Domaine technique

La présente invention concerne un dispositif de transfert de pression destiné à une installation de traitement de fluides par osmose inverse, et en particulier destinée au dessalement de l'eau de mer, ou d'eau saumâtre par osmose inverse. Le dispositif de transfert de pression selon l'invention permet notamment d'augmenter la pression du liquide à traiter pour l'introduire dans une unité de filtration.

Etat de la technique

Les installations de traitement de fluides par osmose inverse nécessitent de comprimer les fluides à traiter à des pressions élevées, de manière à contrebalancer la pression osmotique du fluide. C'est notamment le cas pour le dessalement de l'eau de mer ou d'une eau saumâtre. Une partie de l'énergie requise pour la compression des fluides est dispersée dans les fluides sortant du filtre d'osmose inverse et est par conséquent perdue.

Il est donc avantageux de pouvoir récupérer l'énergie des fluides sortant pour participer à la compression des fluides entrant dans le filtre d'osmose inverse.

Pour ce faire, des échangeurs de pression, tels que celui décrit dans WO2013061229, peuvent être utilisés. Un tel dispositif installé en amont du filtre d'osmose inverse, permet de délivrer une partie des fluides entrants dans le filtre, le reste étant fourni par une pompe haute pression. Le gain d'énergie attribuable à ces dispositifs d'échange de pression peut néanmoins être amélioré. En particulier, dans le cas d'installations comprenant plusieurs unités de filtration, le rendement de l'augmentation de pression entre deux unités de filtration par le concentrât de la seconde unité de filtration, obtenue grâce aux technologies actuellement utilisées, reste moyen. Il est donc nécessaire de trouver un moyen d'augmenter la pression des fluides avec un rendement plus élevé, permettant de minimiser les dépenses énergétiques. Exposé de l'invention

La présente invention se rapporte à un dispositif de transfert de pression utilisable pour augmenter la pression d'un fluide à traiter par osmose inverse par un fluide déjà traité. Le fluide à traiter désigne un fluide comprenant un ou plusieurs solutés, en concentration variable. Il peut notamment désigner une eau saline telle que l'eau de mer ou de l'eau saumâtre, également connue sous le terme de « Brackish water ». Le fluide à traiter peut avoir subi un premier traitement par osmose inverse ou aucun traitement par osmose inverse. Il peut être notamment le concentrât issu d'une première unité de filtration par osmose inverse, destiné à être traité par une seconde unité de filtration par osmose inverse. Dans le cas d'une installation de dessalement d'eau de mer, le concentrât désigne l'eau sursalée sortant d'une unité de filtration. Le liquide à traiter est comprimé grâce au dispositif de transfert de pression de la présente invention et injecté dans une unité de filtration. Le concentrât résultant de la filtration est utilisé en retour par le dispositif de transfert de pression pour comprimer le liquide à traiter. Une installation de traitement par osmose inverse peut comprendre une ou plusieurs unités de filtrations. Dans le cas d'une installation comprenant une seule unité de filtration, le concentrât issu de cette unité de filtration est utilisé pour comprimer l'eau de mer à dessaler en amont de cette unité de filtration.

Dans le cas où l'installation comprend plusieurs unités de filtration, le dispositif de transfert de pression selon la présente invention peut être disposé entre deux unités de filtration, de manière à compresser le premier concentrât, issue d'une première unité de filtration, avant son traitement par une seconde unité de filtration. Dans ce cas, la pression du second concentrât, issu de la seconde unité de filtration est mise à profit pour la compression du premier concentrât. Pour ce faire, le dispositif de transfert de pression comprend un piston ayant une partie centrale et une partie annulaire. La partie centrale du piston coulisse dans un premier cylindre, alors que la partie annulaire coulisse de manière concomitante dans un second cylindre, plus large que le premier cylindre. Le second cylindre est alimenté par le fluide à traiter et le premier cylindre est alimenté par le concentrât issu d'une unité de filtration.

La pression appliquée sur la partie centrale du piston par le concentrât issu d'une unité de filtration est transmise au fluide à traiter dans le second cylindre, grâce à la partie annulaire du piston. La pression du fluide à traiter est ainsi augmentée.

Le piston établit un cycle alternatif de compression et de retour grâce à l'admission et l'évacuation alternative du concentrât dans le premier cylindre. Le fluide à traiter est comprimé par la partie annulaire du piston grâce à un ensemble de clapets permettant tour à tour de comprimer le fluide dans un espace intermédiaire du second cylindre et de rétablir la pression d'entrée de ce fluide dans cet espace intermédiaire, en fonction du mouvement du piston. Dans la phase de compression, la pression d'entrée du fluide à traiter exerce sur la partie annulaire du piston une force qui s'ajoute à celle exercée par la pression du concentrât sur la partie centrale du piston.

