CH653907A5

CH653907A5 - Installation pour la distillation continue de liquides aqueux.

Info

Publication number: CH653907A5
Application number: CH1181/83A
Authority: CH
Inventors: Wilbert Lee Gore; Robert Walton Gore; David Walton Gore
Original assignee: Gore & Ass
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1986-01-31
Also published as: SU1286097A3; US4545862A; JPH0317526B2; FR2522520A1; JPS58202089A; ES8403324A1; DK98783A; EP0088315B1; ES524784A0; FR2522520B1; IT8319920A0; ATE22812T1; NO164280B; FI830733L; CA1203488A; GB8305344D0; AU554562B2; AU1205383A; GR78460B; NO164280C

Description

La présente invention est relative à une installation pour la distillation de liquides aqueux et elle est particulièrement intéressante dans la distillation de l'eau de mer pour produire de l'eau douce.

La distillation est un procédé de vaporisation d'un liquide et de condensation ensuite de la vapeur. Elle est intéressante pour séparer les parties volatiles d'un mélange par rapport aux composants non volatils ou moins volatils.

Un dispositif pratique de distillation doit réaliser cette séparation à un faible coût à la fois du point de vue énergétique et du point de vue investissement. Ce n'est que lorsque ces deux éléments économiques sont faibles qu'un dispositif ou procédé de distillation peut être intéressant. Le rendement énergétique est habituellement mesuré par le «rapport de performance», qui est la somme de chaleur appliquée au système. Un rapport de performance élevé dans un dispositif signifie un faible coût énergétique.

Le coût d'investissement dépend du coût des matières composantes, de la somme de matières nécessaires et de la complexité. Les installations de distillation normalement disponibles sont coûteuses car elles exigent des alliages coûteux et son complexes du point de vue mécanique.

On a essayé de construire des appareils de distillation en utilisant des matières poreuses à travers lesquelles la vapeur peut diffuser, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n"

3 340 186 décrivant un exemple de ce genre, utilisant une membrane microporeuse, hydrophobe, en polytétrafluor-éthylène. Pour un tel appareil de «distillation à membrane», l'investissement peut être mis en rapport avec la quantité de distillât produit par surface unitaire de membrane et par unité de temps. On désigne cela par «productivité» du dispositif ou du procédé.

Il est difficile de concevoir un procédé de distillation qui soit à la fois productif et efficace du point de vue énergétique. Dans tout procédé quelconque de ce genre, une augmentation de la productivité par un accroissement de la différence de température entre l'eau salée chaude s'évaporant et l'eau salée plus froide se trouvant dans le condenseur amènera une diminution du rapport de performance. Le but est par conséquent de diminuer cette différence de température, tout en entretenant la même productivité. Ceci peut être atteint en diminuant l'«intervalie de vapeur», c'est-à-dire la distance que la vapeur doit parcourir depuis le point d'évaporation jusqu'au point de condensation, ou en diminuant l'épaisseur de la couche de distillât, ou en améliorant le mélange de l'eau salée à l'intérieur des conduits, et/ou en utilisant une meilleure matière conductrice de la chaleur pour le condenseur.

On a essayé de construire des dispositifs du type «sandwich» ou à effet multiple, à titre de moyens de récupération de la chaleur latente du condensât mais, dans une grande mesure, ces essais n'ont pas donné de dispositif pratique de distillation. Le mélange à l'intérieur des conduits d'eau salée peut être pauvre car l'obtention de différences de température à travers les membranes dépend du maintien de la circulation de l'eau salée à une allure relativement lente. Le mauvais mélange résultant donne des chutes importantes de température à travers les couches d'eau salée, qui se soustraient des chutes utiles de température à travers les membranes. De plus, un mauvais mélange donne des couches stagnantes d'eau salés concentrée à l'interface existant entre la membrane et l'eau salée chaude. Ces couches abaissent la pression de vapeur de l'eau salée à l'interface et diminuent la productivité. Elles peuvent en outre devenir sursaturées et «imprégner» la membrane, en souillant de la sorte le distillât par l'eau d'alimentation.

Un autre inconvénient important des dispositifs antérieurs de distillation à effet multiple est qu'ils ne comportent pas de moyens efficaces pour la séparation du distillât afin de maintenir une épaisseur minimale des couches de ce distillât. Du fait que les chutes de température à travers les couches de distillât se soustraient des différences de température à travers les membranes, elles diminuent la productivité ou le rapport s de performance.

Suivant la présente invention, on prévoit une installation de distillation continue d'une solution aqueuse chaude contenant un produit dissous, cette installation comprenant une feuille imperméable à la vapeur d'eau et conductrice de la io chaleur, formant une paroi longitudinale d'une chambre de récupération de distillât, une membrane microporeuse hydrophobe formant une paroi longitudinale opposée de la chambre, celle-ci comportant une sortie pour le distillât, des moyens assurant la circulation de la solution aqueuse chaude îs le long de cette membrane microporeuse, en contant intime avec celle-ci, à l'opposé de la chambre de récupération de distillât, de manière que la vapeur d'eau provenant de la solution chaude puisse se diffuser à travers la membrane microporeuse vers la chambre de récupération de distillât, et des 20 moyens pour refroidir la surface de la feuille imperméable, à l'opposé de la chambre de récupération de distillât, de sorte qu'une condensation de la vapeur d'eau diffusée peut se réaliser dans la chambre de récupération, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif pour l'ex-25 traction du distillât condensé hors de la chambre de récupération de distillât, ce distillât condensé étant en contact intime à la fois avec la feuille imperméable et avec la membrane, ce dispositif d'extraction comprenant des moyens utilisant les forces exercées par la solution chaude en circulation, agissant so en travers de la membrane microporeuse, sur le distillât compris entre cette membrane et la feuille imperméable pour provoquer ainsi la circulation du distillât dans le même sens que celui de la solution chaude vers la sortie.

