Brevet FR2850038A1 — publié le 20040723

DISPOSII IF DE PURIFICATION DE LIQUIDE A OSMOSE INVERSEE La présente invention concerne un dispositif de purification de liquide à osmose inversée. Elle s'applique, en particulier, au dessalement de l'eau de mer, pour la production d'eau potable. On connaît le phénomène d'osmose se produisant à travers des membranes ou barrières poreuses: l'interposition d'une barrière entre deux liquides dont l'un est un solvant pratiquement pur et l'autre un composé binaire d'un tel solvant et d'un corps dissous dans celui-ci, conduit à une double diffusion qui tend à faire disparaître la dissymétrie du système en égalisant les concentrations de part et d'autre de la barrière 10 le corps dissous diffuse vers le solvant pur tandis qu'une partie des molécules du solvant pur a tendance à traverser la barrière poreuse. Dans certains cas, il arrive que la vitesse de passage du corps dissous à travers la barrière poreuse soit nulle: une telle barrière constitue alors une paroi semi-perméable. Dans ces conditions, seul se produit le passage du solvant vers la solution de corps dissous, créant du côté de cette solution 15 une élévation de pression hydrostatique allant en augmentant jusqu'à l'instant o la différence de pression de chaque côté de la paroi semi-perméable atteint une valeur suffisante pour empêcher le passage du solvant vers la solution. L'équilibre est alors atteint, la pression hydrostatique dans la solution étant égale à ce que l'on appelle la pression osmotique. On sait également qu'il est possible de faire travailler des membranes ou barrières semi-poreuses en osmose inversée, c'est-à-dire en provoquant le passage à travers ces membranes du solvant contenu dans la solution en direction du solvant pur, c'est-à-dire en sens inverse du phénomène naturel. Il s'agit alors de créer sur la face de la membrane en contact avec la solution une pression supérieure à la pression 25 osmotique définie ci-dessus. Dans le cas o le procédé d'osmose inversée est appliqué au dessalement de l'eau de mer, dont la pression osmotique est de l'ordre de 25 bars, il convient d'utiliser des pressions de service de l'ordre de 70 à 100 bars pour obtenir à travers la membrane un débit spécifique d'eau douce convenable. Les appareils de purification de liquide à osmose inversée de type connu, comme celui décrit dans le document EP 0 028 913, utilisent une pompe comportant un ou deux piston(s) mis en mouvement de translation alternativement dans un sens et dans l'autre. L'utilisation de ces pistons provoque des a-coups de pression ("coup de bélier") qui sont nuisibles au bon fonctionnement de ces appareils. De plus, ces appareils présentent un mauvais rendement, du fait que l'eau qui sert au pilotage ne passe pas dans le filtre et qu'il n'y a donc pas de récupération de l'énergie de l'eau sortant du filtre. La présente invention vise à résoudre ces inconvénients. A cet effet, la présente invention vise un dispositif de purification de liquide à 5 osmose inversée, caractérisé en ce qu'il comporte quatre chambres de compression dont les sorties sont reliées à un filtre à osmose inversée, les chambres de compression étant adossées deux à deux pour former deux lignes de compression, les deux chambres de compression de la même ligne étant munies de pistons liés cinématiquement formant, chacun, une paroi d'une chambre de compression, les deux 10 pistons de la même ligne étant montés sur au moins une tige pénétrant dans une chambre arrière derrière le piston et dans une chambre de distribution qui commande alternativement la mise en pression de l'une ou de l'autre des chambres arrières de l'autre ligne de compression. Grâce à ces dispositions, lorsqu'un piston d'une ligne de compression arrive en 15 fin de course, un piston de l'autre ligne de compression est déjà en mouvement de compression du liquide se trouvant dans la chambre de compression dont il forme une paroi. Il n'y a donc pas d'à-coup de pression dans le filtre à osmose inversée. De plus, aucune énergie n'est consommée pour inverser le sens de mouvement des pistons, le pilotage utilisant l'énergie de l'eau sortant du filtre. Du fait de l'absence de perte 20 d'énergie au changement de sens de déplacement de chaque piston, les pistons peuvent être mis en mouvement plus rapide que dans les appareils précédemment connus, ce qui permet de réduire les dimensions des pistons et, plus généralement de l'appareil de purification. