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PERFECTIONNEMENTS AUX INSTALLATIONS D EVAPORATION D EAU, ET NOTAMMENT D'EAU DE MER.
La présente invention concerne les installations d'évaporation à simple ou multiple effet du type dans lesquelles de l'eau brute, telle que de l'eau de mer ou de l'eau d'estuaire, est évaporée en vue d'éliminer les matières formant des dépôts présentes dais l'eau brute, la vapeur ainsi produite étant ultérieurement condensée, et le condensat étant disponible pour être utilisé comme eau de table ou dans des chaudières à haute pression.
L'invention est applicable , entre autres, aux installation; de distillation dans lesquelles la vapeur, produite par évaporation du liquide dans un évaporateur, pénètre dans un compresseur dans lequel la vapeur est portée à une pression plus élevée, et passe à la surface de chauffe de l'évaporateur où la chaleur contenue dans la vapeur comprimée est transmise, à travers la surface de chauffe, au liquide en cours d'évaporation dans l'é- vaporatéur. Le compresseur peut être du type volumétrique, centrifuge ou rotatif à'flux axial.
On rencontre certaines difficultés dans le fonctionnement des installations de distillation du type indiqué ci-dessus, du fait de la précipitation des constituants indésirables contenus dans l'eau brute sur les surfaces de chauffe à travers lesquelles la chaleur est transmise de la vapeur de chauffe à l'eau brute en cours d'évaporation.
Les constituants qui précipitent sur la surface de chauffe se lient au métal de la dite surface, et, dans bien des cas, forment des incrustations extrêmement dures qui présentent une sérieuse résistance à la transmis ion de chaleur du fluide de chauffage au liquide, ce qui réduit fortement le rendement susceptible d'être obtenu d'une installation donnée et entraîne des frais et des inconvénients considérables düs à la mise hors service de l'installation pour permettre les opérations de nettoyage nécessaires à l'enlèvement des incrustations ainsi produites sur les surfaces de chauffe. Avec l'eau de mer, notamment, la formation de telles incrustations est très rapide, ce qui fait que les interruptions de service pour le nettoyage sont très fréquentes et
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graves.
Dans bien des cas, pour compenser la résistance offerte par la formation des incrustations, jusqu'ici inévitables dans de telles installations,il est nécessaire de prévoir des surfaces de chauffe beaucoup plus grandes que celles qui suffiraient à transmettre la quantité de chaleur voulue si les surfaces de chauffe étaient maintenues propres, ce qui entraîne des installations d'une importance beaucoup plus grande et d'un prix de revient plus élevé que ceux qui seraient nécessaires autrement pour un travail déterminé.
Des expériences faites sur une large échelle ont montré que, dans les conditions de fonctionnement usuelles, les incrustations qui se forment peuvent être constituées, soit par un dépôt de carbonate de calcium dénommé calcite, soit par un dépôt d'hydroxyde de magnésium dénommé brucite, soit encore par un dépôt de sulfate de calcium qui peut être de l'anhydrite, du gypse ou de l'hémihydrate. Il peut se former des mélanges de ces dépôts dans des proportions dépendant des conditions de fonctionnement.
. On a indiqué dans le brevet belge No. 508.161 du 31 Décembre 1951 pour : "Mééthode de traitement de l'eau de mer pour installations d'éva- poration", certains composés chimiques sous forme solide, susceptibles d' être utilisés dans un évaporateur pour empêcher la formation d'incrustations ou de tartres boueux sur les surfaces à l'intérieur de l'installation d'évaporation. Dans la demande mentionnée ci-dessus, on a indiqué que, dans certaines limites de température, le dépôt formé est surtout du carbonate de calcium. Dans d'autres limites de température, le dépôt formé est surtout de l'hydroxyde de magnésium. Il existe également des conditions dans lesquelles il se forme un mélange de ces deux dépôts.
On a montré que ces dépôts résultaient de la dissociation des ions bicarbonate dans l'eau brute,dissociation qui provoque la libération d'ions carbonate, de gaz carbonique et d'eau, les ions carbonate se combinant dans l'eau avec les ions calcium pour former du carbonate de calcium sous forme de dépôt. En outre, la chaleur dissocie les ions carbonate, de sorte qu'il se forme des ions hydroxyle qui se combinent dans l'eau avec les ions magnésium pour former un précipité ou un dépôt d'hydroxyde de magnésium.
