EP2771572A2 - Échangeur de pression volumétrique pour une installation de dessalement d'eau de mer et installation de dessalement - Google Patents

Échangeur de pression volumétrique pour une installation de dessalement d'eau de mer et installation de dessalement

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EP2771572A2
EP2771572A2 EP12798841.8A EP12798841A EP2771572A2 EP 2771572 A2 EP2771572 A2 EP 2771572A2 EP 12798841 A EP12798841 A EP 12798841A EP 2771572 A2 EP2771572 A2 EP 2771572A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
piston
pressure
chamber
cylindrical body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12798841.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Yves Giraud
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arkling Ltd
Original Assignee
Arkling Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2771572A2 publication Critical patent/EP2771572A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/08—Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/06—Energy recovery
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
    • F04B9/10—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid
    • F04B9/109—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having plural pumping chambers
    • F04B9/117—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having plural pumping chambers the pumping members not being mechanically connected to each other
    • F04B9/1176—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having plural pumping chambers the pumping members not being mechanically connected to each other the movement of each piston in one direction being obtained by a single-acting piston liquid motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00—Pressure exchangers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/24—Specific pressurizing or depressurizing means
    • B01D2313/246—Energy recovery means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/10—Energy recovery
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02A20/131—Reverse-osmosis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies

Definitions

  • volumetric pressure exchanger for a seawater desalination plant and desalination plant
  • the present invention relates to a volumetric pressure exchanger for a reverse osmosis water desalination plant and a desalination plant.
  • cylinder and “cylindrical” refer to a body delimited by - or a shape or surface generated by - parallel lines supported on a closed contour which may to be circular.
  • a reverse osmosis module consisting of semi-permeable membranes with seawater brought to a high pressure, generally between 50 and 80, is fed. bars, higher than the osmotic pressure of salt water, which is of the order of 25 bars.
  • a permeate of desalinated water which is at a pressure close to atmospheric pressure
  • a water concentrate called "supersaled”. This concentrate is at a pressure slightly lower than the supply pressure, that is to say generally lower than the latter of the order of 1 to 5 bars because the pressure drop caused by the passage in the MOI is low.
  • the piston of the pump separates each cylinder of the pump into a downstream chamber and an upstream chamber.
  • the piston rod passes through the upstream chamber and its end is articulated to the motor drive mechanism.
  • the downstream chamber is supplied with seawater by a duct equipped with a check valve and delivers the pressurized seawater to the supply duct of the MOI, itself equipped with an anti-backflow valve. -return.
  • the upstream chamber of the pump is connected to the outlet pipe of the concentrate of the MOI via the three-way valve, the third channel thereof opening into a concentrate drain duct.
  • the movements of the piston of the pump and valve shutter are synchronized so as, alternatively, to admit the high-pressure concentrate into the upstream chamber when the piston pushes the seawater towards the MOI and to repress this concentrate. towards the emptying during the reverse movement of the piston.
  • Applicant's patent application WO201 1/058249 describes such a rotary shutter valve for a desalination plant, allowing a high flow of water without significant loss of pressure and withstanding the high pressure of the concentrate leaving the MOI.
  • the subject of the invention is a volumetric pressure exchanger of the defined inlet type, comprising at least one pressure exchange unit, said pressure exchange unit comprising a hollow cylindrical body, a piston sliding in said body, said piston comprising a piston head separating the interior of said cylindrical body into a downstream chamber and an upstream chamber, said piston comprising a rod arranged on the side of the downstream chamber and passing through said downstream chamber, said downstream chamber being provided with a water intake and delivery device to be treated, said upstream chamber being provided with a three-way valve with a rotary valve, said rotary valve being rotated by motorized drive means, said valve comprising a pressurized concentrate supply port, a discharge port of said concentrate, and an opening for communication with said upstream chamber.
  • said water intake and delivery device to be treated comprises a cylinder head arranged in the extension of the downstream chamber of said cylindrical body, an intake orifice with a non-return intake valve. , a discharge port with a non-return valve, said piston rod passing through said cylinder head with its end emerging outside the volumetric pressure exchanger.
  • said three-way valve comprises a valve body arranged in the extension of the upstream chamber of said cylindrical body.
