Installation de traitement d'un liquide
La présente invention a pour objet une installation de traitement d'un liquide comprenant une enceinte étanche, notamment une installation de distillation d'eau, d'eau de mer pour la production d'eau potable.
Ces installations de traitement de liquide comportent généralement une première pompe envoyant le liquide devant être traité, par exemple distillé, dans une enceinte étanche pouvant comporter une source de chaleur dans laquelle ce liquide est vaporisé et une seconde pompe évacuant le liquide traité, par exemple distillé et recondensé, obtenu à la sortie de l'enceinte.
La présente invention a pour but d'augmenter le rendement de telles installations de traitement d'un liquide. Cette installation comprend une enceinte étanche et un dispositif d'alimentation de cette enceinte en liquide à traiter et d'évacuation du liquide traité hors de cette enceinte qui se distingue par le fait que ce dispositif d'alimentation et d'évacuation de liquide comprend un mécanisme de pompage à double effet comportant au moins une chambre d'alimentation et au moins une chambre d'évacuation dont les volumes varient simultanément en sens opposés et par le fait qu'en tout temps la différence des pressions régnant dans ces deux chambres est au plus égale à la différence des pressions régnant à l'intérieur et à l'extérieur de l'enceinte de l'installation.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple différentes formes d'exécution d'une installation de distillation d'un liquide dans une enceinte étanche.
La fig. 1 illustre schématiquement une première forme d'exécution d'une installation de distillation d'un liquide.
La fig. 2 illustre schématiquement un dispositif d'extraction de l'air et des gaz incondensables d'une enceinte maintenue sous vide.
La fig. 3 est un schéma partiel d'une seconde forme d'exécution d'une installation de distillation d'un liquide incorporant le dispositif d'extraction de la fig. 2.
L'installation de distillation illustrée à la fig. 1 se compose d'une première pompe aspirante-refoulante 1, reliée d'une part par l'intermédiaire d'un clapet de nonretour 2 à une source de liquide à distiller, par exemple une saumure ou de l'eau de mer, et d'autre part à une source de chaleur 3 par l'intermédiaire d'un autre clapet de non-retour 4.
Dans cette source de chaleur la saumure est évaporée et donc épurée, la vapeur d'eau pure étant envoyée dans le circuit primaire d'un échangeur de chaleur 5 dont le circuit secondaire est alimenté en fluide de refroidissement dans le sens indiqué par les flèches a au dessin, c'est-à-dire à contre-courant.
La sortie de cet échangeur de chaleur 5 est reliée à l'aspiration d'une seconde pompe aspirante-refoulante 6 par l'intermédiaire d'un clapet de non-retour 15. Enfin le côté refoulement de cette seconde pompe est relié par l'intermédiaire d'un clapet de non-retour 16 à un circuit d'utilisation ou de stockage.
Il faut remarquer que chacune des pompes 1 et 6 est constituée par un cylindre dans lequel se déplace un piston 7, 8 respectivement. Les tiges 9, 10 de ces pistons sont fixées- mécaniquement, par un boulon par exemple sur un levier 11 pivoté en 12 sur le côté de l'installation.
Ces tiges 9, 10 peuvent être fixées au même endroit sur le levier 11 comme illustré, de sorte que les déplacements linéaires des pistons 7, 8 sont égaux, ou en des points différents du levier de sorte que les courses des pistons 7, 8 ne soient pas de même longueur, Ceci permet, le diamètre des cylindres des pompes 1, 6 et donc des pistons 7, 8 étant égaux, de modifier le volume déplacé par la pompe 1 par rapport à celui déplacé par la pompe 6 lors d'un déplacement aller et retour du levier il et donc des pistons-7, 8. Ceci permet par exemple de tenir compte de la différence de volume entre le liquide à distiller et le volume d'eau contenu dans ce liquide.
L'installation pourrait bien entendu présenter des pompes d'un autre type pour autant qu'elles soient à va-et-vient et que leurs organes moteurs, en l'occurrence les pistons 7, 8 soient reliés l'un à l'autre mécaniquement. Ces pistons peuvent être par exemple remplacés par des diaphragmes ou autre organe analogue.
L'installation peut fonctionner soit à la pression atmosphérique, soit sous vide, dans ce dernier cas on peut prévoir une pompe à vide 13 permettant de faire le vide initial dans l'installation, cette pompe à vide pouvant aussi être mise hors circuit à l'aide d'une vanne 14.
