Brevet FR3000052A1 — publié le 20140627

INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EAU, EN PARTICULIER POUR DESSALEMENT D'EAU DE MER. L'invention est relative à une installation de traitement d'eau, en 5 particulier pour dessalement d'eau de mer, du genre de celles qui comprennent : au moins une unité à membrane pour filtration par osmose inverse, ou par nanofiltration, une conduite d'arrivée d'eau à traiter, une conduite de sortie pour le perméat, et une conduite de rejet pour le concentrat, 10 au moins une pompe haute pression sur la conduite d'arrivée, et un système de récupération d'énergie dont une première entrée est branchée en amont de la pompe sur la conduite d'arrivée, une première sortie d'eau à traiter pressurisée est reliée à la conduite d'arrivée en aval de la pompe, une deuxième entrée est reliée à la conduite de rejet, et une 15 deuxième sortie est reliée à une conduite d'évacuation de l'eau concentrée, un circuit de solution de nettoyage, et un ensemble de vannes pour commander les opérations de filtration et les opérations de nettoyage. Une telle installation permet un nettoyage en place (CIP = "Cleaning 20 In Place") qui permet d'effectuer rapidement les opérations de nettoyage nécessitées par le colmatage des membranes d'osmose inverse ou de nanofiltration après une certaine période de fonctionnement. L'eau est l'un des éléments les plus importants pour la vie et sa pénurie est l'un des plus grands problèmes auquel doit faire face l'humanité. 25 Même si les deux tiers de la surface du globe sont occupés par des eaux de mer, leur teneur élevée en sel ne permet pas de les utiliser telles que pour de nombreuses applications. En outre, la quantité et la qualité des eaux de surface et des eaux souterraines ont été dramatiquement réduites au cours des trente dernières 30 années alors que, simultanément, la demande en eau augmentait de manière significative. Le dessalement de l'eau de mer est l'une des possibilités pour résoudre, au moins en partie, ce problème qui est d'une importance considérable pour les régions sèches, les régions côtières et les îles. Les 35 procédés de dessalement d'eau de mer à l'aide de membranes de filtration par osmose inverse ou de nanofiltration constituent une option intéressante en raison de leurs exigences relativement faibles en énergie. Ces procédés, notamment l'osmose inverse, nécessitent de porter l'eau à traiter à une pression élevée pour dépasser la pression osmotique. Une installation de traitement comporte, en général, plusieurs unités à membrane alimentées en parallèle en eau à traiter, de sorte que les débits d'eau dans la conduite d'arrivée, ainsi que dans la conduite de sortie perméat et dans la conduite de rejet sont relativement élevés. Les vannes, traversées par de tels débits, doivent : - avoir des diamètres de passage relativement importants, pouvant atteindre 600 mm ou plus, - résister à la corrosion de l'eau de mer, - et selon leur emplacement dans l'installation, pouvoir résister à de fortes pressions de l'ordre de 25 à 80 bars. Le prix de telles vannes est élevé et intervient de manière significative dans le coût final d'une installation de filtration par osmose inverse, ou par nanofiltration. L'invention a pour but, surtout, de fournir une installation de traitement d'eau, du genre défini précédemment, dont le coût de revient soit diminué, notamment en réduisant le nombre de vannes haute pression. Selon l'invention, une installation de traitement d'eau, en particulier pour dessalement d'eau de mer, du genre défini précédemment, est caractérisée en ce que : - le circuit de solution de nettoyage comprend : - une conduite d'amenée reliée en amont de la pompe haute pression, et équipée d'une vanne basse pression, - une première conduite d'évacuation de solution de nettoyage reliée à la conduite de sortie pour le perméat, et équipée d'une vanne basse pression, - une deuxième conduite d'évacuation reliée à la deuxième sortie du système de récupération d'énergie, et équipée d'une vanne basse pression, le système de récupération d'énergie étant traversé par la solution de nettoyage, - et des moyens sont prévus pour permettre à la solution de nettoyage de franchir la pompe haute pression, qui est à l'arrêt lors du nettoyage. De préférence, une deuxième conduite d'amenée de solution de nettoyage est reliée à la première entrée du système de récupération d'énergie, et est équipée d'une vanne basse pression. Avantageusement, l'installation comporte une vanne basse pression sur la conduite d'arrivée en amont du branchement de la conduite d'amenée de solution de nettoyage, et en aval du branchement de la