  • the axis of rotation of the rotary plug is parallel to the axis of the cylindrical body.
  • the rotary valve has a lateral opening shaped so as to allow a communication and a communication end fluids with the supply and discharge ports of the valve.
  • the dynamic sealing of said valve is achieved by means of annular piston cylinders resting on the rotary plug, in particular annular piston cylinders made of low friction composite materials.
  • said annular cylinder pistons are pressurized by fluid connections with the concentrate, either directly or through a pressure multiplier.
  • said annular cylinder pistons are pressurized by an auxiliary hydraulic unit.
  • the volumetric pressure exchanger may comprise a plurality of pressure exchange units as defined above.
  • the motorized drive means comprise a common motor and means for wedging the rotary plugs evenly distributed over 360 °.
  • the invention also relates to a reverse osmosis seawater desalination plant comprising a volumetric pressure exchanger as defined above.
  • the number of pressure exchange units, the bore and the stroke of the cylindrical bodies are adjusted according to the available concentrate flow of the installation.
  • the rotational speed of the rotary plugs is adjusted so that during each cycle, the said one or more pistons do not reach the end of high stroke.
  • Figure 1 is a longitudinal sectional view of a pressure exchange unit according to the invention
  • Figure 2 is a side elevational view of a rotary valve plug
  • FIG. 3 is a simplified horizontal axial section showing the rotary plug of Figure 2, housed in its valve;
  • Figure 4 is a schematic elevational view of a volumetric pressure exchanger comprising 6 pressure exchange units.
  • FIG. 1 shows a pressure exchange unit 1 whose central part consists of a cylindrical body 2 in which a piston 3 slides, formed by a piston head 4 and a piston rod 5.
  • the head piston 4 separates the interior of the cylindrical body 2 into a downstream chamber and an upstream chamber.
  • the piston rod is attached to the piston head 4 on the side of the downstream chamber.
  • the cylindrical body 2 is surmounted at its first end, on the side of the downstream chamber, a cylinder head 6, which is sealingly secured to the cylindrical body 2 by means of the flange type, joints and bolts, known per se.
  • the cylinder head 6 carries an intake port 7 adapted to connect a seawater supply line to be treated.
  • the inlet port 7 houses a non-return intake valve 8.
  • the structure of such valves is in itself known to those skilled in the art.
  • the cylinder head 6 also carries a discharge port 9 adapted to connect a pipe bringing seawater to the ME.
  • the discharge orifice 9 also houses a check valve 10.
  • the cylinder head 6 further comprises in the axial position a guide orifice January 1 for the passage of the piston rod 5, the free end of which emerges from the unit. pressure exchange 1.
  • the guide orifice January 1 is provided with seals, known per se, allowing the sliding of the piston rod without significant pressure losses of the water to be treated.
  • valve 12 which extends this upstream chamber and whose valve body 13 is sealed with the cylindrical body 2 by means of the type flange, seals and bolts, as known.
  • the valve 12, which is an integral part of the pressure exchange unit 1, comprises a pressurized concentrate supply port 14, a discharge port 15 of said concentrate, and a communication opening 16 with said upstream chamber.
  • the rotary plug 17 comprises a hollow cylindrical upper portion, which has at its upper end a wide opening of communication 16, communicating with the upstream chamber of the cylindrical body 2, and which has on its side flank a lateral opening 24 allowing alternately, depending on the position of the plug, to communicate the inside of the plug, and therefore the communication opening 16, with the feed orifice 14 or the discharge orifice 15.
  • the opening 24 has a first end 28 in the form of "V", a rectangular median portion 27 and a second end in the form of "W" having two extensions 25,26.
  • This particular form of the opening 24 allows progressive communication with and end of communication with the supply and discharge orifices 15 and 15, so as to eliminate sudden variations in pressure and flow in the upstream chamber of the chamber.
  • pressure exchange unit In its lower part, the rotary plug 17 comprises a drive rod 18 which is intended to be connected to a mechanical drive device.