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront 25 de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 à 4 représentent, en vue de coupe, les quatre chambres de compression d'un mode de réalisation du dispositif de purification objet de la présente invention, dans quatre positions cycliques de pistons dans lesdites chambres de 30 compression et - la figure 5 représente le débit de liquide en provenance de chaque ligne à destination du filtre à osmose inversée. - la figure 6 montre le détail de chambres de compression. On observe, dans chacune des figures 1 à 4: - une pompe 1, de type connu, qui fournit du liquide à purifié sous pression (par exemple 6 à 7 bars), - un circuit de distribution 2 relié, en son entrée, à la sortie de la pompe 1 et, en ses sorties 3 à 6, à quatre clapets 12, 14, 8 et 10, respectivement, - quatre clapets 7, 9, 11 et 13 en sortie de quatre chambres de compression 17, 18, 15 et 16, respectivement, possédant, elles-mêmes, en entrée les clapets 8, 10, 12 et 14, - des chambres dites "arrières" 15a, 16a, 17a et 18a, séparées des chambres de compression 15 à 18, respectivement, par des pistons 19 à 22, respectivement, - des tiges de distributeur 19a, 19b supportant le piston 19, - des tiges de distributeur 20a, 20b supportant le piston 20, - des tiges de distributeur 21a, 21b supportant le piston 21, et en appui sur les extrémités des tiges 19a et 19b, respectivement, - des tiges de distributeur 22a, 22b supportant le piston 22, et en appui sur les extrémités des tiges 20a et 20b, respectivement, - une chambre de distribution recevant les tiges 21 a et 19a et comportant une 15 chambre centrale 23, une chambre latérale 23a, du côté du piston 19, et une chambre latérale 23b du côté du piston 21, une chambre de distribution recevant les tiges 21b et 19b et comportant une chambre centrale 24, une chambre latérale 24a, du côté du piston 19, et une chambre latérale 24b du côté du piston 21, - une chambre de distribution recevant les tiges 20a et 22a et comportant une chambre centrale 25, une chambre latérale 25a, du côté du piston 20, et une chambre latérale 25b du côté du piston 22, - une chambre de distribution recevant les tiges 20b et 22b et comportant une chambre centrale 26, une chambre latérale 26a, du côté du piston 20, et une chambre 25 latérale 26b du côté du piston 22, - une canalisation 27, reliant la chambre arrière 17a à la chambre latérale 25a, - une canalisation 28, reliant la canalisation 27 à la chambre latérale 26b, - une canalisation 29, reliant la canalisation 30 à la chambre latérale 23b, - une canalisation 30, reliant la chambre arrière 16a à la chambre latérale 24a, 30 - une canalisation 31, reliant la canalisation 32 à la chambre latérale 25b, une canalisation 32, reliant la chambre arrière 15a à la chambre latérale 26a, - une canalisation 33, reliant la chambre arrière 18a à la chambre latérale 24b, - une canalisation 34, reliant la canalisation 33 à la chambre latérale 23a, - une canalisation 35 distribuant, par des canalisations 35a et 35b, le liquide non 35 purifié en sortie du filtre à osmose inversée 39 aux chambres centrales 26 et 23, respectivement, - une canalisation 36, recevant de canalisations 36a et 36b, respectivement reliées en sortie des clapets 7 et 9, le liquide à purifier provenant des chambres de compression 17 et 18 et l'injectant dans le filtre à osmose inversée 39, - une canalisation 37, recevant de canalisations 37a et 37b, respectivement reliées en sortie des clapets 11 et 13, le liquide à purifier provenant des chambres de compression 15 et 16 et l'injectant dans le filtre à osmose inversée 39, - une canalisation 38 d'évacuation de liquide non purifié qui est passé dans le filtre 39 mais qui n'a pas traversé la membrane, reliée aux chambres centrales 24 et 25, - une membrane semi-perméable 40 du filtre à osmose inversée 39, et 0 - une sortie de liquide purifié 41 du filtre à osmose inversée 39. Pour aider à la compréhension de la présente invention, on à représenté dans les figures 1 à 4, les canalisations 27 à 34 en trait continu quand du liquide les parcourt, une flèche indiquant le sens déplacement du liquide et en traits interrompus quand le liquide qu'elle