Brevet FR3027300A1 — publié le 20160422

- 1 - Dispositif de distillation thermique par énergie solaire Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la distillation thermique, et plus particulièrement du dessalement d'eau impropre à la consommation, notamment de l'eau de mer. Le principe général consiste à mettre sous forme de vapeur le liquide à distiller, par exemple l'eau de mer, en le portant à ébullition, pour pouvoir séparer le distillat d'une part et les résidus moins volatiles d'autre part (dans le cas de l'eau de mer, le sel et des autres composants qui pourraient empêcher l'eau d'être potable). Ce procédé repose donc sur un changement de phase : L'eau de mer est introduite dans un récipient chauffé. A partir de l'ébullition celle-ci se transforme en vapeur et remonte dans une colonne d'air. Les molécules d'eau se vaporisent, se séparant ainsi des ions chlorure Cl- et sodium Na+. L'eau circule ensuite dans un tube réfrigérant pour repasser à l'état liquide et tombe sous la forme de gouttelettes dans un récipient de recueil, formant ainsi un distillat d'eau pure. Ainsi, l'eau est séparée du sel et des autres microbes qui sont restés dans la solution initiale. Les installations de dessalement comportent quatre étapes : - une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière, - un pré-traitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de produits anti-tarte - le procédé de dessalement lui-même, - le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite. A l'issue de ces quatre étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable industriellement.35 -2 - Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique deux procédés 5 de dessalement thermique : le procédé de distillation à détentes étagées (« Multi-Stage Flash distillation » dont l'abréviation communément admise MSF est l'acronyme de l'expression anglaise) et le procédé de distillation à multiples effets (« Multi-Effect distillation » dont l'abréviation communément admise MED est 10 l'acronyme de l'expression anglaise). Le principe de la distillation à détentes étagées (MSF) est le suivant: L'eau de mer est chauffée à 120°C dans des conduits. Elle est ensuite envoyée dans un récipient à faible 15 pression. L'eau est alors immédiatement transformée en vapeur par détente rapide. La vapeur résultante entre au contact des premiers conduits dans lesquels passe l'eau de mer. Ces conduits, froids, vont alors provoquer la condensation de cette vapeur qui est récupérée à l'état liquide. L'eau qui ne se sera 20 pas évaporée dans ce récipient, sera récupérée puis transférée dans un deuxième compartiment du même type ayant une pression moindre par rapport au premier. L'opération est alors répétée plusieurs fois à la suite. Les tuyaux en serpentin passant par chaque compartiment ont deux fonctions, condenser la 25 vapeur obtenue grâce à la différence de pression et préchauffer (grâce à cette même vapeur). Le principe de la distillation à multiples effets (MED) est le suivant : Le distillateur est constitué de 30 plusieurs évaporateurs en série. La vapeur issue du premier effet se condense au niveau du second évaporateur et l'énergie libérée par la condensation sert à évaporer l'eau de mer qui s'y trouve. Le troisième évaporateur joue le rôle de condenseur 35 pour les vapeurs issues du second évaporateur et ainsi de suite. - 3 - La vapeur du dernier évaporateur sert à réchauffer l'eau d'alimentation du premier évaporateur. Le nombre d'évaporateurs est limité par l'écart entre la température froide de l'eau de mer, qui permet de condenser la vapeur issue du dernier évaporateur, et la température d'ébullition de l'eau dans le premier évaporateur, elle-même limitée par le fait que la solubilité des carbonates et des sulfates diminue lorsque la température augmente : en augmentant la température, on augmente l'entartrage, ce qui diminue le coefficient de transfert thermique des surfaces d'échange et peut aller jusqu'à obstruer les tubes. Pour lutter contre l'entartrage, on peut opérer un prétraitement de l'eau de mer par ajout de polyphosphates ou d'acide sulfurique, ou encore de petites boules d'éponge, récupérées en sortie, qui nettoient en continu les tubes et les