  • the axis of rotation of the rotary plug 17 coincides with the axis of sliding of the rod 5, this arrangement being the simplest in terms of construction of the valve body 13 and the fixing rod 18 of the plug 17 emerging from the valve body 13 is driven by a drive device 19, itself connected to a drive motor, which can be achieved by means of toothed wheels meshing with sprockets, transmission belts or any other means known in the state of the art.
  • the drive motor in particular motor gear reducer can be fixed speed or speed controlled by a drive.
  • the rotary plug 17 is in permanent rotation.
  • the dynamic tightness of the valve 12 is achieved without a seal, by means of pistons of annular cylinders 22, 23, resting on the rotary plug.
  • the annular cylinder pistons are made of composite materials with a low coefficient of friction.
  • These annular cylinder pistons can be pressurized by fluid connection with the concentrate, either directly or through a pressure multiplier. Alternatively they can be pressurized by an auxiliary hydraulic unit.
  • These pistons annular cylinders press on the rotary plug, preventing the direct passage of the concentrate from the supply port 14 to the discharge port 15.
  • These pistons advance in their housing as and when they wear, this which minimizes the number of maintenance stops.
  • the rotary plug is preferably made of stainless steel and receives a suitable surface treatment to increase its resistance to wear and reduce the coefficient of friction.
  • the pressure exchange unit whose structure has just been described functions as follows:
  • the seawater supplied by a booster pump of the desalination plant, enters the cylinder head 6, and thus inside the downstream chamber of the cylindrical body 2 through the inlet orifice 7 and leaves by the discharge port 9, the inlet valves 8 and discharge 10 preventing a reverse flow.
  • the rotary valve 17 of the three-way valve 12 is in constant rotation.
  • the pressure of the concentrate being equal to the pressure of the seawater to be treated at the inlet of the MOI, less the pressure losses between the membranes and the exchanger, this pressure difference between the upstream chamber and the downstream chamber makes it possible to compensate said pressure drops without using high pressure pumps.
  • This pressure difference can be adjusted by changing the Piston rod diameter 5.
  • the rotary plug 17 gradually closes the passage of the concentrate from the feed port 14 to the upstream chamber, so that the piston 3 reaches its upper position.
  • the rotary plug 17 gradually opens the communication between the upstream chamber of the cylindrical body 2 and the discharge orifice 15, so that the pressure of the concentrate in the upstream chamber of the cylinder 2 decreases.
  • the discharge valve 10 closes.
  • the seawater supplied by a booster pump of the desalination plant enters through the inlet valve 8 and pushes the piston 3 downwards by driving back the concentrate. Then a new cycle starts.
  • Figure 4 shows a volumetric pressure exchanger comprising six pressure exchange units of the type shown in Figure 1, connected in parallel.
  • An electric gear motor 21 common to the six units, rotates the six rotary bushings.
  • the positions of the bushings are wedged with an offset of 60 ° relative to each other, so as to ensure operation without shock or noise of the system.
  • the number, the diameter and the stroke of the cylinders are calculated according to the available flow rate of concentrate of the desalination plant in which the volumetric pressure exchanger is intended to be mounted.
  • the rotational speed of the bushings is preferably adjusted so that the pistons do not arrive at the end of high stroke: by this means, the volumetric pressure exchanger is made self-adaptive to the inflow, and this in a wide flow rate range approaching zero flow, with no reduction in yield.
  • the inflow of incoming seawater being always higher than the needs, the pistons descend at each cycle at the end of the low run; but the particular shape of the lateral opening of the rotary plug gradually slows down the piston so as to prevent shocks at the bottom end of the stroke.
  • a polyurethane damper can be placed so as to prevent any risk of shock of this type.
  • volumetric pressure exchanger offers the following characteristics and advantages: overall efficiency very high due to the low energy consumption of the distribution system and the absence of a pump pressure rise;
  • the system does not require filtration of water below 50 microns.

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Abstract

Échangeur de pression volumétrique comprenant au moins une unité d'échange de pression avec un corps cylindrique creux, un piston coulissant dans ledit corps, ledit piston comprenant une tête de piston séparant l'intérieur du dit corps cylindrique en une chambre aval et une chambre amont, ledit piston comprenant une tige agencée du côté de la chambre aval et traversant ladite chambre aval, ladite chambre aval étant munie d'un dispositif d'admission et de refoulement d'eau à traiter, ladite chambre amont étant munie d'une vanne à trois voies à boisseau rotatif, le dit boisseau rotatif étant mis en rotation par des moyens d'entraînement motorisés, ladite vanne comprenant un orifice d'alimentation en liquide pressurisé, un orifice d'évacuation dudit liquide, et une ouverture de communication avec ladite chambre amont.

