Brevet FR2902666A1 — publié le 20071228

Le procédé et l'appareil objet de ce brevet permettent la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution. Ce procédé convient tout particulièrement au dessalement de l'eau de mer. Les trois quarts de la terre sont recouverts d'eau salée non consommable. Pour la rendre consommable il est nécessaire de la dessaler. La technique la plus ancienne mais toujours utilisée est la distillation. L'eau salée est portée à ébullition, la vapeur d'eau est récupérée puis condensée sur une paroi froide. Le principe décrit dans la demande de brevet N FR 2 869 307ûA 1 illustre une évolution de ce procédé. Cette évolution optimise le procédé ; les calories récupérées lors de la condensation contribuent en partie à la mise en ébullition de l'eau salée. Ce type de dessalement présente l'inconvénient d'être coûteux en énergie pour amener l'eau de mer à ébullition. De plus cette solution est polluante en raison de la saumure qui doit être rejetée. L'osmose inverse est une solution plus récente. Cette méthode est décrite dans le brevet N FR2850038-A1. Le principe est basé sur la pression osmotique qui correspond à la pression différentielle entre les deux parties d'une enceinte séparées par une membrane semi-perméable. D'un coté de la membrane le solvant et de l'autre coté une solution saline. A l'équilibre, le solvant ne traverse plus la membrane semi-perméable car la pression du coté de la solution saline a atteint la pression osmotique. Lorsque mécaniquement la pression du coté solution saline est augmentée et devient supérieure à la pression osmotique le solvant peut traverser la membrane. La pression osmotique pour l'eau de mer est d'environ 25 bars. Les pressions de fonctionnement pour dessaler l'eau de mer sont de l'ordre de 70 à 100 bars. Pour améliorer le rendement des pompes de mise en pression, le dispositif utilise un ensemble de 4 chambres de compression qui permet d'utiliser la pression résiduelle du fluide non épuré sortant du filtre osmotique. L'inconvénient majeur de cette technique est qu'elle est coûteuse du fait du prix élevé des membranes semi-perméables. De plus comme la technique précédente ce dispositif est polluant car la saumure doit être rejetée. La présente invention est caractérisée par une séparation des composants de la solution par la mise en oeuvre dans une veine gazeuse d'un cycle à quatre temps : pulvérisation, vaporisation, séparation, condensation. La solution est dans un premier temps pulvérisée en fines gouttelettes (micro pulvérisation) dans un flux d'air non saturé en humidité. La pulvérisation peut être obtenue par un système piezo-électrique selon brevet FR9408204 ou par tout autre moyen. Le dispositif décrit dans le brevet FR9408204, permet une pulvérisation en micro gouttelettes de diamètre inférieur à 10 microns, une onde acoustique générée par une plaque piézo-électrique se propage et est concentrée dans le milieu à pulvériser par l'intermédiaire d'une buse. Le liquide est amené sous faible pression dans la buse et forme un jet à la sortie de la buse, l'onde acoustique focalisée par la buse se trouve concentrée dans le jet. La forte intensité acoustique arrache alors de micro gouttelettes à la paroi de ce jet. La taille des gouttelettes permet un rapport surface volume suffisant pour effectuer une vaporisation à température ambiante. La grande surface d'échange entre l'air et les gouttelettes de liquide pulvérisé permet aux gouttelettes de se vaporiser rapidement. Après vaporisation le sel contenu dans la goutte s'est cristallisé, la veine contient alors un mélange gazeux air/liquide vaporisé et des particules solides de sel. La phase suivante consiste à séparer le flux de gaz chargé des cristaux solides. Cette séparation peut être effectuée par différents moyens tels que : filtrage, centrifugation, captation électrostatique après charge des particules de sel. Le filtrage peut être fait au travers d'une paroi perméable dont les pores ont un diamètre inférieur à la taille des cristaux de sel. Les cristaux sont arrêtés par le filtre alors que le gaz passe au travers du filtre. La séparation centrifuge est obtenue en mettant en rotation le gaz dans lequel les particules de sel sont en suspension, la force centrifuge projette les particules solides plus denses que le gaz à l'extérieur de l'écoulement. Les particules solides sont récupérées sur la paroi externe du centrifugeur. La séparation électrostatique peut être effectuée en polarisant les particules solides dans une partie de la veine fluide puis en les attirant sur une paroi chargée à un potentiel opposé à la charge des particules solides. Les