Brevet FR3121613A1 — publié le 20221014

Bouilleur à compression de vapeur multi-effets Ce bouilleur à compression de vapeur multi-effets sans corps évaporatoire, est caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de blocs successifs d’échangeur/condenseur à plaques (13, 14, 15) associés les uns à la suite des autres et recevant en entrée de la vapeur et de l’eau de mer et délivrant en sortie notamment de l’eau distillée et de la saumure. Figure pour l'abrégé : Figure 2 Bouilleur à compression de vapeur multi-effets La présente invention concerne un bouilleur à compression de vapeur multi-effets sans corps évaporatoire. Plus particulièrement l’invention concerne un tel bouilleur optimisé, entrant dans la constitution d’un poste de distillation nécessaire pour répondre à des besoins de production d’eau déminéralisée. Ceci est par exemple utile pour la propulsion nucléaire de bâtiments de surface et/ou de sous-marins, la production d’eau distillée pour des navires à propulsion conventionnelle et/ou pour tous les besoins en eau douce du bord. Ces postes de distillation sont une alternative aux osmoseurs principalement pour l’eau déminéralisée et l’eau douce. Un osmoseur nécessite un deuxième étage pour produire de l’eau compatible avec des résines déminéralisantes pour produire de l’eau déminéralisée compatible aux abonnés et donc à l’utilisateur final. Par ailleurs la quantité d’eau déminéralisée produite par ces osmoseurs est faible par rapport au volume de production nécessaire. A l’inverse les postes de distillation permettent de produire directement de l’eau distillée en quantité plus importante et ainsi avec des résines déminéralisantes de l’eau déminéralisée compatible aux abonnés et donc à l’utilisateur final. On sait qu’il existe déjà dans l’état de la technique des bouilleurs de type à compression de vapeur multi-effets. La compression de vapeur consiste à surchauffer la vapeur produite à partir de l’eau de mer par compression mécanique (compresseur) ou thermocompression (éjecteur), pour l’utiliser comme source chaude dans un évaporateur, permettant ainsi sa condensation (pour produire l’eau distillée). Ce type de bouilleur est plus performant que les bouilleurs à évaporation directe et détente flash. La caractéristique du multi-effets permet d’optimiser le bouilleur en utilisant la vapeur produite à chaque effet comme source d’énergie dans l’effet suivant fonctionnant à une température plus basse (récupération partielle de l’énergie fournie au système à chaque effet). Les accessoires et les sources d’énergie utilisés pour vaporiser l’eau de mer sont les mêmes que pour un bouilleur à simple effet à l’exception du fait que l’élément chauffant nécessaire pour le démarrage du procédé est déporté. Ce type de bouilleur présente une architecture permettant d’avoir le coût énergétique le plus bas pour un poste de distillation. Il permet également de réduire le coût énergétique, le volume de l’ensemble, les concentrations de saumure et les vitesses de vapeur. Cependant ces systèmes sont relativement complexes et nécessitent un apport d’énergie important au démarrage. La conduite et la maintenance du compresseur posent également problème. Par ailleurs un compresseur mécanique de ce type implique des vitesses de rotation trop importantes pour respecter les termes notamment de discrétion acoustique dès lors que l’on souhaite une température de saturation inférieure à 60°C. Un thermocompresseur est alors préféré ce qui rend le système moins bruyant et technologiquement plus simple. Plus le nombre d’effets est important plus le système est complexe et coûteux car chaque effet augmente le nombre de corps évaporatoires qui représentent le coût le plus important du système. Le but de l’invention est d’optimiser encore ces postes de distillation en termes de performances techniques, d’encombrement, de fiabilité et de coûts. A cet effet l’invention a pour objet un bouilleur à compression de vapeur multi-effets sans corps évaporatoire, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de blocs successifs d’échangeur/condenseur à plaques associés les uns à la suite des autres et recevant en entrée de la vapeur et de l’eau de mer et délivrant en sortie notamment de l’eau distillée et de la saumure. Suivant d’autres caractéristiques du bouilleur selon l’invention prises seules ou en combinaison : le dernier bloc de plaques de l’ensemble fait office de condenseur ; il comporte : - une ou plusieurs entrée/sortie d’eau de mer, - une entrée de vapeur, - une sortie de vapeur et/ou d’incondensables, - une sortie d’eau distillée, - une sortie de saumure ; - chaque bloc comporte une plaque de condensation associée à une plaque d’évaporation ; - la plaque de condensation comporte dans sa partie supérieure, une zone de