EP3535059A1 - Dispositif de precipitation et separation de particules solides dissoutes dans un liquide comprenant un moyen de creation et de maintien de vortex, application au dessalement de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre - Google Patents

Dispositif de precipitation et separation de particules solides dissoutes dans un liquide comprenant un moyen de creation et de maintien de vortex, application au dessalement de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre

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Publication number
EP3535059A1
EP3535059A1 EP17790796.1A EP17790796A EP3535059A1 EP 3535059 A1 EP3535059 A1 EP 3535059A1 EP 17790796 A EP17790796 A EP 17790796A EP 3535059 A1 EP3535059 A1 EP 3535059A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vortex
reservoir
solid particles
liquid
creating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17790796.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Thierry Chataing
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3535059A1 publication Critical patent/EP3535059A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/081—Shapes or dimensions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/02—Construction of inlets by which the vortex flow is generated, e.g. tangential admission, the fluid flow being forced to follow a downward path by spirally wound bulkheads, or with slightly downwardly-directed tangential admission
    • B04C5/04—Tangential inlets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/103—Bodies or members, e.g. bulkheads, guides, in the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/107—Cores; Devices for inducing an air-core in hydrocyclones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/24—Multiple arrangement thereof
    • B04C5/26—Multiple arrangement thereof for series flow

Definitions

  • the present invention relates to the field of precipitation and separation of solid particles initially dissolved in a liquid.
  • It relates more particularly to a mechanical separation device that uses the effect of the centripetal force and therefore implements a vortex creation and maintenance means for effecting the desired precipitation and separation of solid particles initially dissolved in a liquid .
  • the main applications are the desalination of seawater or brackish water or the softening of water laden with limestone.
  • the invention nonetheless applies to any liquid solution in which dissolved species are present which once precipitated become solid particles that can be separated from the liquid.
  • seawater One of the important characteristics of seawater is its salinity, ie the total content of dissolved salts (sodium and magnesium chlorides, sulphates, carbonates).
  • the average salinity of the waters of the seas and oceans is 35 g per liter, the main salt of which is sodium chloride (NaCl) with a concentration of 27.2 g per liter.
  • the other salts are magnesium chloride (MgCl 2 ), magnesium sulphate (MgSO 4), calcium sulphate (CaSO 4 ), potassium sulphate (K 2 SO 4 ) with respective concentrations in the range of 23 , 8 g / l, 1.7 g / l, 1.26 g / l and 0.86 g / l.
  • Briny water is saltwater that has no salinity and is less saline than seawater. Most brackish water contains between 1 and 10 g of salt per liter. It is sometimes surface water but most often groundwater that has been loaded with salts by dissolving certain salts present in the soils they have crossed. Their composition therefore depends on the nature of the soils crossed and the speed of circulation in these soils. The main dissolved salts are CaCO 3 , CaSO 4 , magnesium carbonate (MgCO 3 ) and NaCl. In the field of desalination of seawater or brackish water, many systems have reached the industrial stage. The two most commonly used processes are distillation and reverse osmosis: [1]. Other techniques have not experienced significant growth in the field because of problems generally related to energy consumption and / or the amount of investment they require.
  • Distillation consists of evaporating the seawater, either by using the heat of the sun's rays, or by heating it in a boiler. Only the molecules of water escape, leaving in deposit dissolved salts and all the other substances contained in the sea water. It is then enough to condense the water vapor thus obtained to obtain a fresh water consumable.
  • Reverse osmosis requires treating the seawater first by filtering and disinfecting it in order to rid it of the suspended elements and the microorganisms it contains. The process then consists in applying to this salt water a sufficient pressure to pass it through a semi-permeable membrane: only the water molecules pass through the membrane, thus providing fresh drinking water.
  • Patent US6635150B1 proposes an improvement to multi-effect evaporators that further reduces energy losses while gaining simplicity. Whatever the process of separation between salts and water realized to date, all the desalination plants comprise four units which carry out the following successive stages:
  • the object of the invention is to respond at least in part to this need.
  • the invention relates, in one of its aspects, to a device for separating solid particles suspended in a liquid and / or liquids of different densities, comprising:
  • a buffer tank of symmetry of revolution about a vertical axis, the reservoir comprising at least one injection orifice in liquid charged with solid particles or in at least two liquids of different densities, and an outlet orifice arranged in part lower around the axis of revolution of the tank;
  • the solution according to the invention consists in using the centripetal movement to firstly separate the particles in suspension and then precipitate the solid particles initially in dissolved form in the liquid, and then concentrate them inwards and downwards of the vortex .
  • the great length of the vortex is determined in order to obtain physical characteristics making it possible to reach a very low pressure so that the solubility criterion of the solids initially dissolved in the liquid is no longer respected.
  • the solid particles are expelled from the liquid and agglomerate before being discharged through the collection tube.
  • centripetal movement is meant here and in the context of the invention, the definition given by the author of the reference [2], namely a convergent, contracting, consolidating, creative movement, favorable to integration , constructive and friction reduction.
  • the device of the invention consists of a combination of the following means:
  • patent application CN 103537211 relates to the activation and purification of water containing toxic chemical molecules.
  • the patent application CN 103537220 discloses the generation of homogeneous emulsion.
  • the respect of the golden ratio for the shape and / or the ratio of the dimensions of the reservoir will contribute to maintaining the centripetal movement optimally over the height of the reservoir.
  • the density of the liquid makes the speed of rotation of the liquid will be close to zero at the inner wall of the buffer tank. A surface current is created which pushes the liquid towards this inner wall.
  • This current will continue down the wall. Then, towards the bottom of the tank, that is to say near the outlet, the current returns to the center and goes down around the central axis of the tank. This current thus causes the solid particles towards the center downwards, that is to say towards the outlet orifice and thus towards the inside of the collection tube.
  • a separator according to the invention Compared to the seawater and brackish water desalination devices according to the state of the art, a separator according to the invention has reduced energy consumption, reduced maintenance, much simpler design and realization. which allow a drastic reduction in investment costs.
  • the buffer tank of the device according to the invention may have a diameter of a few tens of centimeters to a few meters and the total height of the device may be between 1 and a few tens of meters.
  • the capacity of the separation device according to the invention can vary from a few liters per hour, typically for domestic applications, to several thousand m 3 / h, typically for industrial applications.
  • the shape of the reservoir is an ovoid of determined dimensions from a regular pentagon.
  • the shape of the reservoir is an ellipsoid of revolution, obtained by rotation about the vertical axis of an ellipse, called the golden ellipse, whose ratio between the lengths of the major axis and the minor axis is equal to the number of gold.
  • the shape of the reservoir is a hemispherical portion connected to a half-ellipsoid of revolution, the ellipsoid of revolution obtained by rotation about the vertical axis of an ellipse, called a gold ellipse, whose ratio between lengths of the major axis and the minor axis is equal to the number of gold.
