DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne une pompe à pression et à recirculation de liquide qui inclut principalement une entrée et une sortie intermédiaires de liquide. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à une installation servant à la concentration d'une solution, notamment l'eau d'érable, de l'eau impure, et autres, par utilisation d'un procédé faisant usage d'une membrane semi-perméable. Selon la présente invention, la pompe à pression sert à la fois pour l'acheminement du liquide, tel que l'eau d'érable, d'une cuve de stockage vers un filtre, et ensuite pour 1 ' introduction sous pression du liquide filtré dans le compartiment qui renferme la membrane, et enfin pour la recirculation dudit liquide en vue de remédier au colmatage de la membrane, et diminuer la concentration à la surface de la membrane, ce qui entraîne un abaissement de la pression osmotique et provoque une augmentation du débit de perméation.

TECHNIQUE ANTERIEURE

On sait que dans l'osmose inverse, les solutions de sels ou autres solutés, notamment à bas poids moléculaires, par exemple l'eau de mer, l'eau d'érable et autres, sont mises en contact avec une membrane sélective et soumises à une pression. Contrairement à ce qui se passe dans le cas d'une osmose normale où il y a équilibre de la solution des deux côtés de la membrane, l'osmose inverse fait en sorte qu'une solution dont la concentration est

plus basse et même très très basse, émerge du côté de la membrane opposé à la solution originale. En somme, pour renverser l'écoulement osmotique normal à partir du côté de la membrane où la solution est moins concentrée vers le côté où la solution est plus concentrée, on exerce sur la solution à traiter un différentiel de pression plus élevé que le différentiel de pression osmotique des solutions en contact avec les surfaces de la membrane.

Or, on s'est rendu compte que lors d'une opération d'osmose inverse, la concentration à l'interface membrane-solution à traiter était plus élevée que la concentration moyenne du côté pression élevée de la membrane. Cette concentration anormalement élevée à l'interface est pénalisante sous le rapport de la qualité du produit obtenu parce que d'une part une fraction importante du sel ou autres matières en solution, en contact avec la membrane est rejetée, et que d'autre part, en recirculant on abaisse ainsi la concentration à la surface de la membrane des composantes peu solubles qui peuvent être tolérées sans précipiter sur la membrane.

On appelle communément colmatage tous les phénomènes, autres que variation de température et compaction, qui font baisser la perméabilité à l'eau pure d'une membrane. Ces phénomènes sont liés à la présence de solutés ou de matières en suspension, notamment colloïdes, bactéries, etc., qui peuvent se déposer à la surface ou dans les pores de la membrane. Le colmatage peut être plus ou moins rapide selon la nature des particules présentes et leur concentration à la surface de la membrane. Pour obvier aux problèmes consécutifs au colmatage de la

membrane, lequel est plus ou moins réversible, on a recours au rinçage à l'eau pure froide ou à l'eau chaude, ou par nettoyage.

Dans la production du sirop d'érable, depuis toujours, on a évaporé l'eau d'érable jusqu'à l'obtention du sirop. Or, avec l'augmentation vertigineuse du prix de l'énergie, il s'est avéré utile d'effectuer cette évaporation à partir d'une solution plus concentrée que l'eau obtenue directement de l'érable. Pour ce faire, on a eu recours à l'osmose inverse qui rejette de l'eau à peu près pure et donne en définitive une eau plus concentrée. Comme dans les autres cas d'osmose inverse, on a un sérieux problème de colmatage de la membrane. En effet, les solutés de l'eau d'érable sont essentiellement des sucres et des minéraux. L'eau d'érable contient aussi des bactéries dont le nombre peut varier de quelques dizaines à plusieurs millions par ml. Les solutés sont presque totalement retenus par les membranes dites d'osmose inverse ou de nanofiltration, notamment très près de 100% pour les sucres et plus de 95% pour les minéraux. A fortiori, les particules en suspension, dont les bactéries, sont aussi retenues. Les molécules de sucres, plus grosses, diffusent moins vite que les ions, forme la plus présente des minéraux en solution. Tout ceci favorise, relativement, une plus grande accumulation de sucrose que de minéraux à la surface de la membrane résultant en un important colmatage de cette dernière.

De nos jours, on s'est rendu compte que la meilleure façon de surmonter au moins en partie le problème de colmatage de la membrane, était de recourir à une recirculation du liquide sous

traitement, par osmose inverse. Pour ce faire, on peut recirculer du liquide dans la même pompe ou effectuer la recirculation au moyen d'une pompe additionnelle. Dans un système sans recirculation, on a obtenu un recouvrement de 19% (débit perméat: débit d'alimentation), et en conséquence, un gaspillage énorme d'eau. Si, par contre, on recircule dans la même pompe, on obtient un recouvrement moyen faible d'environ 24% mais il y a aussi gaspillage d'eau et d'énergie. Si on désire un bon rendement, on est alors obligé de recourir à trois systèmes du même genre, l'un à la suite de l'autre, ce ^" qui est extrêmement coûteux. Pour obtenir un bon rendement d'environ 75%, en une seule opération, on peut se servir de deux pompes dont l'une n'est utilisée que pour la recirculation. Cette alternative est toutefois très coûteuse à cause de la présence des deux pompes.

De plus, on nécessite également une autre pompe pour acheminer 1'eau d'érable brute entreposée dans une cuve de stockage (ou dans un réservoir quelconque) de cette cuve vers un filtre destiné à éliminer certaines des impuretés retrouvées dans l'eau d'érable brute. Ainsi, on a normalement une première pompe pour acheminer 1'eau d'érable brute de la cuve de stockage vers le filtre, une deuxième pompe pour acheminer l'eau d'érable filtrée à partir de ce filtre vers le dispositif d'osmose inverse, et enfin une troisième pompe pour la recirculation du soluté en provenance du dispositif d'osmose inverse vers l'entrée de ce même dispositif.