Les moyens de refroidissement comprennent de préférence 35 des moyens pour faire circuler la solution froide dans un sens opposé à celui de la solution chaude, le long de la surface de la feuille imperméable à l'opposé de la chambre de récupération, la température de la solution froide étant basse par rapport à celle de la solution chaude circulant le long de la menilo brane microporeuse, l'installation comprenant en outre un dispositif chauffant connecté entre les moyens de circulation de la solution froide et les moyens de circulation de la solution chaude, ce dispositif chauffant étant destiné à recevoir la solution froide après que celle-ci a refroidi la membrane 45 imperméable, la solution froide ainsi reçue étant réchauffée jusqu'à la température de la solution chaude circulant le long de la membrane microporeuse, la solution ainsi réchauffée étant ensuite libérée pour circuler le long de la membrane microporeuse.

so II est également préférable que les moyens d'extraction de distillât comprennent une feuille imperméable qui est plus rigide vis-à-vis d'une flexion dans la direction perpendiculaire à la surface de la feuille, que la membrane microporeuse, la feuille imperméable et la membrane microporeuse ss étant disposées pour entrer en contact superficiel lorsqu'il n'y a pas de distillât liquide dans la chambre de récupération, un gradient de pression étant entretenu dans la circulation de la solution chaude le long de la membrane avec une diminution de la pression dans le sens de la circulation, la membrane so microporeuse se déformant localement dans la direction perpendiculaire à la feuille imperméable durant l'opération de distillation pour permettre une accumulation et une passage de distillât liquide.

L'invention sera décrite plus complètement encore ci-65 après, à titre d'exemple seulement, avec référence aux dessins annexés.

La figure 1A est une vue en coupe schématique d'un

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module de distillation linéaire de l'installation suivant la présente invention.

La figure 1B illustre schématiquement un détail d'une partie de la forme de réalisation représentée par la figure 1 A, cette vue étant prise suivant la ligne 1B-1B de la figure 1A.

La figure 2A est une vue en coupe schématique d'une partie d'un module de distillation en forme de spirale.

La figure 2B est une vue schématique de la partie du module en spirale, qui n'est pas illustrée par la figure 2A.

La figure 3 présente schématiquement un détail d'une partie du module en spirale, cette vue étant prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2A.

Comme illustré par les dessins, le module de distillation continue d'une solution aqueuse contenant un sel ou un autre produit dissous non volatil comprend une feuille imperméable à la vapeur d'eau et conductrice de la chaleur, formant une paroi longitudinale d'une chambre de récupération de distillât. La figure 1A illustre un module de distillation linéaire 10, dans lequel une feuille imperméable à la vapeur d'eau 12 est prévue d'un côté d'une chambre de récupération de distillât 14 de manière à former une paroi de cette chambre. Cette feuille 12 est de préférence faite en tôle métallique ou en une pellicule plastique mince, par exemple en polyéthylène de haute densité, d'une épaisseur allant de 0,025 à 0,125 mm. Cette gamme d'épaisseurs apportera une robustesse suffisante à la feuille, tout en lui donnant une résistance thermique suffisamment faible au passage de la chaleur. Une faible résistance thermique est importante car la feuille 12 agit comme élément condenseur pour l'unité de distillation 10.

Une membrane microporeuse hydrophobe 16 est prévue pour former une paroi longitudinale opposée de la chambre de récupération de distillât 14. Cette membrane microporeuse 16 est de préférence constituée par une membrane microporeuse en polytétrafluoréthylène (PTFE), d'une épaisseur de 0,025 à 0,125 mm et comportant une proportion de vides 80 à 90%. Une membrane microporeuse satisfaisante en PTFE a été décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 953 566, bien que l'on puisse utiliser d'autres matières de membrane microporeuses hydrophobes, par exemple du polypropylène microporeux.

On prévoit des moyens pour assurer une circulation rapide de la solution aqueuse chaude le long de la surface de la membrane microporeuse, en contact intime avec celle-ci, à l'opposé de la chambre de récupération de distillât. Dans le cas illustré, une paroi longitudinale opposée 18 fait face à la membrane microporeuse 16 et forme avec celle-ci la chambre 20. La paroi longitudinale 18 peut être faite en n'importe quelle matière présentant une rigidité suffisante pour contenir et canaliser la circulation d'eau chaude. Dans certaines applications de distillation, la paroi longitudinale 18 peut être remplacée par une autre paroi microporeuse, semblable à la paroi 16, cette paroi 18 pouvant former, avec une feuille associée formant condenseur, une autre chambre parallèle de récupération de distillât, la solution chaude étant la même que celle circulant dans la chambre 20. L'installation de distillation en spirale, illustré par la figure 2A, utilise essentiellement ce type de construction.