  • a cylinder fixedly mounted in the injection orifice the cylinder comprising a groove wound in a circular helix
  • the free end of the rotary shaft is preferably approximately merged with the lower top of the tank.
  • the shaft having an internal frustoconical helix shape whose projection on a plane orthogonal to the vertical axis is a logarithmic spiral, called a gold spiral, with a growth factor equal to the number of gold ⁇ , the injection orifice being the largest section of the frustoconical helix.
  • the outlet orifice is in the shape of a truncated cone which converges from top to bottom.
  • the half-opening angle (a) of the cone is between 6 and 10 °.
  • the distance between the upper end of the collection tube and the outlet orifice of the reservoir is adjustable so as to be able to modify the collection rate of the solid particles.
  • the device comprises at least one vent in the upper part of the buffer tank to evacuate the gases present.
  • the device comprises a confinement envelope arranged around the outlet orifice and the collection tube, defining an interior volume in which the liquid is confined, with a view to being evacuated.
  • the upstream device thus makes it possible to collect and evacuate the particles initially in solid form, while the downstream device according to the invention makes it possible to precipitate and collect the solid particles initially in dissolved form.
  • the upstream device makes it possible to remove the suspended solids (algae, plastic waste or other), while the downstream device according to the invention makes it possible to extract the salts. dissolved, especially sodium chloride NaCl.
  • the subject of the invention is also a separation system comprising:
  • a separation device constituting the upstream device comprising:
  • a buffer tank of symmetry of revolution about a vertical axis (X), the tank comprising at least one liquid injection port charged with solid particles, and an outlet orifice, arranged in the lower part around the axis of revolution of the tank;
  • At least one means for creating and maintaining a vortex generating a centripetal movement of (the) liquid (s) from the periphery of the reservoir to its center on at least a portion of the height of the latter; the shape and / or the ratio between the dimensions of the reservoir and / or the means for creating and maintaining the vortex is (are) determined from the number of gold ⁇ ;
  • the upstream device comprises at least one evacuation orifice arranged in the lower part of its confinement envelope, forming a stitching connected to the injection orifice of the buffer tank of the downstream device.
  • the confinement envelope of one and / or the other of the two devices consisting of a cylinder connected on the periphery of the reservoir between the injection orifice and the outlet orifice, and a hemisphere-shaped bottom connected to the cylinder.
  • the system comprises at least one flow control valve between the stitching of the upstream device and the injection orifice of the downstream device.
  • one and / or the other of the two devices may comprise at least one purge valve on the collection tube to evacuate the solid particles collected.
  • the downstream device comprises at least one purge orifice, arranged in the lower part of its confinement envelope, to evacuate the liquid free of solid particles.
  • an isolation valve is provided downstream of the purge port, to isolate the confinement envelope of the downstream device.
  • the invention finally relates to the use of a device or the system described above, to achieve the desalination of sea water or brackish water or to achieve the softening of water loaded with limestone.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a first example solid-liquid separation device according to the invention
  • FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views along A-A and B-B of Figure 1;
  • FIGS. 2 and 2A are respectively a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a part of the precipitation and separation device according to the invention which makes it possible to create and maintain a vortex, and a sectional view transverse along A-A;
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of a part of the separation precipitation device according to the invention which makes it possible to create and maintain a vortex;
  • FIG. 3A is a side view showing the means for creating and maintaining the vortex according to the mode of FIG. 3;
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of a portion of the precipitation and separation device according to the invention which makes it possible to create and maintain a vortex;
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a variant of the reservoir and its outlet orifice with means for creating and maintaining the vortex according to FIG. 4;
  • FIG. 6 is a schematic view showing a separation system comprising a solid-liquid separation device, upstream of a precipitation and separation device according to the invention.
  • upstream and downstream are to be considered in relation to the circulation of the liquid in a device and a system according to the invention.
  • FIG. 1 A device 1 for precipitating and separating solid particles initially in dissolved form in a liquid is illustrated in FIG.
  • a buffer tank 2 of symmetry of revolution about a vertical axis X In the embodiment illustrated in FIG. 1, the shape of the tank 2 is an ovoid of determined dimensions from a regular pentagon. .
  • the tank 2 is pierced with two injection orifices 20, 21, through which the liquid charged with solid particles can be injected, and an outlet orifice 22 arranged in the lower part around the axis of revolution X.
  • the outlet orifice 22 is in the form of a truncated cone which converges from top to bottom.
  • the truncated cone 22 has dimensions such that the ratio between its large base and its small base is equal to the golden ratio.
  • the half aperture angle ⁇ of the cone is between 6 and 10 °, typically equal to about 8.69 °.
  • the inside diameter of the injection orifices 20, 21 is of the order of 6 mm
  • the inside diameter of the ovoid tank 2 is equal to 65 mm
  • the height between the top of the reservoir 2 and the axis of the injection orifices 20, 21 is equal to 32 mm
  • the height between the axis of the injection orifices 20, 21 and the large base of the truncated cone 22 is equal to 47 mm
  • the value of the large base of the truncated cone 22 is equal to 20 mm, while that of its small base is equal to 12.36 mm,
  • the height of the truncated cone 22 is equal to 25 mm.
  • a means 3 for creating and maintaining a vortex V generates a centripetal movement of the liquid (s) from the periphery of the tank 2 towards its center on at least a part of the height of the latter .
  • the means 3 such that its shape and / or the ratio between its dimensions is (are) determined (s) from the golden number ⁇ , equal to 1.618.
  • the length L of the vortex created is such that the pressure reached at the bottom of the vortex is sufficiently low so that at least a portion of the dissolved particles no longer exceeds the solubility limit and thus becomes solid by precipitation.
  • the precipitated particles are collected at the center and at the bottom of the vortex.
  • the means 3 is a means for injecting the liquid loaded with solid particles initially and in the form tangentially dissolved in the upper part of the buffer tank 2.
  • the injection orifices 20, 21 are for this purpose made on one of the upper diameters of the reservoir and the vortex is generated tangentially to this diameter as symbolized by the arrows in these Figures 2 and 2 A.
  • the means is a cylinder 31 fixedly mounted in the injection port 20 along the axis of revolution X.
  • the cylinder 31 comprises a groove 310 wound in a circular helix.
  • this cylinder 31 is in a way an injector that allows the rotation of the liquid to generate the desired vortex V.
  • the means is a shaft 32 rotatably mounted vertically along the axis X of the tank 2.
  • the shaft 32 has an outer frustoconical helix shape whose projection on a plane orthogonal to the vertical axis is a logarithmic spiral, called a gold spiral, with a growth factor equal to the golden number ⁇ .
  • the free end 33 of the rotary shaft 32 is approximately merged with the lower peak of the tank.
  • the position indicates which elevation is considered each section.
  • the position of zero value indicating the top of the helix of the rotary shaft.
  • the height of the helix is approximately equal to 435.5 mm for Example 1, while it is of the order of 609.6 mm for Example 2.