Description

Échanqeur de pression vol u métrique pour une installation de dessalement d'eau de mer et installation de dessalement
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un échangeur de pression volumétrique destiné à une installation de dessalement d'eau par osmose inverse ainsi qu'une installation de dessalement.
Dans la présente demande, sauf indication explicite ou implicite contraire, les termes « cylindre » et « cylindrique » se réfèrent à un corps délimité par - ou une forme ou une surface engendrée par - des droites parallèles s'appuyant sur un contour fermé qui peut être circulaire. ÉTAT DE LA TECH NIQUE
Dans les installations de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, on alimente un module d'osmose inverse (MOI) constitué de membranes semi-perméables avec de l'eau de mer amenée à une pression élevée, généralement comprise entre 50 et 80 bars, supérieure à la pression osmotique de l'eau salée, qui est de l'ordre de 25 bars. Aux sorties du MOI on récupère d'une part un perméat d'eau dessalée (qui est à une pression voisine de la pression atmosphérique), et d'autre part un concentrât d'eau dite « sursalée ». Ce concentrât est à une pression légèrement inférieure à la pression d'alimentation, c'est à dire généralement inférieure à cette dernière de l'ordre de 1 à 5 bars car la chute de pression occasionnée par le passage dans le MOI est faible.
Pour diminuer le coût énergétique d'un procédé de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, il est important de récupérer dans toute la mesure du possible l'énergie mécanique du concentrât sous haute pression.
Un certain nombre de brevets, comme par exemple les brevets US 4,124,488 et US 6,652,741 , décrivent des installations de dessalement par osmose inverse comportant des pompes à piston destinées à délivrer l'eau de mer sous pression à l'entrée d'un MOI, la face arrière du piston recevant l'appoint de la pression du concentrât pendant la compression de l'eau de mer à dessaler. Ces installations sont pilotées de différentes manières, par exemple par une centrale hydraulique, ou par divers types de distributeurs tels que des vannes à tiroir. La demande de brevet WO201 1 /070244 du déposant décrit également une telle installation de dessalement, comprenant un MOI alimenté en eau de mer pressurisée par une pompe animée par un moteur électrique, Ce moteur anime également un mécanisme de ce dispositif, qui comprend une vanne à trois voies à obturateur rotatif, qui commande l'admission du concentrât dans la pompe. Le piston de la pompe sépare chaque cylindre de la pompe en une chambre aval et une chambre amont. La tige du piston traverse la chambre amont et son extrémité est articulée au mécanisme d'entraînement du moteur. La chambre aval est alimentée en eau de mer par un conduit équipé d'un clapet d'admission anti-retour et délivre l'eau de mer pressurisée au conduit d'alimentation du MOI, lui-même équipé d'un clapet de refoulement anti-retour. La chambre amont de la pompe est reliée au conduit de sortie du concentrât du MOI par l'intermédiaire de la vanne à trois voies, la troisième voie de celle-ci débouchant dans un conduit de vidange du concentrât. Les mouvements du piston de la pompe et de l'obturateur de la vanne sont synchronisés de façon à, alternativement, admettre le concentrât sous haute pression dans la chambre amont lorsque le piston pousse l'eau de mer vers le MOI et à refouler ce concentrât vers la vidange lors du mouvement inverse du piston.
La demande de brevet WO201 1/058249 du déposant décrit une telle vanne à obturateur rotatif pour une installation de dessalement, permettant un débit élevé d'eau sans perte de charge importante et supportant la pression élevée du concentrât sortant du MOI.
Il est toutefois souhaitable d'améliorer les dispositifs qui permettent la récupération d'énergie des concentrâts issus des MOI, pour abaisser le coût de production de l'eau dessalée.