contiennent n'est pas en déplacement. On observe que les tiges 19a, 19b, 20a, 20b, 21a, 21b, 22a et 22b ont une forme cylindrique, à l'exception de leur extrémité qui possède successivement la forme d'un tronc de cône suivi d'une forme cylindrique de diamètre inférieur au diamètre du corps de chaque tige. Préférentiellement, les tiges sont pourvues de rainures 50 à cheval sur leur partie cylindrique de plus grand diamètre et sur leur partie conique pour équilibrer 20 les pressions au moment o la partie cylindrique de plus grand diamètre entre en contact avec le joint et éviter ainsi une extrusion du joint. Les chambres centrales sont séparées des chambres latérales correspondantes par des cols de diamètre égal à celui du corps des tiges et muni d'un joint d'étanchéité. Les chambres latérales sont séparées des chambres arrières correspondantes par des 25 cols de diamètre égal à celui du corps des tiges et muni d'un joint d'étanchéité. En figure 1, les pistons 20 et 21 sont en extrémité des chambres de compression 16 et 17, c'est-à-dire que celles-ci possèdent un volume minimal. En revanche, les volumes des chambres 15 et 18 sont maximals. Du fait de la forme des tiges, les chambres centrales 23, 24, 25 et 26 sont respectivement reliées aux chambres latérales 30 23b, 24b, 25a et 26a. Le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse donc la chambre centrale 26, la chambre latérale 26a et atteint la chambre arrière 15a qu'elle met en pression. De même, le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse la chambre centrale 23, la chambre latérale 23b et atteint la chambre arrière 16a qu'elle met en pression. En revanche, le liquide présent dans la chambre 17a est mis hors pression et 35 traverse la chambre latérale 25a et la chambre centrale 25 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. De même, le liquide présent dans la chambre 18a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 24b et la chambre centrale 24 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. Les pressions dans les chambres de compression étant égales, et les pressions dans les chambres arrières 15a et 16a étant supérieures aux pressions dans les chambres arrières 17a et 18a, on comprend que les pistons se déplacent vers le haut jusqu'à atteindre la position illustrée en figure 2. En figure 2, les pistons 19 et 20 sont en extrémité des chambres de compression et 16, c'est-à-dire que celles-ci possèdent un volume minimal. En revanche, les volumes des chambres 17 et 18 sont maximals. Du fait de la forme des tiges, les chambres centrales 23, 24, 25 et 26 sont respectivement reliées aux chambres latérales 23a, 24a, 25a et 26a. Le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse donc la chambre centrale 26, la chambre latérale 26a et atteint la chambre arrière 15a qu'elle met en pression. De même, le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse la chambre centrale 23, la chambre latérale 23a et atteint la chambre arrière 18a qu'elle met en pression. En revanche, le liquide présent dans la chambre 17a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 25a et la chambre centrale 25 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. De même, le liquide présent dans la chambre 16a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 24a et la chambre centrale 24 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. Les pressions dans les chambres de compression étant égales, et les pressions dans les chambres arrières 15a et 18a étant supérieures aux pressions dans les chambres arrières 17a et 16a, on comprend que les pistons 19 et 21 se déplacent vers le haut et que les pistons 20 et 22 se déplacent vers le bas jusqu'à atteindre la position illustrée en figure 3. En figure 3, les pistons 19 et 22 sont en extrémité des chambres de compression et 18, c'est-à-dire que celles-ci possèdent un volume minimal. En revanche, les volumes des chambres 16 et 17 sont maximals. Du fait de la forme des tiges, les chambres centrales 23, 24, 25 et 26 sont respectivement reliées aux chambres latérales 23a, 24a, 25b et 26b. Le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse donc la chambre 30 centrale 26, la chambre latérale 26b et atteint la chambre arrière 17a qu'elle met en pression. De même, le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse la chambre centrale 23, la chambre latérale 23a et atteint la chambre arrière 18a qu'elle met en pression. En revanche, le liquide présent dans la chambre 15a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 25b et la chambre centrale 25 pour rejoindre la canalisation i5 d'évacuation 38. De même, le liquide présent dans la chambre 16a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 24a et la chambre centrale 24 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. Les pressions dans les chambres de compression étant égales, et les pressions dans les chambres arrières 17a et 18a étant supérieures aux pressions dans les chambres arrières 15a et 16a, on comprend que les pistons se déplacent vers le bas jusqu'à atteindre la position illustrée en figure 4. En figure 4, les pistons 21 et 22 sont en extrémité des chambres de compression 17 et 18, c'est-à-dire que celles-ci possèdent un volume minimal. En revanche, les volumes des chambres 15 et 16 sont maximals. Du fait de la forme des tiges, les chambres centrales 23, 24, 25 et 26 sont respectivement reliées aux chambres latérales 23b, 24b, 25b et 26b. Le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse donc la chambre centrale 26, la chambre latérale 26b et atteint la chambre arrière 17a qu'elle met en pression. De même, le liquide non purifié sortant du filtre 39 traverse la chambre centrale 23, la chambre latérale 23b et atteint la chambre arrière 16a qu'elle met en pression. En revanche, le liquide présent dans la chambre 15a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 25b et la chambre centrale 25 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. De même, le liquide présent dans la chambre 18a est mis hors pression et traverse la chambre latérale 24b et la chambre centrale 24 pour rejoindre la canalisation d'évacuation 38. Les pressions dans les chambres de compression étant égales, et les pressions dans les chambres arrières 16a et 17a étant supérieures aux pressions dans les chambres arrières 15a et 18a, on comprend que les pistons 19 et 21 se déplacent vers le bas et que les pistons 20 et 22 se déplacent vers le haut jusqu'à atteindre la position illustrée en figure 1. On observe que la pression qui s'établit dans le filtre 40 est égale, aux pertes de charge prêt, au produit de la pression en sortie de la pompe 1 par le rapport de la surface d'un piston divisé par la surface totale de deux tiges. Par exemple, lorsque ce rapport est égal à 10 et que la pompe fournit une pression de 6 bars, la pression dans le filtre 40 atteint 60 bars. 30 Les tiges servent donc à la fois: - d'amplificateur de pression, - de détecteur de fin de course des pistons par ouverture de la voie de passage entre la chambre centrale et l'une des chambres latérales associées et arrêt du piston grâce au mouvement des pistons de l'autre ligne et - de distributeur pour mettre en mouvement les pistons de l'autre ligne. On comprend que le dispositif de purification de liquide à osmose inversée illustré en figures 1 à 4 comporte quatre chambres de compression dont les sorties sont reliées à un filtre à osmose inversée, les chambres de compression étant adossées deux à deux pour former deux lignes de compression, les deux chambres de compression de la même ligne étant munies de pistons liés cinématiquement formant, chacun, une paroi d'une chambre de compression, les deux pistons de la même ligne étant montés sur au moins une tige pénétrant dans une chambre arrière derrière le piston et dans une chambre de distribution qui commande alternativement la mise en pression de l'une ou de l'autre des chambres arrières de l'autre ligne de compression. 10 Ainsi, lorsqu'un piston d'une ligne de compression arrive en fin de course, un piston de l'autre ligne de compression est déjà en mouvement de compression du liquide se trouvant dans la chambre de compression dont il forme une paroi. Il n'y a donc pas d'à-coup de pression dans le filtre à osmose inversée. Du fait que la mise en pression des chambres arrières est effectuée par le liquide 15 non purifié sortant du filtre à osmose inversée, l'énergie du liquide non purifié est utilisée pour la mise en mouvement des pistons. On observe, en figure 5, que le débit de liquide en provenance d'une ligne et à destination du filtre à osmose inversée est une fonction cyclique qui