passage des incondensables, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange thermique de condensation vapeur/saumure, et dans sa partie inférieure, une zone d’eau distillée avec un passage de saumure interne non communiquant ; - la plaque d’évaporation comporte dans sa partie supérieure, une zone formant séparateur, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange thermique d’évaporation saumure/vapeur et dans sa partie inférieure, une zone de saumure avec un passage d’eau distillée interne non communiquant ; - le dernier bloc faisant office de condenseur comporte une plaque de condensation et une plaque d’eau de mer ; - la plaque de condensation comporte dans sa partie supérieure, une zone de passage des incondensables, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange thermique de condensation vapeur/eau de mer et dans sa partie inférieure, une zone d’eau distillée avec un passage de saumure interne non communiquant ; - la plaque d’eau de mer comporte dans sa partie supérieure, une sortie d’eau de mer, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange et de transfert thermique eau de mer/vapeur et dans sa partie inférieure, une entrée d’eau de mer avec des passages de saumure interne et d’eau distillée non communiquant. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la représente un schéma synoptique illustrant un bouilleur de l’état de la technique ; la représente un schéma synoptique illustrant un bouilleur selon l’invention ; la représente un schéma synoptique illustrant le fonctionnement d’un bouilleur selon l’invention ; et les figures 4 et 5 représentent respectivement des plaques de condensation et d’évaporation d’un bloc d’effet entrant dans la constitution d’un bouilleur selon l’invention ; et les figures 6 et 7 représentent respectivement des plaques de condensation et d’eau de mer d’un bloc faisant office de condenseur entrant dans la constitution d’un bouilleur selon l’invention ; et la représente un schéma synoptique illustrant de façon plus détaillée le fonctionnement d’un bouilleur selon l’invention. On a illustré sur la , un bouilleur à compression de vapeur multi-effets de l’état de la technique. Ce bouilleur est désigné par la référence générale 1 sur cette figure et reçoit de l’eau de mer à une entrée 2 d’un condenseur 3. La sortie de ce condenseur 3 alimente en eau de mer, les différents effets d’un corps de bouilleur désigné par la référence générale 4. Celui-ci comporte en effet plusieurs effets ou blocs dont le premier reçoit également de la vapeur en sortie d’un compresseur 5. Une chaudière de démarrage 6 est reliée à ce compresseur 5 et est utilisée pour lancer l’opération. La sortie de chacun de ces différents effets du corps de bouilleur 4 est en fait reliée à une sortie d’eau distillée désignée par la référence générale 6. Les restes de l’opération sont alors constitués par de la saumure rejetée par les blocs à une sortie désignée par la référence générale 7. Pour résoudre les différents problèmes évoqués précédemment, dans le bouilleur selon l’invention il est prévu un ensemble de blocs successifs d’échangeurs/condenseurs à plaques associés en série les uns à la suite des autres. Ceci est par exemple illustré sur la , où l’on reconnaît un corps de bouilleur désigné par la référence générale 10, une chaudière désignée par la référence générale 11 et un compresseur désigné par la référence générale 12. En fait le corps de bouilleur comporte alors des blocs successifs d’effets en série désignés par exemple par les références 13 et 14 pour les deux premiers blocs. Chaque bloc comporte alors une entrée de vapeur et une entrée d’eau de mer et délivre en sortie de l’eau distillée et de la saumure. Le dernier bloc de plaques de cet ensemble, désigné par exemple par la référence générale 15 sur cette , fait office de condenseur à l’extrémité correspondante du corps de bouilleur 4. Ainsi ce bouilleur comporte, comme cela est illustré sur cette , une ou plusieurs entrée/sortie d’eau de mer, une entrée de vapeur, une sortie de vapeur et/ou d’incondensables, une sortie d’eau distillée et une sortie de saumure. Chaque bloc du corps de bouilleur comporte une plaque de condensation associée à une plaque d’évaporation. Ces différentes entrées et sorties et différentes plaques sont illustrées de façon plus détaillée sur la . On reconnait en effet sur cette , le corps de bouilleur 10, les effets ou blocs 13 et 14, le bloc faisant office de condenseur 15, et des entrées d’eau de mer 16 et 17 respectivement dans le bloc 13 et dans le bloc 15, une sortie d’eau de mer 18, une entrée de vapeur 19 a, une sortie de vapeur et/ou d’incondensables 19b une sortie d’eau distillée 20 et une sortie de saumure 21. Comme indiqué précédemment chaque bloc ou effet comporte alors une