Procédé et installation de distillation de solutions salines
Le présent brevet a pour objets un procédé et une installation de distillation de solutions salines, applicables notamment au dessalement de l'eau de mer, comportant la détente d'une solution à distiller préalablement chauffée, en une série d'étapes à des pressions progressivement décroissantes et la condensation de la vapeur de solvant pur produite à chaque étape par mélange avec du solvant condensé provenant de l'étape suivante, la condensation s'effectuant dans la dernière étape par un recyclage de solvant condensé et refroidi, le solvant pur froid circulant ainsi d'une étape à l'autre dans le sens inverse de la solution à distiller.
Dans un tel procédé, la condensation des vapeurs par mélange, qui évite l'utilisation des grandes surfaces d'échange nécessaires dans d'autres procédés, permet de réduire les écarts de température d'échange et d'améliorer le rendement de l'opération. Par contre, le maintien des pressions relatives dans les différentes étapes pose des problèmes délicats de mise en oeuvre, qui n'ont pu être correctement résolus jusqu'à ce jour.
En effet, si l'on utilise des pompes pour renvoyer le solvant condensé à chaque étape vers l'étape précédente, la complexité de l'installation, tant du point de vue de sa construction que de celui du fonctionnement, augmente considérablement le coût du procédé. Les seuls procédés qui ont été proposés jusqu a ce jour pour éviter l'emploi de telles pompes, ne résolvent pas le problème: en particulier, ils ne permettent pas la réalisation d'un grand nombre d'étapes et restent très difficiles à mettre en oeuvre correctement.
L'invention vise à la conception d'un procédé de distillation de solutions salines répondant mieux que les précédents aux diverses exigences de la pratique. notamment par sa simplicité et par sa sécurité de fonctionnement.
A cet effet, le procédé de distillation de solutions salines selon l'invention est caractérisé en ce que les pressions relatives dans les différentes étapes sont obtenues en disposant les condenseurs à des niveaux de plus en plus élevés dans le sens des pressions décroissantes, et en prélevant le solvant condensé sous une couche de solvant maintenu dans chaque condenseur.
L'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comportant des moyens de circulation d'une solution à distiller dans une série d'évaporateurs maintenus à des pressions progressivement décroissantes, et une série de condenseurs associés un à un aux évaporateurs et alimentés chacun par la vapeur de solvant pur produite par détente dans l'évaporateur associé et par le solvant pur condensé provenant du condenseur associé à l'évaporateur suivant de la série, la vapeur se condensant par mélange avec le solvant condensé, est caractérisée en ce que les condenseurs associés aux évaporateurs sont disposés à des niveaux différents de plus en plus hauts dans le sens des pressions décroissantes,
et en ce que chaque condenseur comporte un récipient de solvant condensé et des moyens d'écoulement du solvant condensé vers des moyens de dispersion dans une zone de vapeur du condenseur directement inférieur, associé à l'évaporateur précédent, les moyens d'écoulement étant disposés de manière à maintenir, au-dessus des moyens de dispersion, une hauteur de liquide correspondant à la différence de pression entre les deux condenseurs successifs.
Selon des modes de réalisation particuliers du dispositif, on peut par exemple superposer les condenseurs dans une tour cylindrique alors que les évaporateurs sont disposés tout autour de cette tour, ou encore superposés dans une autre tour cylindrique. On peut également superposer le condenseur et l'évaporateur d'un même étage dans une chambre annulaire, les différentes chambres étant délimitées par une série de colonnes cylindriques coaxiales.
Une forme d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé auquel:
La fig. 1 illustre schématiquement le procédé.
La fig. 2 est une vue en coupe partielle de l'installation.
Sur la fig. 1, la solution à distiller constituée d'eau de mer, pénètre sous pression dans un préchauffeur 2, par la conduite 1. Elle y est préchauffée par échange avec du solvant pur, c'est-à-dire de l'eau douce produite dans l'installation. Elle va ensuite au réchauffeur 3 où elle est portée à une temp#rature T avant d'être envoyée dans le premier évaporateur 4 où elle est détendue jusqu'à une pression P. Cette détente provoque la vaporisation d'une fraction de l'eau de la solution, qui est envoyée au condenseur 5 où elle se condense au contact d'une dispersion d'eau douce venant du condenseur 7 de l'étage suivant. La fraction de la solution qui n'a pas été évaporée dans le premier évaporateur, est envoyée dans le deuxième évaporateur 6 où elle est détendue de la pression P à la pression P¯A P en se vaporisant partiellement.
La fraction d'eau vaporisée est envoyée dans le deuxième condenseur 7 pour être condensée par une dispersion d'eau douce venant de l'étage suivant. A chaque étage de l'installation, le même processus se répète. On obtient dans le dernier évaporateur 8 de la saumure plus concentrée que l'eau de mer. Cette saumure est évacuée par la conduite 11. Elle est éventuellement partiellement recyclée avec l'eau de mer à dessaler.
A la sortie du condenseur 5 du premier étage, associé à l'évaporateur 4, on obtient de l'eau douce pure qui est évacuée par la conduite 12. Cette eau est refroidie dans le préchauffeur 2 d'eau de mer et une partie est ensuite prélevée pour alimenter, par l'intermédiaire de la conduite 10, le dernier condenseur 9.
