Procédé et installation de distillation de solutions salines
Le présent brevet a pour objets un procédé et une installation de distillation de solutions salines, applicables notamment au dessalement de l'eau de mer, comportant la détente d'une solution à distiller préalablement chauffée, en une série d'étapes à des pressions progressivement décroissantes et la condensation de la vapeur de solvant pur produite à chaque étape par mélange avec du solvant condensé provenant de l'étape suivante, la condensation s'effectuant dans la dernière étape par un recyclage de solvant condensé et refroidi, le solvant pur froid circulant ainsi d'une étape à l'autre dans le sens inverse de la solution à distiller.
Dans un tel procédé, la condensation des vapeurs par mélange, qui évite l'utilisation des grandes surfaces d'échange nécessaires dans d'autres procédés, permet de réduire les écarts de température d'échange et d'améliorer le rendement de l'opération. Par contre, le maintien des pressions relatives dans les différentes étapes pose des problèmes délicats de mise en oeuvre, qui n'ont pu être correctement résolus jusqu'à ce jour.
En effet, si l'on utilise des pompes pour renvoyer le solvant condensé à chaque étape vers l'étape précédente, la complexité de l'installation, tant du point de vue de sa construction que de celui du fonctionnement, augmente considérablement le coût du procédé. Les seuls procédés qui ont été proposés jusqu a ce jour pour éviter l'emploi de telles pompes, ne résolvent pas le problème: en particulier, ils ne permettent pas la réalisation d'un grand nombre d'étapes et restent très difficiles à mettre en oeuvre correctement.
L'invention vise à la conception d'un procédé de distillation de solutions salines répondant mieux que les précédents aux diverses exigences de la pratique. notamment par sa simplicité et par sa sécurité de fonctionnement.
A cet effet, le procédé de distillation de solutions salines selon l'invention est caractérisé en ce que les pressions relatives dans les différentes étapes sont obtenues en disposant les condenseurs à des niveaux de plus en plus élevés dans le sens des pressions décroissantes, et en prélevant le solvant condensé sous une couche de solvant maintenu dans chaque condenseur.
L'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comportant des moyens de circulation d'une solution à distiller dans une série d'évaporateurs maintenus à des pressions progressivement décroissantes, et une série de condenseurs associés un à un aux évaporateurs et alimentés chacun par la vapeur de solvant pur produite par détente dans l'évaporateur associé et par le solvant pur condensé provenant du condenseur associé à l'évaporateur suivant de la série, la vapeur se condensant par mélange avec le solvant condensé, est caractérisée en ce que les condenseurs associés aux évaporateurs sont disposés à des niveaux différents de plus en plus hauts dans le sens des pressions décroissantes,
et en ce que chaque condenseur comporte un récipient de solvant condensé et des moyens d'écoulement du solvant condensé vers des moyens de dispersion dans une zone de vapeur du condenseur directement inférieur, associé à l'évaporateur précédent, les moyens d'écoulement étant disposés de manière à maintenir, au-dessus des moyens de dispersion, une hauteur de liquide correspondant à la différence de pression entre les deux condenseurs successifs.
Selon des modes de réalisation particuliers du dispositif, on peut par exemple superposer les condenseurs dans une tour cylindrique alors que les évaporateurs sont disposés tout autour de cette tour, ou encore superposés dans une autre tour cylindrique. On peut également superposer le condenseur et l'évaporateur d'un même étage dans une chambre annulaire, les différentes chambres étant délimitées par une série de colonnes cylindriques coaxiales.
Une forme d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé auquel:
La fig. 1 illustre schématiquement le procédé.
La fig. 2 est une vue en coupe partielle de l'installation.
Sur la fig. 1, la solution à distiller constituée d'eau de mer, pénètre sous pression dans un préchauffeur 2, par la conduite 1. Elle y est préchauffée par échange avec du solvant pur, c'est-à-dire de l'eau douce produite dans l'installation. Elle va ensuite au réchauffeur 3 où elle est portée à une temp#rature T avant d'être envoyée dans le premier évaporateur 4 où elle est détendue jusqu'à une pression P. Cette détente provoque la vaporisation d'une fraction de l'eau de la solution, qui est envoyée au condenseur 5 où elle se condense au contact d'une dispersion d'eau douce venant du condenseur 7 de l'étage suivant. La fraction de la solution qui n'a pas été évaporée dans le premier évaporateur, est envoyée dans le deuxième évaporateur 6 où elle est détendue de la pression P à la pression P¯A P en se vaporisant partiellement.