possède la forme suivante (les références numériques sont paires lorsqu'il s'agit de la ligne possédant les 20 pistons 20 et 22 et impaires pour la ligne possédant les pistons 19 et 21: - une phase 101 et 102, au cours de laquelle le débit est nul, les pistons étant immobiles, - une phase 103 et 104, au cours de laquelle le débit est une fonction croissante sensiblement linéaire, les pistons se mettant en mouvement progressivement, - une phase 105 et 106, au cours de laquelle le débit est nominal, les pistons étant mobiles et un régime stationnaire étant établi, - une phase 107 et 108, au cours de laquelle le débit est une fonction décroissante sensiblement linéaire, les pistons arrivant en fin de course et se mettant progressivement à l'arrêt. Les fonctions représentant les débits des deux lignes étant en opposition de phase et la durée de déplacement, en régime stationnaire, des pistons d'une ligne correspondant à la durée d'arrêt de l'autre ligne, le débit de liquide arrivant en entrée du filtre, qui est la somme des débits fournis par les deux lignes, est constant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de purification de liquide à osmose inversée, caractérisé en ce qu'il comporte quatre chambres de compression (15, 16, 17, 18) dont les sorties sont reliées à un filtre à osmose inversée (39), les chambres de compression étant adossées deux à 5 deux pour former deux lignes de compression, les deux chambres de compression de la même ligne étant munies de pistons (19, 20, 21, 22) liés cinématiquement formant, chacun, une paroi d'une chambre de compression, les deux pistons de la même ligne étant montés sur au moins une tige (19a, 19b, 20a, 20b, 21a, 21b, 22a, 22b) pénétrant dans une chambre arrière (15a, 16a, 17a, 18a) derrière le piston et dans une chambre 10 de distribution (23, 23a, 23b, 24, 24a, 24b, 25, 25a, 25b, 26, 26a, 26b) qui commande alternativement la mise en pression de l'une ou de l'autre des chambres arrières de l'autre ligne de compression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux pistons de la même ligne sont montés sur au moins deux tiges parallèles, l'une desdites tiges commandant alternativement la mise en pression de l'une ou de l'autre des chambres arrières de l'autre ligne de compression et une autre desdites tiges commandant alternativement la vidange de l'une ou de l'autre des chambres arrières de l'autre ligKe de compression. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce 20 que chaque chambre de distribution (23, 23a, 23b, 24, 24a, 24b, 25, 25a, 25b, 26, 26a, 26b) comporte une chambre centrale (23, 24, 25, 26) et deux chambres latérales (23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b) alternativement reliée à la chambre centrale, l'une des chambres latérales étant reliée à la chambre arrière d'un premier piston de l'autre ligne et l'autre des chambres latérales étant reliée à la chambre arrière d'un deuxième 25 piston de l'autre ligne. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque ligne est munie de deux chambres de distribution, la chambre centrale (23, 26) de l'une des chambres de distribution étant reliée à la sortie du filtre à osmose inversée et la chambre centrale (24, 25) de l'autre chambre de distribution étant reliée à une 30 évacuation de liquide (38). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque tige présente, sur une première partie, une section qui bouche un col entre la chambre centrale et une des chambres latérales et, sur une deuxième partie, une section qui laisse le liquide circuler dans un col entre la chambre centrale et l'autre des 35 chambres latérales. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mise en pression des chambres arrières est effectuée par le liquide non purifié sortant du filtre à osmose inversée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce s que chaque piston est monté sur deux tiges parallèles, les tiges de deux pistons de la même ligne étant en appui par leurs extrémités. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe (1) reliée à chacune des chambres de compression par l'intermédiaire d'un clapet (8, 10, 12, 14). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une canalisation (36, 37) reliant chacune des chambres de compression au filtre à osmose inversée, par l'intermédiaire d'un clapet (7, 9, 11, 13).