WO2022112814A1 - Dispositif de dessalement de l'eau de mer par distillation a temperature ambiante - Google Patents

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    • Y02A20/144—Wave energy

Definitions

  • the present invention relates to an installation for the desalination of seawater by distillation. It relates more particularly to a device for desalinating seawater at ambient temperature and to an associated method for desalinating seawater. Such a device makes it possible in particular to recover both drinking water and salt.
  • Desalination by distillation is an old technique but still used. It essentially consists of heating seawater in a distillation chamber until it evaporates. The water vapor is then evacuated from the chamber and then condensed into potable fresh water.
  • Patent application No. FR 2869307-A1 illustrates an example of this process, with a power station where steam has been produced by heating to turn a turbine and where the steam can be reused. to heat an evaporator on which streams sea water which evaporates and gets rid of its salt. The sea water, flowing over the evaporator, cools the heating vapour, part of which condenses and is recovered.
  • the water vapor obtained by evaporation in the first module is used as a heat source in the exchanger of the second module, this sent parallel to the axis of the paraboloid. They are reflected at the focal point of the paraboloid and the energy thus concentrated pulls microscopic droplets from the jet of water at this point.
  • the waves used have a frequency greater than 1 MHz and preferably around 2 MHz.
  • the wave source is typically a piezoelectric generator. It is immersed in the flow of water to be desalinated. Thus exposed to salt, it deteriorates.
  • the next step is a vaporization step.
  • the vaporization has the effect of separating the water from the salt which then forms microscopic crystals suspended in the air. But if nothing is done, the water ends up recondensing and risks dissolving the salt again.
  • the osmotic pressure corresponds to the differential pressure between the two parts of an enclosure separated by a semi-permeable membrane. On one side of the membrane the solvent and on the other side a binary salt plus solvent mixture. At equilibrium, the solvent no longer crosses the semi-permeable membrane because the pressure on the solvent/salt side has reached the osmotic pressure. When the pressure on the solvent/salt side is mechanically increased and becomes greater than the osmotic pressure, the solvent can cross the membrane.
  • the osmotic pressure for seawater is around 25bars.
  • the operating pressures for desalinating seawater are of the order of 70 to 100 bars.
  • the device uses a set of 4 compression chambers which makes it possible to use the residual pressure of the unpurified fluid leaving the osmotic filter.
  • the major drawback of this technique is that it is expensive due to the high price of semi-permeable membranes.
  • this device is polluting because the brine must be rejected.
  • nebulization unit 10 - a nebulization unit (10) comprising:
  • acoustic waves being focused at a point of the water jet issuing from the nozzle (12), and the generator (13) being capable of producing by nebulization drops of water of 2.5 ⁇ m to approximately 5 ⁇ m;
  • a separation unit comprising (30) a water condensation unit
  • the vaporization unit comprises a generator (22) of ultrasonic waves in a frequency range of 40 kHz to 150 kHz and of a power greater than 150 dB, which accelerates the vaporization of the nebulized drops.
  • Its second object is a process for desalinating seawater using a device according to the invention, comprising the following steps:
  • the invention developed therefore consists of a device comprising an air circulation pump, a seawater inlet then, in the direction of the water current, a nebulization unit, a temperature vaporization unit room, a condensing and salt recovery unit.
  • the nebulization unit comprises a nozzle connected to the water inlet of the device, an acoustic wave generator focused at a point of the jet of water issuing from the nozzle, which [33]
  • the water desalination process uses the variant of the device where the condensing unit precedes the salt collection unit and comprises the following steps:
  • FIG. 1 is a block diagram of the water desalination device according to the invention.
  • Figure 2 shows the main characteristics of the nebulization unit according to the invention.
  • Figure 3 shows the main characteristics of the vaporization unit according to the invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of the water and salt separation unit according to the invention.
  • the device of the invention consists of a nebulization unit 10 which receives seawater through an inlet 11; a vaporization unit 20; a water and salt separation unit 30. It also comprises an air circulation pump, not shown.
  • the water enters the device, as shown in Figure 2, through a nozzle 12 connected to the nebulization unit 10 and which channels the water.
  • An acoustic wave generator 13 for example but not limited to a piezoelectric quartz, immersed in the water current, emits waves 14 parallel to the axis of the nozzle.