Dans la forme de réalisation de la figure 1 A, on a prévu une pompe 22 connectée pour fournir une circulation de solution chaude en direction longitudinale à travers une entrée 24 vers la chambre 20, cette solution chaude passant alors rapidement le long de la membrane microporeuse 16 (de la gauche vers la droite sur la figure 1 A, comme montré par les flèches). Il est important que la solution chaude entre en contact intime avec la surface de la membrane 16. Il résulte de la circulation provoquée par la pompe 22 que la solution aqueuse chaude se déplace dans la chambre 20 et passe rapidement le long de la membrane microporeuse 16. La vapeur d'eau s'évaporant depuis cette solution se diffuse à travers la membrane microporeuse 16 vers la chambre de récupération de distillât 14, où elle est condensée et récoltée.

Les moyens prévus, pour le refroidissement de la feuille imperméable comprennent une paroi longitudinale 28 qui fait face à la feuille formant condenseur 12, du côté opposé à la membrane microporeuse 16, cette paroi longitudinal 28 formant, avec la feuille 12, une chambre 30 destinée à contenir un fluide froid utilisé pour refroidir la feuille formant condenseur 12.

Pour permettre une récupération de chaleur latente depuis le distillât en cours de condensation, le fluide froid est de préférence constitué par une solution aqueuse se trouvant à une température inférieure à celle de la solution chaude circulant dans la chambre 20, la solution froide circulant en sens inverse de celui de la circulation de solution chaude existant dans la chambre 20. Du fait du refroidissement continu de la feuille 12, la vapeur se diffusant à travers la membrane microporeuse 16 se condense, au moins au départ, sur cette feuille 12. Après la formation d'une pellicule de distillât liquide, la vapeur peut se condenser dans cette pellicule de distillât mais la chaleur de vaporisation est destinée à être transférée finalement à travers la feuille 12 vers la solution froide circulant dans la chambre 30. Il doit en outre être entendu que le distillât condensé se trouvant dans la chambre de récupération 14 est toujours en contact, d'un côté, avec la membrane 16 et, de l'autre côté, avec la feuille 12, de sorte que ce distillât est en fait pris en «sandwich» entre la membrane 16 et la feuille 12.

Une pompe 32 est disposée de manière à recevoir la solution froide depuis une source (non illustrée) et elle est connectée à l'unité de distillation 10 pour introduire la solution froide dans la chambre 30 à travers une ouverture d'admission 34. Après passage le long de la feuille formant condenseur 12, la solution froide (qui est alors devenue chaude) quitte la chambre 30 par une sortie 36. La solution froide ainsi réchauffée, quittant la chambre 30 par la sortie 36, est ensuite chauffée, par exemple par un dispositif chauffant 38, et utilisée pour augmenter ou fournir la quantité totale de solution chaude introduite dans la chambre 20 par la pompe 22 et l'ouverture d'admission 24.

On comprendra qu'une série d'unités ou modules de distillation 10, tels qu'illustrés par la figure 1 A, peuvent être utilisés sous forme d'étages en série ou en parallèle dans des installations de distillation présentant diverses configurations. A titre d'exemple, comme illustré schématiquement par les traits interrompus sur la figure 1 A, il peut être avantageux de former une paroi longitudinale 28 en prévoyant le même type de matière que celle utilisée pour la feuille 12 et d'utiliser la paroi 28 comme feuille formant condenseur dans un autre module de distillation, refroidi par le même courant de circulation de solution froide. On comprendra que diverses interconnexions d'écoulement peuvent être envisagées entre les divers étages suivant les températures relatives des circulations de solution chaude et d'alimentation froide, quittant et entrant dans les unités individuelles, afin d'arriver à une utilisation et une conservation efficaces de l'énergie thermique utilisée pour vaporiser la solution aqueuse.

Une installation est prévue, pour extraire le distillât condensé et récolté depuis la chambre de récupération de distillât en utilisant les forces exercées par la solution chaude en circulation, agissant en travers de la membrane microporeuse sur le distillât compris entre cette membrane microporeuse et la feuille imperméable, ces forces amenant une circulation du distillât dans le même sens que celui de la solution chaude. Dans le cas illustré, la membrane microporeuse 16 est montée

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de manière qu'elle soit en contact avec la surface de la feuille 12 lorsqu'il n'y a pas de distillât dans la chambre 14, par exemple lors du démarrage ou lorsque la pellicule de distillât a été momentanément enlevée d'un endroit particulier sur la feuille 12 par l'action de la solution chaude en circulation. En outre, les matières et les épaisseurs de la membrane microporeuse 16 et de la feuille 12 sont choisies de telle sorte que cette feuille 12 soit plus rigide vis-à-vis d'une flexion dans la direction perpendiculaire à la surface de la feuille 12, que la membrane microporeuse 16. La différence existant entre leurs rigidités relatives à la flexion amène la membrane microporeuse à se déformer localement dans une direction perpendiculaire à la surface de la feuille 12 pour permettre d'accepter une accumulation de distillât condensé, tandis que la feuille 12 reste relativement sans déformation à partir de la position qu'elle occupe avant cette accumulation de distillât condensé.

Pour des unités de distillation utilisant une matière en feuille rigide, par exemple un tôle métallique, pour la feuille 12, les rigidités relatives désirées à la flexion peuvent facilement être satisfaites. La plupart des matières convenant pour la membrane microporeuse 16, en particulier la matière PTFE expansée que l'on préfère, sont très flexibles et souples dans la gamme d'épaisseurs allant de 0,025 à 0,125 mm, et ces matières peuvent aisément être choisies parmi les matières d'épaisseurs appropriées convenant pour des applications de distillation.

