Brevet FR2902669A1 — publié le 20071228

La présente invention concerne le domaine technique des procédés de traitement de fluides faisant intervenir l'injection d'un fluide sous pression dans une unité de traitement à la sortie de laquelle une partie au moins du fluide injecté est rejetée sous pression. Parmi de tels procédés, il est possible de citer le traitement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres par filtration et/ou osmose inverse qui constitue un domaine préféré mais non exclusif de mise en oeuvre de l'invention. Une installation de traitement de l'eau par filtration et/ou osmose inverse comprend généralement une ou plusieurs unités de traitement pourvues chacune d'une entrée d'eau à traiter sous pression et d'une sortie d'eau rejetée sous pression ainsi que d'une sortie d'eau filtrée ou traitée. L'entrée d'eau à traiter est alors raccordée à la sortie d'une pompe susceptible de fournir l'eau à traiter à une pression adaptée au traitement effectué, soit une pression supérieure ou égale à 25 bars par exemple comprise entre 30 bars et 100 bars et de préférence entre 60 bars et 80 bars pour un traitement par osmose inverse ou une pression de l'ordre de 10 bars pour un traitement par nanofiltration. L'eau rejetée au niveau de la sortie de l'installation se trouve alors à une pression inférieure de quelques bars à la pression d'alimentation, de sorte qu'il est nécessaire de la détendre avant de la rejeter. Cette détente peut être effectuée par un détendeur mécanique, ce qui induit une perte de l'énergie résiduelle de l'eau rejetée et induit un très mauvais rendement de l'installation de filtration. Afin d'améliorer le rendement, un brevet US 4 883 305 a proposé de mettre en oeuvre à la sortie de l'unité de traitement une turbine entraînée par l'eau rejetée assurant ainsi sa détente et la récupération de l'énergie résiduelle. La turbine de récupération est elle-même couplée directement, à la manière d'un turbocompresseur de véhicules, à une turbine de pompage placée sur le circuit d'alimentation en eau à traiter en amont ou en aval de la pompe d'alimentation. Un tel mode de réalisation permet effectivement une récupération d'une partie de l'énergie résiduelle de l'eau rejetée, améliorant ainsi le rendement de l'installation. Toutefois, la mise en oeuvre de turbines ne permet pas 2 d'optimiser le rendement dans la mesure où les turbines, tant de récupération que de pompage, présentent elles-mêmes un faible rendement. Il est donc apparu le besoin d'offrir un nouveau système de fourniture de fluide sous pression avec récupération de l'énergie résiduelle du fluide rejeté qui permette d'optimiser les fonctionnements afin d'augmenter encore le rendement global de l'installation mettant en oeuvre ce système de fourniture de fluide sous pression. Afin d'atteindre cet objectif, l'invention concerne un procédé de fourniture d'un fluide à traiter sous pression à l'entrée d'une installation de traitement comprenant une sortie de fluide sous pression, procédé comprenant une étape de mise sous pression du fluide à traiter avec au moins une pompe volumétrique et une étape de détente et de récupération de l'énergie mécanique du fluide de sortie avec au moins un moteur volumétrique. Selon l'invention, le procédé de fourniture d'un fluide à traiter sous pression est caractérisé en ce que pour l'étape de détente et récupération d'énergie, il est mis en oeuvre au moins un moteur volumétrique rotatif, et en ce que pour l'étape de mise sous pression, il est mis en oeuvre au moins une pompe volumétrique rotative entraînée par le moteur volumétrique rotatif et par un moteur d'entraînement et de compensation des pertes couplé mécaniquement à l'arbre d'entraînement de la pompe volumétrique rotative. L'invention concerne également une installation de fourniture d'un fluide sous pression à une canalisation d'entrée d'une installation de traitement comprenant une canalisation de sortie de fluide sous pression, installation de fourniture comprenant : • au moins