plaque de condensation associée à une plaque d’évaporation, comme cela est illustré sur les figures 4 et 5 respectivement, pour l’effet par exemple 13. Sur ces figures 4 et 5, la plaque de condensation est désignée par la référence générale 22 et la plaque d’évaporation est désignée par la référence générale 23. La plaque de condensation 22 comporte alors dans sa partie supérieure, une zone de passage des incondensables désignée par la référence générale 24, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange thermique de condensation vapeur/saumure désignée par la référence générale 25, et dans sa partie inférieure, une zone d’eau distillée avec un passage de saumure interne non communiquant, cette zone étant désignée par la référence générale 26. La plaque d’évaporation 23 comporte quant à elle dans sa partie supérieure, une zone formant séparateur désignée par la référence générale 27, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange thermique d’évaporation saumure/vapeur désignée par la référence générale 28, et dans sa partie inférieure, une zone de saumure avec un passage d’eau distillée interne non communiquant, désignée par la référence générale 29. Au niveau du dernier bloc faisant office de condenseur, il est prévu une plaque de condensation et une plaque d’eau de mer désignées par les références générales 30 et 31 respectivement sur les figures 6 et 7. Dans ce bloc également, la plaque de condensation 30 comporte dans sa partie supérieure, une zone de passage des incondensables désignée par la référence générale 32, et/ou par exemple une zone de passage pour un soutirage de vapeur (dans le cas d’une compression du dernier étage de vapeur qui est ramené au 1 er effet optimisant ainsi le fonctionnement du système), dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange thermique de condensation vapeur/eau de mer désignée par la référence générale 33, et dans sa partie inférieure, une zone d’eau distillée avec un passage de saumure interne non communiquant, cette zone étant désignée par la référence générale 34 sur la . La plaque d’eau de mer 31 comporte quant à elle dans sa partie supérieure, une sortie d’eau de mer désignée par la référence générale 35, dans sa partie intermédiaire, une zone d’échange et de transfert thermique eau de mer/vapeur désignée par la référence générale 36, et dans sa partie inférieure, une entrée d’eau de mer avec des passages de saumure interne et d’eau distillée non communiquant, cette zone étant désignée par la référence générale 37. Les passages permettent ainsi de faire passer l’eau et la saumure des différents blocs ou effets à travers ceux-ci le long du corps vers la sortie correspondante du corps comme illustré. On conçoit alors que ce bouilleur peut entrer dans la constitution d’un poste de distillation permettant l’évaporation de l’eau contenue dans l’eau de mer et la condensation de l’eau évaporée. Ce bouilleur est alors l’enceinte évaporatoire intégrant le condenseur et l’échangeur ou la somme d’échangeurs du poste de distillation. Ceci permet alors de produire notamment de l’eau distillée à partir de l’eau de mer. L’arrivée de vapeur dans un tel bouilleur vient soit de l’élément chauffant tel que la chaudière pour le premier effet, soit de l’évaporation de l’eau de mer de l’effet suivant. Chaque plaque de condensation du bouilleur a pour but de condenser cette vapeur et ainsi de récupérer l’eau distillée. L’arrivée d’eau de mer intervient à chaque effet par les passages correspondants. Cette eau de mer est évaporée à chaque effet, au niveau des plaques d’évaporation, grâce à l’énergie de la vapeur de l’effet concerné. Pour que le transfert d’énergie soit effectif, la pression de la plaque de condensation de l’effet concerné est supérieure à la pression de la plaque d’évaporation. Ainsi c’est la différence de température de saturation qui permet l’échange thermique. A chaque plaque d’évaporation, la vapeur formée est transférée vers la plaque de condensation de l’effet N+1. Pour le dernier effet cette vapeur doit être condensée. Pour cela on introduit une plaque d’eau de mer où le transfert de chaleur se fait grâce à l’eau de mer (source froide) de façon à condenser cette vapeur. On notera également que dans le cas des postes de distillation à compression de vapeur, une partie de la vapeur du dernier effet est réinjectée dans le compresseur, optimisant ainsi les performances énergétiques de l’ensemble. Comme indiqué précédemment la formation de vapeur engendre des problématiques d’incondensables. Dans l’objectif de ne pas étouffer le bouilleur, il est nécessaire de permettre une circulation de la vapeur entre les plaques de condensation et d’évaporation. Pour cela des petits orifices par exemple sont nécessaires. La taille de ces orifices est