Brevet FR2795141A1 — publié le 20001222

Pompe à pistons, procédé et installation de filtration d'eau La présente invention a pour objet un procédé et une installation de filtration d'un liquide utilisant un dispositif de filtration à membrane. Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication de dispositifs de filtration, en particulier de dispositifs à membrane semi-perméable. La présente invention est plus particulièrement relative à un proc e et un dispositif de dessalement d'eau de mer ou d'eau éd' à 1 A 'd's 1 saumatre par osmose inverse, et aux proce e et dispositifs d'ultrafiltration d'un liquide tel que de l'eau, pour fournir une eau apte à la consommation humaine et/ou de l'eau d'irrigation par exemple. La demande internationale WO 96/34678 (MARINZET) décrit une installation de dessalement d'eau de mer qui comprend un module d'osmose inverse équipé d'un dispositif de pompage, qui comporte des pistons de pompage d'eau aptes à coulisser dans une chambre de pressurisation, un multiplicateur d'effort et un dispositif d'entrainement d'un piston du multiplicateur d'effort, selon un mouvement de translation alternatif, et qui comporte un ballast immergé dans un fluide ; afin de récupérer une partie de l'énergie de pompage, une turbine peut être installée sur le conduit d'eau sursalée. Un inconvénient des installations de filtration d'eau de mer en vue de leur dessalement est le rendement faible de ces installations l'énergie consommée pour obtenir un mètre cube d'eau dessalée est de l'ordre de 5 à 10 kWh ; dans le cas où l'on utilise une turbine, telle e e qu une turbine de type PELTON , pour r'cup'rer l'énergie de l'eau sursalée produite, le rendement de ce genre de turbine est faible et le rendement global de l'installation est peu amélioré ; en outre, de telles installations équipées de pompes et de turbines rotatives sont d'un coût élevé, et d'une fiabilité et d'une durée de vie relativement faibles. Dans les installations de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, on délivre l'eau à traiter à l'entrée du dispositif de filtration, à une pression d'entrée qui est supérieure à la pression osmotique de l'eau ; généralement, étant donné que la pression osmotique de l'eau salée est de 25 bars, la pression d'alimentation en eau à l'entrée du filtre est au moins égale à 25 bars, par exemple de l'ordre de 30 à 100 bars, en particulier de l'ordre de 60 à 80 bars ; on récupère en sortie du filtre un concentrat d'eau dite sursalée #> d'une part, et un perméat d'eau dessalée (qui est à une pression voisine de la pression atmosphérique) d'autre part ; la pression du concentre en sortie du filtre est généralement peu inférieure à la pression d'alimentation d'eau à dessaler, par exemple inférieure à celle-ci d'une valeur de l'ordre de 1 à 5 bars, étant donné que la chute de pression dans le filtre est faible. Dans les installations de filtration moins poussée, notamment dans les installations de nanofiltration pour le traitement d'eau saumâtre par exemple, on alimente le filtre en eau à traiter à une pression par exemple de l'ordre de 10 bars, et on récupère un concentre a une pression qui est par exemple de l'ordre de 4 à 8 bars. Le brevet US 3,825,122 décrit un dispositif de pompage pour la filtration d'un fluide par osmose inverse ; le dispositif comporte plusieurs cylindres alignés qui délimitent une chambre principale de pompage du fluide, une chambre d'appoint ( booster ) servant à la récupération de l'énergie du concentre, et une chambre hydraulique pour l'actionnement du dispositif par un fluide hydraulique pressurise par une pompe ; chaque chambre est munie d'un piston mobile en translation alternative sous l'action d'une tige de piston qui est commune à tous les pistons ; bien que l'objectif annoncé dans ce document soit de maintenir un débit constant de fluide pressurisé, le système d'inversion du sens de déplacement de la tige par des capteurs de fin de course commandant des distributeurs placés sur les conduits raccordés aux