une canalisation d'alimentation raccordée à l'entrée d'au moins une pompe volumétrique dont la sortie est destinée à être raccordée à la canalisation d'entrée de l'installation, • au moins un moteur volumétrique dont l'entrée est destinée à être 30 raccordée à la canalisation de sortie de l'installation et la sortie est raccordée à une canalisation de refoulement, les moyens d'entraînement de la pompe volumétrique étant raccordés au moteur volumétrique. Selon l'invention, l'installation de fourniture de fluide sous pression est caractérisée en ce que la pompe volumétrique est une pompe volumétrique rotative et le moteur volumétrique est un moteur volumétrique rotatif dont l'arbre de sortie est relié, par une transmission mécanique, ou lié en rotation à l'arbre d'entraînement de la pompe volumétrique rotative et qui est associé, pour l'entraînement de la pompe volumétrique rotative, à un moteur rotatif d'entraînement et de compensation des pertes dont l'arbre d'entraînement est couplé ou lié en rotation à l'arbre d'entraînement de la pompe volumétrique rotative. Le procédé et l'installation selon l'invention présentent tous deux l'avantage de mettre en oeuvre une pompe volumétrique rotative et un moteur volumétrique rotatif qui présentent tous deux des rendements très nettement supérieurs à ceux des pompes centrifuges et des turbines. En effet, une pompe volumétrique rotative présente généralement un rendement compris entre 70 % et 95 % et le plus souvent compris entre 90 % et 95 %, tandis qu'une pompe centrifuge présente un rendement généralement compris entre 60 % et 70 %. De la même manière, un moteur volumétrique rotatif présente généralement un rendement compris entre 80 0/0 et 95 % tandis qu'une turbine présente un rendement généralement compris entre 60 % et 70 %. De plus, selon l'invention il n'est pas mis en oeuvre d'autre pompe que la pompe volumétrique rotative qui est directement couplée au moteur d'entraînement, ce qui induit une réduction des pertes mécaniques et donc une augmentation du rendement par rapport à une installation mettant en oeuvre une pompe d'alimentation entraînée par un moteur et un système de turbine associée à une pompe Booster comme cela est par exemple décrit dans le brevet US 4 983 305. Dans le cas d'une mise en oeuvre du procédé ou de l'installation de fourniture d'un fluide sous pression en association avec un traitement induisant un débit de rejet de fluide inférieur au débit d'alimentation en fluide à traiter, le débit par tour du moteur volumétrique rotatif sera choisi pour être inférieur au débit par tour de la pompe volumétrique rotative. De manière préférée mais non exclusive, le rapport entre le débit par tour du moteur volumétrique et le débit par tour de la pompe volumétrique sera choisi pour être égal au rapport entre le débit de fluide de sortie et le débit de fluide à traiter. Toujours dans le cas d'une mise en oeuvre du procédé ou de l'installation de fourniture d'un fluide sous pression en association avec un traitement induisant un débit de rejet de fluide inférieur au débit d'alimentation, mais cette fois-ci sans agir sur les débits propres du moteur ou de la pompe volumétriques rotatifs, il est mis en oeuvre des moyens de compensation de la différence entre les débits d'entrée et de sortie de l'installation de traitement. De tels moyens de compensation pourront par exemple être constitués par une transmission ou un réducteur mécanique permettant de compenser les différences de vitesse de rotation entre l'arbre d'entraînement de la pompe volumétrique rotative et l'arbre de sortie du moteur volumétrique rotatif. Les moyens de compensation pourront également être une boîte de vitesse permettant de modifier les rapports de compensation en fonction du régime de fonctionnement de l'unité de traitement alimentée. Ainsi, la liaison en rotation entre les arbres d'entraînement de la pompe et du moteur volumétrique rotatif sera adaptée pour assurer une compensation entre les débits d'entrées et de sortie de