mise en pression la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 dans une position de l'ensemble de pistons remplissant la chambre de mise en pression ; et la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 dans une position de l'ensemble de pistons vidant la chambre de mise en pression. Les figures représentent de manière schématique un exemple de réalisation d'une installation de dessalement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres par osmose inverse équipée d'un dispositif de mise en pression à actionnement liquide selon l'invention. Cette installation comprend un réservoir 1 d'eau de mer ou d'eau saumâtre pré-traitée à dessaler, qui est relié par un conduit d'alimentation 2 à un ensemble filtrant de dessalement par osmose inverse 3, lui-même relié par un conduit 4 à un réservoir de stockage d'eau douce 5 et par un conduit 6 à un réservoir de stockage d'eau sursalée 7. Sur une section 8 du conduit d'alimentation comprise entre deux vannes dites vanne de commande amont 9 et vanne de commande aval 10 est raccordé un dispositif de mise en pression 11 selon l'invention. Ce dispositif de mise en pression 11 comprend une chambre de mise en pression 12 de forme cylindrique de révolution ou autre, disposée verticalement, qui s'ouvre par une extrémité sur la section 8 du conduit d'alimentation 2 entre les vannes 9 et 10, et dans laquelle un piston de mise en pression 13 est susceptible de coulisser entre une position basse vidant la chambre 12 et une position haute remplissant la chambre 12. Le dispositif de mise en pression 11 comprend également une deuxième chambre dite chambre d'actionnement 14, également de forme cylindrique de révolution ou autre, de même hauteur que la chambre de mise en pression 12, disposée verticalement audessus de la chambre de mise en pression 12 et dans le prolongement de cette dernière, et dans laquelle un piston d'actionnement 15 est susceptible de coulisser entre une position basse contre des butées inférieures 16 à proximité du fond de la chambre d'actionnement 14 et une position haute contre des butées supérieures 17. La chambre d'actionnement 14 communique par son fond avec l'atmosphère extérieure par l'intermédiaire d'un conduit de liaison 18. Le piston de mise en pression 13 et le piston d'actionnement 15 sont solidarisés rigidement l'un à l'autre par une tige de liaison 19, qui traverse le fond de la chambre d'actionnement par un orifice 20. Par ailleurs, comme mentionné plus haut, la chambre de mise en pression 12 et la chambre d'actionnement 14 sont de même hauteur. Ainsi, L'ensemble de pistons 13,15 formé par les deux pistons reliés par la tige 19 est mobile entre deux positions extrêmes, une position haute remplissant la chambre de mise en pression 12 et une position basse vidant la chambre de mise en pression 12. La partie du conduit d'alimentation 2 reliant la chambre de mise en pression 12 à l'ensemble filtrant par osmose inverse 3, la chambre de mise en pression 12 elle-même et la chambre d'actionnement 14 sont placées dans le prolongement l'une de l'autre et verticalement, de façon à limiter au maximum les pertes de charges et les efforts latéraux en cours de fonctionnement. La surface du piston d'actionnement 15 est supérieure à la surface du piston de mise en pression 13. Plus précisément, le rapport des surfaces de base des chambres de mise en pression 1 et d'actionnement 14, et donc des pistons correspondants respectivement 13 et 15, est calculé de telle sorte que lorsqu'une pression donnée est exercée sur le piston d'actionnement 15, cette pression soit multipliée par le piston de mise en pression 13 suivant la formule P2 = P1 x (S2/S1) où S1 est la surface du piston d'actionnement 15, P1 est la pression exercée sur ce piston, S2 est la surface du piston de mise en pression 13, P2 est la pression exercée par ce piston sur l'eau salée à dessaler dans la chambre de mise en pression 12, de façon à obtenir la pression d'eau salée souhaitée dans la chambre de mise en pression 12 et à l'entrée de l'ensemble filtrant d'osmose inverse 3. Par exemple, lorsque les chambres 12 et 14 sont des cylindres de révolution, le rapport des pressions est proportionnel au carré du rapport des diamètres. L'ensemble filtrant d'osmose inverse 3 et le dispositif de mise en pression 11 sont, dans l'exemple représenté, immergés dans un volume de liquide 21, par exemple de l'eau, de telle sorte qu'une pression est exercée en permanence par le liquide sur le piston d'actionnement 15, cette pression tendant à ramener le piston 15 contre le fond 16 de la chambre d'actionnement 14, et donc d'actionner le piston de mise en pression 13 vers le bas de manière à vider la chambre de mise en pression 12. En variante, le piston d'actionnement 15 pourrait être surmonté d'une colonne d'eau ou de liquide. La valeur de la pression exercée par le liquide sur le piston d'actionnement 15 est fonction de la hauteur de la colonne de liquide au-dessus du piston d'actionnement 15. Le piston d'actionnement 15 comporte en outre un moyen de rappel constitué par un réservoir d'air dit ballast 22 à pression variable fixé au piston 15 par exemple par des cables 23 en étant également immergé. Le ballast 22 est relié par un conduit de remplissage 24 à une source d'air comprimé 25 et par un conduit de détente 26 à l'atmosphère extérieure, les conduits 24 et 26 étant commandés par des vannes de remplissage 27 et de détente 28. Le fonctionnement du dispositif est le suivant (on pourra suivre un cycle de fonctionnement sur les figures 1 à 3, les vannes ouvertes étant colorées en noir) Dans une première étape, la vanne aval 10 du conduit d'alimentation 2 est fermée, et la vanne amont 9 ouverte. On ouvre la vanne de remplissage 27 de façon à remplir le ballast 22 d'air sous pression. Celui-ci s'élève, entraînant l'ensemble de pistons 13,15, ce qui provoque le remplissage progressif de la chambre de mise en pression 12 par de l'eau salée à dessaler provenant du réservoir d'eau salée 1 (figure 1). Cette étape se poursuit jusqu'à atteindre la position d'extrémité haute de l'ensemble de pistons 13,15, qui correspond au remplissage