Il est en particulier souhaitable d'équiper des unités de dessalement qui sont dépourvus de tels dispositifs sans devoir éliminer et remplacer les dispositifs de pompage à haute pression préexistants. Il est enfin souhaitable de proposer des dispositifs de ce type ayant des durées de vie élevées et ne nécessitant qu'un minimum d'arrêts de maintenance.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
À cet effet l'invention a pour objet un échangeur de pression volumétrique du type défini d'entrée, comprenant au moins une unité d'échange de pression, ladite unité d'échange de pression comprenant un corps cylindrique creux, un piston coulissant dans ledit corps, ledit piston comprenant une tête de piston séparant l'intérieur du dit corps cylindrique en une chambre aval et une chambre amont, ledit piston comprenant une tige agencée du côté de la chambre aval et traversant ladite chambre aval, ladite chambre aval étant munie d'un dispositif d'admission et de refoulement d'eau à traiter, ladite chambre amont étant munie d'une vanne à trois voies à boisseau rotatif, le dit boisseau rotatif étant mis en rotation par des moyens d'entraînement motorisés, ladite vanne comprenant un orifice d'alimentation en concentrât pressurisé, un orifice d'évacuation dudit concentrât, et une ouverture de communication avec ladite chambre amont.
Selon un mode d'exécution, ledit dispositif d'admission et de refoulement d'eau à traiter comprend une culasse agencée dans le prolongement de la chambre aval du dit corps cylindrique, un orifice d'admission avec un clapet d'admission anti-retour, un orifice de refoulement avec un clapet anti-retour, ladite tige de piston traversant ladite culasse avec son extrémité émergeant à l'extérieur de l'échangeur de pression volumétrique.
Selon un mode d'exécution, ladite vanne à trois voies comprend un corps de vanne agencé dans le prolongement de la chambre amont du dit corps cylindrique.
Selon un mode d'exécution, l'axe de rotation du boisseau rotatif est parallèle à l'axe du corps cylindrique. Selon un mode d'exécution, le boisseau rotatif présente une ouverture latérale conformée de façon à permettre une mise en communication et une fin de communication fluides avec les orifices d'alimentation et d'évacuation de la vanne. Selon un mode d'exécution, l'étanchéité dynamique de ladite vanne est réalisée au moyen de pistons de vérins annulaires en appui sur le boisseau rotatif, en particulier de pistons de vérins annulaires réalisés en matériaux composites à faible coefficient de frottement.
Selon un mode d'exécution, les dits pistons de vérins annulaires sont mis sous pression par liaisons fluides avec le concentrât, soit directement, soit au travers d'un multiplicateur de pression.
Selon un autre mode d'exécution, les dits pistons de vérins annulaires sont mis sous pression par un groupe hydraulique auxiliaire.
L'échangeur de pression volumétrique selon l'invention peut comprendre une pluralité d'unités d'échange de pression telles que définies ci-dessus. Selon un mode d'exécution, les moyens d'entraînement motorisés comprennent une motorisation commune et des moyens pour caler les boisseaux rotatifs de manière également répartie sur 360°.
L'invention a également pour objet une installation de dessalement d'eau de mer par osmose inverse comprenant un échangeur de pression volumétrique tel que défini ci- dessus.
En particulier, le nombre d'unités d'échange de pression, l'alésage et la course des corps cylindriques sont ajustés en fonction du débit disponible de concentrât de l'installation.
Selon un mode d'exécution, la vitesse de rotation des boisseaux rotatifs est ajustée de façon à ce que lors de chaque cycle, le ou les dits pistons n'arrivent pas en fin de course haute. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres aspects, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'homme du métier de la description suivante qui illustre, sans caractère limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux figures annexées, dans lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une unité d'échange de pression selon l'invention ;
la figure 2 est une vue en élévation latérale d'un boisseau rotatif de vanne ;
- la figure 3 est une coupe axiale horizontale simplifiée montrant le boisseau rotatif de la figure 2, logé dans sa vanne ;
la figure 4 est une vue schématique en élévation d'un échangeur de pression volumétrique comprenant 6 unités d'échange de pression. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
La figure 1 montre une unité d'échange de pression 1 dont la partie centrale est constituée d'un corps cylindrique 2 dans lequel coulisse un piston 3, formé d'une tête de piston 4 et d'une tige de piston 5. La tête de piston 4 sépare l'intérieur du corps cylindrique 2 en une chambre aval et une chambre amont. La tige de piston est fixée à la tête de piston 4 du côté de la chambre aval. Le corps cylindrique 2 est surmonté à sa première extrémité, du côté de la chambre aval, d'une culasse 6, qui est solidarisée de manière étanche avec le corps cylindrique 2 par des moyens de type flasque, joints et boulons, en soi connus.