l'installation ou l'unité de traitement. Selon l'invention, différents types de pompes volumétriques rotatives peuvent être utilisés et de manière préférée la ou les pompes volumétriques rotatives seront choisies parmi : les pompes à palettes libres, les pompes à engrenages, les pompes à vis, les pompes à pistons et les quasiturbines. De la même manière, différents types de moteurs volumétriques rotatifs peuvent être utilisés et de manière préférée, le ou les moteurs volumétriques rotatifs seront choisis parmi : les moteurs à palettes libres, les moteurs à engrenages, les moteurs à pistons et les quasiturbines. En ce qui concerne les quasiturbines, il est possible de se reporter aux 30 documents US 6 899 075, EP 1 592 866, CA 2 192 714. Dans une application préférée, l'invention concerne également un procédé de traitement d'eau salée ou saumâtre par filtration et/ou osmose inverse pour obtenir une eau potable et/ou une eau d'irrigation caractérisée en ce que l'eau à traiter est fournie sous pression à un dispositif de filtration conformément au procédé de fourniture d'un fluide sous pression selon l'invention. De la même manière, l'invention concerne aussi une installation de 5 traitement d'eau salée ou saumâtre par filtration et/ou osmose inverse pour obtenir une eau potable et/ou une eau d'irrigation caractérisée en ce qu'elle comprend : • une unité de traitement par filtration et/ou osmose inverse comportant une entrée d'eau à traiter et une sortie d'eau sous pression, ^ et une installation de fourniture de fluide sous pression selon l'invention dont l'entrée de la pompe est raccordée à une source d'eau à traiter, la sortie de la pompe volumétrique rotative est raccordée à l'entrée de l'unité de traitement et dont l'entrée du moteur volumétrique rotatif est raccordée à la sortie d'eau sous pression de l'unité de traitement. Bien entendu, les différentes caractéristiques de l'invention évoquées ci-dessus peuvent être mises en oeuvre les unes avec les autres selon différentes combinaisons lorsqu'elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Par ailleurs, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description faite ci-dessous en référence à l'unique figure annexée qui montre, à titre d'exemple non limitatif, un schéma de principe d'une installation de fourniture de fluide sous pression conforme à l'invention utilisée pour alimenter une unité de traitement d'eau. Une installation de fourniture d'un fluide sous pression selon l'invention, telle qu'illustrée à la fig. 1 et désignée dans son ensemble par la référence 1, est destinée à alimenter tout procédé de traitement du fluide faisant intervenir le rejet d'une partie au moins du fluide à une pression suffisamment élevée pour rendre possible la récupération d'une partie au moins de l'énergie résiduelle du fluide rejeté. Selon l'exemple illustré, l'installation de fourniture de fluide sous pression 1 est raccordée à une installation ou unité de traitement d'eau U telle que par exemple une unité de traitement d'eau de mer par osmose inverse ou encore de traitement d'eau saumâtre par nanofiltration. L'unité de traitement d'eau U comprend alors une entrée d'eau sous pression E , une sortie R de l'eau rejetée sous pression pouvant également être appelée sortie du concentrat ou du rétentat et enfin une sortie S de l'eau douce ou filtrée pouvant également être appelée sortie du filtrat ou perméat. Dans le cas d'une unité de traitement par osmose inverse d'eau de mer, l'eau à traiter est fournie à l'entrée E à une pression Pe supérieure ou égale à 25 bars et pouvant être comprise entre 30 bars et 100 bars et, de préférence, comprise entre 60 bars et 80 bars. La pression Pr de l'eau au niveau de la sortie R est alors à une pression inférieure de quelques bars à la pression d'entrée Pe et en général inférieure de un à cinq bars à la pression d'entrée Pe. Dans le cas d'une unité de traitement d'eau saumâtre par nanofiltration, l'eau à traiter est fournie à l'entrée E à une pression Pe de l'ordre de 