maximal de la chambre de mise en pression 12. On ferme alors la vanne amont 9 du conduit d'alimentation 2, ainsi que la vanne de remplissage 27 du ballast 22 (figure 2). On ouvre ensuite la vanne aval 10 du conduit d'alimentation 2, et simultanément, on ouvre la vanne de détente 28 de façon à vider le ballast 22. La pression exercée par le liquide sur le piston d'actionnement 15 provoque la descente de l'ensemble de pistons 13,15. Du fait du rapport des surfaces des pistons 13 et 15, cette pression est multipliée, de sorte que la pression exercée par le piston de mise en pression 13 sur l'eau de mer à dessaler à l'entrée de l'ensemble filtrant d'osmose inverse 3 atteint le niveau souhaité adapté au bon fonctionnement de cet ensemble filtrant 3. La descente de l'ensemble de pistons 13,15 se poursuit jusqu'à la position basse vidant la chambre de mise en pression (figure 3). Le dispositif est alors prêt pour un nouveau cycle de fonctionnement. Bien entendu, les différentes étapes du cycle de fonctionnement sont de préférence commandées par un automate programmable (non représenté sur les figures). En sortie de l'ensemble filtrant d'osmose inverse 3, de l'eau douce à une pression faible parvient dans le réservoir de stockage d'eau douce 5 et de l'eau sursalée à une pression élevée parvient dans le réservoir de stockage d'eau sursalée 7. Avantageusement, on peut disposer une turbine 29 sur le conduit 6 d'eau sursalée, de façon à récupérer une partie de l'énergie utilisée et améliorer le rendement. Une pompe de reprise 30 peut être reliée à l'un et l'autre des réesrvoirs 5, 7 de façon à rejeter l'eau sursalée par une buse 31, et diriger l'eau douce vers un réservoir principal d'eau douce 32. On pourra également compenser l'augmentation de pression due à la variation de hauteur de liquide au-dessus du piston d'actionnement 15 au cours de son mouvement en disposant une vanne d'équilibrage (non représentée) entre la chambre de mise en pression 12 et l'ensemble filtrant d'osmose inverse 3. En variante, I'installation pourrait être composée de plusieurs modules de filtrations comportant chacun un ensemble filtrant et un dispositif de mise en pression selon l'invention, les ballasts étant alimentés en série par une même source d'air ou de gaz sous pression. Ainsi, en faisant fonctionner les modules de manière successive, un même volume d'air ou de gaz sous pression peut effectuer le rappel du dispositif de mise en pression sur plusieurs modules à la suite. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en pression à actionnement liquide pour une installation de dessalement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres par osmose inverse, installation comprenant un réservoir d'eau de mer ou d'eau saumâtre à dessaler (1) relié par un conduit d'alimentation (2) à un ensemble filtrant de dessalement par osmose inverse (3) lui-même relié à un réservoir de stockage d'eau douce (5) et un réservoir de stockage d'eau sursalée (7), caractérisé par le fait qu'il comprend une chambre de mise en pression (12) de forme cylindrique, dont une extrémité ouvre sur une section (8) du conduit d'alimentation (2) disposée entre une vanne amont (9) et une vanne aval (10) et dans laquelle coulisse un piston de mise en pression (13) et une chambre d'actionnement (14) cylindrique communiquant par une extrémité avec l'atmosphère, et dans laquelle coulisse un piston d'actionnement (15), le piston d'actionnement (15) étant solidaire du piston de mise en pression (13), cet ensemble de pistons (13,15) étant susceptible de coulisser entre une position vidant la chambre de mise en pression (12) et une position remplissant la chambre de mise en pression (12), la chambre d'actionnement (14) étant de surface de base supérieure à celle de la chambre de mise en pression (12), et par le fait que la chambre d'actionnement (14) est surmontée d'une colonne de liquide de façon qu'une pression de liquide soit exercée en permanence sur le piston d'actionnement (15) en vue d'amener l'ensemble de pistons (13,15) vers la position vidant la chambre de mise en pression (12), le piston d'actionnement (15) comportant un moyen de rappel qui peut être commandé pour rappeler l'ensemble de pistons (13,15) dans la position remplissant la chambre de mise en pression (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est immergé dans un liquide. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la chambre d'actionnement (14), la chambre de mise en pression (12) et la partie de conduit d'alimentation (2) reliant la chambre de mise en pression (12) à l'ensemble filtrant par osmose inverse (3) sont placées verticalement dans le prolongement l'une de l'autre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le moyen de rappel du piston d'actionnement est un réservoir d'air dit ballast (22) à pression variable fixé au piston d'actionnement (15) et immergé. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le ballast (22) est relié par un conduit de remplissage (24) à une source d'air sous pression (25) et par un conduit de détente (26) à l'atmosphère extérieure, ces conduits (24, 26) étant commandés respectivement par une vanne de remplissage (27) et une vanne de détente (28). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'ouverture et la fermeture des vannes amont (9) et aval (10) du conduit d'alimentation (2) et des vannes de remplissage (27) et de détente (28) du ballast (22) sont commandées par un automate programmable. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une turbine de détente (29) est disposée sur le conduit (6) reliant l'ensemble filtrant de dessalement (3) et le réservoir d'eau sursalée (7). 8. Installation de dessalement d'eau de mer caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un module d'osmose inverse équipé d'un dispositif de mise en pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle comprend plusieurs modules d'osmose inverse équipés chacun d'un ensemble filtrant et d'un dispositif de mise en pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, les ballasts étant alimentés en série par une même source d'air ou de gaz comprimé.