fonction de la différence de pression entre les plaques et du débit d’incondensables estimé. A chaque plaque d’évaporation, la vapeur formée est transférée vers la plaque de condensation de l’effet N+1. La vitesse de la vapeur entre plaques pose alors le problème d’entraînement de gouttelettes d’eau de mer vers la partie condensation où est produite l’eau distillée. Cela a pour effet d’augmenter la conductivité de celle-ci et donc de dégrader les performances de l’ensemble. Plus la vitesse de la vapeur est importante, plus la hauteur pour que les gouttelettes redescendent par gravité doit être grande. De façon à limiter cette contrainte, il est prévu d’installer par exemple un matelas séparateur dans la zone correspondante de la plaque, jouant un rôle de casse-gouttelettes. Ce matelas est à mettre sur la plaque d’évaporation. L’avantage du système est que plus il y a d’effets moins la vitesse de la vapeur est importante et donc la taille du matelas séparateur est grandement réduite, permettant ainsi son intégration directement sur la plaque comme cela a été décrit. Le fonctionnement plus détaillé pas à pas de ce bouilleur est illustré sur la avec les différents repères et indications ci-dessous. Passage de la vapeur à l’état eau distillée : (1) Arrivé e de vapeur : La vapeur produite arrive sur une plaque nommée plaque de condensation du premier effet. (2) Condensation : La vapeur est condensée en transférant son énergie thermique vers l’eau de mer/saumure de l’effet concerné. De l’autre côté, l’eau de mer/saumure est évaporée (voir point « B »). (3) Evacuation de l’ eau distillé e : L’eau distillée produite par la vapeur condensée est évacuée. Au fur et à mesure des effets, le débit d’eau distillée de chaque effet se cumule pour arriver à la fin au débit total d’eau distillée produite en sortie du bouilleur. Echanges thermiques : (>) Echange thermique Condensation/Evaporation : La différence de pression entre P1 et P2 engendre une différence de température (P2 (/) Echange thermique négligeable : Entre l’eau de mer/saumure à évaporer et la vapeur à condenser de l’effet suivant, l’échange thermique est considéré comme négligeable, car la pression entres ces plaques est sensiblement la même (même si en réalité une différence de quelques mbar sera présente à cause de la circulation des flux, voir point C) Cette « légère » différence de pression peut engendrer un échange thermique qui aura pour effet de diminuer les performances du système. Une amélioration est envisagée en introduisant par exemple une plaque intermédiaire pour faire isolant thermique. ( ;) Echange thermique Condensation / Eau de mer : A chaque plaque d’évaporation, la vapeur formée est transférée vers la plaque de condensation de l’effet n+1. Pour le dernier effet, cette vapeur doit être condensée sans « reformer » de la vapeur. Pour cela, on introduit une plaque d’eau de mer où le transfert de chaleur se fait grâce à l’eau de mer (source froide) de façon à condenser cette vapeur. Cette partie est appelée condenseur. La température de condensation de la vapeur du dernier effet va dépendre de la température de l’eau de mer et du vide que l’on peut atteindre. Les performances du système, ainsi que le nombre d’effets possible, dépendent de cette valeur que l’on estime inférieure ou égale à 50 °C (≤ 125 mbar abs). Passage de l’eau de mer/saumure à l’état vapeur : (A) Arrivé d’ eau de mer / saumure : L’eau de mer/saumure arrive sur une plaque nommée plaque d’évaporation. Cette dernière peut arriver par le bas (barbotage) ou par le haut (pulvérisation) en fonction des choix d’architecture. Au fur et à mesure des effets, le débit massique d’eau de mer/saumure diminue à chaque effet pour arriver à la fin au débit massique d’entrée initial moins le débit massique d’eau distillée produite. La concentration de saumure augmente au fur et à mesure des effets. Il est à noter que l’on nomme le fluide d’entrée « eau de mer/saumure », car en fonction de l’architecture du poste de distillation, le fluide d’entrée peut être soit de l’eau de mer soit de la saumure recirculée. (B) Evaporation : L’eau de mer/saumure est évaporée grâce à un échange thermique entre la vapeur et l’eau de mer/saumure de l’effet concerné. De l’autre côté, la vapeur est condensée (voir point « 1 »). Généralement, de façon à limiter l’entartrement, le seuil optimum est une température d’évaporation au premier effet comprise entre 55 et 60°C (~200 mbar abs). Au-delà, les dépôts de tarte sont trop importants. (C) Passage de la vapeur entre effet s : La vapeur formée passe ensuite de la plaque d’évaporation de l’effet à la plaque de condensation de l’effet n+1 via le matelas séparateur situé sur le haut de la plaque d’évaporation. Comme décrit précédemment la vitesse de la vapeur entre plaques