10 bars. La pression Pr de l'eau au niveau de la sortie R est alors à une pression inférieure de quelques bars à la pression d'entrée Pe et en général de l'ordre de 4 à 8 bars. Conformément à l'invention, l'eau sous pression est fournie à l'unité de traitement U par une pompe volumétrique rotative 2 dont la sortie est raccordée à une canalisation d'entrée 3 de l'installation de traitement U. L'entrée de la pompe volumétrique rotative 2 est par ailleurs raccordée par une canalisation d'alimentation 4 à une source ou réserve d'eau à traiter 5 qui peut être un réservoir tampon tel qu'un réservoir de décantation ou encore directement la source d'eau à traiter, cette eau pouvant être transférée par une pompe vers l'installation de mise sous pression 1. La pompe volumétrique rotative 2 est entraînée par un moteur rotatif 6, tel que par exemple un moteur électrique ou un moteur à explosion. L'arbre 7 d'entraînement du moteur 6 étant alors couplé mécaniquement soit directement soit par l'intermédiaire d'un réducteur, d'une boîte de vitesse ou encore d'un système d'engrenages, à l'arbre d'entraînement 8 de la pompe volumétrique rotative 2. La pompe volumétrique rotative 2 sera de préférence choisie parmi les pompes volumétriques rotatives telles que les pompes à vis, les pompes à engrenages, les pompes à palettes, les pompes hydrauliques rotatives à pistons ou encore les quasiturbines avec une préférence pour les pompes à engrenages ou les quasiturbines qui permettent de réduire les risques de coups de bélier dans les canalisations de l'installation. Les pompes volumétriques rotatives pourront être à débit fixe ou variable avec une préférence pour les pompes volumétriques rotatives à débit fixe en raison de leur plus grande simplicité et robustesse. Afin d'assurer la récupération de l'énergie de l'eau rejetée au niveau de la sortie R, l'installation de fourniture de fluide sous pression 1 conforme à l'invention, comprend en outre un moteur volumétrique rotatif 9 dont l'entrée est raccordée à une canalisation de sortie 10 de l'installation de traitement U. La sortie du moteur volumétrique rotatif 9 est alors accordée à une canalisation d'évacuation 11 de l'eau rejetée connectée ou non à la source d'eau à traiter 5. L'arbre d'entraînement 12 du moteur volumétrique rotatif 9 est alors couplé ou relié mécaniquement à l'arbre d'entraînement 8 de la pompe volumétrique rotative 2 soit directement soit par l'intermédiaire d'un réducteur, d'un train d'engrenages ou d'une boîte de vitesse 13 symbolisée en traits mixtes. Ainsi, conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, les arbres d'entraînement 8, 9 de la pompe 2 et du moteur volumétrique rotatif 9 sont liés en rotation à l'arbre d'entraînement 7 du moteur 6 qui assure une fonction d'entraînement et de compensation des pertes. Il n'est alors pas nécessaire de mettre en oeuvre, sur la canalisation d'alimentation 3, une pompe auxiliaire entraînée par un autre moteur pour assurer la mise en pression du fluide à traiter à destination de l'installation de traitement U. Le moteur volumétrique rotatif 9 sera de préférence choisi parmi les moteurs volumétriques rotatifs tels que les moteurs à engrenages, les moteurs à palettes, les moteurs hydrauliques rotatifs à pistons ou encore les quasiturbines avec une préférence pour les moteurs à engrenages ou les quasiturbines qui permettent de réduire les risques de coups de bélier dans les canalisations de l'installation. Les moteurs volumétriques rotatifs pourront être à débit fixe ou variable avec une préférence pour les moteurs volumétriques rotatifs à débit fixe en raison de leur plus grande simplicité et robustesse. 