Une admission parallèle d'un des fluides peut être utilisée pour induire le mouvement de retour du piston. En particulier, une partie du concentrât peut être dirigée sur une surface arrière du piston pour le ramener en position de début de compression.

Le dispositif selon la présente invention se caractérise par l'un ou plusieurs des éléments suivants :

L'axe longitudinal du premier cylindre et celui du second cylindre sont confondus.

La partie centrale du piston coopère avec le premier cylindre, alors que la partie annulaire du piston coopère avec le second cylindre, le diamètre du premier cylindre étant inférieur à celui du second cylindre. - La partie annulaire du piston délimite deux espaces dans le second cylindre. Un premier espace étant en communication fluidique avec l'admission du fluide à traiter et un second espace étant en communication fluidique avec l'évacuation du fluide à traiter vers une unité de filtration. - La partie annulaire du piston est pourvue d'un ou plusieurs clapets, pouvant être en position fermée ou ouverte. Ils sont notamment en position fermée en phase de compression du piston, et en position ouverte en phase de retour du piston. Le ou les clapets solidaires de la partie annulaire du piston permettent une communication fluidique entre le premier et le second espace pendant la phase de retour et bloquent la communication fluidique entre le premier et le second espace en phase de compression.

Le ou les clapets solidaires de la partie annulaire du piston adopte une position ouverte lorsque la pression du fluide dans des deux espaces délimités par la partie annulaire du piston est égale, et une position fermée lorsque la pression du fluide est différente dans les deux espaces délimités par la partie annulaire du piston.

La communication fluidique entre le second espace et l'évacuation du liquide à traiter vers une unité de filtration est assurée par un ou plusieurs clapets pouvant être en position fermée ou ouverte. Le ou les clapets situés entre le second espace et l'évacuation du liquide à traiter sont fermés lors de la phase de retour et ouverts lors de la phase de compression.

L'admission dans le premier cylindre du concentrât issu d'une unité de filtration est effectuée par une vanne dynamique. Une vanne dynamique permet tour à tour l'admission d'un fluide et son évacuation, selon un cycle répétitif. En particulier, une telle vanne dynamique peut être une vanne rotative, ouvrant et fermant de manière alternative un conduit d'admission et un conduit d'évacuation. Une vanne dynamique, ou rotative, peut être entraînée par un moteur thermique ou électrique. Une telle vanne rotative peut être par exemple celle décrite dans la demande de brevet PCT/IB2016/055141.

Une alimentation continue d'un fluide peut être prévue vers l'une des surfaces arrière du piston. Les surfaces arrière du piston désignent les surfaces orientées dans le sens du mouvement de compression du piston. L'application d'un fluide sur une face arrière du piston induit le mouvement du piston dans le sens du retour. Par opposition, les surfaces avant du piston désignent les surfaces recevant les forces permettant de faire mouvoir le piston en phase de compression. L'alimentation continue du fluide est de préférence orientée vers la surface arrière de la partie centrale du piston. L'alimentation continue peut en l'occurrence être disposée entre la partie centrale et la partie annulaire du piston. Le fluide admis par l'alimentation continue est une partie du concentrât utilisé pour comprimer le fluide à traiter. L'alimentation continue peut être remplacée par une alimentation alternative, dont le fluide est distribué par une vanne dynamique. Cette disposition permet de distribuer le fluide sur la face arrière du piston seulement lors de son mouvement de retour.

La surface avant de la partie centrale du piston, interagissant avec le concentrât alternativement admis dans le premier cylindre, est supérieure à la surface arrière de la partie centrale du piston, sur laquelle s'applique le fluide admis par l'alimentation continue.

La présente invention concerne également une installation de traitement de fluides par osmose inverse, comprenant une ou plusieurs unités de filtration par osmose inverse et un ou plusieurs dispositifs de transfert de pression. Le ou les dispositifs de transfert de pression d'une telle installation se caractérisent par l'un ou plusieurs des aspects décrits ci-dessus. L'installation peut comporter en amont d'une unité de filtration par osmose inverse une ou plusieurs pompes sélectionnées parmi une pompe d'alimentation, et une pompe haute pression.