La fraction d'eau vaporisée est envoyée dans le deuxième condenseur 7 pour être condensée par une dispersion d'eau douce venant de l'étage suivant. A chaque étage de l'installation, le même processus se répète. On obtient dans le dernier évaporateur 8 de la saumure plus concentrée que l'eau de mer. Cette saumure est évacuée par la conduite 11. Elle est éventuellement partiellement recyclée avec l'eau de mer à dessaler.
A la sortie du condenseur 5 du premier étage, associé à l'évaporateur 4, on obtient de l'eau douce pure qui est évacuée par la conduite 12. Cette eau est refroidie dans le préchauffeur 2 d'eau de mer et une partie est ensuite prélevée pour alimenter, par l'intermédiaire de la conduite 10, le dernier condenseur 9.
La progression de l'eau de mer d'un évaporateur au suivant est assurée grâce à la différence de pression A P maintenue entre deux étages successifs. La circulation de l'eau douce, qui s'effectue à contrecourant de l'eau de mer, est assurée par simple gravité à partir du condenseur 9. Les condenseurs successifs sont disposés à des niveaux différents et sont reliés les uns aux autres par des conduites de trop-plein qui permettent de conserver dans chaque condenseur un niveau d'eau toujours constant. Ce niveau est fixé de manière que la hauteur de liquide entre deux condenseurs successifs corresponde à la chute de pression A P que l'on désire maintenir entre les deux étages. L'équilibre des pressions est ainsi assuré de manière automatique.
Le nombre d'évaporateurs utilisés dépend essentiellement de la nature de la solution à concentrer, du degré de concentration recherché, du débit d'alimentation, de la température et de la pression sous lesquelles la solution à concentrer pénètre dans le premier évaporateur.
Pour une marche régulière de l'installation, cette température et cette pression doivent être maintenues constantes pendant toute la durée du processus.
L'installation représentée schématiquement sur la fig. 2, est constituée par une série de quatre colonnes coaxiales 14, 16, 18 et 20 délimitant entre elles des chambres annulaires. Ces chambres constituent les différents étages d'évaporateurs et de condenseurs dans lesquels s'effectue le procédé: évaporateur et condenseur associé sont, pour chaque étage, superposés dans une même chambre. La chambre axiale 13 délimitée par la colonne 14 forme le premier étage, à la pression P. Les colonnes 14 et 16 délimitent la chambre annulaire 15 du second étage, à la pression P - A P, et ainsi de suite pour les chambres 17 et 19.
Chaque chambre annulaire est décalée vers le haut par rapport à la précédente et présente une surface de base plus importante.
Les différentes chambres annulaires sont conçues de manière similaire. Si l'on considère par exemple la chambre annulaire 17 délimitée par les colonnes 16 et 18, on y trouve une partie inférieure formant l'évaporateur 22 de l'étage à la pression P -2 A P, un collecteur annulaire 23 et une partie supérieure constituant le condenseur 24 et recevant l'eau douce condensée dans la chambre 19 (étage P - 3 A P) par les orifices 26. Un plateau perforé 27, de forme annulaire, répartit cette eau douce sous forme de pluie dans le condenseur 24. Le collecteur annulaire 23 reçoit cette pluie en même temps que la vapeur condensée par cette dernière et communique avec le haut de la chambre 15 par des orifices 28 par lesquels l'eau se déverse dans le condenseur de l'étage P - A P.
L'évaporateur 22 communique avec le fond de la chambre suivante 19 par des orifices 30 qui permettent à l'eau de mer non vaporisée de passer dans l'évaporateur suivant sous l'influence de la chute de pression A P.
L'eau de mer préchauffée sortant du réchauffeur 32 est introduite à la base de la chambre axiale 13. La dernière chambre 19 comporte par ailleurs, à son extrémité supérieure, deux conduites diamétralement opposées par lesquelles est introduite de l'eau douce froide prélevée sur l'eau douce produite par l'installation, à la sortie du préchauffeur d'eau de mer 33.
L'eau de mer et l'eau douce circulent à contrecourant d'une chambre à l'autre.
A chaque étage, l'eau de mer se détend avec vaporisation partielle et la fraction d'eau vaporisée est condensée et entraînée avec l'eau douce.
Le fond de la dernière chambre 19 comporte une conduite 34 par laquelle est rejetée la saumure concentrée, dont une partie est recyclée vers le fond de la chambre 13. L'eau douce finalement recueillie par le collecteur de la chambre axiale 13 est évacuée vers le préchauffeur 33. Une partie de cette eau ainsi refroidie est reprise et renvoyée dans la chambre externe 19.