chambres, ne permet pas d'assurer un débit continu ; c'est vraisemblablement la raison pour laquelle ce dispositif, comme tous les systèmes de pompe à piston, n'a pas connu de développement industriel effectif pour la filtration par osmose inverse. Les membranes sont en effet extrêmement sensibles aux variations de pression qui provoquent leur colmatage ou leur rupture. Un objectif de la présente invention est de proposer un procédé et une installation de filtration de liquide qui soient améliorés. Un objectif de la présente invention est d'améliorer le rendement global de ces procédés et installations de filtration. Selon un premier aspect, l'invention consiste à proposer un dispositif de pompage comportant trois pistons et un arbre coulissant commun de transmission d'efforts, chacun des pistons étant mobile en translation alternative dans une chambre cylindrique respective, les trois chambres étant alignées (selon l'axe longitudinal de l'arbre, qui correspond à l'axe de translation des pistons), dans lequel deux pistons d'extrémité (identiques), servent chacun d'une part à la compression du liquide à filtrer et d'autre part à la récupération d'énergie du concentrat, et sont de préférence respectivement disposes aux deux extrémités longitudinales de l'arbre ; le troisième piston - dit moteur - (de plus petit diamètre) est fixé sur l'arbre et disposé à égale distance des deux extrémités de l'arbre ; ainsi, chacune des deux chambres d'extrémité (appelées chambres communes) dans lesquelles se déplacent respectivement les deux pistons d'extrémité, est divisée en deux portions ou cavités (de volume variable selon la position du piston) séparées par le piston : une première portion de chaque chambre, dans la partie centrale de laquelle coulisse une partie de l'arbre, est raccordée au filtre à membrane pour recevoir le concentrat (eau sursalée) ; une deuxième portion de chaque chambre est raccordée aux conduits de liquide à filtrer (eau salée). La chambre centrale dans laquelle se déplace le piston moteur est raccordée aux conduits d'alimentation et d'échappement du fluide hydraulique (moteur), de préférence constitué par de l'huile. Le dispositif selon l'invention présente des avantages chacun des pistons d'extrémité, qui est en contact par une première (face avant) de ses deux faces avec le fluide à filtrer et qui est en contact par une deuxième (face arrière) de ses deux faces avec le concentrat sortant du filtre, est soumis à des contraintes mécaniques faibles, étant donné la faible différence de pression existant entre ces deux liquides ; en outre cette faible différence de pression ne nécessite pas d'équiper le piston de garnitures (segments) d'étanchéité complexes et coûteux ; en tout e fa* A 'tat de cause, une légère fuite est par itement tolérable pour cette garniture - contrairement au dispositif décrit dans le brevet US 3,825,122, aucune portion d'arbre ne s'étend à l'extérieur des chambres, ce qui diminue le nombre de garnitures d'étanchéité et par conséquent le risque de fuite ; en outre cela simplifie grandement l'usinage et le montage des pièces fixes et mobiles en diminuant le nombre d'orifices (paliers) de passage de l'arbre - qui doivent être parfaitement alignés ceci diminue également les efforts de frottement de l'arbre et du piston et augmente le rendement. La structure du dispositif permet en outre de réduire les contraintes mécaniques appliquées à l'arbre ; cette structure permet l'utilisation de chambres allongées, en particulier dont le rapport de la longueur au diamètre est supérieur ou égal à 5, par exemple voisin de 10 a 20 ; cette forme allongée (tubulaire) facilite la réalisation des corps (délimitant les chambres) qui doivent résister à des hautes pressions ceci contribue également à l'obtention d'un débit continûment variable ou constant, pour éliminer (et/ou diminuer notablement) des surpressions transitoires (en fin de course), notamment par un contrôle facilité de la vitesse des pistons - (et par conséquent de l'arbre commun). Ces