Le principal avantage de cette installation réside dans le fait que les organes moteurs, ou pistons 7, 8 sont soumis à des pressions différentielles identiques de sorte que l'entraînement conjoint de ces pistons dans leur déplacement de va-et-vient s'effectue avec une force minime, correspondant approximativement aux frottements mécaniques et aux pertes de charges de l'installation.
Il suffit donc de disposer d'un dispositif d'actionnement, entraînant le levier 11 dans un déplacement de va-et-vient autour de son point de pivotement 12, de très faible puissance pour faire fonctionner l'installation.
Il faut noter que cette puissance est beaucoup plus faible que les puissances additionnées nécessaires à l'entraîne- ment des deux pompes distinctes existantes dans les installations connues.
Il est évident que la liaison mécanique reliant les deux pistons 7 et 8, d'une façon générale les organes moteurs des deux pompes, peut être différente, par exemple comprendre un autre dispositif de réglage de la longueur relative des courses du piston, tel qu'un dispositif présentant une course morte par exemple.
En outre, comme les pertes de charges dans l'installation seront généralement plus élevées que celles du circuit de stockage ou d'utilisation, il est possible de rendre la surface active des pistons 7, 8 légèrement différente rune de l'autre pour placer le point de fonctionnement de l'installation de telle façon que la puissance de pompage soit minimum.
On notera que dans l'installation de distillation d'eau de mer décrite le dispositif d'alimentation en eau de mer de l'enceinte étanche et d'évacuation d'eau distillée hors de cette enceinte constitué par les deux pompes 1 et 6 et leur dispositif d'entraînement comporte une chambre d'alimentation, la chambre pleine de liquide de la pompe 1, et une chambre d'évacuation, la chambre pleine de liquide de la pompe 6. Ces chambres d'alimentation et d'évacuation sont simultanément reliées alternativement à l'enceinte étanche et à l'atmosphère ambiante extérieure à cette enceinte.
Ainsi la différence des pressions régnant dans ces deux chambres est toujours pratiquement nulle, aux pertes de charges près, et est au plus égale, dans le cas où l'enceinte étanche est à la même pression que l'atmosphère l'entourant, à la différence des pressions régnant à l'intérieur et à l'extérieur de cette enceinte étanche. Dans tous les cas où la différence des pressions régnant entre l'extérieur et l'intérieur de cette enceinte étanche n'est pas nulle (soit que l'enceinte sera mise sous pression ou sous vide partiel) la différence des pressions entre ces deux chambres du dispositif d'alimentation et d'évacuation de liquide est inférieure à cette différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte étanche, prise en valeur absolue bien entendu.
La fig. 2 illustre schématiquement un dispositif d'extraction de l'air et des gaz incondensables d'une enceinte étanche maintenue sous vide. Ce dispositif est en fait constitué par une pompe à piston liquide d'une construction simple et robuste.
Ce dispositif d'extraction comporte une capacité ou récipient C, de forme quelconque munie de 4 ajutages pourvus de clapets: l'ajutage V communique avec l'enceinte où l'on doit maintenir le vide, l'ajutage A communique avec l'atmosphère. L'eau qui sert au fonctionnement du dispositif pénètre par l'ajutage R et peut être évacuée pa run tube barométrique branché en T. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant:
Au moment où les clapets V et T sont fermés, les clapets A et R étant ouverts, le niveau d'eau dans la capacité C étant au plus bas, de l'eau entre par R. Le niveau d'eau en montant chasse l'air à l'extérieur par le clapet A. Lorsque la capacité C est pleine d'eau, les clapets V et T s'ouvrent, et les clapets A et R se ferment.
L'eau descend par gravité jusqu'à une hauteur
H=PA#(Pj+Ps) (1) où PA est la pression atmosphérique du moment,
Pi la pression partielle des gaz dans la capacité,
P, la tension de saturation à la température de l'eau.
L'espace vide dans la capacité C étant en communication avec l'enceinte par le clapet V, l'air contenu dans cette dernière se détend et la pression Pi s'établit dans les deux enceintes. Un nouveau cycle peut alors recommencer.
En fait dans certains cas il est nécessaire que les clapets V et A aient un certain retard à l'ouverture; ce retard peut être obtenu par l'emploi de clapets tarés.
Si 1 est la quantité d'eau extraite par cycle, le volume de gaz dissous, si l'on se place dans les conditions les plus défavorables, est de l'ordre de 20 cl3/1, soit 2 oxo environ à la pression atmosphérique. On a la relation P
0,02 1
Pi
(2) d'où l'on tire
Pi = 0,02, soit pour P, = 10,33 m, Pi = 0,2 m.