8 Dans la mesure où un certain débit Qs de fluide traité est récupéré au niveau de la sortie S, le débit Qe au niveau de l'entrée E de l'installation de traitement est supérieur au débit Qr de fluide rejeté au niveau de la sortie R et vérifie la relation Qe = Qr + Qs. Le débit au niveau de la pompe 2 sera alors supérieur au débit au niveau du moteur volumétrique rotatif 9. La pompe volumétrique rotative 2 et le moteur volumétrique rotatif 9 pourront alors être choisis pour que leurs débits respectifs par tour correspondent à Qe et Qr de manière à permettre un accouplement direct de leurs arbres d'entraînement 8 et 9 sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre des moyens de compensation d'une quelconque différence de vitesse de rotation entre les arbres d'entraînement 8 et 9. Toutefois, selon l'invention, la correction entre les vitesses de rotation des arbres 8 et 9 peut être effectuée par des moyens de compensation telle que la boîte de vitesse 13 ou encore un système de réducteur. Selon l'exemple illustré et décrit précédemment, il n'est couplé mécaniquement qu'une seule pompe volumétrique rotative à un seul moteur volumétrique rotatif en association avec un seul moteur d'entraînement et de compensation des pertes. Toutefois, selon l'invention, il pourrait être couplé mécaniquement par leurs arbres d'entraînement une ou plusieurs pompes volumétriques rotatives à un ou plusieurs moteurs volumétriques rotatifs avec un ou plusieurs moteurs d'entraînement et de compensation en fonction des débits recherchés. En effet, un intérêt de l'invention réside dans la liaison en rotation de l'ensemble des arbres d'entraînement de la ou des pompes et du ou des moteurs volumétriques rotatifs ainsi que du ou des moteurs d'entraînement et de compensation des pertes hydrauliques. Ainsi, la ou les pompes volumétriques rotatives, le ou les moteurs volumétriques rotatifs et le ou les moteurs d'entraînement sont couplés à une transmission mécanique commune. Un tel montage permet de réduire les pertes mécaniques et donc d'assurer une augmentation du rendement. Cette augmentation du rendement accentue le bénéfice retiré de l'utilisation de pompes et de moteurs volumétriques rotatifs présentant par eux-mêmes de très bons rendements de conversion de l'énergie mécanique en énergie hydraulique et réciproquement. De même, le procédé et l'installation de fourniture de fluide sous pression 1 conforme à l'invention ont été décrits en relation avec une unité de traitement d'eau. Toutefois, l'installation et le procédé selon l'invention peuvent être utilisés pour tous types de fluide liquide ou gazeux. Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l'installation et au procédé sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fourniture d'un fluide à traiter sous pression à l'entrée (E) d'une installation de traitement (U) comprenant une sortie (R) de fluide sous pression, procédé comprenant une étape de mise sous pression du fluide à traiter avec au moins une pompe volumétrique et une étape de détente et de récupération de l'énergie mécanique du fluide de sortie avec au moins un moteur volumétrique, caractérisé en ce que pour l'étape de détente et récupération d'énergie, il est mis en oeuvre au moins un moteur volumétrique rotatif (9), et en ce que pour l'étape de mise sous pression, il est mis en oeuvre au moins une pompe volumétrique rotative (2) entraînée par le moteur volumétrique rotatif (9) et par un moteur (6) d'entraînement et de compensation des pertes couplé mécaniquement à l'arbre d'entraînement (8) de la pompe volumétrique rotative (2). 2 - Procédé de fourniture d'un fluide sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit par tour du moteur volumétrique rotatif (9) est inférieur au débit par tour de la pompe volumétrique rotative (2). 3 - Procédé de fourniture d'un fluide sous pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre le débit par tour du moteur volumétrique (9) et le débit par tour de la pompe volumétrique (2) est égal au rapport entre le débit (Qr) de fluide de sortie et le débit (Qe) de fluide à traiter. 4 - Procédé de fourniture d'un fluide sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre des moyens (13) de compensation de la différence entre les débits d'entrée et de sortie de l'installation de traitement. 