  • a reflective piece 15 presenting to the acoustic waves a smooth face, in the form of a paraboloid with a directrix parallel to the waves, reflects them at the focal point 16 of the paraboloid or in other words “focuses” them (other forms of focusing are conceivable).
  • focuses other forms of focusing are conceivable.
  • the acoustic field in the vaporization chamber advantageously makes it possible to reduce the vaporization time of the droplets by a factor of 2 or 3, thus reducing the volume of the vaporization chamber by the same factor.
  • This feature of the invention also has the secondary advantage over the state of the art of avoiding the need for special solutions to reduce air humidity.
  • the subject of the invention is a method for desalinating seawater using a device as described above, comprising the following steps:
  • the flow leaving the vaporization unit 20 enters the separation unit 30 through an inlet 31, as shown in Figure 1. It then contains a mixture of air, water vapor and salt particles in suspension.
  • the separation is broken down into two operations: the condensation of the steam and then the harvesting of the salt. It is remarkable that the order of operations is reversed compared to the state of the art.
  • the latter comprises a condensation unit (36) followed by a salt collection unit (35).
  • salt recovery A unit for collecting salt particles after polarization, by attraction on plates electrically charged according to the opposite sign and by cleaning said plates.
  • the stream is split into two parts.
  • a positive corona effect is produced on one of the parts, ie it positively charges the particles; and a negative effect on the other party.
  • the two parts are then brought together again; salt particles of opposite signs attract and form clumps large enough to allow filtering techniques such as, but not limited to, centrifugation.
  • Centrifugal separation is obtained by rotating the mixture: the centrifugal force throws the solid particles denser than the gas outwards.
  • the solid particles are collected on the outer wall of the centrifuge.
  • the salt harvesting unit 36 of the device according to the invention may comprise:
  • black which contain polluting particles in solution. If the particles are toxic and it is necessary to recover them as a precaution or if they are of economic interest, such as salt, the variants allowing the recovery of the particles will advantageously be used; otherwise, we can stick to a device without the unit 36 and to a process stopping at the condensation.
  • the invention also relates to the use of a device or method according to the invention to make gray or black water drinkable.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour dessaler l'eau de mer comprenant une pompe à circulation d'air, une entrée d'eau à dessaler (11); puis, dans le sens du courant d'eau, une unité de nébulisation (10) comprenant une buse, un générateur d'ondes acoustiques et une pièce réfléchissante (15), une unité de vaporisation (20) à température ambiante; et une unité de séparation comprenant (30) une unité de condensation de l'eau (35) et éventuellement une unité de récolte du sel (36). L'invention se caractérise en ce que l'unité de vaporisation comprend un générateur (22) d'ondes ultrasonores dans un intervalle de fréquences de 40 kHz à 150 kHz et d'une puissance supérieure à 150 dB, qui accélère la vaporisation des gouttes nébulisées.

Description

Dispositif de dessalement de l’eau de mer par distillation à température ambiante
Domaine technique
[1] |La présente invention concerne une installation de dessalement d'eau de mer par distillation. Elle concerne plus particulièrement un dispositif pour dessaler à température ambiante l'eau de mer ainsi qu'un procédé de dessalement de l'eau de mer associé. Un tel dispositif permet notamment de récupérer à la fois de l'eau potable et du sel.
[2] Les trois quarts de la terre sont recouverts d'eau salée non consommable, pour la rendre consommable il est nécessaire de la dessaler.
[3] Aujourd'hui l'eau douce et l'eau potable manquent dans de nombreuses régions du monde. Pourtant les océans et les mers constituent d'immenses réserves d'eau. Il est donc intéressant de pouvoir dessaler l'eau de mer de manière industrielle. Il est aussi intéressant de récupérer le sel par la même occasion.
[4] Les techniques utilisées pour dessaler l'eau de mer ou dépolluer les eaux industrielles sont généralement basée soit sur la distillation soit sur le filtrage.
[5] Le dessalement par distillation est une technique ancienne mais toujours utilisée. Elle consiste essentiellement à chauffer l'eau de mer dans une chambre de distillation, jusqu'à ce qu'elle s'évapore. La vapeur d'eau est alors évacuée de la chambre puis condensée en eau douce potable.
[6] La demande de brevet N° FR 2869307-A1 illustre un exemple de ce procédé, avec une centrale électrique où l'on a produit de la vapeur d'eau par chauffage pour faire tourner une turbine et où la vapeur peut être réutilisée pour chauffer un évaporateur sur lequel ruisselle l'eau de mer qui s'évapore et se débarrasse de son sel. L'eau de mer, en ruisselant sur l'évaporateur, refroidit la vapeur de chauffe dont une partie se condense et est récupérée.