L'installation comprend de manière avantageuse un ou plusieurs groupes de dispositifs de transfert de pression, où les dispositifs de transfert de pression sont de préférence disposés en parallèle au sein d'un groupe, de manière à ce que le flux global de concentrât utilisé pour comprimer le fluide à traiter se répartisse dans l'ensemble des dispositifs de transfert de pression du groupe. Les vannes dynamiques ou rotatives des dispositifs de transfert de pression sont alors orientées de manière à ce que leur position angulaire relative soit décalée. La position angulaire des vannes dynamiques ou rotatives d'un groupe de dispositifs de transfert de pressions est décalée de manière à ce que le flux de concentrât soit admis dans l'ensemble des dispositifs de transfert de pression du groupe de manière homogène et continue. La présente invention inclut le procédé de compression, comprenant notamment une étape de compression du fluide à traiter et une étape de retour. L'étape de compression du fluide à traiter est effectuée grâce à la poussée d'un second fluide appliqué sur la partie centrale du piston. La partie annulaire permet de transférer cette poussée au fluide à traiter. Brève description des schémas

Figure la : Schéma simplifié d'une installation selon la présente invention comprenant une unité de filtration

Figure lb : Schéma simplifié d'une installation selon la présente invention comprenant deux unités de filtration.

Figure 2 : Répartition des fluides dans le dispositif de transfert de pression lors de la phase de compression.

Figure 3 : répartition des fluides dans le dispositif de transfert de pression lors de la phase de retour. Description détaillée de l'invention

Des exemples d'installation de traitement de fluide G par osmose inverse, et notamment pour le traitement de l'eau de mer ou d'une eau saumâtre, sont schématisés par les figures la et lb. L'installation schématisée par la figure la comprend une première unité de filtration Fl par osmose inverse, dans laquelle le fluide à traiter G est introduit à une première pression PI, grâce à une pompe haute pression W. À la sortie de cette première unité de filtration Fl est recueillie une première fraction d'eau traitée Gl, d'une part, et le concentrât Cl, d'autre part, dont la pression de sortie est Ρ . Le concentrât Cl est recueilli pour être filtré dans une seconde unité de filtration F2 par osmose inverse, de manière à produire une seconde fraction d'eau traitée G2. Le concentrât C2 est évacué de la seconde unité de filtration F2 à une pression P3.

Le concentrât Cl est injecté dans la seconde unité de filtration F2 à une pression P2 supérieure à la pression Ρ . Entre la première unité de filtration Fl et la seconde unité de filtration F2, la pression du concentrât Cl est augmentée de la valeur Ρ à la valeur P2 grâce à un dispositif de transfert de pression R, alimenté par le concentrât C2 issu de la seconde unité de filtration F2. Le dispositif de transfert de pression R comprend une vanne V permettant d'alimenter de manière alternative un cylindre K comportant un piston M mobile en translation dans le cylindre K. En particulier le piston M comprend une partie centrale Ml et une partie annulaire M2, et le cylindre K comprend un premier cylindre Kl et un second cylindre K2.

La partie centrale Ml du piston est mobile en translation dans le premier cylindre Kl, et la partie annulaire M2 du piston M est mobile en translation dans le second cylindre K2. La partie annulaire M2 du piston M et la partie centrale Ml du piston sont solidaires du corps du piston M traversant les premier Kl et second K2 cylindres. La partie annulaire M2 est disposée à la circonférence du corps du piston alors que la partie centrale Ml est disposée à l'extrémité avant du corps du piston, la plus proche de l'admission du second concentrât C2. Le corps du piston peut être de longueur variable, pour peu qu'il maintienne la partie centrale Ml et la partie annulaire M2 à une distance l'une de l'autre adaptée à la course du piston dans les premier Kl et second K2 cylindres et aux autres éléments du dispositif d'échange de pression R. Le corps du piston peut s'étendre au-delà de la partie annulaire M2. Il peut être prévu que le débattement du corps du piston M s'étende à l'extérieur du cylindre K. Les premier Kl et second K2 cylindres sont disposés selon un même axe longitudinal. Le diamètre du premier cylindre Kl est inférieur à celui du second cylindre K2. La partie centrale Ml du piston M délimite dans le premier cylindre Kl une chambre Ll, en communication fluidique avec la vanne V. La vanne V comporte une admission VI du concentrât C2, issu de la seconde unité de filtration F2, et un échappement V2 du concentrât C2. Le concentrât C2 admis à la pression P3 dans la chambre Ll du premier cylindre Kl exerce alors une pression sur la surface avant S I de la partie centrale Ml du piston.