réservoirs ou encore de saumure des germes cristallins sur lesquels se dépose préférentiellement le tartre (méthode dite de germination) . La source d'énergie est souvent d'origine solaire. On connaît dans l'état de la technique le brevet FR2904822 qui concerne un dispositif pour distiller l'eau impropre à la consommation (eau de mer, eau saumâtre, ou encore eau stagnante) pour rendre cette même eau potable. Le dispositif est constitué d'une parabole dotée d'un réflecteur qui concentre les rayons reçus par le soleil. Les rayons une fois concentrés se répercutent au travers d'un tuyau pour être redirigés par un miroir plan sur la surface d'évaporation. Sur cette surface est acheminée continuellement de l'eau à distiller en provenance de la cuve en passant par le tuyau exposé au soleil. Inconvénient des solutions de l'art antérieur L'inconvénient majeur des procédés de distillation de l'art antérieur est leur consommation énergétique importante liée d'une part à la chaleur latente de vaporisation de l'eau et d'autre part aux pertes thermiques se produisant dans l'installation. - 4 - Un deuxième inconvénient des solutions de l'art antérieur est la sensibilité à la corrosion et à l'entartrage des multiples tubulures mises en oeuvre. Solution apportée par l'invention L'objet de la présente invention est d'optimiser l'efficacité de l'installation et de réduire les problèmes de corrosion et d'entartrage. A cet effet, elle concerne selon son acception la plus générale une installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, comportant un moyen de captation et de concentration de l'énergie solaire vers un corps de chauffe plongé dans un réservoir du liquide à évaporer, ainsi qu'au moins un échangeur de chaleur dont l'entrée débouche dans l'espace de vaporisation et la sortie correspond à l'écoulement du distillat caractérisée en ce qu'il comporte en outre une pluralité d'étages superposés, - l'étage supérieur présentant au moins un moyen de distribution du liquide provenant d'un réservoir de stockage sur un échangeur de chaleur dont l'entrée est reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillat, - le ou les étages intermédiaires présentant au moins un moyen de distribution du liquide provenant de l'étage supérieur sur un échangeur de chaleur dont l'entrée est reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillat - l'étage intermédiaire inférieur présentant un conduit d'écoulement de liquide dans le réservoir de liquide contenant ledit corps de chauffe. De préférence, le réservoir de liquide est constitué par une enceinte fermée d'une hauteur au moins égale à la 35 hauteur desdits étages superposés, ladite enceinte fermée étant reliée à l'étage supérieur par un conduit dont l'entrée débouche - 5 - dans le réservoir de liquide à un niveau supérieur au niveau de distribution du liquide sur l'échange de chaleur dudit étage supérieur. Avantageusement, ledit réservoir de liquide comporte un échangeur de chaleur présentant des dérivations pour le raccordement des sorties des échangeurs de chaleur desdits étages superposés et englobe en son sein les différentes cuves sus-mentionnées pour minimiser les pertes thermiques Selon une variante préférée, l'installation comporte des vannes de réglage du débit entre l'espace d'évaporation d'un étage et l'échangeur de chaleur disposé dans l'étage adjacent supérieur. Avantageusement, les conduits d'alimentation desdits moyens de distribution de liquide sont munis d'une vanne de commande pour le réglage du débit inter-étage. De préférence, ledit corps de chauffe est constitué par un corps contenant un matériau à changement de phase, point d'équilibre autour de 130 - 140 ° C. Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue schématique d'une installation selon un premier exemple de l'invention - la figure 2 représente une vue schématique d'une installation selon un deuxième exemple de l'invention - 6 - L'installation est constituée par une tour comprenant une superposition de chambres d'évaporation 1 à 4 associés à un réservoir d'eau salée 4. Les chambres d'évaporation 1 à 3 sont fermées 5 hermétiquement, à l'exception d'ouvertures respectivement 11 à 13 pour l'introduction d'eau salée et d'ouvertures 21 à 23 pour l'évacuation de la vapeur produit dans la chambre considérée. La chambre inférieure 1 est partiellement remplie d'eau salée, provenant du ruissellement des chambres 2, 3 10 supérieures. Un corps à forte capacité d'absorption 5 est plongé dans le réservoir formé par la partie inférieure de la chambre 1. Ce corps 5 est rempli d'un matériau à changement de phase agissant à une température d'environ 110 à 130°C afin d'absorber l'énergie en excès pendant les pics d'apport énergétique et la 15 restituer pendant les périodes de moindre apport énergétique. Il est constitué par un volume noir pour absorber au mieux l'énergie solaire concentrée par un concentrateur solaire 6 grâce à une fenêtre transparente 7 prévue sur la face d'entrée de la chambre 1. 20 La chambre supérieure 3 est reliée à la réserve d'eau salée 4 par un conduit d'alimentation 33 traversant l'ouverture 13. Ce conduit 33 alimente une buse de pulvérisation 43 disposée au-dessus des tubulures en spirales d'un échangeur thermique 63. Une vanne 53 permet de régler le débit d'alimentation en eau 25 salée. L'eau salée s'écoulant des buses 43 vient en contact des surfaces chaudes de l'échangeur thermique 63 et est partiellement vaporisée dans la chambre supérieure 3. La vapeur est évacuée par un évent 73 équipé d'une vanne de réglage du 30 débit pour être recondensée dans l'échangeur 8. L'échangeur thermique 63 est alimenté par un conduit 83 débouchant dans l'espace d'évaporation de la chambre 2 disposée juste en-dessous. La sortie de l'échangeur 63 débouche dans un conduit d'évacuation 93 débouchant lui-même dans un 35 échangeur thermique 8 plongé dans la réserve d'eau salée 4. Une vanne (num indéterminé) permet de maintenir un niveau de - 7 - pression de consigne dans l'échangeur 63 pendant la condensation de la vapeur La chambre intermédiaire 2 - et toutes les chambres intermédiaires en cas de construction à plus de trois étages, présentent la même configuration que la chambre supérieure 3. Elle est alimentée par un conduit traversant l'ouverture 12 et alimentant une buse 42. Ce conduit est alimenté par l'eau salée accumulée au fond de la chambre supérieure 3, dont la concentration en sel et minéraux, ainsi que la température, sont supérieures aux concentrations et température de l'eau salée contenue dans le réservoir 4. L'eau ruisselle sur un deuxième échangeur thermique 62 et s'évapore partiellement. La vapeur s'échappe par l'ouverture 22 pour alimenter par la pression le conduit 83 alimentant l'échangeur thermique 63. Une vanne placée sur le conduit 83 permet d'ajuster le débit de vapeur. La sortie de l'échangeur 62 débouche dans un conduit d'évacuation 92 débouchant lui-même dans un échangeur thermique 8 plongé dans la réserve d'eau salée 4 là aussi présence de la vanne de régulation de la pression dans l'échangeur. Le fond de la chambre intermédiaire 2 est traversé par une ouverture 11 à travers laquelle un conduit 9 transfère l'eau salée depuis le fond de la chambre 2 jusqu'au réservoir formé par la partie inférieure de la chambre inférieur 1. L'espace d'évaporation de la chambre 1 débouche dans 25 le conduit 82 qui alimente l'échangeur thermique 62 de la chambre intermédiaire 2. Afin d'améliorer le rendement de l'installation, le concentrateur 6 recueille l'énergie solaire fournie par un champ 30 d'héliostats composés de miroirs mobiles commandés par un système de suivi du soleil. Ce champ d'héliostats fait converger les rayons lumineux vers un même point, ou est placé le concentrateur 6 concentrant ainsi la lumière sur le corps chauffant 5 avec une énergie élevée. 