[7] La vapeur d'eau obtenue par évaporation dans le premier module est utilisée comme source de chaleur dans l'échangeur du deuxième module, cet envoyées parallèlement à l'axe du paraboloïde. Elles se réfléchissent au foyer du paraboloïde et l'énergie ainsi concentrée arrache des gouttelettes microscopiques au jet d'eau en ce point. Les ondes utilisées ont une fréquence supérieure à 1 MHz et de préférence autour de 2 MHz.
[13] La source d'onde est typiquement un générateur piézo-électrique. Il est immergé dans le flux d'eau à dessaler. Ainsi exposé au sel, il se détériore.
[14] L'étape suivante est une étape de vaporisation. La vaporisation a pour effet de séparer l'eau du sel qui forme alors des cristaux microscopiques en suspension dans l'air. Mais si l'on ne fait rien, l'eau finit par se recondenser et risque de dissoudre de nouveau le sel.
[15] L'intérêt des techniques de filtrage est de permettre une séparation irréversible de l'eau douce et du sel.
[16] Les techniques basées sur la filtration de l'eau de mer utilisent le principe d'osmose inverse ; par exemple, la solution décrite dans le brevet N°FR2850038-A1. La pression osmotique correspond à la pression différentielle entre les deux parties d'une enceinte séparées par une membrane semi- perméable. D'un côté de la membrane le solvant et de l'autre côté un mélange binaire sel plus solvant. A l'équilibre, le solvant ne traverse plus la membrane semi-perméable car la pression du coté solvant /sel a atteint la pression osmotique. Lorsque mécaniquement la pression du coté solvant/sel est augmentée et devient supérieure à la pression osmotique le solvant peut traverser la membrane. La pression osmotique pour l'eau de mer est d'environ 25bars. Les pressions de fonctionnement pour dessaler l'eau de mer sont de l'ordre de 70 à 100 bars. Pour améliorer le rendement des pompes de mises en pression, le dispositif utilise un ensemble de 4 chambres de compression qui permet d'utiliser la pression résiduelle du fluide non épuré sortant du filtre osmotique. L'inconvénient majeur de cette technique est qu'elle est coûteuse du fait du prix élevé des membranes semi-perméables. De plus comme la technique précédente ce dispositif est polluant car la saumure doit être rejetée.
[17] Ainsi la demande WO 2009103890 A1 décrit un procédé commençant par une distillation elle-même décomposée en nébulisation en gouttelettes d'environ [23] La solution à ce problème posé a pour premier objet un dispositif pour dessaler l'eau de mer comprenant :
- une pompe à circulation d'air ;
- une entrée d'eau à dessaler (11) ; puis, dans le sens du courant d'eau :
- une unité de nébulisation (10) comprenant :
- une buse (12) branchée à l'entrée d'eau du dispositif,
- un générateur d'ondes acoustiques (13), et
- une pièce réfléchissante (15), lesdites ondes acoustiques étant focalisées en un point du jet d'eau issu de la buse (12), et le générateur (13) étant apte à produire par nébulisation des gouttes d'eau de 2,5 μm à 5μm environ ;
- une unité de vaporisation (20) à température ambiante ; et
- une unité de séparation comprenant (30) une unité de condensation de l'eau
(35) et éventuellement une unité de récolte du sel (36) ; caractérisé en ce que l'unité de vaporisation comprend un générateur (22) d'ondes ultrasonores dans un intervalle de fréquences de 40 kHz à 150 kHz et d'une puissance supérieure à 150 dB, qui accélère la vaporisation des gouttes nébulisées.
[24] Elle a pour second objet un procédé de dessalement de l'eau de mer utilisant un dispositif selon l'invention, comprenant les étapes suivantes de :
- nébulisation de l'eau à température ambiante ;
- vaporisation accélérée de l'eau nébulisée.
[25] Enfin elle a pour dernier objet l'utilisation d'un dispositif ou d'un procédé selon l'invention, pour rendre potable des eaux grises ou noires.