La partie annulaire M2 du piston M délimite un premier espace Tl et un second espace T2, compris entre la paroi interne du second cylindre K2 et le corps du piston. Les premier Tl et second T2 espaces sont en communication fluidique grâce à un ou plusieurs clapets B l solidaires de la partie annulaire M2 du piston M. Le nombre de clapets B l peut être compris entre 1 et 20, et de préférence entre 5 et 15. Le nombre de clapets B l peut être adapté aux dimensions du dispositif d'échange de pression K, et/ou en fonction de ses applications. Le premier espace Tl est alimenté en concentrât Cl, issu de la première unité de filtration Fl, par le conduit d'alimentation Al, à la pression Ρ . Le concentrât Cl exerce alors une pression sur la surface avant S2 de la partie annulaire M2 du piston M.

Le second espace T2 est en communication fluidique avec la conduite d'évacuation A2 du premier concentrât Cl, d'où le concentrât Cl est évacué à la pression P2 vers la seconde unité de filtration F2. La communication fluidique est effectuée par un ou plusieurs clapets B2. Le nombre de clapets B2 peut être compris entre 1 et 20, et de préférence entre 5 et 15. Le nombre de clapets B2 peut être adapté aux dimensions du dispositif d'échange de pression K, et/ou en fonction des applications. Le premier concentrât Cl exerce alors une pression sur la surface arrière S4 de la partie annulaire M2 du piston, opposée à sa surface S2.

Dans le second espace T2, la pression varie alternativement d'une valeur Ρ à une valeur P2, en fonction de la course du piston dans le cylindre, et en particulier en fonction de la course de la partie annulaire M2 du piston M dans le second cylindre K2. La pression dans le second espace T2 passe notamment de la valeur Ρ à la valeur P2 pendant la phase de compression, lorsque le piston M est mu en translation dans le cylindre K, grâce à l'admission du concentrât C2 par la vanne V, jusqu'à sa position la plus éloignée de la vanne V. La pression dans le second espace T2 passe de la valeur P2 à Ρ pendant la phase de retour, où le piston M revient à sa position la plus proche de la vanne V, suite à l'évacuation du concentrât C2 par l'évacuation V2 de la vanne V.

En phase de compression, le clapet B2, ou l'ensemble des clapets B2, se trouve en position ouverte, permettant la communication entre le conduit d'évacuation A2 et le second espace T2, et le clapet B l, ou les clapets B l, se trouve en position fermée, bloquant la communication fluidique entre le premier Tl et le second T2 espaces. La fermeture d'un clapet B l peut être conditionnée à la différence de pression entre les espaces Tl et T2. Un clapet B l peut être automatiquement fermé lorsque la pression dans le second espace T2 est supérieure à la pression dans le premier espace Tl, ou lorsque la pression dans le second espace T2 est supérieure à la pression dans le premier espace Tl d'une valeur seuil prédéterminée. Un clapet B 1 peut s'ouvrir sous l'effet d'un ressort de rappel lorsque les pressions dans les premier Tl et second T2 espaces s'égalisent, ou lorsque la différence de pression entre les premier Tl et second T2 espaces passe sous une valeur seuil prédéterminée. Un clapet B 1 peut être ouvert sous l'influence d'un ressort de rappel lorsque la différence de pression le permet.

En phase de retour, le ou les clapets B2, se trouvent en position fermée, bloquant la communication fluidique entre le conduit d'évacuation A2 et le second espace T2, et le ou les clapets B l, se trouvent en position ouverte, permettant la communication fluidique entre les premier Tl et le second T2 espaces. Les pressions dans les espaces Tl et T2 s'équilibrent donc.

Le cylindre K est en outre pourvu d'une alimentation continue E en concentrât C2, issu de la seconde unité de filtration F2, produisant un volume résiduel El sur une surface arrière S 3 de la partie centrale Ml du piston M, opposée à sa surface S I. La surface arrière S3 de la partie centrale Ml du piston M est inférieure à sa surface avant S I. L'alimentation continue E peut notamment être prévue sur une surface latérale du cylindre K. L'alimentation continue E en concentrât C2 peut par exemple être aménagée dans le premier cylindre Kl, proche du second cylindre K2. L'alimentation continue E peut notamment être aménagée entre les parties centrale Ml et annulaire M2 du piston M. L'alimentation E peut plus particulièrement être aménagée entre la partie annulaire M2 du piston M et la conduite d'admission Al du concentrât Cl.

Le concentrât C2 est admis dans la chambre Ll du premier cylindre K à la même pression P3 que dans l'alimentation continue E, mais du fait de la différence de surface, S 1 étant plus grande que S2, le concentrât C2 admis dans la chambre Ll du premier cylindre Kl met le piston en mouvement dans le sens de la compression.