  • the length L of the vortex is a function of the number of gold that depends on the desired residual solids content. For example 1, the desired length L so that the pressure reached at the bottom of the vortex is sufficiently low to precipitate the particles in solid form is equal to 1844 mm.
  • a collection tube 4 is arranged below the outlet orifice 22 of the tank 2 to collect by gravity the solid particles concentrated towards the interior of the vortex.
  • the distance D between the upper end of the collection tube 4 and the outlet orifice 22 of the reservoir is intended to be adjustable. This makes it possible to modify the collection rate of the solid particles. To obtain such a variable distance, it is possible to provide a tube 4 of variable height and / or a variable height of the lower volume between the orifice 22 and the tube 4.
  • the distance D can vary from 50 to 300 mm .
  • a vent with an isolation valve 5 is provided in the upper part of the buffer tank 2 to evacuate the gases present. This can allow in particular to evacuate the gases initially present in the liquid laden with solid particles in dissolved form.
  • the precipitation and separation device finally comprises a containment envelope 6 arranged around the outlet orifice 22 and the collection tube 4.
  • This envelope 6 thus defines an interior volume in which the liquid initially charged with dissolved particles is confined for the purpose of being discharged through the collection tube 4.
  • the casing 6 comprises one or more discharge orifices 60, 61, arranged in the lower part.
  • the remaining liquid possibly loaded with particles still in dissolved form, can thus be discharged continuously from the envelope 6.
  • the confinement envelope 6 may consist of a cylinder 63 connected on the periphery of the reservoir 2, between the injection orifice 20, 21 and the outlet orifice 22, and a hemispherical bottom 64 connected to the cylinder 63.
  • FIG. 1 Such a system with two devices 1.1, 1.2 according to the invention, in series is illustrated in FIG.
  • the two discharge orifices 60, 61 of the upstream device 1.1 which make it possible to evacuate the liquid loaded with solids in dissolved form and which are arranged in the lower part of the confinement envelope 6, form connected taps. each at one of the injection orifices 20, 21 of the buffer tank 2 of the downstream device 1.2.
  • a flow control valve 7 On each line connecting a tapping 60, 61 of the upstream device 1.1 to an injection port 20, 21 of the downstream device, a flow control valve 7 is arranged.
  • Two purge valves 8, 9 forming a sealed airlock are arranged on the collection tube 4 of the upstream device 1.1 to evacuate the densest collected solid particles.
  • the downstream device 1.2 comprises meanwhile at least one purge port 10 arranged in the lower part of its containment envelope 6, to evacuate the liquid free of solid particles.
  • an isolation valve 11 is provided downstream of the purge orifice 10 to isolate the confinement envelope 6 from the downstream device 1.2.
  • the system is particularly suitable for desalination application of seawater or brackish water: the upstream device 1.1 collects algae, plastic waste or other present in this form in water and the downstream device 1.2 allows to collect the solid particles of salts, in particular NaCl or CaCO 3, initially dissolved in water.
  • each upstream device 1.1 and downstream device 1.2 comprises injection orifices 20,
  • the internal diameter of the confinement envelope 6 of the upstream device 1.1 is equal to 65 mm and the length L of the vortex is of the order of 400 mm,
  • the distance D of the upstream device 1.1 varies from 50 to 300 mm
  • the internal diameter of the collection tube 4 of the upstream device 1.1 is equal to 20 mm
  • the height of the collection tube 4 of the upstream device 1.1 inside the envelope 6 is equal to 330 mm
  • the internal diameter of the connections 60, 61 of the upstream device 1.1 is equal to 6 mm
  • the internal diameter of the confinement envelope 6 of the downstream device 1.2 is equal to 65 mm and the length L of the vortex is of the order of 600 mm,
  • the distance D of the downstream device 1.2 varies from 50 to 500 mm
  • the diameter of the hemispherical bottom 64 of the downstream device is equal to 65 mm; the internal diameter of the collection tube 4 of the downstream device 1.1 is equal to 20 mm,
  • the height of the collection tube 4 of the downstream device 1.2 inside the casing 6 is equal to 530 mm, the internal diameter of the purge orifice is equal to 10 mm.
  • Different types of materials may be used for producing the tank 2, means for creating and maintaining vortex 31, 32, and the containment envelope 6.
  • these materials may be made of copper or stainless steel, preferably coated with one or more thin layers based on copper and / or silver.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Separation Of Solids By Using Liquids Or Pneumatic Power (AREA)
  • Physical Water Treatments (AREA)

Abstract

Le dispositif de l'invention consiste en une combinaison des moyens suivants : - un moyen de création et maintien d'un vortex par la mise en mouvement du liquide contenant des particules solides ou du mélange de liquides de densités différentes; la forme et/ou le rapport entre dimensions du moyen respectant le nombre d'or φ, la longueur du vortex créé permettant d'atteindre une pression suffisamment basse pour faire précipiter les particules solides; - un réservoir tampon dans lequel le vortex est créé, dont la forme et/ou le rapport entre dimensions respectent le nombre d'or φ, ce qui permet de maintenir et le cas échéant de créer le vortex, - un collecteur central selon l'axe du réservoir pour collecter les particules solides concentrées en bas du vortex.

Description

DISPOSITIF DE PRECIPITATION ET SEPARATION DE PARTICULES SOLIDES DISSOUTES DANS UN LIQUIDE COMPRENANT UN MOYEN DE CREATION ET DE MAINTIEN DE VORTEX, APPLICATION AU
DESSALEMENT DE L'EAU DE MER OU DE L'EAU SAUMÂTRE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la précipitation et séparation de particules solides initialement sous forme dissoute dans un liquide.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de séparation mécanique qui utilise l'effet de la force centripète et met donc en œuvre un moyen de création et de maintien de vortex pour réaliser la précipitation et la séparation souhaitée de particules solides initialement sous forme dissoute dans un liquide.
Les applications principales visées sont le dessalement de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre ou encore l'adoucissement de l'eau chargée en calcaire.
L'invention s'applique néanmoins à toute solution liquide dans laquelle sont présentes des espèces dissoutes qui une fois précipitées deviennent des particules solides qu'il est possible de séparer du liquide.
Art antérieur
L'une des caractéristiques importantes des eaux de mer est leur salinité, c'est-à- dire leur teneur globale en sels dissous (chlorures de sodium et de magnésium, sulfates, carbonates). La salinité moyenne des eaux des mers et océans est de 35 g par litre, dont le principal sel est le chlorure de sodium (NaCl) avec une concentration de 27,2 g par litre. Les autres sels sont le chlorure de magnésium (MgCl2), le sulfate de magnésium (MgS04), le sulfate de calcium (CaS04), le sulfate de potassium (K2S04) avec des concentrations respectives de l'ordre de 23,8 g/1, 1,7 g/1, 1,26 g/1 et 0,86 g/1.