La culasse 6 porte un orifice d'admission 7 apte à y brancher une conduite d'amenée d'eau de mer à traiter. L'orifice d'admission 7 loge un clapet d'admission anti-retour 8. La structure de tels clapets est en soi connue de l'homme du métier. La culasse 6 porte également un orifice de refoulement 9 apte à y brancher une conduite amenant l'eau de mer au MOI. L'orifice de refoulement 9 loge également un clapet anti-retour 10. La culasse 6 comprend encore en position axiale un orifice de guidage 1 1 permettant le passage de la tige de piston 5, dont l'extrémité libre émerge de l'unité d'échange de pression 1 . L'orifice de guidage 1 1 est muni de joints d'étanchéité, en soi connus, permettant le coulissement de la tige de piston sans pertes de pression significatives de l'eau à traiter.
À la deuxième extrémité du corps cylindrique 2, du côté de la chambre amont, est agencée une vanne 12, qui prolonge cette chambre amont et dont le corps de vanne 13 est solidarisé de manière étanche avec le corps cylindrique 2 par des moyens de type flasque, joints et boulons, en soi connus. La vanne 12, qui fait partie intégrante de l'unité d'échange de pression 1 , comprend un orifice d'alimentation 14 en concentrât pressurisé, un orifice d'évacuation 15 dudit concentrât, et une ouverture de communication 16 avec ladite chambre amont.
Comme le montrent les figures 2 et 3, le boisseau rotatif 17 comprend une partie supérieure cylindrique creuse, qui présente à son extrémité supérieure une large ouverture de communication 16, communiquant avec la chambre amont du corps cylindrique 2, et qui présente sur son flanc latéral une ouverture latérale 24 permettant alternativement, selon la position du boisseau, de faire communiquer l'intérieur du boisseau, et par conséquent l'ouverture de communication 16, avec l'orifice d'alimentation 14 ou l'orifice d'évacuation 15.
Dans le mode d'exécution représenté sur la figure 2, l'ouverture 24 présente une première extrémité 28 en forme de « V», une partie médiane 27 rectangulaire et une deuxième extrémité en forme de «W » présentant deux prolongements 25,26. Cette forme particulière de l'ouverture 24 permet une mise en communication et une fin de communication progressives avec les orifices d'alimentation 14 et d'évacuation 15, de façon à éliminer des variations brutales de pression et de débit dans la chambre amont de l'unité d'échange de pression. Dans sa partie inférieure, le boisseau rotatif 17 comprend une tige d'entraînement 18 qui est destinée à être reliée à un dispositif d'entraînement mécanique.
Dans le mode d'exécution représenté sur la figure 1 , l'axe de rotation du boisseau rotatif 17 coïncide avec l'axe de coulissement de la tige 5, cet agencement étant le plus simple sur le plan constructif du corps de vanne 13 et de la fixation de celui-ci au corps cylindrique 2. La tige d'entraînement 18 du boisseau 17 émergeant du corps de vanne 13 est entraînée par un dispositif d'entraînement 19, lui-même relié à un moteur d'entraînement, ce qui peut être réalisé au moyen de roues dentées engrenant avec des pignons, de courroies de transmission ou de tout autre moyen connu dans l'état de la technique. Le moteur d'entraînement, en particulier à moto réducteur électrique peut être à vitesse fixe ou à vitesse régulée par un variateur.