[26] L'invention développée consiste donc en un dispositif comprenant une pompe à circulation d'air, une entrée d'eau de mer puis, dans le sens du courant d'eau, une unité de nébulisation, une unité de vaporisation à température ambiante, une unité de condensation et de récupération du sel. L'unité de nébulisation comprend une buse branchée à l'entrée d'eau du dispositif, un générateur d'ondes acoustiques focalisées en un point du jet d'eau issu de la buse, lequel [33] Dans une variante préférée, le procédé de dessalement de l'eau utilise la variante du dispositif où l'unité de condensation précède l'unité de récolte du sel et comprend les étapes suivantes de :
- nébulisation de l'eau à température ambiante ;
- vaporisation accélérée de l'eau nébulisée ;
- condensation de l'eau vaporisée ; et de
- récupération du sel.
[34] Les différentes caractéristiques de l'invention seront mieux comprises à l'aide des dessins suivants qui ne doivent pas s'entendre de manière limitative.
[35] La figure 1 est un schéma fonctionnel du dispositif de dessalement de l'eau selon l'invention.
[36] La figure 2 représente les principales caractéristiques de l'unité de nébulisation selon l'invention.
[37] La figure 3 représente les principales caractéristiques de l'unité de vaporisation selon l'invention.
[38] La figure 4 est un schéma fonctionnel de l'unité de séparation de l'eau et du sel selon l'invention.
[39] En référence à ces dessins, le dispositif de l'invention est constitué d'une unité de nébulisation 10 qui reçoit de l'eau de mer par une entrée 11 ; une unité de vaporisation 20 ; une unité de séparation de l'eau et du sel 30. Il comprend par ailleurs une pompe à circulation d'air non représentée.
[40] L'eau rentre dans le dispositif, comme représenté sur la figure 2, par une buse 12 branchée sur l'unité de nébulisation 10 et qui canalise l'eau. Un générateur d'ondes acoustiques 13, par exemple mais non limitativement un quartz piézoélectrique, plongé dans le courant d'eau, émet des ondes 14 parallèlement à l'axe de la buse. Une pièce réfléchissante 15 présentant aux ondes acoustiques une face lisse, en forme de paraboloïde de directrice parallèle aux ondes réfléchit celles-ci au foyer 16 du paraboloïde ou autrement dit les « focalise » (d'autres formes de focalisation sont imaginables). Ainsi une grande quantité d'énergie est concentrée en ce point et permet d'arracher des [46] De plus dans le champ acoustique, lors des phases de dépression, la pression étant plus faible, la vitesse d'évaporation augmente.
[47] Le champ acoustique dans la chambre de vaporisation permet avantageusement de réduire d'un facteur 2 ou 3 la durée de vaporisation des gouttelettes, donc de réduire du même facteur le volume de la chambre de vaporisation.
[48] Cette caractéristique de l'invention a aussi comme avantage secondaire par rapport à l'état de l'art d'éviter de recourir à des solutions spéciales pour diminuer l'humidité de l'air.
[49] Ainsi l'invention a pour objet un procédé de dessalement de l'eau de mer utilisant un dispositif comme décrit ci-dessus, comprenant les étapes suivantes de :
- nébulisation de l'eau à température ambiante ;
- vaporisation accélérée de l'eau nébulisée.
[50] Après vaporisation, le flux sortant de l'unité de vaporisation 20 entre dans l'unité de séparation 30 par une entrée 31 , comme représenté sur la figure 1 . Il contient alors un mélange d'air, de vapeur d'eau et de particules de sel en suspension.
[51] Selon une variante préférée de l'invention, la séparation se décompose en deux opérations : la condensation de la vapeur puis la récolte du sel. Il est remarquable que l'ordre des opérations est inversé par rapport à l'état de l'art.
[52] Ainsi dans une variante du dispositif de l'invention, celui-ci comporte une unité de condensation (36) suivie d'une unité de récolte du sel (35).
[53] Et ainsi dans une variante du procédé de l'invention, celui-ci comprend les étapes :
- nébulisation de l'eau à température ambiante ;
- vaporisation accélérée de l'eau nébulisée ;
- condensation de l'eau vaporisée ; et
- récupération du sel. - une unité de récolte des particules de sel après polarisation, par attraction sur des plaques chargées électriquement selon le signe opposé et par nettoyage desdites plaques.