La dissociation des ions bicarbonate et carbonate est favorisée par la diminution de la pression du gaz carbonique dans l'eau brute, et on a trouvé que, pour que les réactions voulues aient lieu, il est nécessaire d'éliminer le gaz carbonique, au fur et à mesure de sa formation résultant de la dissociation des ions carbonate et bicarbonate, de façon à faciliter les réactions, dans la mesure voulue.
On a trouvé que la meilleure façon d'assurer la dissociation des ions bicarbonate et carbonate, pour qu'aient lieu les réactions voulues est d'injecter dans l'eau brute des composés chimiques convenables, tels que décrits dans la demande mentionnée ci-dessus, et de soumettre l'eau à un régime de chauffe ou d'ébullition de manière que, au fur et à mesure que le gaz carbonique se forme au cours de la dissociation des ions bicarbonate et carbonate, ce gaz carbonique soit. entraîné hors de l'eau.
Il est préférable d'effectuer une telle opération sous ébullition de façon que le gaz carbonique soit entraîné hors de l'eau avec la vapeur d'eau qui se forme également, et soit évacué de l'évaporateur par un appareil de condensation éventuellement muni d'un appareil de production de vide.
La présente invention a pour objet une installation d'évaporation d'eau agencée de manière que le composé chimique empêchant la formation d'incrustations puisse être injecté dans un récipient dans lequel sont maintenues les conditions de fonctionnement les plus favorables au déroulement des réactions voulues jusqu'au point où la formation de dépôts de carbonate et d'hydroxyde de magnésium peut être évitée dans tous les éléments composant l'installation d'évaporation.
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Pour réaliser une installation d'évaporation la plus efficace avec une consommation minimum de vapeur ou de chaleur, il est nécessaire de prévoir un équipement d'échange thermique permettant de chauffer progressi- vement l'eau brute admise jusqu'à une température aussi voisine que possible de la température de vapeur correspondant à chaque température d'ébullition particulière à l'intérieur de l'installation d'évaporation.
De la vapeur, produite dans n'importe lequel des évaporateurs donné, est utilisée dans un échangeur thermique du type à surface, dans le but de chauffer l'eau brute admise, et, en même temps, de conserver la vapeur de l'évaporateur conden- sée comme eau distillée prête à l'usage
Si l'on veut éviter la formation d'incrustations dans de tels échangeurs thermiques, l'eau brute admise doit être traitée, et les éléments formant incrustations doivent être éliminés, avant que l'eau soit envoyée à travers de tels échangeurs thermiques.
Il est préférable de soumettre la totalité, ou une partie, de 1' eau brute à utiliser dans l'installation d'évaporation à un régime de chauf- fage et d'ébullition à un niveau thermique convenable, de façon que la dis- sociation complète des ions bicarbonate et carbonate s'effectue en présence d'un composé chimique approprié, de manière que le gaz carbonique, formé lors d'une telle décomposition, soit libéré et évacué de l'installation, et qu'ainsi 1?ensemble des réactions voulues puisse s'effectuer jusqu'au bout, comme il est nécessaire pour rendre l'eau brute inoffensive, dans la mesure où il s'agit de la formation d'incrustations. Selon l'invention, on fait passer ensuite une telle eau brute, à travers n'importe quels échangeurs thermiques prévus dans l'installation d'évaporation,
à l'intérieur des évaporateurs, dans lesquels l'eau brute est évaporée pour produire de l'eau distillée. Du fait que les éléments formant des incrustations ont été éliminés par l'action préliminaire de chauffage et d'ébullition, toute formation d'incrustations, dans les unités d'échangeurs thermiques et dans les évaporateurs, se trouve évitée.
Dans une installation telle que décrite, on peut prévoir un compresseur pour évacuer de l'évaporateur toute, ou une partie de, la vapeur et la refouler dans l'élément de chauffe situé dans l'évaporateur, élément qui peut également être alimenté avec de la vapeur additionnelle provenant de toute autre source convenable.