première entrée du système de récupération d'énergie. Une autre vanne basse pression peut être prévue sur ce branchement de la première entrée du système de récupération d'énergie, en amont du branchement de la deuxième conduite d'amenée de solution de nettoyage. La conduite de sortie pour le perméat et la conduite branchée sur la deuxième sortie du système de récupération d'énergie sont équipées de vannes basse pression disposées en aval du branchement des conduites d'évacuation de solution de nettoyage. Une vanne haute pression est généralement disposée en aval de la pompe haute pression et en amont de l'unité à membrane. Les moyens permettant à l'eau de nettoyage de franchir la pompe haute pression peuvent être constitués par la pompe elle-même qui, tout en étant à l'arrêt, laisse passer la solution de nettoyage. Si nécessaire, une conduite de dérivation contournant la pompe, et munie d'une vanne, peut être prévue. La première sortie d'eau à traiter pressurisée du système de récupération d'énergie est reliée à la conduite d'arrivée en aval de cette vanne haute pression, cette conduite étant équipée d'une pompe (Booster) propre à augmenter la pression de l'eau provenant de la première sortie du système de récupération d'énergie. L'invention permet, dans une installation de traitement d'eau avec système de nettoyage en place des membranes, de réduire le nombre de vannes haute pression, en déplaçant les connexions d'entrée du circuit de solution de nettoyage dans la zone basse pression de l'unité à membrane. L'utilisation du système de récupération d'énergie constitue une aide à l'évacuation de la solution de nettoyage rejetée par l'unité à membrane, et permet de déplacer les connexions de sortie du circuit de solution de nettoyage vers la zone basse pression, en aval du système de récupération d'énergie. Ces dispositions permettent de réduire de manière significative le coût de l'installation de traitement d'eau. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ce dessin : la figure unique représente schématiquement une installation de traitement d'eau conforme à l'invention. En se reportant au dessin, on peut voir une installation de traitement d'eau, pour dessalement d'eau de mer, comprenant au moins une unité M à membrane pour filtration par osmose inverse. Généralement, plusieurs unités M sont disposées en parallèle et alimentées à partir d'une même conduite d'arrivée d'eau à traiter. Selon la représentation schématique, la conduite d'arrivée d'eau est formée par un ensemble de segments A, C et E successifs. Le segment de conduite A est relié à l'entrée d'une pompe haute pression HP, dont la sortie est reliée au segment de conduite C. Par pompe haute pression, on désigne une pompe qui délivre en sortie un fluide sous une pression supérieure à 25 bars. Une vanne basse pression 1 est disposée sur le segment de conduite A en amont de la pompe HP. Par l'expression "vanne basse pression", on désigne une vanne pour fluide dont la pression est inférieure à 10 bars. Les membranes de l'unité M se colmatent progressivement en raison des impuretés que peut contenir l'eau à traiter. Des nettoyages chimiques avec une solution de nettoyage sont effectués, en place, lorsque la perméabilité des membranes a trop fortement diminué. Un circuit de solution de nettoyage est prévu et comporte une conduite F d'amenée de solution de nettoyage qui est reliée en amont de la pompe haute pression HP à la conduite d'arrivée, sur son segment A, en aval de la vanne 1. La conduite F est équipée d'une vanne 2 qui est une vanne basse pression puisque située en amont de la pompe HP. L'installation comporte un système de récupération d'énergie ERD dont une première entrée est branchée, par une conduite B, en amont de la pompe HP sur la conduite d'arrivée au niveau de son segment A, en amont de la vanne 1. Une vanne basse pression 3 est installée sur cette conduite B et une deuxième conduite G d'amenée de solution de nettoyage est reliée, en aval de la vanne 3, à la conduite B et donc à la première entrée du système ERD. La conduite G est équipée d'une vanne basse pression 4 en amont de son branchement sur la conduite B. Une canalisation D pour la première sortie d'eau à traiter pressurisée par le système ERD est reliée à la conduite d'arrivée sur son segment C. La conduite D est équipée d'une pompe BP pour augmenter la pression du liquide délivré par la première sortie du système ERD. La liaison entre la première sortie du système ERD et le segment C de la conduite d'arrivée est libre de toute vanne. La conduite D reliée à la première sortie du système ERD est branchée sur le segment E en aval de