On appelle eau saumâtre une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l'eau de mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu'elles ont traversés. Leur composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans ces sols. Les principaux sels dissous sont le CaC03, le CaS04, le carbonate de magnésium (MgC03) et le NaCl. Dans le domaine du dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre, de nombreux systèmes ont atteint aujourd'hui le stade industriel. Les deux procédés les plus couramment utilisés sont la distillation et l'osmose inverse: [1]. Les autres techniques n'ont pas connu un essor important dans le domaine à cause de problèmes liés généralement à la consommation d'énergie et/ou à l'importance des investissements qu'ils requièrent.
La distillation consiste à évaporer l'eau de mer, soit en utilisant la chaleur des rayons solaires, soit en la chauffant dans une chaudière. Seules les molécules d'eau s'échappent, laissant en dépôt les sels dissous et toutes les autres substances contenues dans l'eau de mer. Il suffit alors de condenser la vapeur d'eau ainsi obtenue pour obtenir une eau douce consommable.
L'osmose inverse nécessite quant à elle de traiter au préalable l'eau de mer en la filtrant et en la désinfectant afin de la débarrasser des éléments en suspension et des microorganismes qu'elle contient. Le procédé consiste ensuite à appliquer à cette eau salée une pression suffisante pour la faire passer à travers une membrane semi-perméable : seules les molécules d'eau traversent la membrane, fournissant ainsi une eau douce potable.
L'inconvénient majeur de ces systèmes est qu'ils sont très coûteux. Les installations sont peu rentables. En particulier, les quantités d'énergie nécessaires au chauffage ou à la compression de l'eau sont trop élevées, et les volumes d'eau produits trop faibles. L'utilisation de cette technique de production d'eau potable reste donc encore très marginale. Seuls certains pays ne disposant que de très faibles ressources en eau mais suffisamment riches, comme le Koweït et l'Arabie Saoudite, utilisent le dessalement de l'eau de mer pour produire l'eau douce destinée à la consommation humaine. Quoi qu'il en soit, cette question, dont l'enjeu est de taille, a déjà fait l'objet de nombreuses recherches qui se poursuivent.
Des évaporateurs dits "multiples effets" ont ainsi été développés qui visaient à limiter la dépense énergétique des systèmes précédents en utilisant la chaleur produite lors de la condensation de la vapeur d'eau pour évaporer l'eau de mer. Mais, techniquement très complexes, ces systèmes nécessitaient la présence d'un personnel très qualifié.
Le brevet US6635150B1 propose une amélioration aux évaporateurs à multiples effets qui permet de réduire encore les pertes énergétiques tout en gagnant en simplicité. Quel que soit le procédé de séparation entre sels et eau réalisé à ce jour, toutes les installations de dessalement comportent quatre unités qui réalisent les étapes successives suivantes:
- une prise d'eau de mer avec une pompe et une fïltration grossière, - un prétraitement avec une fïltration plus fine, l'addition de composés biocides et de produits antitartre,
- le procédé de dessalement lui-même,
- le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite. Toutes ces étapes induisent une consommation d'énergie et une maintenance encore très importantes, ainsi qu'une conception et une réalisation compliquées.
Il existe donc un besoin d'améliorer les dispositifs de précipitation et de séparation de particules solides initialement sous forme dissoute dans un liquide, notamment en vue de s'affranchir des inconvénients précités systèmes connus de dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre.
Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention concerne, sous l'un de ses aspects, un dispositif de séparation de particules solides en suspension dans un liquide et/ou de liquides de densités différentes comprenant :
- un réservoir tampon, de symétrie de révolution autour d'un axe vertical, le réservoir comprenant au moins un orifice d'injection en liquide chargé en particules solides ou en au moins deux liquides de densités différentes, et un orifice de sortie agencé en partie inférieure autour de l'axe de révolution du réservoir;
- au moins un moyen pour créer et maintenir un vortex générant un mouvement centripète du (des) liquide(s) allant de la périphérie du réservoir vers son centre sur au moins une partie de la hauteur de ce dernier; la forme et/ou le rapport entre dimensions du réservoir et/ou du moyen de création et de maintien du vortex est (sont) déterminé(s) à partir du nombre d'or φ, la longueur du vortex créé étant telle que la pression atteinte en bas du vortex est suffisamment faible de sorte qu'au moins une partie des particules dissoutes ne dépasse plus la limite de solubilité et devient ainsi solides par précipitation; - un tube de collecte, agencé en dessous de l'orifice de sortie du réservoir, pour collecter par gravité au moins les particules solides précipitées et concentrées vers l'intérieur et en bas du vortex.
On rappelle que le nombre d'or φ est égal à 1,618.
Ainsi, la solution selon l'invention consiste à utiliser le mouvement centripète pour tout d'abord séparer les particules en suspension puis faire précipiter les particules solides initialement sous forme dissoute dans le liquide, puis les concentrer vers l'intérieur et en bas du vortex.
La grande longueur du vortex est déterminée afin d'obtenir des caractéristiques physiques permettant d'atteindre une pression très basse de sorte que le critère de solubilité des solides initialement dissous dans le liquide n'est plus respecté. Ainsi, en bas de vortex, les particules solides sont expulsées du liquide et s'agglomèrent avant d'être évacués par le tube de collecte.
Par « mouvement centripète », il faut entendre ici et dans le cadre de l'invention, la définition donnée par l'auteur de la référence [2], à savoir un mouvement convergent, contractant, consolidant, créatif, favorable à l'intégration, constructif et réducteur de friction.
Dans ce mouvement, le rayon de rotation diminue progressivement, engendrant une accélération qui intensifie le phénomène d'aspiration par succion et diminue la friction
(accélération centripète).
Le dispositif de l'invention consiste en une combinaison des moyens suivants :
- un moyen de création et maintien d'un vortex par la mise en mouvement du liquide contenant des particules solides ou du mélange de liquides de densités différentes ; la forme et/ou le rapport entre dimensions du moyen respectant le nombre d'or φ, la longueur du vortex créé permettant d'atteindre une pression suffisamment basse pour faire précipiter les particules solides ;
- un réservoir tampon dans lequel le vortex est créé, dont la forme et/ou le rapport entre dimensions respectent le nombre d'or φ, ce qui permet de maintenir et le cas échéant de créer le vortex,
- un collecteur central selon l'axe du réservoir pour collecter les particules solides concentrées en bas du vortex. De manière surprenante, l'inventeur a pensé mettre en œuvre une séparation centripète après lecture de la référence [2] pour faire précipiter et séparer des particules solides initialement sous forme dissoute dans un liquide.
Si certains ont déjà pensé à mettre en œuvre le principe de mouvement centripète, cela a été pour des problématiques différentes de la précipitation et la séparation de particules solides dissoutes dans un liquide.
En particulier, la demande de brevet CN 103537211 concerne l'activation et la purification de l'eau contenant des molécules chimiques toxiques.