Dans une installation d'évaporation à multiple effet, le récipient, dans lequel on fait bouillir l'eau brute en présence du composé chimique, peut être l'un ou l'autre des évaporateurs faisant partie de l'installation d'évaporation à multiple effet. Dans un évaporateur à simple effet, on peut prévoir un petit récipient d'ébullition ou d'évaporation dans lequel l'eau brute admise est soumise à une légère action d'ébullition accompagnée de l'injection du composé chimique nécessaire, de manière que toutes les réactions chimiques voulues se produisent, la saumure dans un tel récipient d'évaporation ou d'ébullition étant soutirée du dit récipient et refoulée par pompage, à travers l'équipement d'échange thermique, dans l'évaporateur principal.
Le récipient d'ébullition ou d'évaporation, dans lequel l'eau brute est soumise à une action d'ébullition en présence du composé chimique, doit, de préférence, fonctioniier à une température d'ébullition d'environ 80 C ou au-dessus, et on peut utiliser n'importe quel type de pompe, centrifuge, alternatif ou tout autre type voulu, pour soutirer l'eau de ce récipient et la refouler à travers l'équipement d'échange thermique dans les différents évaporateurs faisant partie de l'installation complète d'évaportation Lorsque l'installation d'évaporation fonctionne à des températures toutes inférieures à 8000,ij suffit de faire en sorte que l'eau brute soit mise en ébullition en présence du composé chimique à la température la plus convenable disponible à 1'intérieur de l'installation.
Les expériences ont montré que, lorsque l'eau brute est soumise au régime indiqué, des quantités importantes d'hydroxyde de magnésium et d'autres hydroxydes se forment et sont maintenues en suspension, sous forme
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de précipites dans la saumure. On peut, par conséquent, prévoir une zone de sédimentation à la base du récipient, pour permettre aux précipités de se déposer sous forme de boue, et prévoir des moyens d'enlèvement de cette boue.
On peut prévoir un filtre à la sortie de cette saumure de l'évaporateur dans l'installation d'évaporation? pour que la quantité la plus grande possible des dits hydroxydes soit séparée par filtration de la saumure, de fagon à réduire au minimum la quantité de boue susceptible de se rassembler dans toutes les zones calmes du circuit à travers lequel passe l'eau brute dans son trajet à travers l'installation d'évaporation. Un tel filtre peut être de l'un quelconque des types connus pour l'élimination de précipités en suspension dans l'eau.
Lorsque le récipient d'ébullition ou d'évaporation, dans lequel l'eau brute est soumise à une ébullition et à une action chimique,fonctionne à une température inférieure à 100 C, le composé chimique peut être mélangé dans un réservoir et amené à s'écouler dans le récipient d'ébullition par action de la pression atmosphérique agissant sur la surface du liquide à rencontre de la pression, inférieure à une atmosphère, régnant à l'intérieur du récipient d'ébullition.
Lorsque le récipient d'ébullition? dans lequel l'eau brute est soumise à une ébullition et à une réaction chimique, est à une température supérieure à 100 C, il est nécessaire de prévoir une pompe pour l'injection de la liqueur chimique qui se forme par addition d'eau au composé chimique d'addition voulu.
On peut utiliser un réservoir d'alimentation ouvert, dans lequel l'eau brute peut être envoyée avant, ou après chauffage suffisant et dans lequel on ajoute le composé chimique,, et l'on peut faire en sorte que de la vapeur soit injectée dans l'eau brute pour entraîner le gaz carbonique et faciliter le déroulement des réactions voulues, l'eau brute traitée étant ensuite refoulée par pompage vers l'installation d'évaporation.
On peut favoriser les réactions voulues dans le réservoir, par emploi d'un appareil d'agitation mécanique et/ou par l'injection d'air ou de gaz comprimé provenant de toute source convenable.
A titre nullement limitatif on a représenté au dessin annexé des exemples de réalisation d'installations d'évaporation selon l'invention.
Dans ce dessin, les Figs. 1 à 4 sont des vues schématiques de telles installations d'évaporation.
Dans l'exemple représenté à la Fig. 1, l'évaporateur 10 est du type à simple effet, dans lequel de la vapeur de chauffage est amenée en 11 aux surfaces de chauffe de l'évaporateur, et où. de l'eau brute est évaporée à l'intérieur de l'évaporateur, la vapeur résultante étant conduite, à travers un échangeur thermique 12 d'eau brute du type à surface, dans un appareil de distillation 13 dans lequel elle se condense, une pression ou un vide convenable étant maintenu par un appareillage de production de vide.
Une partie de la vapeur provenant de l'évaporateur 10 est envoyée dans la conduite de chauffage 11 par un compresseur 7. Le condensat est recueilli dans un réservoir 8.