Inversement, lors de la phase de retour, le concentrât C2 évacué par la conduite d'évacuation V2 de la vanne V n'oppose plus de pression sur la surface S 1 de la partie centrale Ml du piston, et le volume El continue d'exercer une pression résiduelle sur sa surface S2, initiant son mouvement de retour.

La phase de compression se poursuit jusqu'à l'équilibre des pressions exercées de part et d'autre du piston. En d'autres termes, les pressions combinées du concentrât C2 admis à la pression P3 par la vanne V sur la surface S I, et du concentrât Cl admis à la pression Ρ par l'admission Al sur la surface S2, compensent les pressions exercées par le concentrât Cl à la pression P2 sur la surface S4 et par le concentrât C2, à la pression P3 sur la surface S3 du piston.

L'équilibre peut alors être déterminé par l'équation suivante :

(S I- S3) x P3 + S2 x PI' = S4 x P2

Où

51 désigne la surface avant de la partie centrale Ml du piston en contact avec le second concentrât C2, de pression P3,

53 désigne la surface arrière de la partie centrale Ml du piston en contact avec le concentrât C2, de pression P3,

52 désigne la surface avant de la partie annulaire M2 du piston en contact avec le premier concentrât Cl de pression Ρ

54 désigne la surface arrière de la partie annulaire M2 du piston en contact avec le premier concentrât Cl à la pression P2.

La vanne V est pilotée de manière à fermer l'admission VI du concentrât C2 et à ouvrir l'échappement V2 du concentrât C2 au moment où le piston M atteint son point d'équilibre le plus éloigné de la vanne V. Le ou les clapets B2, se ferment au même moment, isolant la conduite d'évacuation A2 du second espace T2. Le ou les clapets B l, s'ouvrent, permettant aux premier Tl t second T2 espaces de se rééquilibrer à la pression Ρ .

La vanne V est pilotée de manière à fermer l'évacuation V2 du concentrât C2 et à ouvrir l'admission VI du concentrât C2 au moment où la partie centrale Ml du piston M atteint son point le plus proche de la vanne V. Simultanément à cette disposition de la vanne V, le ou les clapets B2 s'ouvrent, permettant la communication fluidique entre le second espace T2 et l'évacuation A2 du premier concentrât Cl, et le ou les clapets B l se ferment. Une installation selon la présente invention comprend au moins un dispositif de transfert de pression R, disposé entre la première Fl et la second F2 unité de filtration. Les dispositifs de transfert de pression R peuvent être réunis en un ou plusieurs groupes, comprenant chacun 1 à 10 dispositifs de transferts de pression. Dans un groupe de dispositifs de transfert de pression R, chaque dispositif R comprend une vanne dynamique V, et les dispositifs de transfert de pression R sont disposés en parallèle. De préférence, un groupe contient de 2 à 5 dispositifs R disposés en parallèle, et plus particulièrement 4 dispositifs de transfert de pression. Le flux global de second concentrât C2, sortant de la seconde unité de filtration F2, alimente l'ensemble des dispositifs R d'un groupe. De manière à conserver un flux constant, les vannes dynamiques V d'un ensemble de dispositifs de transfert de pression R d'un groupe sont chacune à une position angulaire décalée par rapport aux autres.

Le dispositif de transfert de pression R fonctionne de la manière décrite ci-dessus dans le cas où une installation ne comprend qu'une unité de filtration Fl, telle que celle représentée à la figure lb. Dans ce cas l'eau de mer remplace le premier concentrât Cl décrit ci-dessus, et le concentrât issu de l'unité de filtration unique agit comme le second concentrât C2 de la manière décrite ci-dessus. Dans ce cas également, plusieurs dispositifs de transfert de pression R peuvent être disposés en parallèle pour former un groupe de dispositifs de transfert de pression R, avec les mêmes dispositions que celles décrites plus haut. II est également envisagé qu'une installation comprenant plusieurs unités de filtration soit équipée d'un premier dispositif, ou groupe de dispositifs, de transfert de pression RI, disposé entre deux unités de filtration, et d'un second dispositif, ou groupe de dispositifs, de transfert de pression R2 disposé en amont de la première unité de filtration. Le dispositif, ou groupe de dispositifs, de transfert de pression R2 situé en amont de la première unité de filtration peut alors être alimenté par le concentrât de l'une ou plusieurs des unités de filtration, de manière à comprimer l'eau de mer pour son traitement.