La demande de brevet CN 103537220 divulgue quant à elle la génération d'émulsion homogène.
Dans la réalisation de l'invention, le respect du nombre d'or pour la forme et/ou le rapport des dimensions du réservoir vont contribuer à maintenir le mouvement centripète de manière optimale sur la hauteur du réservoir.
Dans le dispositif selon l'invention, la densité du liquide (le moins dense dans le cas de plusieurs liquides mélangés) fait que la vitesse de rotation du liquide va être proche de zéro au niveau de la paroi interne du réservoir tampon. Un courant en surface est créé qui pousse le liquide vers cette paroi interne.
Ce courant va continuer en descendant le long de la paroi. Puis, vers le fond du réservoir, c'est-à-dire à proximité de l'orifice de sortie, le courant retourne vers le centre et descend autour de l'axe central du réservoir. Ce courant entraîne ainsi les particules solides vers le centre en bas, c'est-à-dire vers l'orifice de sortie et donc vers l'intérieur du tube de collecte.
Comparativement aux dispositifs de dessalement d'eau de mer et d'eau saumâtre selon l'état de l'art, un séparateur selon l'invention présente une consommation d'énergie réduite, une maintenance réduite, une conception et une réalisation beaucoup plus simples qui permettent une réduction drastique des coûts d'investissement.
Ainsi, le réservoir tampon du dispositif selon l'invention peut avoir un diamètre de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres et la hauteur totale du dispositif peut être comprise entre 1 et quelques dizaines de mètres.
La capacité du dispositif de séparation selon l'invention peut varier de quelques litres par heure, typiquement pour des applications domestiques, à plusieurs milliers de m3/h, typiquement pour des applications industrielles. Selon une première variante avantageuse, la forme du réservoir est un ovoïde de dimensions déterminées à partir d'un pentagone régulier.
Selon une deuxième variante avantageuse, la forme du réservoir est une ellipsoïde de révolution, obtenue par rotation autour de l'axe vertical d'une ellipse, dite ellipse d'or, dont le rapport entre longueurs du grand axe et du petit axe est égal au nombre d'or.
Selon une troisième variante avantageuse, la forme du réservoir est une portion hémisphérique raccordée à une demi-ellipsoïde de révolution, l'ellipsoïde de révolution obtenue par rotation autour de l'axe vertical d'une ellipse, dite ellipse d'or, dont le rapport entre longueurs du grand axe et du petit axe est égal au nombre d'or.
Quatre alternatives distinctes peuvent être prévues pour la réalisation du moyen de création et de maintien du vortex. Ainsi, il peut s'agir d':
- un moyen pour injecter le liquide chargé en particules dissoutes par un, de préférence deux orifices d'injection, de manière tangentielle au réservoir tampon;
- un cylindre monté fixe dans l'orifice d'injection, le cylindre comprenant une rainure enroulée en hélice circulaire ;
- un arbre monté rotatif à la verticale selon l'axe du réservoir, l'arbre ayant une forme extérieure d'hélice tronconique dont sa projection sur un plan orthogonal à l'axe vertical est une spirale logarithmique, dite spirale d'or, avec un facteur de croissance égal au nombre d'or φ. Dans cette alternative, l'extrémité libre de l'arbre rotatif est de préférence approximativement confondue avec le sommet inférieur du réservoir.
- un arbre fixé à la verticale selon l'axe du réservoir, l'arbre ayant une forme intérieure d'hélice tronconique dont sa projection sur un plan orthogonal à l'axe vertical est une spirale logarithmique, dite spirale d'or, avec un facteur de croissance égal au nombre d'or φ, l'orifice d'injection étant la plus grande section de l'hélice tronconique.
Selon une caractéristique avantageuse, l'orifice de sortie est conformé en tronc de cône dont convergent du haut vers le bas. De préférence, le demi-angle d'ouverture (a) du cône est compris entre 6 et 10°.
Selon une variante avantageuse, la distance entre l'extrémité supérieure du tube de collecte et l'orifice de sortie du réservoir est réglable de sorte à pouvoir modifier le taux de collecte des particules solides. Avantageusement, le dispositif comprend au moins un évent en partie supérieure du réservoir tampon pour évacuer les gaz présents.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend une enveloppe de confinement agencée autour de l'orifice de sortie et du tube de collecte, définissant un volume intérieur dans lequel le liquide est confiné, en vue d'être évacué.
Pour une application dans laquelle le liquide est chargé initialement de particules déjà sous forme solides, on peut mettre en œuvre un système avec un dispositif selon l'invention en aval et en amont, un dispositif de séparation avec vortex dont la longueur ne permet pas de précipiter les particules dissoutes.
Le dispositif amont permet ainsi de collecter et d'évacuer les particules initialement sous forme solides, tandis que le dispositif aval selon l'invention permet de précipiter et collecter les particules solides initialement sous forme dissoute.
Par exemple, pour une application de dessalement de l'eau de mer, le dispositif amont permet d'enlever les solides en suspension (algues, déchets plastiques ou autres), tandis que le dispositif aval selon l'invention permet d'extraire les sels dissous, notamment le chlorure de sodium NaCl.
Ainsi, l'invention a également pour objet un système de séparation comprenant:
• un dispositif tel que décrit précédemment, constituant le dispositif aval
• un dispositif de séparation, constituant le dispositif amont, comprenant :
- un réservoir tampon, de symétrie de révolution autour d'un axe vertical (X), le réservoir comprenant au moins un orifice d'injection en liquide chargé en particules solides, et un orifice de sortie, agencé en partie inférieure autour de l'axe de révolution du réservoir ;
- au moins un moyen pour créer et maintenir un vortex générant un mouvement centripète du (des) liquide(s) allant de la périphérie du réservoir vers son centre sur au moins une partie de la hauteur de ce dernier; la forme et/ou le rapport entre dimensions du réservoir et/ou du moyen de création et de maintien du vortex est (sont) déterminé(s) à partir du nombre d'or φ;
- un tube de collecte, agencé en dessous de l'orifice de sortie du réservoir, pour collecter par gravité au moins les particules solides précipitées et concentrées vers l'intérieur et en bas du vortex. Dans ce système, le dispositif amont comprend au moins un orifice d'évacuation agencé en partie inférieure de son enveloppe de confinement, formant un piquage relié à l'orifice d'injection du réservoir tampon du dispositif aval.
De préférence, l'enveloppe de confinement de l'un et/ou l'autre des deux dispositifs étant constituée d'un cylindre raccordé sur la périphérie du réservoir entre l'orifice d'injection et l'orifice de sortie, et d'un fond en forme d'hémisphère raccordé au cylindre.
Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend au moins une vanne de régulation de débit entre le piquage du dispositif amont et l'orifice d'injection du dispositif aval.
Avantageusement, l'un et/ou l'autre des deux dispositifs peu(ven)t comprendre au moins une vanne de purge sur le tube de collecte pour évacuer les particules solides collectées.