Le boisseau rotatif 17 est en rotation permanente. L'étanchéité dynamique de la vanne 12 est réalisée sans joint, au moyen de pistons de vérins annulaires 22,23, en appui sur le boisseau rotatif. De préférence, les pistons de vérins annulaires sont réalisés en matériaux composites à faible coefficient de frottement. Les dits pistons de vérins annulaires peuvent être mis sous pression en 20 par liaison fluide avec le concentrât, soit directement soit au travers d'un multiplicateur de pression. Alternativement ils peuvent être mis en pression par un groupe hydraulique auxiliaire. Ces pistons de vérins annulaires appuient sur le boisseau rotatif, empêchant le passage direct du concentrât de l'orifice d'alimentation 14 à l'orifice d'évacuation 15. Ces pistons avancent dans leur logement au fur et à mesure de leur usure, ce qui minimise le nombre d'arrêts pour maintenance. De même, le boisseau rotatif est réalisé de préférence en acier inox et reçoit un traitement de surface approprié pour augmenter sa résistance à l'usure et diminuer le coefficient de frottement.
L'unité d'échange de pression dont la structure vient d'être décrite ci-dessus fonctionne comme suit:
L'eau de mer, fournie par une pompe de gavage de l'installation de dessalement, pénètre dans la culasse 6, et donc à l'intérieur de la chambre aval du corps cylindrique 2 par l'orifice d'admission 7 et en ressort par l'orifice de refoulement 9, les clapets d'admission 8 et de refoulement 10 empêchant un flux inverse. Le boisseau rotatif 17 de la vanne à trois voies 12 est en rotation permanente.
Au début d'un cycle, lorsque le piston 3 est en position basse et quand l'orifice d'alimentation 14 en concentrât entre en communication avec l'ouverture de communication 16, le concentrât pénètre à l'intérieur de la chambre amont du corps cylindrique, la chambre aval étant remplie d'eau de mer. Le piston monte, poussé par le concentrât à haute pression et refoule l'eau de mer par le clapet de refoulement 10. L'homme du métier notera que l'eau de mer est refoulée à une pression supérieure à celle du concentrât parce que la tête de piston 4 présente une aire supérieure du côté de la chambre amont à l'aire du côté de la chambre aval, du fait de la présence de la tige de piston 5 du côté de la chambre aval. La pression du concentrât étant égale à la pression de l'eau de mer à traiter à l'entrée du MOI, diminuée des pertes de charge entre les membranes et l'échangeur, cette différence de pression entre chambre amont et chambre aval permet de compenser les dites pertes de charge sans faire appel à des pompes haute pression. Cette différence de pression peut être ajustée en modifiant le diamètre de la tige de piston 5. En continuant sa rotation, le boisseau rotatif 17 ferme progressivement le passage du concentrât de l'orifice d'alimentation 14 vers la chambre amont, de sorte que le piston 3 arrive à sa position haute. En poursuivant sa rotation, le boisseau rotatif 17 ouvre progressivement la communication entre la chambre amont du corps cylindrique 2 et l'orifice d'évacuation 15, de sorte que la pression du concentrât dans la chambre amont du cylindre 2 diminue. De ce fait, le clapet de refoulement 10 se ferme. L'eau de mer fournie par une pompe de gavage de l'installation de dessalement pénètre par le clapet d'admission 8 et repousse le piston 3 vers le bas en refoulant le concentrât. Puis un nouveau cycle démarre.
La figure 4 montre un échangeur de pression volumétrique comprenant six unités d'échange de pression du type montré dans la figure 1 , montées en parallèle. Un moto- réducteur électrique 21 , commun aux six unités assure la rotation des six boisseaux rotatifs. Comme le montrent les positions respectives des extrémités libres des tiges de piston, les positions des boisseaux sont calées avec un décalage de 60° les unes par rapport aux autres, de sorte à assurer un fonctionnement sans chocs ni bruit du système.
Le nombre, le diamètre et la course des cylindres sont calculés en fonction du débit disponible de concentrât de l'installation de dessalement dans laquelle l'échangeur de pression volumétrique est destiné à être monté. La vitesse de rotation des boisseaux est ajustée de préférence de telle sorte que les pistons n'arrivent pas en fin de course haute: par ce moyen, l'échangeur de pression volumétrique est rendu auto-adaptatif au débit entrant, et ce dans une large plage de débit pouvant approcher un débit nul, sans diminution du rendement. Par ailleurs, le débit d'eau de mer entrant étant toujours supérieur aux besoins, les pistons descendent à chaque cycle en fin de course basse; mais la forme particulière de l'ouverture latérale du boisseau rotatif ralentit progressivement le piston de façon à prévenir les chocs en fin de course basse. De plus un amortisseur en polyuréthane peut être placé de façon à prévenir tout risque de choc de ce type.