L'eau brute à évaporer est envoyée, à partir d'un réservoir 14 à travers l'appareil de distillation 13 pour absorber la chaleur provenant de la vapeur de l'évaporateur, au fur et à mesure de sa condensation. L'eau brute est ensuite amenée, en passant dans un régulateur 18, dans un récipient de traitement 15 muni d'une surface de chauffe alimentée en vapeur de chauffage provenant de la source principale de vapeur de chauffage, ou bien, de vapeur prélevée à l'orifice de sortie de vapeur de-l'évaporateur 10. Il est fourni une quantité de vapeur de chauffage suffisante pour permettre à l'ébullition de se produise,, dans une certaine mesure, à l'intérieur du ré- cipient de traitement 15.
Le composé chimique est mélangé avec de l'eau dans un réservoir 16 et injecté dans le récipient 15 de façon que les réactions voulues s'effectuent à l'intérieur du récipient 15, grâce à quoi le nombre voulu d'ions carbonate sont dissociés et rendus inoffensifs du
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point de vue de la formation d'incrustations..
Une pompe 17 prélève la saumure du réservoir 15 et la refoule,
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à travers l échangeur thermique 12 d"eau brute . dans 1,'évaporateur 10, en passant par un régulateur 19 Dans son passage à travers 1 léclangeur ther- mique 12, une quantité de chaleur est fournie à la saumure, ce qui augmente
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le rendement de 1"ensemble de l'installation d'évaporation.
La saumure est soutirée o.e l'évapcrateur 10 par une pompe 9 et refoulée vers la vidage, en quantité telle que nécessaire pour empêcher la formation d'un dépôt de sulfate de calcium à l'intérieur de 1 évapora-
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teur, tandis que l'fution 3"'ébuliition et chimique à laquelle est soumise l'eau brute dans le récipient 15 empêche la formation de dépôts de carbonate de calcium et d'hydroxyde de magnésium dans Le récipient 15. 1'appareil de préchauffage 12 d'eau brute et l'évaporateur 10.
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Dans 1. stalîa.iion d'évaporation à multiple effet, selon la Fig.. 2 1:' eau brute est conduite dans 1 évaporateur 20, fonctionnant à la pression la plus faille.) qui joue de rôle de récipient, de traitement, de sorte que la totalité de Peau brute pénétrant dans 1-'installation est tout
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d'abord refoulée dm-s le dernier effet de :"évaporateur.
Le composé chimi- que est injecté dans l'évaporateur 20 de sorte que la totalité de l'eau brute entrant dans l'installation soit soumise à 1'action d'ébullition
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et chimique dans l'''évaporateur 20a Une pompe 21 est prévue pour soutirer de l'évaporateur 20 la saumure traitée et 1:0 r2ÍCJù.Ler, à travers le système 3"échange thermique 22, 23, dans 1."évapor<"ieur 24 du premier effet, d5où elle peut s'écouler en série â travers Les évaporateurs successifs s 2 , 20 la purge de Pévaporateur 25 s'effectu3Xs-t' par une pompe 26. ou un autre dispositif.
Les éch&iJ.geum 1jhermiques 22, 23 ..'onstituent des appareils de préchauffage de 1'eau brute, dans lesquels l'eau brute est chauffée par condensation de la vapeur s'échappant des évaporateurs respectifs, de manière que l'eau brute quitte un des appareils de préchauffage à une température aussi voisine que possible de la température de la vapeur s'échappant de l'évaporateur respectif. De la vapeur provenant de l'évaporateur 24 du premier effet traverse son appareil de préchauffage associé 23 pour pénétrer dans la surface de chauffe de l'évaporateur 25 du second effet etc..., de la vapeur du.
dernier effet 20 étant refoulée dans un appareil de distillation 27, dans lequel elle est condensée par l'eau brute s'écou-
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lant à travers If appareil de distillation 27 dans leévaporateur 20.
On peut faire circuler l'eau brute en parallèle dans les différents évaporateurs. mais, comme représenté à la Fig. 2, il est préférable de faire circuler la totalité de 1'eau brute en série à travers les diffé- rents appareils de préchauffage pour la faire pénétrer dans le premier effet 24 sous le contrôle d'un régulateur d'alimentation 29 à flotteur.