avantages sont augmentés lorsque les deux pistons d'extrémité ne sont pas liés mécaniquement aux extrémités de l'arbre coulissant, ou bien sont liés à celui-ci par des moyens de liaison autorisant un déplacement (relatif) de chaque piston par rapport à l'arbre , selon au moins un axe ; en particulier, la liaison peut être constituée par une rotule ou un cardan, autorisant une rotation relative selon au moins un axe transversal (par exemple perpendiculaire à l'axe longitudinal), par un palier autorisant une translation relative selon l'axe longitudinal, ou bien par une combinaison de ces moyens de liaison. Dans le cas où ces deux pistons ne sont pas liés à l'arbre, ils présentent - ainsi que l'arbre - une face de contact (d'appui) sur l'extrémité de l'arbre : pendant le refoulement de l'eau à filtrer sous haute pression, l'arbre transmet au piston d'extrémité par cette face l'effort qu'exerce le fluide moteur sur le piston central ; pendant le remplissage de la chambre d'extrémité par des moyens (pompe) de gavage sous une basse pression, le piston d'extrémité "suit" l'extrémité d'arbre en restant à son contact par cette face d'appui, sous l'effet- de la pression (faible) que l'eau à filtrer exerce sur sa première face (face avant) ; dans ce cas, des moyens de guidage en coulissement du piston dans la chambre, sont de préférence intégrés à la périphérie du piston d'extrémité. Conformément à une des caractéristiques préférées de l'invention, le rapport de la section transversale (par référence à l'axe longitudinal commun des chambres et de l'arbre) de ladite deuxième portion de la chambre d'extrémité à la section de ladite première portion de la chambre d'extrémité, est en proportion avec le taux de conversion du filtre, qui est généralement de l'ordre de 20 à 50% ; le diamètre de l'arbre peut être choisi afin de respecter cette proportion. Selon une autre caractéristique, les deux chambres d'extrémités sont identiques et symétriques par rapport à la chambre centrale recevant le piston (moteur) mû par le fluide hydraulique ; les conduits de raccordement de la pompe au filtre sont également sensiblement symétriques. Selon un autre aspect, une installation de filtration d'eau (de mer) comporte au moins deux dispositifs tels que ci-dessus, qui sont raccordés en parallèle en entrée et en sortie, dont le fonctionnement est maintenu déphasé et dont les vitesses sont commandées pour assurer un débit (cumulé pour les différents dispositifs) de liquide admis en entrée et de liquide pressurisé en sortie, qui sont sensiblement constants. De préférence l'installation comporte deux dispositifs identiques, dont les arbres sont mus avec une vitesse et un déphasage variables au cours d'un cycle, la différence de phase étant non nulle, ni égale à 180', la somme des valeurs absolues des vitesses des deux arbres étant sensi 'blement constante au cours du temps. Etant donné que les deux chambres de compression de fluide à filtrer de chaque dispositif fonctionnent, par construction, en opposition de phase, l'adjonction d'un deuxième dispositif en parallèle avec le premier et dont le déplacement de l'arbre est par exemple déphasé (avec le déplacement de l'arbre du premier dispositif) d'une valeur comprise entre 10 et 170 degrés, permet d'éviter un passage a zéro du débit de fluide à\ filtrer qui interviendrait - en présence d'un seul dispositif - lorsque l'arbre (et les trois pistons associés) du dispositif unique arriverait en fin de course. Selon une caractéristique préférée, on accélère a\ cet effet un premier des deux arbres lorsque le deuxième arbre s'arrête en fin de course (point mort) ; en outre, de préférence, la portion de chambre d'extrémité est raccordée 'a une source de fluide sous pression afin de permettre la pressurisation par ce fluide (externe) de l'eau aspirée par le piston (et/ou refoulée par une pompe amont de gavage) dans cette portion de chambre, jusqu'à la pression normale d'alimentation du filtre, afin d'éviter une chute (temporaire) de la pression