La progression de l'eau de mer d'un évaporateur au suivant est assurée grâce à la différence de pression A P maintenue entre deux étages successifs. La circulation de l'eau douce, qui s'effectue à contrecourant de l'eau de mer, est assurée par simple gravité à partir du condenseur 9. Les condenseurs successifs sont disposés à des niveaux différents et sont reliés les uns aux autres par des conduites de trop-plein qui permettent de conserver dans chaque condenseur un niveau d'eau toujours constant. Ce niveau est fixé de manière que la hauteur de liquide entre deux condenseurs successifs corresponde à la chute de pression A P que l'on désire maintenir entre les deux étages. L'équilibre des pressions est ainsi assuré de manière automatique.
Le nombre d'évaporateurs utilisés dépend essentiellement de la nature de la solution à concentrer, du degré de concentration recherché, du débit d'alimentation, de la température et de la pression sous lesquelles la solution à concentrer pénètre dans le premier évaporateur.
Pour une marche régulière de l'installation, cette température et cette pression doivent être maintenues constantes pendant toute la durée du processus.
L'installation représentée schématiquement sur la fig. 2, est constituée par une série de quatre colonnes coaxiales 14, 16, 18 et 20 délimitant entre elles des chambres annulaires. Ces chambres constituent les différents étages d'évaporateurs et de condenseurs dans lesquels s'effectue le procédé: évaporateur et condenseur associé sont, pour chaque étage, superposés dans une même chambre. La chambre axiale 13 délimitée par la colonne 14 forme le premier étage, à la pression P. Les colonnes 14 et 16 délimitent la chambre annulaire 15 du second étage, à la pression P - A P, et ainsi de suite pour les chambres 17 et 19.
Chaque chambre annulaire est décalée vers le haut par rapport à la précédente et présente une surface de base plus importante.
Les différentes chambres annulaires sont conçues de manière similaire. Si l'on considère par exemple la chambre annulaire 17 délimitée par les colonnes 16 et 18, on y trouve une partie inférieure formant l'évaporateur 22 de l'étage à la pression P -2 A P, un collecteur annulaire 23 et une partie supérieure constituant le condenseur 24 et recevant l'eau douce condensée dans la chambre 19 (étage P - 3 A P) par les orifices 26. Un plateau perforé 27, de forme annulaire, répartit cette eau douce sous forme de pluie dans le condenseur 24. Le collecteur annulaire 23 reçoit cette pluie en même temps que la vapeur condensée par cette dernière et communique avec le haut de la chambre 15 par des orifices 28 par lesquels l'eau se déverse dans le condenseur de l'étage P - A P.
L'évaporateur 22 communique avec le fond de la chambre suivante 19 par des orifices 30 qui permettent à l'eau de mer non vaporisée de passer dans l'évaporateur suivant sous l'influence de la chute de pression A P.
L'eau de mer préchauffée sortant du réchauffeur 32 est introduite à la base de la chambre axiale 13. La dernière chambre 19 comporte par ailleurs, à son extrémité supérieure, deux conduites diamétralement opposées par lesquelles est introduite de l'eau douce froide prélevée sur l'eau douce produite par l'installation, à la sortie du préchauffeur d'eau de mer 33.
L'eau de mer et l'eau douce circulent à contrecourant d'une chambre à l'autre.
A chaque étage, l'eau de mer se détend avec vaporisation partielle et la fraction d'eau vaporisée est condensée et entraînée avec l'eau douce.
Le fond de la dernière chambre 19 comporte une conduite 34 par laquelle est rejetée la saumure concentrée, dont une partie est recyclée vers le fond de la chambre 13. L'eau douce finalement recueillie par le collecteur de la chambre axiale 13 est évacuée vers le préchauffeur 33. Une partie de cette eau ainsi refroidie est reprise et renvoyée dans la chambre externe 19.
A chaque étage, l'eau douce rassemblée dans le collecteur 23 se déverse par trop-plein au-dessus du plateau perforé de l'étage précédent. La distance entre ces orifices et le plateau perforé est, à chaque étage, calculée de manière à maintenir une différence de pression A P entre deux étages successifs.
Les surfaces de base de chaque chambre annulaire sont établies en fonction du volume nécessaire. Les deux facteurs principaux suivants sont pris en considération:
1. La chute de température A t due à la détente qui augmente d'une chambre à l'autre. Donc, la quantité de vapeur dégagée, proportionnelle à A t (en supposant la chaleur de vaporisation constante), augmente et nécessite, à pression égale, un volume plus important.
2. La chute de pression d'une chambre à l'autre, qui fait que, d'une part, le volume occupé par une quantité donnée de vapeur augmente, et d'autre part, la séparation liquidelvapeur est plus difficile, ce qui demande encore un plus grand volume.
Dans une réalisation particulière, l'installation décrite, comportant 4 étages, assure une production de 100 m3/j d'eau douce. La température d'entrée de la saumure est de 730 C, celle de sortie de 290 C. La chute de pression entre deux étages est de 60 mm Hg".