pose la problématique d’entrainement de « gouttelettes » d’eau de mer vers la partie de condensation où est produite l’eau distillée. Cela a pour effet d’augmenter la conductivité de celle-ci et donc de dégrader les performances de l’ensemble. Plus la vitesse de la vapeur est importante (fonction de la géométrie du bouilleur), plus la hauteur pour que les gouttelettes redescendent par gravité doit être grande. De façon à limiter cette contrainte, il est prévu un matelas séparateur jouant un rôle de « casse gouttelettes ». L’avantage du système est que plus il y a d’effets moins la vitesse de la vapeur est importante et donc la taille du matelas séparateur est grandement réduite, permettant ainsi son intégration directement sur la plaque et donc de se passer du corps évaporatoire classique, comme déjà décrit. (D) Soutirage de vapeur (cas des postes de distillation à compression de vapeur uniquement) et/ou d’incondensables : Dans les cas des postes de distillation à compression de vapeur, une partie de la vapeur du dernier effet est réinjectée dans le compresseur, optimisant ainsi les performances énergétiques. Dans tous les cas une sortie d’incondensables est prévue. Circulation réfrigération eau de mer : (Y) Entrée réfrigération eau de mer : De façon à condenser la vapeur produite par le dernier effet, de l’eau de mer est introduite dans la plaque d’eau de mer. Cette eau de mer (0 à 30 °C) est plus froide que la vapeur du dernier effet (entre 30°C à 50 °C en fonction du dimensionnement), ce qui permet l’échange thermique, voir point « ; ». La pression côté eau de mer est généralement supérieure à 1 bar. (Z) Sort i e réfrigération eau de mer : L’eau de mer qui a récupéré les calories du dernier effet est ensuite évacuée. En fonction de l’architecture du poste de distillation, cette dernière peut être réinjectée dans le point « A » du premier effet pour optimiser encore plus le système. On conçoit que ce système présente alors un certain nombre d’avantages notamment au niveau de sa structure et de ses performances. Bien entendu d’autres modes de réalisation peuvent être envisagés. Bouilleur à compression de vapeur multi-effets sans corps évaporatoire, caractérisé en ce qu’il comporte un ensemble de blocs successifs d’échangeur/condenseur à plaques (13, 14, 15) associés les uns à la suite des autres et recevant en entrée de la vapeur et de l’eau de mer et délivrant en sortie notamment de l’eau distillée et de la saumure. Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dernier bloc (15) de plaques de l’ensemble fait office de condenseur. Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte : - une ou plusieurs entrée/sortie d’eau de mer (16, 17, 18), - une entrée de vapeur (19a), - une sortie de vapeur et/ou d’incondensables (19b), - une sortie d’eau distillée (20), - une sortie de saumure (21). Bouilleur à compression de vapeur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bloc (13, 14) comporte une plaque de condensation (22) associée à une plaque d’évaporation (23). Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque de condensation (22) comporte dans sa partie supérieure, une zone (24) de passage des incondensables, dans sa partie intermédiaire, une zone (25) d’échange thermique de condensation vapeur/saumure, et dans sa partie inférieure, une zone (26) d’eau distillée avec un passage de saumure interne non communiquant. Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la plaque d’évaporation (23) comporte dans sa partie supérieure, une zone (23) formant séparateur, dans sa partie intermédiaire, une zone (28) d’échange thermique d’évaporation saumure/vapeur et dans sa partie inférieure, une zone (29) de saumure avec un passage d’eau distillée interne non communiquant. Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 2 et l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le dernier bloc (15) faisant office de condenseur comporte une plaque de condensation (30) et une plaque d’eau de mer (31). Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque de condensation (30) comporte dans sa partie supérieure, une zone (32) de passage des incondensables et/ou soutirage de vapeur, dans sa partie intermédiaire, une zone (33) d’échange thermique de condensation vapeur/eau de mer et dans sa partie inférieure, une zone (34) d’eau distillée avec un passage de saumure interne non communiquant. Bouilleur à compression de vapeur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la plaque d’eau de mer (31) comporte dans sa partie supérieure, une sortie d’eau de mer (35), dans sa partie intermédiaire, une zone (36) d’échange et de transfert thermique eau de mer/vapeur et dans sa partie inférieure, une entrée (37) d’eau de mer avec des passages de saumure interne et d’eau distillée non communiquant.