Avantageusement encore, le dispositif aval comprend au moins un orifice de purge, agencé en partie inférieure de son enveloppe de confinement, pour évacuer le liquide dépourvu des particules solides. De préférence, une vanne d'isolement est prévue en aval de l'orifice de purge, pour isoler l'enveloppe de confinement du dispositif aval.
L'invention a enfin pour objet l'utilisation d'un dispositif ou du système décrits précédemment, pour réaliser le dessalement de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre ou pour réaliser l'adoucissement de l'eau chargée en calcaire.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un premier exemple dispositif de séparation solides-liquide selon l'invention ;
- les figures 1A et 1B sont des vues en coupe transversales selon A- A et B-B de la figure 1 ;
- les figures 2 et 2A sont respectivement une vue en coupe longitudinale montrant un premier mode de réalisation d'une partie du dispositif de précipitation et séparation selon l'invention qui permet la création et le maintien d'un vortex, et une vue en coupe transversale selon A- A; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale montrant un deuxième mode de réalisation d'une partie du dispositif de précipitation de séparation selon l'invention qui permet la création et le maintien d'un vortex;
- la figure 3A est une vue de côté montrant le moyen de création et de maintien du vortex selon le mode de la figure 3;
- la figure 4 est une vue en coupe longitudinale montrant un quatrième mode de réalisation d'une partie du dispositif de précipitation et séparation selon l'invention qui permet la création et le maintien d'un vortex;
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale montrant une variante du réservoir et son orifice de sortie avec un moyen de création et de maintien du vortex selon la figure 4 ;
- la figure 6 est une vue schématique montrant un système de séparation comprenant un dispositif de séparation solides-liquide, en amont d'un dispositif de précipitation et séparation selon l'invention.
On précise que les différents éléments selon l'invention sont représentés uniquement par souci de clarté et qu'ils ne sont pas à l'échelle.
Les termes « supérieur », « inférieur », «dessus » et «dessous », « haut » et «bas » sont à considérer en relation avec le réservoir tampon du dispositif de séparation selon l'invention, en configuration avec l'orifice d'entrée du mélange solides-liquide en haut et le tube de collecte en bas.
Les termes « amont » et « aval » sont à considérer en relation avec la circulation du liquide dans un dispositif et un système selon l'invention.
Un dispositif 1 de précipitation et séparation de particules solides initialement sous forme dissoute dans un liquide est illustré en figure 1.
II comprend tout d'abord un réservoir tampon 2 de symétrie de révolution autour d'un axe vertical X. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, la forme du réservoir 2 est un ovoïde de dimensions déterminées à partir d'un pentagone régulier.
Le réservoir 2 est percé de deux orifices d'injection 20, 21 , par lesquels le liquide chargé en particules solides peut être injecté, et d'un orifice de sortie 22 agencé en partie inférieure autour de l'axe de révolution X.
Dans les modes de réalisation illustrés, l'orifice de sortie 22 est conformé en tronc de cône dont convergent du haut vers le bas. Selon l'invention, le tronc de cône 22 a des dimensions telles que le rapport entre sa grande base et sa petite base est égal au nombre d'or. Ainsi, de préférence, le demi-angle d'ouverture a du cône est compris entre 6 et 10°, typiquement égal à environ 8,69°.
A titre d'exemple de dimensionnement:
- le diamètre intérieur des orifices d'injection 20, 21 est de l'ordre de 6mm,
- le diamètre intérieur du réservoir ovoïde 2 est égal à 65 mm,
- la hauteur entre le sommet du réservoir 2 et l'axe des orifices d'injections 20, 21 est égal à 32 mm,
- la hauteur entre l'axe des orifices d'injection 20, 21 et la grande base du tronc de cône 22 est égale à 47mm,
- la valeur de la grande base du tronc de cône 22 est égale à 20mm, tandis que celle de sa petite base est égale à 12,36mm,
- la hauteur du tronc de cône 22 est égale 25mm.
Selon l'invention, un moyen 3 de création et maintien d'un vortex V génère un mouvement centripète du (des) liquide(s) allant de la périphérie du réservoir 2 vers son centre sur au moins une partie de la hauteur de ce dernier.
Selon l'invention également, on conçoit le moyen 3 tel que sa forme et/ou le rapport entre ses dimensions est (sont) déterminé(s) à partir du nombre d'or φ, égal à 1,618.
Selon l'invention enfin, la longueur L du vortex créé est telle que la pression atteinte en bas du vortex est suffisamment faible de sorte qu'au moins une partie des particules dissoutes ne dépasse plus la limite de solubilité et devient ainsi solides par précipitation.
Autrement dit, les particules précipitées sont collectées au centre et en bas de vortex.
Plusieurs modes de réalisation différents peuvent être envisagés pour la réalisation de ce moyen de création et de maintien du vortex V.
Dans le mode illustré en figures 2 et 2A, le moyen 3 est un moyen d'injection du liquide chargé en particules solides initialement et sous forme dissoute de manière tangentielle en partie supérieure du réservoir tampon 2.
Les orifices d'injection 20, 21 sont à cet effet réalisés sur l'un des diamètres supérieurs du réservoir et le vortex est généré tangentiellement à ce diamètre comme symbolisé par les flèches sur ces figures 2 et 2 A. Dans le mode illustré en figures 3 et 3 A, le moyen est un cylindre 31 monté fixe dans l'orifice d'injection 20 selon l'axe de révolution X. Le cylindre 31 comprend une rainure 310 enroulée en hélice circulaire.
Ainsi, ce cylindre 31 constitue en quelque sorte un injecteur qui permet la mise en rotation du liquide jusqu'à générer le vortex souhaité V.
Au lieu de solutions hydrauliques comme dans les modes précités, on peut envisager une solution mécanique pour créer et maintenir le vortex V.
Ainsi, dans le mode illustré en figures 4 et 5, le moyen est un arbre 32 monté rotatif à la verticale selon l'axe X du réservoir 2.
L'arbre 32 a une forme extérieure d'hélice tronconique dont sa projection sur un plan orthogonal à l'axe vertical est une spirale logarithmique, dite spirale d'or, avec un facteur de croissance égal au nombre d'or φ.
De préférence, l'extrémité libre 33 de l'arbre rotatif 32 est approximativement confondue avec le sommet inférieur du réservoir.
Deux exemples de dimensionnement d'un arbre rotatif 32 sont donnés dans le tableau ci-dessous.
On précise que dans ce tableau, les valeurs des dimensions des différentes sections dont données du haut de l'arbre 32 vers le bas, selon la hauteur de son hélice H.
La position indique à quelle côte en hauteur est considérée chaque section. La position de valeur nulle indiquant le sommet de l'hélice de l'arbre rotatif.
On précise également que la hauteur de l'hélice est environ égale à 435,5 mm pour l'exemple 1, tandis qu'elle est de l'ordre de 609,6mm pour l'exemple 2.