la pompe HP et en aval d'une vanne haute pression 5. Cette vanne 5 doit pouvoir supporter des pressions supérieures à 25 bars et pouvant atteindre 80 bars. Le segment E de la conduite d'arrivée d'eau à traiter s'étend entre la vanne 5 et l'entrée de l'unité M. Une conduite H branchée sur la sortie concentrat de l'unité M constitue une conduite de rejet pour une solution concentrée en sel, à pression élevée. La pression du concentrat dans la conduite H n'est inférieure que de quelques bars, 1 à 4 bars par exemple, à la pression de l'eau à traiter qui arrive par le segment E lors de la filtration et du fonctionnement de la pompe haute pression HP. La pression de l'eau à traiter est supérieure à 25 bars, et peut être de l'ordre de 80 bars. Une deuxième entrée du système ERD est reliée à la conduite de rejet H. De préférence, la conduite H assure une liaison directe en l'absence de toute vanne. La deuxième sortie du système ERD est reliée à une conduite I d'évacuation du rejet, c'est-à-dire de l'eau concentrée en sel, dont la pression a 15 chuté en traversant le système ERD, au bénéfice de la montée en pression de l'eau à traiter qui arrive par la conduite B et sort par la conduite D. Une conduite J est branchée sur la sortie perméat de l'unité M pour évacuer l'eau filtrée dont la teneur en sel est considérablement réduite. La pression du perméat est faible, de l'ordre de 1 ou 2 bars , et la conduite J est 20 équipée, en aval de l'unité M, d'une vanne basse pression 6. Le circuit de solution de nettoyage comprend une première conduite L d'évacuation de la solution de nettoyage reliée à la conduite J de sortie pour le perméat, et équipée d'une vanne basse pression 7. Le circuit de solution de nettoyage comporte une deuxième conduite 25 K d'évacuation de la solution, reliée à la conduite I de la deuxième sortie basse pression du système ERD. La conduite I est équipée, en aval du branchement de la conduite K, d'une vanne basse pression 8. La deuxième conduite d'évacuation K de la solution de nettoyage est équipée d'une vanne basse pression 9, en aval de son branchement sur la conduite I. 30 Le fonctionnement de l'installation de dessalement d'eau de mer est le suivant. Filtration Pour l'opération de filtration, le circuit de solution de nettoyage est mis hors d'état de fonctionner par fermeture des vannes 2, 4, 7 et 9. 35 Les vannes 1, 3, 5, 6 et 8 sont ouvertes. L'eau à traiter arrive par le segment de conduite A, cette eau ayant généralement subi un prétraitement. Les pompes HP et BP sont mises en fonctionnement. La fraction de débit d'eau à traiter qui passe par la conduite B dépend du taux de rejet de l'unité à membrane M. Le réglage de l'installation est prévue pour que les deux débits d'entrée dans le système ERD et les deux débits de sortie soient sensiblement égaux. L'eau à traiter délivrée à l'entrée de l'unité M est à pression élevée, généralement supérieure à 25 bars, notamment comprise entre 60 et 80 bars, pour surmonter la pression osmotique. Le perméat, ou filtrat, qui traverse les membranes sort par la conduite J à une pression relativement faible, qui peut être comprise entre 0 et 20 bars lorsque la pression à l'entrée est de 60 à 80 bars à titre d'exemple. Le débit de perméat est généralement inférieur à 50 % du débit d'arrivée d'eau à traiter. Le concentrat sort de l'unité à membrane M par la conduite de rejet H sous une pression élevée, inférieure de quelques bars seulement à la pression d'entrée dans l'unité M. Le système ERD permet d'effectuer un transfert de pression entre le concentrat et l'eau à traiter qui sort par la conduite D. Le concentrat, qui a perdu sa pression, est évacué par la deuxième sortie du système ERD vers la conduite I. L'eau à traiter pressurisée dans le système ERD sort par la conduite D et sa pression est augmentée par la pompe BP pour atteindre sensiblement la pression du liquide en sortie de la pompe HP et pour donner un mélange à la pression souhaitée d'environ 25 à 80 bars. Nettoyage Lorsque le colmatage de l'unité à membrane M devient trop élevé, ce qui se traduit par une perte de charge plus importante au travers de l'unité à 25 membrane, on procède à une opération de nettoyage chimique sur place de l'unité à membrane à l'aide du circuit de solution de nettoyage. Les vannes 1, 3, 6 et 8 sont fermées, tandis que les vannes 2, 4, 5, 7 et 9 sont ouvertes. La pompe HP est à l'arrêt tandis que la pompe BP fonctionne. 