à l'entrée du filtre, lors de la mise en communication de cette portion de chambre avec l'entrée du filtre ; cette pressurisation temporaire est effectuée lorsque le piston correspondant est en fin de course (point mort) suite au remplissage de cette portion ; a cet effet, cette portion de chambre est momentanément isolée des circuits d'aspiration et de refoulement Selon un mode préférentiel de réalisation, on utilise en outre l'eau sursalée (concentre) pour refroidir l'huile hydraulique de propulsion, par passage dans un échangeur thermique. Selon d'autres caractéristiques préférées de l'invention - on choisit des chambres tubulaires de diamètre situé dans une plage allant de 50 à\ 1000 mm, en particulier de 100 à 600 mm ; - on maintient la vitesse de pointe des arbres et pistons a une valeur située dans une plage allant 0,1 mètre par seconde à 10 mètres par seconde, de préférence de 0,3 mètre par seconde à 5 mètres par seconde ; - on provoque l'arrêt des arbres et pistons a\ chaque extrémité des chambres (point mort haut et bas ) pour réaliser une étape de pressurisation pendant une durée dont le rapport à la période du mouvement de l'arbre est situé dans une plage allant de 0,005 a\ 0,05, en particulier voisin de 0,01 - on uti "lise un arbre creux pour réduire e 1 l'inertie 1 1 de l'équipage e mobile et les frottements sur les paliers. Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure a\ l'autre. La figure 1 illustre schématiquement une installation de dessalement d'eau de mer comportant deux dispositifs identiques de pompage ; les figures 2 et 3 illustrent la même installation dans deux états différents du cycle de pompage. La figure 4 est un histogramme de la vitesse de l'arbre de chacune des pompes des figures 1 à 3, qui montre les variations de ces vitesses au cours d'un cycle. La figure 5 illustre de la même manière qu'aux figures 1 à 3, une installation similaire où des électrovannes deux voles sont utilisées à\ la place des distributeurs des figures 1 à 3. La figure 6 illustre schématiquement des moyens de pressurisation de la chambre d'aspiration de la pompe. L'installation 1 est destinée a\ dessaler de l'eau délivrée en entrée 2 par une pompe - dite de gavage - (non représentée) sous une pression de 3 à 4 bars ; à cet effet l'eau salée est pressurisée par chacun des deux dispositifs de pompage identiques 3, 4 a\ une pression de 70 bars et délivrée par des conduits 5 à l'entrée 6 du filtre 7 à osmose inverse ; l'eau douce obtenue est évacuée en 8 tandis que l'eau sursalée sortant en 9 du filtre 7, sous une pression de 69 bars, est transportée vers les pompes 3, 4 par des conduits 10 ; ce fluide transmet dans la pompe son énergie à l'eau de mer à filtrer et est évacué en il sous une pression de 1 bar. L'appoint d'énergie nécessaire à la pressurisation de l'eau de mer à filtrer jusqu'à 70 bars, est fourni à chaque pompe 3, 4 par une centrale hydraulique 12 qui délivre en sortie 13 un débit d'huile sous une pression et un débit sensiblement constants ; l'huile est acheminée aux pompes par un conduit 14 et revient à la bâche de la centrale par un conduit 15. Par référence à la figure 1 en particulier, chacune des pompes 3, 4 comporte : - un corps 16 qui délimite trois cavités cylindriques 18a, l8b d'une part, l9a, 19b d'autre part, et 20a, 20b d'une troisième part ; ces trois cavités tubulaires alignées selon l'axe 17 sont séparées par deux cloisons 21, 22 percées d'un orifice équipe d'un palier muni de joints d'étanchéité ; et un arbre 23 creux s'étendant selon l'axe 17 et portant trois pistons 24, 25, 26 ; l'arbre est monté coulissant en translation (selon les flèches 28) dans les paliers équipant les cloisons 21, 22 ; le milieu de l'arbre 23 est équipé d'un piston 25 qui peut coulisser dans la chambre centrale 19a, l9b sous l'effet de la pression qui est appliquée sur l'une de ses faces par l'huile introduite, selon le sens de déplacement souhaité, dans la portion l9a ou au contraire dans la portion 19b, en fonction de la position du