TABLEAU
La longueur L du vortex est une fonction du nombre d'or qui dépend du taux de solides dissous résiduel souhaité. Pour l'exemple 1, la longueur L souhaitée pour que la pression atteinte en bas du vortex soit suffisamment faible pour précipiter les particules sous forme solides est égale à 1844 mm.
En sortie de vortex, un tube de collecte 4 est agencé en dessous de l'orifice de sortie 22 du réservoir 2 pour collecter par gravité les particules solides concentrés vers l'intérieur du vortex.
Avantageusement, la distance D entre l'extrémité supérieure du tube de collecte 4 et l'orifice de sortie 22 du réservoir est prévue pour être réglable. Cela permet de pouvoir modifier le taux de collecte des particules solides. Pour obtenir une telle distance variable, on peut prévoir un tube 4 de hauteur variable et/ou une hauteur variable du volume inférieur entre l'orifice 22 et le tube 4. A titre d'exemple, la distance D peut varier de 50 à 300mm.
De préférence, un évent avec une vanne d'isolement 5 est prévu en partie supérieure du réservoir tampon 2 pour évacuer les gaz présents. Cela peut permettre notamment d'évacuer les gaz présents initialement dans le liquide chargé en particules solides sous forme dissoute.
Le dispositif de précipitation et séparation selon l'invention comprend enfin une enveloppe de confinement 6 agencée autour de l'orifice de sortie 22 et du tube de collecte 4. Cette enveloppe 6 définit ainsi un volume intérieur dans lequel le liquide initialement chargé en particules dissoutes est confiné en vue d'être évacué par le tube de collecte 4.
Ainsi, comme montré en figure 1, l'enveloppe 6 comprend un ou des orifices d'évacuation 60, 61, agencé(s) en partie inférieure. Le liquide restant, chargé éventuellement de particules encore sous forme dissoute peut être ainsi évacué en continu de l'enveloppe 6.
A des fins de simplicité de réalisation, l'enveloppe de confinement 6 peut être constituée d'un cylindre 63 raccordé sur la périphérie du réservoir 2, entre l'orifice d'injection 20, 21 et l'orifice de sortie 22, et d'un fond 64 en forme d'hémisphère raccordé au cylindre 63.
Dans une application où le liquide est chargé de particules déjà sous forme solides, on peut avantageusement envisager de réaliser un système avec en série au moins un dispositif de séparation comme décrit mais sans qu'il soit nécessaire d'avoir une longueur importante de vortex, et en aval un dispositif de précipitation et de séparation qui vient d'être décrit, avec une longueur de vortex suffisante pour faire précipiter les particules dissoutes.
Un tel système avec deux dispositifs 1.1, 1.2 selon l'invention, en série est illustré en figure 6.
Dans ce système, les deux orifices d'évacuation 60, 61 du dispositif amont 1.1 qui permettent d'évacuer le liquide chargé en particules solides sous forme dissoute et qui sont agencés en partie inférieure de l'enveloppe de confinement 6, forment des piquages reliés chacun à un des orifices d'injection 20, 21 du réservoir tampon 2 du dispositif aval 1.2.
Sur chaque ligne reliant un piquage 60, 61 du dispositif amont 1.1 à un orifice d'injection 20, 21 du dispositif aval, est agencée une vanne de régulation de débit 7.
Deux vannes de purge 8, 9 formant un sas étanche sont agencées sur le tube de collecte 4 du dispositif amont 1.1 pour évacuer les particules solides collectées les plus denses. Le dispositif aval 1.2 comprend quant à lui au moins un orifice de purge 10 agencé en partie inférieure de son enveloppe de confinement 6, pour évacuer le liquide dépourvu des particules solides.
De préférence, une vanne d'isolement 11 est prévue en aval de l'orifice de purge 10 pour isoler l'enveloppe de confinement 6 du dispositif aval 1.2.
Ainsi, on peut collecter les particules solides déjà sous cette forme initialement dans le tube de collecte 4 du dispositif amont 1.1 et les particules initialement sous forme dissoute dans le tube 4 du dispositif aval 1.2.
Le système est particulièrement adapté à une application de dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre: le dispositif amont 1.1 permet de collecter les algues, déchets plastiques ou autres présents sous cette forme dans l'eau puis le dispositif aval 1.2 permet de collecter les particules solides de sels, notamment le NaCl, ou le CaC03 initialement dissoutes dans l'eau.
A titre d'exemple de dimensionnement :
- chaque dispositif amont 1.1 et aval 1.2 comprend des orifices d'injections 20,
21, un réservoir 2, un tronc de cône de sortie 22 dimensionnés comme dans l'exemple mentionné précédemment,
- le diamètre interne de l'enveloppe de confinement 6 du dispositif amont 1.1 est égal à 65 mm et la longueur L du vortex est de l'ordre de 400 mm,
- la distance D du dispositif amont 1.1 varie de 50 à 300 mm,
- le diamètre interne du tube de collecte 4 du dispositif amont 1.1 est égal à 20 mm,
- la hauteur du tube de collecte 4 du dispositif amont 1.1 à l'intérieur de l'enveloppe 6 est égale à 330 mm,
- le diamètre interne des piquages 60, 61 du dispositif amont 1.1 est égal à 6 mm,
- le diamètre interne de l'enveloppe de confinement 6 du dispositif aval 1.2 est égal à 65mm et la longueur L du vortex est de l'ordre de 600 mm,
- la distance D du dispositif aval 1.2 varie de 50 à 500 mm,
- le diamètre du fond hémisphérique 64 du dispositif aval est égal à 65 mm, - le diamètre interne du tube de collecte 4 du dispositif aval 1.1 est égal à 20 mm,
- la hauteur du tube de collecte 4 du dispositif aval 1.2 à l'intérieur de l'enveloppe 6 est égale à 530 mm, - le diamètre interne de l'orifice de purge 10 est égal à 10 mm.
D'autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Différents types de matériaux peuvent être utilisés pour la réalisation du réservoir 2, des moyens de création et maintien de vortex 31, 32, et de l'enveloppe de confinement 6. Avantageusement, en particulier pour les composants le plus proche du vortex, ceux-ci peuvent être réalisés en cuivre ou en acier inoxydable, de préférence revêtue d'une ou plusieurs couches minces à base de cuivre et/ou d'argent.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
Références citées
[1]: Patrick Danis, « Dessalement de l'eau de mer », Techniques de l'Ingénieur, J 2700. Juin 2003.