A chaque étage, l'eau douce rassemblée dans le collecteur 23 se déverse par trop-plein au-dessus du plateau perforé de l'étage précédent. La distance entre ces orifices et le plateau perforé est, à chaque étage, calculée de manière à maintenir une différence de pression A P entre deux étages successifs.
Les surfaces de base de chaque chambre annulaire sont établies en fonction du volume nécessaire. Les deux facteurs principaux suivants sont pris en considération:
1. La chute de température A t due à la détente qui augmente d'une chambre à l'autre. Donc, la quantité de vapeur dégagée, proportionnelle à A t (en supposant la chaleur de vaporisation constante), augmente et nécessite, à pression égale, un volume plus important.
2. La chute de pression d'une chambre à l'autre, qui fait que, d'une part, le volume occupé par une quantité donnée de vapeur augmente, et d'autre part, la séparation liquidelvapeur est plus difficile, ce qui demande encore un plus grand volume.
Dans une réalisation particulière, l'installation décrite, comportant 4 étages, assure une production de 100 m3/j d'eau douce. La température d'entrée de la saumure est de 730 C, celle de sortie de 290 C. La chute de pression entre deux étages est de 60 mm Hg".
Method and plant for distillation of saline solutions
The present patent relates to a method and an installation for the distillation of saline solutions, applicable in particular to the desalination of sea water, comprising the expansion of a solution to be distilled beforehand heated, in a series of steps at pressures progressively decreasing and condensation of the pure solvent vapor produced in each step by mixing with condensed solvent from the next step, the condensation taking place in the last step by recycling condensed and cooled solvent, the cold pure solvent circulating thus from one step to another in the reverse direction of the solution to be distilled.
In such a process, the condensation of the vapors by mixing, which avoids the use of the large exchange surfaces necessary in other processes, makes it possible to reduce the exchange temperature differences and to improve the efficiency of the operation. . On the other hand, maintaining the relative pressures in the various stages poses delicate problems of implementation, which have not been able to be correctly resolved to date.
In fact, if pumps are used to return the solvent condensed at each stage to the previous stage, the complexity of the installation, both from the point of view of its construction and that of operation, considerably increases the cost of process. The only methods which have been proposed to date for avoiding the use of such pumps do not solve the problem: in particular, they do not allow a large number of steps to be carried out and remain very difficult to implement. works correctly.
The invention aims at the design of a method for the distillation of saline solutions which responds better than the previous ones to the various requirements of the practice. in particular by its simplicity and its operational safety.
To this end, the method for distilling saline solutions according to the invention is characterized in that the relative pressures in the various stages are obtained by placing the condensers at increasingly high levels in the direction of decreasing pressures, and by taking the condensed solvent under a layer of solvent maintained in each condenser.
The installation for implementing the process according to the invention comprising means for circulating a solution to be distilled in a series of evaporators maintained at progressively decreasing pressures, and a series of condensers associated one by one with the evaporators and each fed by the pure solvent vapor produced by expansion in the associated evaporator and by the pure condensed solvent coming from the condenser associated with the next evaporator in the series, the vapor condensing by mixing with the condensed solvent, is characterized in that that the condensers associated with the evaporators are arranged at different levels which are higher and higher in the direction of decreasing pressures,
and in that each condenser comprises a container of condensed solvent and means for flow of the condensed solvent to means of dispersion in a vapor zone of the directly lower condenser, associated with the preceding evaporator, the flow means being arranged so as to maintain, above the dispersion means, a height of liquid corresponding to the pressure difference between the two successive condensers.
According to particular embodiments of the device, it is for example possible to superimpose the condensers in a cylindrical tower while the evaporators are arranged all around this tower, or even superimposed in another cylindrical tower. It is also possible to superimpose the condenser and the evaporator of the same stage in an annular chamber, the different chambers being delimited by a series of coaxial cylindrical columns.
An embodiment of the installation for implementing the method according to the invention will be described, by way of example, with reference to the appended drawing to which:
Fig. 1 schematically illustrates the process.
Fig. 2 is a partial sectional view of the installation.
In fig. 1, the solution to be distilled consisting of sea water, enters under pressure into a preheater 2, via line 1. It is preheated there by exchange with pure solvent, that is to say fresh water produced in the installation. It then goes to heater 3 where it is brought to a temperature T before being sent to the first evaporator 4 where it is expanded to a pressure P. This expansion causes the vaporization of a fraction of the water of the solution, which is sent to the condenser 5 where it condenses on contact with a dispersion of fresh water coming from the condenser 7 of the next stage. The fraction of the solution which has not been evaporated in the first evaporator is sent to the second evaporator 6 where it is expanded from the pressure P to the pressure P¯A P while partially vaporizing.