Le dispositif d'extraction comprend la prévision d'un gradient de pression dans la direction de circulation de l'alimentation chaude à l'intérieur de la chambre 20, la pression diminuant depuis le conduit d'entrée 24 jusqu'à la sortie 36. Les dimensions transversales de la chambre 20 peuvent être choisies en considérant le débit volumétrique désiré de solution chaude à travers la chambre 20, et la capacité de la pompe 22 choisie pour assurer l'obtention du gradient désiré de pression. Des moyens sont de préférence prévus dans la chambre 20 pour créer une turbulence et un mélange supplémentaires dans la solution chaude en circulation, par exemple un élément d'espacement 50 tel qu'illustré par la figure 1B.

L'élément d'espacement 50 comprend un réseau de brins longitudinaux 52 et de brins transversaux 54 reliés entre eux. Les brins longitudinaux 52 servent à séparer la membrane 16 par rapport à la paroi 18 de manière à créer des espaces de circulation pour la solution à l'intérieur de la chambre 20, tandis que les brins 54 servent à la mise en place des brins 52. Les brins transversaux 54 sont d'un diamètre nettement plus petit que celui des brins 52. La dimension réduite des brins 54 est nécessaire pour permettre la formation d'une chambre de récupération 14 par déformation de la membrane 16, tout en accroissant simultanément la turbulence le long de la chambre 20. Evidemment, les dimensions de l'élément d'espacement 50 devraient être choisies pour ne pas augmenter indûment le gradient de pression car il pourrait en résulter une diminution globale de rendement du fait de la nécessité d'une puissance accrue de pompage et d'une épaisseur plus grande pour la feuille 12 pour que celle-ci résiste à tout déséquilibre quelconque de pression statique entre les chambres 20 et 30. L'élément d'espacement 50 agit également pour augmenter le mélange à l'intérieur de la chambre 20 et empêcher l'accumulation de couches froides stagnantes d'alimentation au voisinage de la membrane 16.

Les éléments d'espacement traditionnels, utilisés dans l'osmose inversée et dans l'ultrafiltration, ne conviennent pas bien car ils ne permettent pas à la membrane 16 de se séparer de la feuille 12 suivant une ligne continue le long de la chambre 20. Du distillât rest emprisonné et ne peut pas circuler sous la membrane 16 vers la sortie 40. Un élément d'espacement à canaux, qui, d'après ce que l'on a constaté, agit de manière appropriée, est un élément formé de couches adossées de treillis Conwed XN2170 (Conwed est une marque déposée), une construction de ce genre présentant en coupe transversale l'allure illustrée par la figure 1B. Les circulations d'alimentation chaude et de distillât se font dans une s direction perpendiculaire au plan de la section de la figure 1B.

Le distillât circulant dans la chambre de récupération est évacué dans le sens de la circulation de solution chaude. Comme illustré par la figure 1 A, une sortie 40 est prévue pour io l'ecoulement du distillât hors de la chambre de récupération 14. Cette sortie 40 est prévue à l'extrémité longitudinale de la chambre de récupération de distillât 14 si on considère le sens de circulation de la solution chaude dans la chambre 20. On a constaté que cette localisation pour l'écoulement du distillât îs hors de la chambre de récupération 14 agit, en même temps que l'agencement et la construction de la membrane microporeuse 16, la feuille 12 et le sens d'écoulement de la solution chaude dans la chambre 20, pour assurer une productivité surprenante et d'un niveau inattendu, en ce qui concerne la 20 quantité de distillât produit, l'énergie thermique dépensée pour la vaporisation et les dimensions globales de l'unité de distlliation. Bien que le phénomène physique responsable de la productivité élevée ne soit que partiellement compris à l'heure actuelle, la discussion suivante permettra aux spécia-25 listes en ce domaine d'apprécier le phénomène et de comprendre l'importance de ces caractéristiques pour le fonctionnement de l'installation.

Lorsqu' on met en marche l'installation de distillation, la membrane 16 et la feuille 12 sont en contact. De la vapeur 30 d'eau se condensera au départ, non pas dans le distillât mais sur cette feuille 12. Au fur et à mesure que le distillât s'accumule dans la chambre de récupération 14, il prend place entre la membrane 16 et la feuille 12 en créant son propre espace. Ensuite, une courte pellicule continue de distillât séparera la 3s membrane 16 de la feuille 12. Les forces provoquées par la circulation rapide de la solution chaude dans la chambre 20 agissent apparemment en travers de la membrane 16 pour entraîner ou évacuer le distillât vers la sortie 40 prévue à l'extrémité basse pression de la chambre 20. On a constaté que 40 cette évacuation du distillât, lorsque des quantités relativement importantes de distillât sont produites, prend la forme d'une série de rides ou d'ondulations dans la membrane 16 que l'on peut observer en réalité si la paroi 18 est transparente. Le distillât s'accumule ainsi à l'extrémité basse pres-45 sion de la chambre 20 et s'écoule par la sortie 40. La solution «chaude» refroidie et quelque peu concentrée quitte le module de distillation 10 par la sortie 26 et est soit rejetée, soit partiellement recyclée au conduit d'entrée 34.

L'installation permettant l'enlèvement du distillât par une so extraction utilisant les forces créées par l'alimentation en circulation est très pratique. L'installation donne une couche de distillât mince minimale. Une mince couche de distillât assure un bon transfert de la chaleur latente vers la feuille 12, ce qui augmente ainsi la chute de température à travers la mem-55 brane 16 et augmente la productivité. Comme le distillât est toujours en contact intime avec la feuille 12, ce distillât sort lui-même du dispositif à l'état froid, en ayant cédé son énergie thermique à l'alimentation froide circulant dans la chambre 30. Des rapports très élevés de performance sont 60 ainsi possibles.