distributeur 27 reliant cette chambre aux conduits 14, 15 ; le piston 24 sépare les portions l8a et l8b d'une première chambre d'extrémité tandis que le piston 26 sépare les portions 20a et 20b de la deuxième chambre d'extrémité ; la configuration géométrique de l'équipage mobile est symétrique par rapport à un plan transversal médian, de même que pour la configuration des chambres du corps 16. Dans l'état représenté figure 1, le mouvement (selon la flèche 28) du piston 24 de chaque pompe 3, 4 provoque le refoulement à 70 bars de l'eau à filtrer présente dans la cavité 18a de chaque pompe, dans les conduits 5, par l'intermédiaire d'un distributeur 29, 50, jusqu'au filtre 7 ; simultanément, l'eau à filtrer remplit la cavité 20b d'extrémité de chaque pompe, en s'écoulant dans les conduits 30, 31, 32 ; l'énergie nécessaire à la compression de l'eau dans la cavité 18a, par la face 24a du piston 24, est fournie pour partie par le concentre pénétrant dans la cavité 18b et délivré par le conduit 10 et les distributeurs 51, 52, la pression de ce concentre s'exerçant sur la deuxième face 24b du piston 24, et pour partie par l'effet de poussée sur le piston 25 par l'huile pénétrant dans la chambre 19b en provenance de la centrale 12, lequel effort est transmis au piston 24 par l'arbre 23. Le contrôle et la commande du module et du sens de la vitesse de déplacement des deux arbres s'effectue par la commande de variation de position (et/ou d'état) des deux distributeurs hydrauliques 27 respectivement associée aux deux pompes 3, 4. Cette régulation peut être commandée électriquement ou hydrauliquement par des moyens usuels non représentés. Dans la position des distributeurs 27 illustrée figure 1, l'huile refoulée dans le conduit 14 par la pompe de la centrale 12, est pour partie transportée dans la chambre 19b de la pompe 3 par le conduit 33b, et est pour partie transportée dans la chambre 19b de la pompe 4 par le conduit 34b - le débit des deux courants d'huile circulant respectivement dans les deux conduits 33b, 34b, qui sont fonction de la position des distributeurs 27, sont a)ustés pour provoquer le démarrage de la pompe 3 (à partir de son point mort bas) et pour assurer une vitesse de 1 mètre par seconde pour l'arbre de la pompe 4 ; comme illustré figures 2 et 4, les distributeurs sont ensuite commandés pour augmenter le débit d'huile dans le conduit 33b et simultanément diminuer le débit d'huile dans le conduit 34b, jusqu'à ce que ces deux débits soient sensiblement équilibrés (identiques) de sorte qu'ils assurent (figure 2) un déplacement des deux arbres 23 selon une vitesse identique de 0,5 mètre par seconde. Comme illustré figure 4, la vitesse de l'arbre de chacune des pompes suit une variation périodique et alternative (de valeur moyenne nulle), avec des paliers ; la vitesse moyenne (en valeur absolue) de chaque arbre de pompe est de 0,5 mètre par seconde, et la somme des modules de ces vitesses est maintenue à une valeur de 1 mètre par seconde, ce qui provoque l'admission d'eau de mer et le refoulement d'eau de mer pressurisée, selon un débit constant. Les trois états de fonctionnement illustrés figures 1 à 3, correspondent respectivement aux points des graphes de la figure 4 d'abscisse 0,7 seconde (deuxièmes points des graphes), 0,8 seconde (troisièmes points des graphes) et 3,5 secondes (sixièmes points des graphes). La figure 4 montre qu'un palier d'arrêt à vitesse nulle de 0,1 seconde de durée est effectué à chaque point mort (extrémité de course) ; les graphes des vitesses des deux pompes 3, 4 sont déphasés de 1,2 secondes, c'est-à-dire de 54 degrés compte tenu de la valeur (8 secondes) de la période. Un échangeur de chaleur (non représenté) est de préférence raccordé au conduit 35 d'évacuation d'eau sursalée basse pression ainsi qu'à un des conduits 14, 15 de transport d'huile pour refroidir l'huile. Un organe 36 sensible à la proximité du piston 24 (tel qu'un capteur électromagnétique) est disposé à l'extrémité longitudinale de chaque chambre 18a, 20b et