The vaporized water fraction is sent to the second condenser 7 to be condensed by a dispersion of fresh water coming from the following stage. On each floor of the installation, the same process is repeated. In the last evaporator 8, more concentrated brine than seawater is obtained. This brine is discharged through line 11. It is optionally partially recycled with the seawater to be desalinated.
At the outlet of the condenser 5 of the first stage, associated with the evaporator 4, pure fresh water is obtained which is discharged through the pipe 12. This water is cooled in the seawater preheater 2 and a part is then taken to supply, via line 10, the last condenser 9.
The progression of seawater from one evaporator to the next is ensured by the pressure difference A P maintained between two successive stages. The circulation of fresh water, which is carried out against the current of sea water, is ensured by simple gravity from the condenser 9. The successive condensers are arranged at different levels and are connected to each other by overflow pipes that keep the water level in each condenser always constant. This level is set so that the height of liquid between two successive condensers corresponds to the pressure drop A P that it is desired to maintain between the two stages. The pressure balance is thus ensured automatically.
The number of evaporators used depends essentially on the nature of the solution to be concentrated, the degree of concentration sought, the feed rate, the temperature and the pressure under which the solution to be concentrated enters the first evaporator.
For regular operation of the installation, this temperature and pressure must be kept constant throughout the process.
The installation shown schematically in FIG. 2, consists of a series of four coaxial columns 14, 16, 18 and 20 delimiting between them annular chambers. These chambers constitute the different stages of evaporators and condensers in which the process is carried out: evaporator and associated condenser are, for each stage, superimposed in the same chamber. The axial chamber 13 delimited by the column 14 forms the first stage, at the pressure P. The columns 14 and 16 define the annular chamber 15 of the second stage, at the pressure P - AP, and so on for the chambers 17 and 19 .
Each annular chamber is offset upwards with respect to the previous one and has a larger base surface.
The different annular chambers are designed in a similar way. If we consider for example the annular chamber 17 delimited by the columns 16 and 18, there is a lower part forming the evaporator 22 of the stage at the pressure P -2 AP, an annular manifold 23 and an upper part constituting the condenser 24 and receiving the fresh water condensed in the chamber 19 (stage P - 3 AP) through the orifices 26. A perforated plate 27, of annular shape, distributes this fresh water in the form of rain in the condenser 24. The annular collector 23 receives this rain at the same time as the vapor condensed by the latter and communicates with the top of the chamber 15 through orifices 28 through which the water flows into the condenser of the stage P - A P.
The evaporator 22 communicates with the bottom of the next chamber 19 through orifices 30 which allow unvaporized seawater to pass into the next evaporator under the influence of the pressure drop A P.
The preheated sea water leaving the heater 32 is introduced at the base of the axial chamber 13. The last chamber 19 also comprises, at its upper end, two diametrically opposed pipes through which is introduced cold fresh water taken from fresh water produced by the installation at the outlet of the seawater preheater 33.
Sea water and fresh water flow backwards from one chamber to another.
At each stage, the sea water expands with partial vaporization and the vaporized water fraction is condensed and entrained with the fresh water.
The bottom of the last chamber 19 comprises a pipe 34 through which the concentrated brine is discharged, part of which is recycled to the bottom of the chamber 13. The fresh water finally collected by the collector of the axial chamber 13 is discharged to the bottom. preheater 33. A portion of this cooled water is taken up and returned to the external chamber 19.
On each stage, the fresh water collected in the collector 23 flows through an overflow above the perforated plate of the previous stage. The distance between these orifices and the perforated plate is, at each stage, calculated so as to maintain a pressure difference A P between two successive stages.
The base surfaces of each annular chamber are established according to the volume required. The following two main factors are taken into consideration:
1. The drop in temperature A t due to the expansion which increases from one chamber to another. Therefore, the quantity of vapor given off, proportional to A t (assuming the heat of vaporization constant), increases and requires, at equal pressure, a larger volume.
2. The pressure drop from one chamber to another, which makes that, on the one hand, the volume occupied by a given quantity of steam increases, and on the other hand, the liquid-vapor separation is more difficult, which requires even greater volume.
In a particular embodiment, the installation described, comprising 4 stages, ensures a production of 100 m3 / d of fresh water. The inlet temperature of the brine is 730 C, that of the outlet 290 C. The pressure drop between two stages is 60 mm Hg ".