Un autre avantage est que la membrane microporeuse 16 est en suspension entre deux masses de liquide (c'est-à-dire la solution chauffée et le distillât) qui ont des pressions statiques essentiellement égales en travers de la membrane 16 en tout 65 point dans la direction de la circulation de solution chaude, bien qu'un gradient de pression existe suivant cette direction de la circulation de solution chaude, comme on l'a expliqué précédemment. Ceci donne une contrainte mécanique mini-

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male sur la membrane microporeuse 16, car celle-ci n'est pas résistante à une pression hydrostatique importante. Bien que, d'une manière générale, les pressions statiques à l'intérieur des chambres 30 et 20 ne soient pas égales, toute charge quelconque créée par des pressions inégales est supportée presque totalement par la feuille 12 du fait du mou existant dans la membrane 16.

L'utilisation d'une mince feuille flexible 12, conjointement à une membrane microporeuse très flexible 16, peut créer un certain bombement ou déplacement de la feuille 12 à la suite de toute différence de pression statique entre la chambre 20 et la chambre 30 dans l'unité de distillation illustrée par la figure 1 A. Dans un tel cas, les extrémités de la feuille 12 et de la membrane 16 sont généralement maintenues de force à l'encontre de tout déplacement par l'agencement de montage (non illustré), avec pour résultat que les forces créées par la pression doivent être supportées par la feuille 12 mise en tension. La feuille 12 supporte essentiellement la totalité de la charge hydrostatique, en laissant la membrane 16 relativement sans tension et comparativement souple et flexible.

En résumé, la membrane hydrophobe microporeuse 16 devrait être mince et très poreuse afin de faciliter la diffusion de la vapeur d'eau. Elle devrait présenter une faible conducti-vité thermique pour réduire au minimum la conduction de chaleur depuis l'alimentation chauffée vers le distillât refroidi. La taille des pores devrait être suffisamment petite pour résister à l'entrée d'eau aux pressions statiques sur de longues périodes de temps à des températures élevées. La membrane devrait être robuste et résistante à l'abraison, même à des températures de 100°C, et elle devrait résister aux attaques chimiques et biologiques. La flexibilité est nécessaire pour que cette membrane puisse se déplacer afin de s'acco-moder du courant de distillât.

La feuille 12 devrait être imperméable, conductrice de la chaleur, résistante à la corrosion par l'eau salée et aux attaques biologiques, et d'un faible coût. Il peut s'agir d'une matière stratifiée, telle qu'une feuille d'aluminium enrobée de polyéthylène. Comme la feuille 123 doit supporter virtuellement la totalité de la charge résultant des différences de pression à l'intérieur du dispositif, elle doit présenter une haute résistance à la traction.

Exemple 1

Le phénomène d'évacuation décrit précédemment a été exploré expérimentalement par utilisation d'une solution d'eau salée dans une unité de distillation linéaire d'une configuration semblable à celle illustrée par la figure 1 A. Une feuille transparente de «Plexiglas» (marque déposée), forme les parois longitudinales 18 et 28 du dispositif et les chambres 20 et 30 sont garnies d'éléments d'espacement semblables à celui illustré par la figure 1 B, en étant formés d'un treillis «Conwed» XN2170. La feuille 12 de la figure 1A est faite de polyéthylène de haute densité d'une épaisseur de 0,075 mm et la membrane microporeuse 16 est faite d'une pellicule de PTFE hydrophobe, d'une épaisseur de 0,1 mm, présentant des pores de 0,45 p., cette matière étant disponible auprès de la société W. L. Gore & Associates, Inc. sous la dénomination 5C.2.

L'appareil d'essai différait de celui de la figure 1A par le fait qu'une lumière supplémentaire d'écoulement de distillât a été prévue à l'extrémité haute pression de la chambre 20, entre la sortie 36 et l'ouverture d'admission 24. Lorsque cet appareil de distillation a été mis en fonctionnement avec ses deux lumières pour le distillât, on avait un écoulement de 98% du distillât par la lumière correspondant à la sortie 40, qui est la plus proche de la sortie de solution chaude 26. Lorsqu'on bloquait délibérément la lumière correspondant à la sortie 40, la production de distillât du dispositif diminuait de

12,4 ml/min à 4,7 ml/min. En regardant à travers les parois plastiques transparentes du dispositif, la membrane microporeuse apparaissait boursouflée. L'ouverture de la lumière bloquée amenait un jailissement de distillât sortant sous pres-s sion. Il est surprenant de découvrir ainsi l'importance de l'écoulement du distillât dans le même sens que celui de la sortie de la solution chaude d'eau salée.

Cette expérience a démontré que, même lorsque la feuille 12 est une feuille en matière plastique flexibles, relativement io mince, le sens de l'écoulement ou de l'évacuation du distillât dépend de celui de la circulation de solution chaude le long de la membrane microporeuse 16, et non pas du sens de la circulation de solution froide existant de l'autre côté de la feuille 12. On pense que ceci résulte du fait que, même si la feuille 12 îs est assez flexible, elle se trouve à l'état tendu du fait des différences de pression statique entre la chambre de solution chaude 20 et la chambre de solution froide 30. Du fait de la plus haute tension existant dans la feuille 12 comparativement à la membrane 16, pratiquement la totalité de la charge 20 est supportée par la feuille 12; ceci laisse la membrane libre de se déformer localement sous les forces créées par la circulation de la solution et par le distillât destiné à être évacué par la sortie 40.