Ainsi pour de l'eau à 30O C, dont la tension de saturation est Ps = 0,43 m, on a Pif P, = 0,63 m et
H = 10,33 - 0,63 = 9,70. Le vide est alors
V = H = 9,70 = 0,94 soit 94 O/o
PA 10,33
Du fait que la hauteur du tube barométrique est de l'ordre de 10m, une telle installation est très encombrante.
Pour éliminer cet inconvénient l'eau peut être évacuée non par un tube barométrique, mais par une pompe, comme représenté dans la seconde forme d'exécution illustrée à la fig. 3.
Cette seconde forme d'exécution 3 comporte outre la capacité C ainsi modifiée, une pompe P à double cylindre, un bassin de stockage B, une tuyauterie d'aspiration à la mer M et un échangeur E qui transfère la chaleur emportée par l'eau douce produite par le distillateur à l'eau brute d'alimentation de l'appareil de dessalement.
Le fonctionnement de cette installation est le suivant: L'eau de mer est aspirée en M dans la partie gauche de la pompe P et dirigée vers une source de chaleur non représentée à travers l'échangeur de température E. L'eau distillée en provenance de la source chaude traverse l'échangeur E en sens contraire et est admise dans le récipient ou capacité C en R lorsque les clapets V et T sont fermés et le clapet A est ouvert, mettant ainsi le récipient C en communication avec l'atmosphère. A mesure que le récipient C se remplit, l'air qu'il contient est chassé par le clapet A, tandis que le piston de la pompe P se déplace de gauche à droite.
Lorsque ce piston se déplace de droite à gauche, les clapets T et V s'ouvrent et les clapets A et R se referment.
L'eau douce est ainsi aspirée dans la partie droite de la pompe P d'où elle sera ensuite refoulée dans le bassin de stockage B. Ce bassin de stockage B est lui-même relié au récipient C en R' de façon à fournir un complément d'eau pendant la période d'évacuation des gaz incondensables.
En effet, le débit de la pompe côté eau douce doit être supérieur au volume relatif 1 que nous avons adopté afin que la capacité C puisse fonctionner quelle que soit la quantité d'air dissoute et la température de l'eau. Si S est la section de la capacité, A P4 la hauteur indiquée sur les schémas, on doit avoir
SAPA = 1 ce qui montre que le débit de la pompe doit être au moins le double de celui d'eau douce, d'où la disposition de la fig. 3 où la capacité C comporte un ajutage supplémentaire R' dont le débit vient s'ajouter à celui de l'ajutage R.
Il y a lieu de remarquer que l'appareil à dessalement doit recevoir de la chaleur pour les opérations de distillation et d'atomisation. Cette chaleur doit être évacuée. Le débit d'eau de mer doit être supérieur à celui de l'eau produite, une partie devant en effet être dérivée pour refroidir le distillateur. En définitive la pompe à deux corps P doit être dissymétrique ou, si elle est symétrique pour faciliter la construction doit être accompagnée d'une pompe de circulation d'eau de refroidissement.
La manoeuvre automatique des clapets ne pose aucun problème nouveau; il est à signaler que les espaces morts des clapets supérieurs R, R', V et A doivent être aussi réduits que possible pour éliminer toutes réserves d'air.
Enfin on peut signaler que pour éviter des oscillations du vide de grande amplitude dans le condenseur, la capacité C peut être divisée en 2 ou 3 capacités dont le fonctionnement est déphasé.
On voit donc que dans la forme d'exécution décrite en référence à la fig. 3 une enceinte étanche d'une installation de traitement d'un liquide est munie d'un dispositif d'extraction du type décrit en référence à la fig. 2 et d'un dispositif d'alimentation et d'évacuation de liquide formé par une pompe à double effet P.
Liquid treatment plant
The present invention relates to an installation for treating a liquid comprising a sealed enclosure, in particular an installation for the distillation of water or sea water for the production of drinking water.
These liquid treatment installations generally include a first pump sending the liquid to be treated, for example distilled, in a sealed enclosure which may include a heat source in which this liquid is vaporized and a second pump discharging the treated liquid, for example distilled. and recondensed, obtained at the exit of the enclosure.
The object of the present invention is to increase the efficiency of such installations for treating a liquid. This installation comprises a sealed enclosure and a device for supplying this enclosure with liquid to be treated and for discharging the treated liquid from this enclosure which is distinguished by the fact that this device for supplying and discharging liquid comprises a double-acting pumping mechanism comprising at least one supply chamber and at least one discharge chamber whose volumes vary simultaneously in opposite directions and by the fact that at all times the difference in pressures prevailing in these two chambers is at plus equal to the difference in the pressures prevailing inside and outside the enclosure of the installation.