est raccordé à une unité de contrôle (non représenté) pour la commande des vannes et distributeurs. Durant le palier d'arrêt après remplissage par de l'eau à filtrer des chambres 18a, 20b, un organe de pressurisation est momentanément mis en communication avec la chambre pour faire passer la pression de 4 à 70 bars ; ceci peut être réalisé, comme illustré figure 6, en utilisant un vase d'expansion 43 (à membrane 44) connecté à la chambre ainsi qu'à une réserve 40 d'huile sous pression par des conduits munis d'un organe 41, 42 commandé (électrovanne) d'isolement. REVENDICATIONS 1 Pompe (3, 4) de pressurisation d'un liquide comportant trois pistons (24, 25, 26) montés mobiles en translation dans trois chambres (18a, 18b, 19a, 19b, 20a, 20b) alignées, ainsi qu un arbre (23) coulissant de transmission d'effort, caractérisée en ce quiune face arrière (24b, 26b) de chacun des deux pistons (24, 26) d'extrémité délimite avec le corps (16) de pompe et avec l'arbre (23), une cavité (18b, 20a) destinée à recevoir un concentrat sous pression pour contribuer à la pressurisation du liquide dans une cavité (18a, 20b) délimitée par ledit corps et la face avant (24a, 26a) du piston (24, 26). 2. Pompe à eau de mer selon la revendication 1 dans laquelle lesdits pistons d'extrémité (24, 26) sont identiques et sont disposés aux deux extrémités de l'arbre (23). 3. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle un troisième piston (25) est fixé à l'arbre (23) a égale distance des deux pistons (24, 26) d'extrémité, lequel troisième piston est coulissant dans une chambre (19a, 19b) destinée à recevoir un fluide hydraulique, et dans laquelle l'équipage mobile (23 à 26) et les chambres (18a à 20b) sont symétriques par rapport à un plan transversal médian. 4. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'arbre (23) est creux et dans laquelle les chambres (18a, 18b, 20a, 20b) de pressurisation sont tubulaires et allongées, le rapport de leur longueur à leur diamètre étant supérieur ou égal à 5. 5. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les deux pistons d'extrémité (24, 26) ne sont pas liés aux extrémités de l'arbre (23). 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les deux pistons d'extrémité (24, 26) sont liés aux extrémités de l'arbre (23) par des moyens comportant une rotule, un cardan ou un palier de coulissement. 7. Installation de traitement d'eau qui comporte - un moyen de gavage, tel qu'une pompe - deux pompes (3, 4) conformes à l'une des revendications 1 à 6, qui sont identiques et disposées en parallèle et en aval du moyen de gavage, - un filtre (7) dont l'entrée (6) est raccordée à un conduit (5) de refoulement des pompes (3, 4), - un organe de commande des pompes qui comporte des moyens permettant d'assurer un déphasage entre les mouvements des deux pompes. 8. Installation selon la revendication 7, qui comporte en outre des moyens (40 à 44) de pressurisation des chambres (18a, 20b) de pompage lorsque le piston (24, 26) correspondant est à l'arrêt. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, qui comporte des moyens (12, 27) pour maintenir la somme des valeurs absolues des vitesses des arbres à une valeur sensiblement constante. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, qui comporte une centrale hydraulique (12) commune aux deux pompes (3, 4), deux distributeurs (27) d'huile aux chambres (19a, 19b) des pompes (3, 4), et un échangeur de chaleur raccordé au conduit (35) d'évacuation d'eau et à un conduit (14, 15) de transport d'huile. il. Procédé de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, dans lequel on utilise une installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, et dans lequel on maintient la vitesse de pointe des arbres et pistons a une valeur située dans une plage allant de 0,1 mètre par seconde a 10 mètres par seconde, et dans lequel on maintient un déphasage entre les deux pompes dont la valeur est différente de 180 degrés, en particulier située dans une plage allant de 10 à 170 degrés.