Un désavantage principal d'un dispositif linéaire, tel que 25 celui illustré par la figure 1 A, est que des longueurs de 30 mètres ou plus deviennent embarassantes et coûteuses à isoler. De plus, les pressions nécessaires pour entraîner la solution et assurer un bon mélange peuvent nécessiter un entretoisement compliqué dans la forme de réalisation liné-30 raire de l'invention. Pour ces raisons, un module préféré de distillation utilise une géométrie en forme de spirale, telle que celle désignée d'une manière générale par le numéro de référence 110 et illustrée par la figure 2A. Dans la discussion suivante, les éléments du module en spirale 110, qui correspon-35 dent du point de vue fonctionnel aux éléments du module linéaire 10 précédemment décrit (figure 1 A) ont reçu les mêmes numéros de référence augmentés de 100, par rapport aux numéros de la figure 1 A.

La solution froide est pompée dans le module à l'entrée 134 40 et se déplace en spirale vers le centre à travers la chambre 130, en prenant de la chaleur des feuilles 112a et 112b, au fur et à mesure que cette alimentation circule. Cette solution froide, qui est ainsi chauffée par la chaleur latente récupérée de condensation du distillât, quitte le module par la sortie 136, 45 elle est chauffée encore par un dispositif chauffant 138 et elle est ensuite renvoyée à la chambre 20 par le conduit d'entrée 124. Une pompe 122, illustrée sur la figure 2B, peut être localisée dans la connexion existant entre la sortie 136 et la conduit d'entrée 124 pour créer une force d'entraînement so pour les solutions chaude et froide. La circulation de la solution chaude se fait alors en spirale vers l'extérieur à travers la chambre 120, qui est garnie de chaque côté par des membranes microporeuses hydrophobes 116a, 116b.

Durant son passage dans la chambre 120, une partie de la 55 solution s'évapore à travers les membranes 116a, 116b et le distillât se récolte dans les chambres de distillât parallèles 114a, 114b, formées par les membranes 116a, 116b et par les feuilles adjacentes correspondantes 112a, 112b. Ce distillât se déplace en spirale vers l'extérieur en deux minces courants, il 60 est entraîné ou évacué grâce à la circulation de solution chaude dans la chambre 120 et il est récolté dans les collecteurs de distillât 140a, 140b, depuis lesquels il est retiré du module en spirale 110. La solution chaude, refroidie et quelque peu concentrée, s'en allant par la sortie 126, est 6s rejetée, ou pompée à titre de solution pour un autre module, ou encore partiellement recyclée au conduit d'entrée 134.

Des configurations d'unités de distillation à deux membranes et à deux condenseurs, telles qu'illustrées par la figure

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2A, peuvent permettre des économies d'espace, car la moitié seulement du nombre des conduits est nécessaire pour une surface donnée de membrane microporeuse. De plus, la longueur des conduits nécessaire pour arriver à un rapport de performance donné ne doit être que d'environ la moitié de celle à prévoir pour des modules de distillation, tels que le module 10 illustré par la figure 1 A.

La hauteur du module en spirale, telle que mesurée le long de l'axe de la spirale, n'influence pas de façon appréciable le rapport de performance mais seulement la quantité de solution nécessaire, la somme de chaleur requise et la quantité de distillât produit, toutes ces caractéristiques augmentant linéairement avec la hauteur. Le rapport de performance augmente pour une gamme donnée de températures opératoires et pour un débit donné d'alimentation lorsqu'on ajoute des spires supplémentaires au module. Toutefois, ces spires supplémentaires augmentent la longueur, ce qui a pour effet de diminuer la quantité de distillât produit par surface unitaire de membrane et par unité de temps. L'augmentation du débit de solution pour un module donné travaillant entre des températures déterminées accroît la productivité au détriment du rapport de performance. Ces variantes de caractéristiques doivent être soupesées lorsqu'on conçoit un module de disti-lation afin d'arriver à la meilleure performance pour un besoin donné. Les variantes de productivité et de rapport de performance permettent d'arriver à une certaine flexibilité de fonctionnement du module de sorte que des périodes inhabituelles de demande de distillât peuvent être temporairement satisfaites.

D'une façon générale, la pression de la solution chaude dans la chambre 120 n'est pas la même que celle de l'alimentation froide dans la chambre 130. Pour empêcher un affaissement de la chambre à plus basse pression, des éléments d'espacements, tels que l'élément 150 illustré dans la section de chambre de solution chaude 120, représentée par la figure 3, peuvent de préférence être utilisés dans l'une ou de préférence dans les deux chambres de circulation de solution. Comme dans le cas de la forme de réalisation illustrée par les figures 1À et 1 B, ces éléments d'espacement assurent la fonction supplémentaire d'élément favorisant la turbulence. En outre, on obtient un meilleur mélange avec un tel élément d'espacement 150.

L'élément d'espacement 150 comprend un réseau de brins longitudinaux 152 et de brins transversaux 154 qui sont reliés entre eux. Les brins longitudinaux 152 servent à maintenir à l'écart les membranes microporeuses 116a, 116b et les feuilles 112a, 112b, afin de créer des espaces d'écoulement pour la circulation dans la chambre 120. Les brins transversaux 154 sont d'un diamètre nettement plus petit que celui des brins longitudinaux 152, et ils servent en même temps à maintenir les brins longitudinaux 152 à leurs places, à laisser ainsi de la place pour une déformation locale des membranes 116a, 116b en vue de la formation des chambres de distillât 114a et 114b, à augmenter la turbulence dans la chambre 120 et à favoriser un mélange de la solution dans la chambre de circulation de solution chaude 120. Ce mélange empêche la formation de couches épaisses et relativement froides de solution chaude concentrée le long des membranes 116a, 116b. On a constaté qu'un élément d'espacement composé, utilisant des couches adossées de treillis «Conwed» XN2170 agit de manière satisfaisante à titre d'élément d'espacement 150.