[2]: Alick Bartholomew, « Le génie de Viktor Schauberger : et si la pénurie d'eau et d'énergie était un faux problème ? », éditions Trédaniel / Le courrier du livre, 2014 (lre éd. 2008 (ISBN 2-7029-0542-0).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de préparation et séparation de particules solides sous forme dissoute dans un liquide, comprenant :
• un réservoir tampon (2), de symétrie de révolution autour d'un axe vertical (X), le réservoir comprenant au moins un orifice d'injection (20, 21) en liquide chargé en particules solides sous forme dissoute, et un orifice de sortie (22) agencé en partie inférieure autour de l'axe de révolution du réservoir ;
• au moins un moyen (3) pour créer et maintenir un vortex générant un mouvement centripète du (des) liquide(s) allant de la périphérie du réservoir vers son centre sur au moins une partie de la hauteur de ce dernier; la forme et/ou le rapport entre dimensions du réservoir et/ou du moyen de création et de maintien du vortex est (sont) déterminé(s) à partir du nombre d'or φ; la longueur (L) du vortex créé étant telle que la pression atteinte en bas du vortex est suffisamment faible de sorte qu'au moins une partie des particules dissoutes ne dépasse plus la limite de solubilité et devient ainsi solides par précipitation;
*un tube de collecte (4), agencé en dessous de l'orifice de sortie du réservoir, pour collecter par gravité au moins les particules solides précipitées et concentrées vers l'intérieur et en bas du vortex.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, la forme du réservoir étant un ovoïde de dimensions déterminées à partir d'un pentagone régulier.
3. Dispositif (1) selon la revendication 1, la forme du réservoir étant une ellipsoïde de révolution, obtenue par rotation autour de l'axe vertical d'une ellipse, dite ellipse d'or, dont le rapport entre longueurs du grand axe et du petit axe est égal au nombre d'or.
4. Dispositif (1) selon la revendication 1, la forme du réservoir étant une portion hémisphérique raccordée à une demi-ellipsoïde de révolution, l'ellipsoïde de révolution obtenue par rotation autour de l'axe vertical d'une ellipse, dite ellipse d'or, dont le rapport entre longueurs du grand axe et du petit axe est égal au nombre d'or.
5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, le moyen de création et de maintien du vortex étant un moyen (30) pour injecter le liquide chargé en particules dissoutes par un, de préférence deux orifices d'injection, de manière tangentielle au réservoir tampon.
6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, le moyen de création et de maintien du vortex étant un cylindre (31) monté fixe dans l'orifice d'injection (20) le cylindre comprenant une rainure (310) enroulée en hélice circulaire.
7. Dispositif (1) selon la revendication 1 à 4, le moyen de création et de maintien du vortex étant un arbre (32) monté rotatif à la verticale selon l'axe du réservoir, l'arbre ayant une forme extérieure d'hélice tronconique dont sa projection sur un plan orthogonal à l'axe vertical est une spirale logarithmique, dite spirale d'or, avec un facteur de croissance égal au nombre d'or φ.
8. Dispositif (1) selon la revendication 7, l'extrémité libre (33) de l'arbre rotatif étant approximativement confondue avec le sommet inférieur du réservoir.
9. Dispositif (1) selon la revendication 1 à 4, le moyen de création et de maintien du vortex étant un arbre fixé à la verticale selon l'axe du réservoir, l'arbre ayant une forme intérieure d'hélice tronconique dont sa projection sur un plan orthogonal à l'axe vertical est une spirale logarithmique, dite spirale d'or, avec un facteur de croissance égal au nombre d'or φ, l'orifice d'injection étant la plus grande section de l'hélice tronconique.
10. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'orifice de sortie (22) étant conformé en tronc de cône dont convergent du haut vers le bas.
11. Dispositif selon la revendication 10, le demi-angle d'ouverture (a) du cône étant compris entre 6 et 10°.
12. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la distance entre l'extrémité supérieure du tube de collecte (4) et l'orifice de sortie (22) du réservoir étant réglable de sorte à pouvoir modifier le taux de collecte des particules solides.
13. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un évent (5) en partie supérieure du réservoir tampon pour évacuer les gaz présents.
14. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une enveloppe de confinement (6) agencée autour de l'orifice de sortie et du tube de collecte, définissant un volume intérieur dans lequel le liquide est confiné, en vue d'être évacué.
15. Système (8) de séparation comprenant :
• un dispositif (1.2) selon la revendication 14, constituant le dispositif aval
• un dispositif de séparation (1.1), constituant le dispositif amont, comprenant :
- un réservoir tampon (2), de symétrie de révolution autour d'un axe vertical
(X), le réservoir comprenant au moins un orifice d'injection (20, 21) en liquide chargé en particules solides, et un orifice de sortie (22) agencé en partie inférieure autour de l'axe de révolution du réservoir ;
- au moins un moyen (3) pour créer et maintenir un vortex générant un mouvement centripète du (des) liquide(s) allant de la périphérie du réservoir vers son centre sur au moins une partie de la hauteur de ce dernier; la forme et/ou le rapport entre dimensions du réservoir et/ou du moyen de création et de maintien du vortex est (sont) déterminé(s) à partir du nombre d'or φ;
- un tube de collecte (4), agencé en dessous de l'orifice de sortie du réservoir, pour collecter par gravité au moins les particules solides précipitées et concentrées vers l'intérieur et en bas du vortex.
système dans lequel le dispositif amont (1.1) comprend au moins un orifice d'évacuation (60, 61) agencé en partie inférieure de son enveloppe de confinement, formant un piquage relié à l'orifice d'injection du réservoir tampon du dispositif aval (1.2).
16. Système de séparation selon la revendication 15, l'enveloppe de confinement de l'un et/ou l'autre des deux dispositifs étant constituée d'un cylindre (63) raccordé sur la périphérie du réservoir (2) entre l'orifice d'injection (20, 21) et l'orifice de sortie (22), et d'un fond (64) en forme d'hémisphère raccordé au cylindre.
17. Système de séparation selon la revendication 15 ou 16, comprenant au moins une vanne de régulation de débit (7) entre le piquage du dispositif amont et l'orifice d'injection du dispositif aval.
18. Système de séparation selon l'une des revendications 15 à 17, l'un et/ou l'autre des deux dispositifs comprenant au moins une vanne de purge (8, 9) sur le tube de collecte pour évacuer les particules solides collectées.
19. Système selon l'une des revendications 15 à 18, le dispositif aval comprenant au moins un orifice de purge (10) agencé en partie inférieure de son enveloppe de confinement, pour évacuer le liquide dépourvu des particules solides.
20. Système selon la revendication 19, comprenant une vanne d'isolement (11) en aval de l'orifice de purge (10) pour isoler l'enveloppe de confinement du dispositif aval.
21. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 14 ou du système selon l'une des revendications 15 à 20, pour réaliser le dessalement de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre.
22. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 14 ou du système selon l'une des revendications 15 à 20, pour réaliser l'adoucissement de l'eau chargée en calcaire.
EP17790796.1A 2016-11-02 2017-10-31 Dispositif de precipitation et separation de particules solides dissoutes dans un liquide comprenant un moyen de creation et de maintien de vortex, application au dessalement de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre Withdrawn EP3535059A1 (fr)

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