En résumé, l'échangeur de pression volumétrique selon l'invention offre les caractéristiques et avantages suivants: rendement global très élevé du fait de la faible consommation énergétique du système de distribution et de l'absence de pompe de remontée de pression ;
pas de mélange de concentrât/eau de mer ;
pas de pulsations hydrauliques, la vitesse de déplacement des pistons s'adaptant au débit de concentrât disponible ;
adaptabilité au débit disponible sans système d'asservissement et sans perte de rendement ;
fonctionnement peu bruyant ;
possibilité de très haut débit ;
faible encombrement, tuyauteries de liaison peu nombreuses et courtes ;
maintenance simple et peu onéreuse ;
le système ne nécessite pas de filtration de l'eau en dessous de 50 microns.

Claims

Revendications
1. Échangeur de pression volumétrique comprenant au moins une unité d'échange de pression, caractérisée en ce que ladite unité d'échange de pression comprend un corps cylindrique creux, un piston coulissant dans ledit corps, ledit piston comprenant une tête de piston séparant l'intérieur du dit corps cylindrique en une chambre aval et une chambre amont, ledit piston comprenant une tige agencée du côté de la chambre aval et traversant ladite chambre aval, ladite chambre aval étant munie d'un dispositif d'admission et de refoulement d'eau à traiter, ladite chambre amont étant munie d'une vanne à trois voies à boisseau rotatif, le dit boisseau rotatif étant mis en rotation par des moyens d'entraînement motorisés, ladite vanne comprenant un orifice d'alimentation en liquide pressurisé, un orifice d'évacuation dudit liquide, et une ouverture de communication avec ladite chambre amont.
2. Échangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit dispositif d'admission et de refoulement d'eau à traiter comprend une culasse agencée dans le prolongement de la chambre aval du dit corps cylindrique, un orifice d'admission avec un clapet d'admission anti-retour, un orifice de refoulement avec un clapet anti-retour, ladite tige de piston traversant ladite culasse avec son extrémité émergeant à l'extérieur de l'échangeur de pression volumétrique.
3. Échangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite vanne à trois voies comprend un corps de vanne agencé dans le prolongement de la chambre amont du dit corps cylindrique.
4. Échangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe de rotation du boisseau rotatif est parallèle à l'axe du corps cylindrique.
5. Échangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le boisseau rotatif présente une ouverture latérale conformée de façon à permettre une mise en communication et une fin de communication fluides avec les orifices d'alimentation et d'évacuation de la vanne.
6. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étanchéité dynamique de ladite vanne est réalisée au moyen de pistons de vérins annulaires en appui sur le boisseau rotatif, en particulier de pistons de vérins annulaires réalisés en matériaux composites à faible coefficient de frottement.
7. Échangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dits pistons de vérins annulaires sont mis sous pression par liaisons fluides avec le concentrât, soit directement soit au travers d'un multiplicateur de pression.
8. Échangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dits pistons de vérins annulaires sont mis sous pression par un groupe hydraulique auxiliaire.
9. Échangeur de pression volumétrique, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'unités d'échange de pression selon l'une quelconque des revendications précédentes .
10. Échangeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dits moyens d'entraînement motorisés comprennent une unité de motorisation commune et des moyens pour caler les dits boisseaux rotatifs de manière également répartie sur 360°.
1 1 . Installation de dessalement d'eau de mer par osmose inverse comprenant un échangeur de pression volumétrique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Installation de dessalement selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce que le nombre d'unités d'échange de pression, l'alésage et la course des corps cylindriques sont ajustés en fonction du débit disponible de concentrât de l'installation.
13. Installation selon la revendication 1 1 ou la revendication 12, caractérisée en ce que la vitesse de rotation des boisseau rotatifs est ajustée de façon à ce que lors de chaque cycle, le ou les dits pistons n'arrivent pas en fin de course haute.
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