Les éléments d'espacement pour la chambre d'alimentation chaude devraient de préférence être réalisés en des matières, telles que des matières plastiques, qui sont résistantes à la corrosion et qui ne s'hydrolysant pas ou ne s'affaissent pas dans des solutions aqueuses chaudes. Les brins longitudinaux 152 devraient être caoutchouteux ou très lisses afin d'éviter une perforation des membranes 116a, 116b.

Les éléments d'espacement de la chambre de solution froide (non représentés), qui n'entrent pas en contact avec les membranes 116a, 116b peuvent avoir la configuration de l'élément d'espacement 150 illustré par la figure 3 ou la confi-s guration d'éléments d'espacement traditionnels, par exemple celle du produit «Vexar» de la société Dupont Co.

Exemple 2

On a construit un module de distillation à membrane, î» d'une configuration semblable à celle du module en spirale 110 des figures 2 et 3, en utilisant de l'eau salée comme solution, et des chambres 120,130 d'une longueur de 19,5 mètres. Les membranes microporeuses et les feuilles formant condenseurs sont d'une largeur de 15,2 cm, de sorte que la hauteur is globale du module est d'environ 15,2 cm. Les feuilles formant condenseurs 112a, 112b sont faites en aluminium H-19,

alliage 1145, d'une épaisseur de 0,2 mm, et les membranes 116a, 116b sont faites de PTFE poreux, d'une épaisseur de 0,1 mm, ces membranes ayant chacune une taille effective des 20 pores d'environ 0,45 p., de telles membranes étant disponibles auprès de la société W. L. Gore & Asociates, Inc., sous la désignation 5C.2. Les chambres de solutions chaude et froide utilisent toutes deux à titre d'élément d'espacement, deux couches adossées d'un treillis «Conwed» XN2170. Les chambres 2s d'alimentations chaude et froide sont chacun d'une épais-serur de 4,3 mm et le diamètre global du module atteint 50,8 cm. Pour assembler le module, une bande simple de -membrane en PTFE est d'abord réunie suivant ses bords à une feuille simple d'aluminium en utilisant une bande adhé-3» sive sur les deux faces. Les bandes temporairement réunies sont alors repliées pour que la membrane se fasse face à elle-même, l'ensemble replié est enroulé de manière lâche pour former la spirale, et les connexions de collecteurs sont faites. La base et le haut du module sont ensuite plantés dans une 35 résine époxy de manière que la couche introduite dans cette dernière s'étende sur 1,27 cm au haut et à la base, ce qui laisse 12,7 cm de largeur effective de membrane et de condenseur.

Dans un essai, on a utilisé 3,781/min d'une solution d'eau salée à 4% à 27,6°C dans le module d'essai, cette solution 4» étant amenée à l'entrée 134 de la figure 2A. La solution quittait la sortie 136 à 81,7°C, puis elle était chauffée par des résistances électriques jusqu'à 85,6°C et repompée dans le module par le conduit d'admission 124. L'eau salée sortait de la chambre de solution chaude par la sortie 126 à une tempé-45 rature de 31,6°C. Sur une période de fonctionnement de 3 minutes du système stabilisé, on obtenait un écoulement de 659 ml de distillât, montrant une conductivité de 15 )iO/cm, à partir des collecteurs de distillât 140a, 140b. La productivité était de 63,5 l/m2/jour ou de 316 1/jour, avec un bon rapport so de performance. Ce rapport de performance pouvait être augmenté en utilisant de plus longs conduits ou canaux pour la circulation. La productivité et le rapport de performance pouvaient être tous deux augmentés en augmentant la température du dispositif chauffant. La combinaison de la haute 55 productivité et du rapport de performance élevé, que l'on rencontre dans ce cas, se situe bien au-delà de celle présentée par la technique antérieure dans la distillation à membrane, de sorte que la présente distillation à membrane fournit un moyen intéressant pour la désalination de l'eau de mer. 60 On peut donc voir que la présente invention peut être adaptée à de nombreuses applications différentes, notamment dans les cas où le coût de l'énergie peut être bas, comme par exemple dans les appareils de chauffauge à chaleur solaire ou les systèmes de conversion d'énergie utilisant des 65 gradients de températures océaniques, ainsi que dans les cas où la chaleur fournie est coûteuse, comme par exemple avec les appareils chauffants électriques ou la combustion de combustibles fossiles.