30 La solution de nettoyage est préparée avec de l'eau traitée, dont la teneur en sel est faible ou quasiment nulle, additionnée d'agents chimiques de nettoyage. La faible teneur en sel de la solution de nettoyage entraîne une faible pression osmotique de sorte que la solution de nettoyage peut traverser en partie, l'unité à membrane et sortir par la conduite perméat 6 sous faible 35 pression, notamment de 1 ou 2 bars. La conduite de rejet H évacue vers le système ERD la fraction de solution de nettoyage évacuée par la sortie concentrat. La solution de nettoyage sortant du côté perméat est évacuée par la conduite L, alors que la vanne 6 est fermée. La solution de nettoyage sortant par la conduite H de rejet traverse le système ERD et sort par la conduite I pour être évacuée par la conduite K, alors que la vanne 8 est fermée. L'installation de l'invention comporte une seule vanne haute pression 5, ce qui permet de réduire sensiblement le coût de l'installation. L'invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, aux installations de dessalement d'eau de mer qui comportent dans leur ligne de traitement des membranes d'osmose inverse ou de nanofiltration, et des 10 chambres d'échange de pression comme systèmes de récupération d'énergie. REVENDICATIONS1. Installation de traitement d'eau, en particulier pour dessalement d'eau de mer, comprenant : au moins une unité à membrane (M) pour filtration par osmose inverse, ou par nanofiltration, une conduite d'arrivée (A,C,E) d'eau à traiter, une conduite de sortie (J) pour le perméat, et une conduite de rejet (H) pour le concentrat, au moins une pompe haute pression (HP) sur la conduite d'arrivée, et un système de récupération d'énergie (ERD) dont une première entrée est branchée (B) en amont de la pompe sur la conduite d'arrivée, une première sortie d'eau à traiter pressurisée est reliée (D) à la conduite d'arrivée en aval de la pompe (HP), une deuxième entrée est reliée à la conduite de rejet (H), et une deuxième sortie est reliée à une conduite d'évacuation (I) de l'eau concentrée, un circuit de solution de nettoyage, et un ensemble de vannes pour commander les opérations de filtration et les opérations de nettoyage, caractérisée en ce que : - le circuit de solution de nettoyage comprend : - une conduite d'amenée (F) reliée en amont de la pompe haute pression (HP), et équipée d'une vanne basse pression (2), - une première conduite d'évacuation (L) de solution de nettoyage reliée à la conduite de sortie (J) pour le perméat, et équipée d'une vanne basse pression (7), - une deuxième conduite d'évacuation (K) reliée à la deuxième sortie du système de récupération d'énergie, et équipée d'une vanne basse pression (9), le système de récupération d'énergie (ERD) étant traversé par la solution de nettoyage, - et des moyens sont prévus pour permettre à la solution de nettoyage de franchir la pompe haute pression (HP), qui est à l'arrêt lors du nettoyage 30 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une deuxième conduite d'amenée (G) de solution de nettoyage est reliée à la première entrée du système de récupération d'énergie (ERD), et est équipée d'une vanne basse pression (4). 35 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporteune vanne basse pression (1) sur la conduite d'arrivée (A) en amont du branchement de la conduite d'amenée (F) de solution de nettoyage, et en aval du branchement (B) de la première entrée du système de récupération d'énergie. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu' une vanne basse pression (3) est prévue sur le branchement (B) de la première entrée du système de récupération d'énergie (ERD), en amont du branchement de la deuxième conduite d'amenée (G) de solution de nettoyage. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la conduite de sortie (J) pour le perméat et la conduite (I) branchée sur la deuxième sortie du système de récupération d'énergie (ERD) sont équipées de vannes basse pression (6, 8) disposées en aval du branchement des conduites d'évacuation (L, K) de solution de nettoyage. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une vanne haute pression (5) est disposée en aval de la pompe haute pression (HP) et en amont de l'unité à membrane (M). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens permettant à l'eau de nettoyage de franchir la pompe haute pression (HP) sont constitués par la pompe (HP) elle-même qui, tout en étant à l'arrêt, laisse passer la solution de nettoyage. 8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la première sortie d'eau à traiter pressurisée du système de récupération d'énergie (ERD) est reliée (D) à la conduite d'arrivée (C) en aval de la vanne haute pression (5), cette conduite (D) étant équipée d'une pompe (BP) propre à augmenter la pression de l'eau provenant de la première sortie du système de récupération d'énergie.