[61] Dans un autre mode de réalisation de l'unité 36, le flux est divisé en deux parties. On réalise un effet Corona positif sur l'une des parties c'est-à-dire qu'il charge positivement les particules ; et un effet négatif sur l'autre partie. On réunit ensuite de nouveau les deux parties ; les particules de sel de signes opposés s'attirent et forment des paquets assez gros pour permettre des techniques de filtrage telles que mais non limitativement, la centrifugation. La séparation centrifuge est obtenue en mettant en rotation le mélange : la force centrifuge projette les particules solides plus denses que le gaz vers l'extérieur. Les particules solides sont récoltées sur la paroi externe de la centrifugeuse. On peut aussi tirer avantage du double effet Corona en utilisant des procédés de récolte par décantation.
[62] Ainsi, l'unité de récolte du sel 36 du dispositif selon l'invention peut comprendre :
- une unité de polarisation par double effet Corona à la sortie de laquelle les particules de sel sont agrégées en particules plus grosses ;
- une unité de décantation ou de centrifugation des particules agrégées.
[63] L'invention peut être appliquée à la dépollution d'eaux dites « grises » ou
« noires » qui contiennent des particules polluantes en solution. Si les particules sont toxiques et qu'il faille les récupérer par précaution Ou si elles présentent un intérêt économique comme le sel, on utilisera avantageusement les variantes permettant la récupération des particules ; sinon, on pourra s'en tenir à un dispositif sans l'unité 36 et à un procédé s'arrêtant à la condensation.
[64] Ainsi, l'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif ou d'un procédé selon l'invention pour rendre potable des eaux grises ou noires.

Claims

reçues par le Bureau international le 26 novembre 2020 Revendications
[Revendication 1] [Dispositif pour dessaler l'eau de mer comprenant :
- une pompe à circulation d'air ;
- une entrée d'eau à dessaler (11) ; puis, dans le sens du courant d'eau :
- une unité de nébulisation (10) comprenant :
- une buse (12) branchée à l'entrée d'eau du dispositif,
- un générateur d'ondes acoustiques (13), et
- une pièce réfléchissante (15), lesdites ondes acoustiques étant focalisées en un point du jet d'eau issu de la buse (12), et le générateur (13) étant apte à produire par nébulisation des gouttes d'eau de 2,5 μm à 5 μm environ ;
- une unité de vaporisation (20) à température ambiante ; et
- une unité de séparation comprenant (30) une unité de condensation de l'eau (35) et éventuellement une unité de récolte du sel (36) ; caractérisé en ce que l'unité de vaporisation comprend un générateur (22) d'ondes ultrasonores dans un intervalle de fréquences de 40 kHz à 150 kHz et d'une puissance supérieure à 150 dB, qui accélère la vaporisation des gouttes nébulisées.
[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le générateur d'ondes acoustiques (13) et la pièce réfléchissante (15) de l'unité de nébulisation (10) baignent dans un milieu non corrosif qui laisse passer les ondes de nébulisation et sont séparés de l'eau à dessaler par une membrane qui laisse passer lesdites ondes ultrasonores.
[Revendication 3] Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de séparation (30) comprend successivement, dans le sens du courant d'eau :
- une unité de condensation de l'eau (35) à même de laisser passer les particules de sel entraînées par le flux ; et
- une unité de récolte (36) du sel par filtrage électrostatique.
[Revendication 4] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que de l'eau de la mer est utilisée pour refroidir les moyens de condensation de l'unité de condensation de l'eau (35).
[Revendication 5] Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les calories dégagées par la condensation sont utilisées pour réchauffer l'eau (11) entrant dans le dispositif.
[Revendication 6] Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de récolte du sel comprend :
- une unité de polarisation des particules de sel par effet Corona ;
- une unité de récolte des particules de sel après polarisation, par attraction sur des plaques chargées électriquement selon le signe opposé et par nettoyage desdites plaques.
[Revendication 7] Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de récolte du sel comprend :
- une unité de polarisation par double effet Corona à la sortie de laquelle les particules de sel sont agrégées en particules plus grosses ;
- une unité de décantation ou de centrifugation des particules agrégées.
[Revendication 8] Procédé de dessalement de l'eau de mer utilisant un dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes de :
- nébulisation de l'eau à température ambiante ;
- vaporisation accélérée de l'eau nébulisée.
[Revendication 9] Procédé selon la revendication 8 utilisant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes de :
- nébulisation de l'eau à température ambiante ;
- vaporisation accélérée de l'eau nébulisée ;
- condensation de l'eau vaporisée ; et
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