particules solides sont récupérées sur la plaque polarisée. La dernière phase consiste à récupérer le liquide vaporisé dans l'air par condensation dans la dernière partie de l'appareil aménagée à cet effet. La figure 1 présente le principe de fonctionnement de l'invention. Les figures 2, 3 et 4 représentent des évolutions optimisées de l'invention. La présente invention, figure 1, consiste en un dispositif permettant la séparation d'un liquide et d'un produit cristallisable en solution, caractérisé par une zone de pulvérisation (1), une zone de vaporisation (2), une zone de séparateur de particules solides (3), une zone condenseur (4), et éventuellement un chauffage (5). Les dispositifs de mise en circulation de l'eau et de l'air ne sont pas représentés dans les figures, chaque zone comporte une section d'entrée et une section de sortie. Le vaporisateur est doté d'une ou plusieurs zones de pulvérisation équipées de dispositifs de pulvérisation d'eau de mer (lb), d'une entrée d'air dit "sec" (la), d'une sortie d'air dit "humide" (le). De l'air non saturé en humidité pénètre dans la zone de vaporisation par la section (la), l'écoulement de l'air est tel qu'il entraîne dans sa trajectoire les fines gouttelettes d'eau, les grosses gouttes sont évacuées de cette zone de vaporisation par la section (1d). L'air chargé en gouttelettes d'eau salée entre dans la zone de vaporisation (2) par la section (2a). La surface d'échange entre les gouttelettes et l'air est importante de telle sorte qu'avant de quitter le vaporisateur par la section (2b), toutes les gouttes d'eau emportées par l'écoulement d'air se sont évaporées. Le sel dissous dans les gouttelettes s'est cristallisé et les particules solides sont emportées par l'écoulement d'air. Le gaz chargé en particules entre dans la zone de séparation (3) par la section (3a), le fluide est forcé à travers la zone de séparation équipée soit d'un filtre, soit d'un dispositif centrifuge, soit d'un filtre électrostatique (3b) capable de retenir les particules solides de sel, en sortie du séparateur (3c) l'air est fortement chargé en humidité. Les particules solides récupérées sont évacuées du séparateur au niveau de la section (2d). L'air humide entre par la section (4a) dans la zone de condensation (4) et se libère de son eau sur le condenseur (4b) maintenu à basse température. Par exemple grâce à une circulation d'eau de mer entre la section (4b 1) et la section (4b2). Les calories libérées par l'air humide en se condensant peuvent être utilisées pour élever la température de l'eau de mer. L'eau sortant de (4b2) passe dans le module (5) qui permet éventuellement d'augmenter sa température puis est pulvérisée dans l'évaporateur (1), grâce à cette re-cireulation, on améliore ainsi le rendement de la pulvérisation. Plus la température de l'eau à évaporer est élevée plus le rendement de la pulvérisation est élevé. L'air asséché sortant du module (4) par la section (4c) est alors réintroduit en partie ou en totalité dans la zone de pulvérisation (1) selon les différences entre la température et le taux d'humidité de l'air ambiant et de l'air re-circulé venant de (4c). Le dispositif décrit est particulièrement adapté aux dispositifs de pulvérisation piézo-électrique haute fréquence qui présentent l'avantage d'avoir un bon rendement et l'avantage de pulvériser l'eau en gouttes très fines dont le diamètre est inférieur à 10 microns, soit 6 milliard de gouttes d'eau et une surface d'échange entre les gouttes d'eau et l'air de l'ordre de 2 m2 pour 1 gramme d'eau. Selon un autre mode de réalisation figure 2, le schéma peut être amélioré en complétant la figure 1 par un bouclage de la veine fluide entre (4c) et (la), le gaz asséché par le condenseur (4) s'il est plus sec que l'air ambiant est intégralement réintroduit dans la section (la). Selon un autre mode de réalisation figure 3, le schéma peut être amélioré en associant plusieurs modules identiques à la figure 1. Le fonctionnement est le même que celui décrit en figure 1, le fait d'associer plusieurs modules identiques permet d'augmenter le rendement de la distillation. Dans les modules (6) (7) (8) et (9), l'eau à pulvériser est à une température supérieure après être passée dans l'échangeur (5), l'énergie calorifique amené à l'échangeur (5) provient des calories récupérées par la condensation de la vapeur d'eau sur les condenseurs (9) (13) et (17). La quantité d'eau de mer pulvérisée est par conséquent supérieure pour la même énergie d'apport. Le réchauffeur (5) est dans ce cas principalement alimenté par la sortie (17b2) du dernier condenseur. Dans la figure 3 nous nous sommes limités à un dispositif à 4 étages, ce nombre n'est pas limité et il peut être envisagé de ne pas faire fonctionner tous les étages en même temps selon les conditions d'entrée : humidité et température de l'air et température de l'eau de mer. Selon un autre mode de réalisation, la figure 4 est une variante de la figure 3, le fonctionnement peut être amélioré en ajoutant un dispositif de chauffage de l'air (18). Après l'assèchement de l'air dans la zone (17), l'air chauffé dans la zone (18) pourra absorber plus de vapeur d'eau. Le chauffage de cet air pourrait être solaire pour améliorer le rendement du dispositif. 