B

3 feuilles dessins

Claims

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1. Installation pour la distillation continue d'une solution aqueuse chaude contenant un produit dissous, installation comprenant une feuille imperméable à la vapeur d'eau, conductrice de la chaleur (12,112a) formant une paroi longitudinale d'une chambre de récupération de distillât (14,

114a), une membrane microporeuse hydrophobe (16, 116a) formant une paroi longitudinale opposée de la chambre (14, 114a), celle-ci comportant une sortie (40) pour le distillât, des moyens (20,22) assurant la circulation de la solution aqueuse chaude le long de la membrane microporeuse, en contact avec celle-ci, à l'opposé de la chambre de récupération de distillât, de sorte que la vapeur d'eau provenant de la solution chaude peut se diffuser à travers la membrane microporeuse vers la chambre de récupération de distillât, et des moyens (30,32) assurant le refroidissement de la surface de la feuille imperméable à l'opposé de la chambre de récupération de distillât, de sorte qu'une condensation de la vapeur d'eau diffusée peut se réaliser dans la chambre de récupération, installation caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif pour extraire le distillât condensé hors de la chambre de récupération de distillât, ce distillât condensé étant en contact intime à la fois avec la feuille imperméable et avec la membrane, ce dispositif d'extraction comprenant des moyens utilisant les forces exercées par la solution chaude en circulation agissant en travers de la membrane microporeuse sur le distillât compris entre la membrane poreuse (16,116a) et la feuille imperméable (12,112a) pour provoquer une circulation de distillât dans le même sens que celui de la solution chaude vers la sortie.

2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement comprennent une chambre (30) dont une paroi est formée par la feuille imperméable (12) et à travers laquelle la solution aqueuse froide peut circuler en contact avec la surface de la feuille (12), qui est opposée à la chambre de récupération (14), à une température plus basse que celle de la solution chaude circulant le long de la membrane microporeuse, et un dispositif (32) provoquant le circulation de la solution froide à travers la chambre dans le sens opposé à celui de la solution chaude.

3. Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde feuille (112b) imperméable à la vapeur d'eau et conductrice de la chaleur, disposée côte à côte mais à l'écart de la première feuille imperméable (112a), une seconde membrane microporeuse (116b), disposée côte à côte mais à l'écart de la première membrane (116a), ces deux membranes (116a, 116b) étant prévues entre les feuilles imperméables (112a, 112b), chacune des membranes microporeuses formant, avec la feuille imperméable voisine correspondante, une chambre de récupération de distillât (114a,

114b), les membranes (116a, 116b) formant entre elles un passage pour la solution chaude, et les moyens de refroidissement comprenant une seconde chambre formée du côté de la seconde feuille disposée à distance de la seconde membrane microporeuse ( 116b) pour permettre la circulation à travers elle de la solution froide.

4. Installation suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif chauffant (38) destiné à recevoir la solution froide après qu'elle a refroidi la ou les feuilles imperméables et à chauffer la solution froide ainsi reçue jusqu'à la température de la solution chaude avant sa circulation le long de la ou des membranes microporeuses.

5. Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les feuilles imperméables et les membranes sont conformées en spirale, les portions adjacentes se recouvrant des deux feuilles imperméables étant espacées et formant le parcours de circulation pour la solution froide.

6. Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, dans le dispositif d'extraction du distillât, la ou chaque feuille imperméable est plus rigide vis-à-vis de la flexion dans une direction perpendiculaire à sa s surface que la membrane microporeuse associée, une telle feuille imperméable plus rigide et une telle membrane microporeuse moins rigide étant disposées de manière que leurs surfaces soient en contact lorsqu'il n'y a pas de distillât dans la chambre de récupération, la membrane microporeuse io moins rigide étant déformable localement à l'écart de la feuille imperméable plus rigide durant l'opération de distillation pour permettre le passage du distillât.

7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les bords respectifs de la ou de chaque feuille imper-

is méable et de la membrane microporeuse associée sont maintenus à rencontre d'un déplacement, la membrane microporeuse comportant moins de tension dans la direction perpendiculaire à celle de la circulation de la solution que la feuille imperméable associée, et en ce qu'elle comprend un dispositif

20 pour entretenir durant le fonctionnement, une différence de pression statique en travers de chaque feuille imperméable pour mettre celle-ci sous tension par rapport à la membrane microporeuse associée, cette feuille mise sous tension relative devenant ainsi plus rigide vis-à-vis de la flexion que la mem-

2s brane associée.

8. Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un gradient de pression est entretenue dans la solution chaude de manière que la pression statique diminue dans le sens de cette circulation de la

30 solution chaude.

9. Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens localisés dans la solution chaude circulant le long de chaque membrane pour créer une turbulence et un mélange.

35 10. Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre (30) formée entre la membrane et une paroi opposée de cette chambre, la solution chaude étant amenée à circuler à travers celle-ci, et un élément d'espacement (52,54) prévu dans cette

40 chambre pour espacer la membrane à l'écart de la paroi opposée de la chambre et pour aider au mélange de la solution chaude.

11. Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que l'élément d'espacement (52,54) maintient la feuille

45 imperméable à l'écart de la paroi opposée de la chambre tout en maintenant des canaux s'étendant dans îa direction d'écoulement de la solution.

12. Installation suivant l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que l'élément d'espacement comprend une so série de premiers brins (52) s'étendant longitudinalement dans la direction de circulation de la solution, et une série de seconds brins (54) s'étendant transversalement et attachés aux premiers brins, tout en étant espacés en direction transve-sale, ces premiers brins étant d'une dimension et d'une forme

55 propres à assurer la séparation requise, les seconds brins étant d'une forme et d'une dimension propres à assurer une turbulence et à provoquer le mélange de la solution circulant le long des seconds brins.

13. Installation suivant l'une des revendications précé-

60 dentes, caractérisée en ce que la ou chaque membrane microporeuse est faite en PTFE expansé, présentant un volume de vides de 80 à 90% et une épaisseur de 0,025 à 0,125 mm.

14. Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ou chaque feuille imper-

65 méable est constituée par une feuille en polyéthylène d'une épaisseur de 0,025 à 0,125 mm.

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REVENDICATIONS

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