5 - Procédé de fourniture d'un fluide sous pression selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que : • la pompe volumétrique rotative (2) est choisie parmi : les pompes à 30 palettes libres, les pompes à engrenages, les pompes à vis, les pompes à pistons et les quasiturbines,• et le moteur volumétrique rotatif (9) est choisi parmi : les moteurs à palettes libres, les moteurs à engrenages, les moteurs à pistons et les quasiturbines. 6 - Procédé de traitement d'eau salée ou saumâtre par filtration et/ou osmose inverse pour obtenir une eau potable et/ou une eau d'irrigation caractérisé en ce que l'eau à traiter est fournie sous pression à un dispositif de filtration et/ou d'osmose inverse (U) conformément au procédé de fourniture d'un fluide sous pression selon l'une des revendications 1 à 5. 7 - Installation de fourniture d'un fluide sous pression à une canalisation d'entrée (3) d'une installation de traitement comprenant une canalisation de sortie (10) de fluide sous pression, installation de fourniture comprenant : • au moins une canalisation d'alimentation (4) raccordée à l'entrée d'au moins une pompe volumétrique (2) dont la sortie est destinée à être raccordée à la canalisation d'entrée (3) de l'installation, au moins un moteur volumétrique (9) dont l'entrée est destinée à être raccordée à la canalisation de sortie (10) de l'installation et la sortie est raccordée à une canalisation de refoulement, les moyens d'entraînement de la pompe volumétrique étant raccordés au moteur volumétrique, caractérisé en ce que la pompe volumétrique est une pompe volumétrique rotative (2) et le moteur volumétrique est un moteur volumétrique rotatif (9) dont l'arbre de sortie (12) est lié en rotation à l'arbre d'entraînement (8) de la pompe volumétrique rotative (2) et qui est associé, pour l'entraînement de la pompe volumétrique rotative, à un moteur rotatif (6) d'entraînement et de compensation des pertes dont l'arbre d'entraînement (12) est lié en rotation à l'arbre d'entraînement (8) de la pompe volumétrique rotative (2). 8 - Installation de fourniture d'un fluide sous pression selon la revendication 7, caractérisée en ce que le rapport entre le débit par tour du moteur volumétrique (9) et le débit par tour de la pompe volumétrique (2) est égal au rapport entre le débit de fluide de sortie et le débit de fluide à traiter. 9 - Installation de fourniture d'un fluide sous pression selon la revendication 8, caractérisée en ce que la liaison mécanique entre les arbres d'entraînement (7, 8,12) est adaptée pour compenser la différence entre ledébit d'entrée (Qe) et le débit de sortie (Qr) de l'installation de traitement (U). 10 - Installation de fourniture d'un fluide sous pression selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que : ^ la pompe volumétrique rotative (2) est choisie parmi : les pompes à palettes, les pompes à vis, les pompes à engrenages, les pompes à pistons et les quasiturbines • et le moteur volumétrique rotatif est choisi parmi : les moteurs à palettes, les moteurs à engrenages, les moteurs à pistons et les quasiturbines. 11 - Installation de fourniture d'un fluide sous pression selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le moteur rotatif (6) d'entraînement et de compensation des pertes est un moteur électrique. 12 - Installation de traitement d'eau salée ou saumâtre par filtration et/ou osmose inverse pour obtenir une eau potable et/ou une eau d'irrigation caractérisée en ce qu'elle comprend : • une unité ou installation (U) de traitement par filtration et/ou osmose inverse comportant une entrée (E) d'eau à traiter et une sortie (R) d'eau sous pression, et une installation (1) de fourniture de fluide sous pression selon l'une des revendications 7 à 11 dont l'entrée de la pompe volumétrique rotative (2) est raccordée à une source d'eau à traiter (5), la sortie de la pompe volumétrique rotative (2) est raccordée à l'entrée (E) de l'unité de traitement et dont l'entrée du moteur volumétrique rotatif est raccordée à la sortie (R) d'eau sous pression de l'unité de traitement (U).25