L'eau non évaporée dans le corps 24 peut passer dans le second corps d'évaporateur 25 sous contrôle du régulateur d'alimentation 31 à flotteur situé dans ce r.orps et l'eau brute passe ensuits, de manière analogue, suc-
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cessivement â travers les différents effets d'évaporation jusqu-'à ce qu-'elle atteigne l'avant-dernier corps (l'évaporateur d'où l'eau non évaporée peut être soutirée par la pompe à saumure 26 et envoyée à la vidange à travers un appareil d'échange thermique en vue d'une éventuelle récupération de chaleur.
Dans un autre mode de réalisation., comme représenté à la fig.
3 il peut être prévu de faire passer le surplus d'eau dans le dernier effet
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20 d-''où il peut èzrc soutiré par une pompe a saur-1-ire é13 pour être envoyé à. -.La vidange, ou à travers un système a"é,i1al.1ge thermique. Leau prête pour l'usage ou distillée, provenant de l'appareil de distillation 34. et des serpentins du dernier évaportaseur, est soutirée et refoulée vers un réservoir de stockage convenable 35
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er.r7e wr= ess é à la fig - i. ' 'eau brute quittant l'appareil ':,.ô 1 ;"- ..:' 21.i<;=. =;>.;. ' '.'c:l1.nit;e dans un JS' 'r.C" l!'.3.em.eilÛ ouvert .t'V dans
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lequel on peut injecter le produis chimique d'addition.
Une conduite de vapeur perforée 37 peut être prévue pour permettre d'envoyer de la vapeur dans le bac en vue de faciliter le dégagement du gaz carbonique au fur et à mesure du déroulement des réactions chimiques .Au fond du bac 36 est préma. un agitateur mécanique 45.
Une pompe 33 est disposée pour soutirer de l'eau à travers un filtre 46 du bac de traitement 36 et la refouler, à travers les appareils de préchauffauge 39, 40 d'eau brute, dans les corps d'évaporateurs.
Dans chacune de ces réalisations, on voit que le composé chimi- que est ajouté à l'eau brute qui est ensuite soumise, soit à une action de chauffage, soit à une action d'ébullition, de sorte que le gaz carbonique, qui se forme au cours de la dissociation des ions bicarbonate et carbonate, puisse, ou soit forcé de s'échapper de l'eau pour faciliter le déroulement des réactions jusqu'au point nécessaire à l'élimination de la quantité voulue d'ions carbonate, de façon à empêcher la formation de dépots de carbonate de calcium et d'hydroxyde de magnésium dans les parties successives de l'installation d'évaporation à travers lesquelles passe l'eau brute.
Bien entendu, il peut être prévu un système d'échange thermique en différents emplacements de l'installation, de façon à obtenir le rendement thermique maximum, par l'emploi de réchauffage par récupération entre les conduites de vapeur d'eau quittant l'installation et l'eau brute pénétrant dans l'installation.
Il peut être prévu de maintenir les niveaux d'eau dans chacun des corps d'évaporation au moyen de régulateurs d'alimentation contrôlant l'entrée de l'eau aux corps d'évaporation, comme représenté en 29, 31, 32 à la fig. 2, ou 29,31, 41, à la fig. 3; ou bien il peut être prévu d'amener la totalité de l'eau brute dans le premier évaporateur et prévoir un déversoir sur chaque évaporateur pour commander le niveau, en permettant à l'eau de déborder d'un réservoir dans le réservoir suivant, ou, par l'intermédiaire d'une pompe, à la vidange,
ou bien encore on peut faire en sorte que la totalité de l'eau brute soit refoulée dans l'évaporateur du premier effet sur lequel est prévu un régulateur d'évacuation à flotteur pour commander l'écoulement de l'eau du corps d'évaporateur vers la vidange ou vers un autre corps d'évaporateur lorsque le niveau.d'eau dans l'évaporateur s'élève, comme représenté par le régulateur d'évacuation à flotteur 42, 43 et 44 de la fig. 4.
On peut prévoir que l'évaporateur, ou les évaporateurs, dans lequel l'eau brute est évaporée, soit du type à circulation forcée dans lequel la saumure est' soutirée par une pompe de circulation qui refoule dans l'évaporateur à travers un échangeur thermique, l'évaporation étant une consé- quence de l'effet de vaporisation rapide qui résulte du chauffage de la saumure par passage à travers l'échangeur thermique.