30 35 REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution par la mise en oeuvre dans une veine gazeuse d'un cycle à quatre temps soit, pulvérisation, vaporisation, séparation, condensation ; la solution est dans un premier temps pulvérisée en fines gouttelettes (ou micro pulvérisation) dans un flux d'air non saturé en humidité ; ce dispositif permet après pulvérisation dans la zone (1) une vaporisation à température ambiante du liquide dans la zone (2) ; en sortie de la zone (2) l'écoulement est composé d'air humide et de particules solides, la séparation est alors effectuée en zone (3) par filtrage, par centrifugation ou par tout autre moyen approprié ; le liquide est ensuite condensé dans la zone (4) puis récupéré ; ce dispositif est caractérisé par une micro pulvérisation de la solution en micro-gouttelettes de taille inférieure à 10 microns dans la zone (1) qui permet, en augmentant la surface d'échange entre le gaz contenu dans la veine gazeuse et le liquide dans lequel le produit cristallisable est en solution, d'accélérer l'évaporation du liquide. 2. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution, selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un dispositif piézoélectrique ; les ondes émises par le transducteur piézoélectrique sont concentrées vers l'orifice de sortie d'une cuve afin d'obtenir en zone (1) la micro pulvérisation de la solution. 3. Dispositif selon revendications 1 et 2 caractérisé par la polarisation des particules solides grâce à un champ électrique ionisant qui permet de charger les particules solides dans la zone (3) du dispositif; les particules chargées peuvent être extraites de la veine gazeuse grâce à un dispositif permettant aux particules solides polarisées d'être attirées par une surface polarisée à l'inverse de la polarisation des particules. 4. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution, selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les calories récupérées lors de la condensation de l'air humide sur le condenseur (4b) sont utilisées pour élever la température de la solution à pulvériser. 5. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution, selon les revendications 1, 2 et 3 et 4 caractérisée en ce que la sortie (4c) soit en correspondance avec l'entrée (la). 6. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution, selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisée en ce que des modules identiques aux modules 1, 2, 3 et 4 peuvent être montés en série, de telle manière que la section de sortie d'air (4c) soit en correspondance avec l'entrée d'air (6a) du module suivant, de même la sortie (9c) soit en correspondance avec l'entrée (10a), de même la sortie (13c) est en correspondance avec l'entrée (14a), enfin la sortie (17c) est en correspondance avec l'entrée (la). 7. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution, selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6 caractérisé en ce que plusieurs modules identiques peuvent être montés en série, de telle manière que la sortie (4b2) soit en correspondance à la fois avec le pulvérisateur (lb) et l'entrée du condenseur (9b 1) de la zone de condensation suivante ; de même la sortie (9b2) soit en correspondance à la fois avec le pulvérisateur (6b) et l'entrée (13b 1) du condenseur suivant, et enfin de telle manière que la sortie (13b2) soit en correspondance à la fois avec l'entrée du pulvérisateur (10b) et l'entrée du condenseur (17b l), la sortie du condenseur (17b2) est en correspondance avec l'entrée (5d) de l'échangeur (5). 8. Dispositif permettant la séparation d'un solide cristallisable soluble et du liquide dans lequel ce solide est en solution, selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 ,6 et 7 caractérisé en ce que l'air entrant dans la veine ou l'air asséché sortant du condenseur (4) ou condenseur (17) est réchauffé dans la zone (18) afin d'augmenter son taux de vapeur d'eau admissible. 9. Utilisation du dispositif selon les revendications 1 à 8 pour le 25 dessalement de l'eau de mer