35 - 8 - Pour réduire la vitesse de formation de sel sur le corps chauffant 5, celui-ci présente un état de surface structuré afin que les phénomènes de convection provoquent une agitation naturelle à la surface du corps chauffant 5 et ralentissent ainsi le phénomène de cristallisation des constituants minéraux. Le corps chauffant 5 peut être revêtu de polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou d'un matériau antiadhésif afin de freiner le phénomène de formation de sel susceptible de réduire l'efficacité du transfert thermique et diminuer la durée de vie du corps chauffant 5. Une installation selon l'invention comporte avantageusement entre 4 et 8 étages. Le pilotage de l'installation est optimisé par l'ajustage des débits en agissant sur les vannes d'échappement de vapeur, d'admission d'eau fraiche et de sortie de la condensation de chaque étage. Une solution avantageuse consiste à prévoir un volume 20 décroissant des chambres d'évaporation 1 à 3. La figure 2 représente une alternative de réalisation où la réserve d'eau salée (4) entoure les chambres d'évaporation (1 à 3), ce qui permet de mieux maîtriser le comportement 25 thermique de l'installation. Cette exemple de réalisation prévoit par ailleurs des conduits d'évacuation des gaz non solubles 90, 91, débouchant dans un collecteur 92 assurant l'évacuation des gaz non solubles tels que l'azote ou l'oxygène. 30 La pression ambiante dans les chambres présente un gradient décroissant depuis la chambre 1 inférieure jusqu'à la chambre supérieure 3. La pression P2 de la chambre supérieure 3 est sensiblement à la pression atmosphérique. La pression P1 à l'intérieure de la chambre juxtaposée 2 est supérieure à la 35 pression atmosphérique. La pression Po à l'intérieur de la chambre inférieure 1 est supérieure à la pression Pl. - 9 - L'écoulement inter-chambre de la phase liquide se fait par gravité, sans nécessiter de système de pompage. REVENDICATIONS1 - Installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, comportant un moyen de concentration de 5 l'énergie solaire 6 vers un corps de chauffe 5 plongé dans un réservoir du liquide à évaporer, ainsi qu'au moins un échangeur de chaleur 62, 63 dont l'entrée débouche dans l'espace de vaporisation et la sortie correspond à l'écoulement du distillat caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une pluralité 10 d'étages superposés, - l'étage supérieur 3 présentant au moins un moyen 43 de distribution du liquide provenant d'un réservoir de stockage 4, sur un échangeur de chaleur 63 dont l'entrée est reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur 15 2 et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillat, - le ou les étages intermédiaires 2 présentant au moins un moyen de distribution du liquide 62 provenant de l'étage supérieur sur un échangeur de chaleur dont l'entrée est 20 reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillat - l'étage intermédiaire inférieur 1 présentant un conduit d'écoulement de liquide dans le réservoir de liquide contenant ledit corps de chauffe. 25 2- Installation pour la distillation d'un liquide selon la revendication 1 caractérisée en ce que le réservoir de liquide est constitué par une enceinte fermée d'une hauteur au moins égale à la hauteur desdits étages superposés, ladite 30 enceinte fermée étant reliée à l'étage supérieur par un conduit dont l'entrée débouche dans le réservoir de liquide à un niveau supérieur au niveau de distribution du liquide sur l'échange de chaleur dudit étage supérieur. 35 3 - Installation pour la distillation d'un liquide selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit- 11 - réservoir de liquide comporte un échangeur de chaleur présentant des dérivations pour le raccordement des sorties des échangeurs de chaleur desdits étages superposés. 4 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des vannes de réglage du débit entre l'espace d'évaporation d'un étage et l'échangeur de chaleur disposé dans l'étage adjacent supérieur. 5 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que les conduits d'alimentation desdits moyens de distribution de liquide sont munis d'une vanne de commande pour le réglage du débit inter-étage. 6 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que ledit corps de chauffe est constitué par un corps contenant un matériau à changement de phase intervenant à un, point d'équilibre situé autour de 130 - 140 ° C. 7 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que le moyen de concentration 6 recueille l'énergie solaire fournie par un champ d'héliostats composés de miroirs mobiles commandés par un système de suivi du soleil. 8 - Installation pour la distillation d'un liquide 30 selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que le corps chauffant 5 présente un état de surface structuré.