The appended drawing illustrates schematically and by way of example different embodiments of an installation for the distillation of a liquid in a sealed enclosure.
Fig. 1 schematically illustrates a first embodiment of an installation for the distillation of a liquid.
Fig. 2 schematically illustrates a device for extracting air and non-condensable gases from an enclosure maintained under vacuum.
Fig. 3 is a partial diagram of a second embodiment of an installation for the distillation of a liquid incorporating the extraction device of FIG. 2.
The distillation installation illustrated in fig. 1 consists of a first suction-pressure pump 1, connected on the one hand via a non-return valve 2 to a source of liquid to be distilled, for example brine or sea water, and on the other hand to a heat source 3 via another non-return valve 4.
In this heat source the brine is evaporated and therefore purified, the pure water vapor being sent to the primary circuit of a heat exchanger 5, the secondary circuit of which is supplied with cooling fluid in the direction indicated by the arrows a to drawing, that is to say against the tide.
The outlet of this heat exchanger 5 is connected to the suction of a second suction-delivery pump 6 via a non-return valve 15. Finally, the delivery side of this second pump is connected by the intermediary of a non-return valve 16 to a use or storage circuit.
It should be noted that each of the pumps 1 and 6 is constituted by a cylinder in which a piston 7, 8 moves respectively. The rods 9, 10 of these pistons are fixed mechanically, by a bolt for example on a lever 11 pivoted at 12 on the side of the installation.
These rods 9, 10 can be fixed at the same place on the lever 11 as illustrated, so that the linear movements of the pistons 7, 8 are equal, or at different points of the lever so that the strokes of the pistons 7, 8 do not are not of the same length, This allows, the diameter of the cylinders of the pumps 1, 6 and therefore of the pistons 7, 8 being equal, to modify the volume displaced by the pump 1 compared to that displaced by the pump 6 during a back and forth movement of the lever il and therefore of the pistons-7, 8. This makes it possible, for example, to take into account the difference in volume between the liquid to be distilled and the volume of water contained in this liquid.
The installation could of course have pumps of another type as long as they are reciprocating and their driving members, in this case the pistons 7, 8 are connected to one another. mechanically. These pistons can for example be replaced by diaphragms or other similar member.
The installation can operate either at atmospheric pressure or under vacuum, in the latter case a vacuum pump 13 can be provided for making the initial vacuum in the installation, this vacuum pump also being able to be switched off at 'using a valve 14.
The main advantage of this installation lies in the fact that the driving members, or pistons 7, 8 are subjected to identical differential pressures so that the joint drive of these pistons in their reciprocating movement is carried out with a minimal force, corresponding approximately to the mechanical friction and the pressure drops of the installation.
It is therefore sufficient to have an actuating device, driving the lever 11 in a back-and-forth movement around its pivot point 12, of very low power to operate the installation.
It should be noted that this power is much lower than the added powers necessary for driving the two separate pumps existing in known installations.
It is obvious that the mechanical connection connecting the two pistons 7 and 8, in general the driving members of the two pumps, may be different, for example include another device for adjusting the relative length of the strokes of the piston, such as 'a device having a dead stroke for example.
In addition, as the pressure drops in the installation will generally be higher than those of the storage or use circuit, it is possible to make the active surface of the pistons 7, 8 slightly different from one another to place the point of operation of the installation so that the pumping power is minimum.
It will be noted that in the seawater distillation installation described the device for supplying sea water to the sealed enclosure and for discharging distilled water from this enclosure consisting of the two pumps 1 and 6 and their drive device comprises a supply chamber, the chamber full of liquid from pump 1, and an discharge chamber, the chamber full of liquid from pump 6. These supply and discharge chambers are simultaneously connected alternately to the sealed enclosure and to the ambient atmosphere outside this enclosure.
Thus the difference in the pressures prevailing in these two chambers is always practically zero, except for pressure drops, and is at most equal, in the case where the sealed enclosure is at the same pressure as the atmosphere surrounding it, at the difference in the pressures prevailing inside and outside this sealed enclosure. In all cases where the difference in the pressures prevailing between the outside and the inside of this sealed chamber is not zero (whether the chamber will be pressurized or under partial vacuum) the difference in the pressures between these two chambers of the liquid supply and discharge device is less than this pressure difference between the inside and the outside of the sealed enclosure, taken in absolute value of course.
Fig. 2 schematically illustrates a device for extracting air and non-condensable gases from a sealed enclosure maintained under vacuum. This device is in fact constituted by a liquid piston pump of a simple and robust construction.
This extraction device comprises a capacity or receptacle C, of any shape provided with 4 nozzles provided with valves: the nozzle V communicates with the chamber where the vacuum is to be maintained, the nozzle A communicates with the atmosphere. . The water used for the operation of the device enters through the nozzle R and can be evacuated by a barometric tube connected in T. The operation of this device is as follows:
When valves V and T are closed, valves A and R being open, the water level in capacity C being at its lowest, water enters through R. The water level when rising flushes l air to the outside through valve A. When capacity C is full of water, valves V and T open, and valves A and R close.
The water descends by gravity to a height
H = PA # (Pj + Ps) (1) where PA is the atmospheric pressure of the moment,
Pi the partial pressure of the gases in the capacity,
P, the saturation voltage at water temperature.
The empty space in the capacity C being in communication with the enclosure via the valve V, the air contained in the latter expands and the pressure Pi is established in the two enclosures. A new cycle can then start again.
In fact in certain cases it is necessary that the valves V and A have a certain delay when opening; this delay can be obtained by the use of calibrated valves.
If 1 is the quantity of water extracted per cycle, the volume of dissolved gas, under the most unfavorable conditions, is of the order of 20 cl3 / 1, or approximately 2 oxo at atmospheric pressure . We have the relation P
0.02 1
Pi
(2) from which we draw
Pi = 0.02, or for P, = 10.33 m, Pi = 0.2 m.
Thus for water at 30O C, whose saturation voltage is Ps = 0.43 m, we have Pif P, = 0.63 m and
H = 10.33 - 0.63 = 9.70. The void is then
V = H = 9.70 = 0.94 or 94 O / o
PA 10.33
Because the height of the barometric tube is of the order of 10 m, such an installation is very bulky.
To eliminate this drawback, the water can be evacuated not by a barometric tube, but by a pump, as shown in the second embodiment illustrated in FIG. 3.
This second embodiment 3 comprises, in addition to the capacity C thus modified, a double-cylinder pump P, a storage basin B, a suction pipe to the sea M and an exchanger E which transfers the heat carried away by the water. fresh water produced by the still to the raw water supply to the desalination apparatus.
The operation of this installation is as follows: The sea water is sucked in M in the left part of the pump P and directed to a heat source not shown through the temperature exchanger E. The distilled water from of the hot source passes through the exchanger E in the opposite direction and is admitted into the container or capacity C at R when the valves V and T are closed and the valve A is open, thus placing the container C in communication with the atmosphere. As the container C fills, the air it contains is expelled by the valve A, while the piston of the pump P moves from left to right.
When this piston moves from right to left, valves T and V open and valves A and R close.
The fresh water is thus sucked into the right part of the pump P from where it will then be delivered into the storage basin B. This storage basin B is itself connected to the container C at R 'so as to provide a additional water during the evacuation period of the incondensable gases.
In fact, the flow rate of the pump on the fresh water side must be greater than the relative volume 1 that we have adopted so that the capacity C can operate regardless of the quantity of dissolved air and the temperature of the water. If S is the section of the capacity, A P4 the height indicated in the diagrams, we must have
SAPA = 1 which shows that the pump flow must be at least twice that of fresh water, hence the arrangement in fig. 3 where the capacity C comprises an additional nozzle R 'whose flow rate is added to that of the nozzle R.
It should be noted that the desalination apparatus must receive heat for the distillation and atomization operations. This heat must be removed. The seawater flow must be greater than that of the produced water, as a part must in fact be diverted to cool the still. Ultimately, the two-body pump P must be asymmetrical or, if it is symmetrical to facilitate construction, must be accompanied by a cooling water circulation pump.
The automatic operation of the valves does not pose any new problem; It should be noted that the dead spaces of the upper valves R, R ', V and A must be as small as possible to eliminate any air reserves.
Finally, it can be pointed out that to avoid large amplitude vacuum oscillations in the condenser, the capacitor C can be divided into 2 or 3 capacitors whose operation is out of phase.
It can therefore be seen that in the embodiment described with reference to FIG. 3 a sealed enclosure of an installation for processing a liquid is provided with an extraction device of the type described with reference to FIG. 2 and a liquid supply and discharge device formed by a double-acting pump P.