Il y aurait donc intérêt a ce qu'on puisse utiliser un système à une seule pompe, mais dont le recouvrement serait sensiblement amélioré par

rapport à ce que l'on connaît présentement, et même comparable à l'utilisation de trois pompes.

Quant à l'arrière-plan technologique, il faut mentionner les documents suivants qui n'ont toutefois rien à voir avec la présente invention:

U.S. 3.472.765

U.S. 3.505.215 U.S. 4.705.625

U.S. 4.773.991.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention a donc pour objet de proposer une nouvelle pompe conçue pour certaines utilisations nécessitant normalement au moins deux pompes standard et caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux moyens de pompage distincts conçus pour pomper au moins deux liquides et comprenant notamment une sortie et une entrée intermédiaires de liquide.

Un autre objet de l'invention réside en une pompe comportant au moins deux séries distinctes de stages de pompage et des moyens de séparation disposés entre la sortie et l'entrée intermédiaires de dérivation du liquide.

Un autre objet de l'invention réside en ce que, à la fin de la première série de stages de pompage, le liquide est complètement retiré de la pompe par la voie de la sortie intermédiaire et qu'un liquide, parfois le même mais traité d'une façon ou d'une autre, accède à la deuxième série de stages de pompage par l'entrée intermédiaire.

Selon un mode de réalisation avantageuse de la présente invention, on suggère une pompe comprenant une enceinte et au moins un premier et un deuxième moyens de pompage à 1'intérieur de l'enceinte qui sont conçus pour être entraînés par un même moteur, les premier et deuxième moyens de pompage incluant respectivement une entrée et une sortie de liquide et étant séparés dans l'enceinte par des moyens de séparation, les premier et deuxième moyens de pompage incluant également respectivement une sortie intermédiaire de dérivation et une entrée intermédiaire de dérivation de liquide disposées de part et d'autre des moyens de séparation de sorte qu'un liquide accédant l'enceinte par l'entrée est pompé par le premier moyen de pompage et ressort de l'enceinte par la sortie intermédiaire de dérivation, un liquide pouvant également accéder l'enceinte par l'entrée intermédiaire de dérivation et être pompée par le deuxième moyen de pompage jusqu'à la sortie.

Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, on suggère une pompe comprenant une enceinte et au moins un premier et un deuxième moyens de pompage à l'intérieur de l'enceinte qui sont conçus pour être entraînés par un même moteur, les premier et deuxième moyens de pompage incluant chacun une entrée et une sortie de liquide et étant séparés dans l'enceinte par des moyens de séparation, les premier et deuxième moyens de pompage étant ainsi conçus pour pomper des liquides différents sans qu'il y ait mélange a l'intérieur de la pompe, les liquides accédant aux moyens de pompage par des entrées respectives et quittant ces derniers par des sorties respectives.

Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, on suggère une installation pour la concentration d'une solution par osmose inverse ou autre procédé faisant usage d'une membrane semi- perméable, laquelle installation comportant une enceinte renfermant une membrane semi-perméable responsable de la concentration de ladite solution; une pompe permettant 1 'introduction de ladite solution sous pression dans ladite enceinte; ainsi qu'un moyen assurant la recirculation d'une partie de ladite solution, caractérisé en ce que ladite pompe comporté des premier et deuxième moyens, notamment deux séries de stages, de pompage qui sont conçus pour être entraînés par un même moteur, lesdits premier et deuxième moyens de pompage étant séparés hydrauliquement dans ladite pompe par des moyens de séparation, ledit premier moyen de pompage incluant une entrée et une sortie de liquide brut, ledit deuxième moyen de pompage incluant une entrée et une sortie de liquide recirculé de sorte qu'un liquide accédant ladite pompe par ladite entrée de liquide brut est pompé par ledit premier moyen de pompage et ressort de ladite pompe par ladite sortie de liquide brut, tandis qu'un liquide concentré en provenance de ladite enceinte accède au deuxième moyen de pompage par ladite entrée de liquide recirculé et ressort de la pompe par ladite sortie de liquide recirculé, le liquide et le liquide recirculé se mélangeant l'un à l'autre an aval desdits premier et deuxième moyens de pompage et en amont d'une entrée de ladite enceinte.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS

Une réalisation préférée de la présente invention sera maintenant décrite en référence aux dessins annexés dans lesquels:

La figure 1 est une représentation schématique d'une pompe suivant la présente invention avec entrées et sorties intermédiaires de dérivation installée sur un système de filtration de liquide et de concentration du liquide filtré par osmose inverse;

La figure 2 est une élévation fragmentaire et partiellement en section longitudinale de la pompe de la figure 1;

La figure 3 est une vue développée et agrandie de la section de la pompe encadrée en pointillés sur la figure 2; et

La figure 4 est une représentation schématique et fragmentaire d'une pompe avec entrées et sorties multiples également suivant la présente invention.

MANIÈRES DE RÉALISER L'INVENTION

En se référant aux dessins et, plus particulièrement à la figure 1, on verra que l'installation illustrée comporte une pompe P suivant la présente invention, reliée à une source de liquide non illustrée, telle qu'une cuve de stockage, par une canalisation 10 connectée à une entrée primaire 12 de la pompe P, et à une enceinte 14, comprenant une membrane semi-perméable 16, par une sortie principale 18 et une conduite 20. Un moteur submersible M ou extérieur M ¹ (voir figure 4)

est évidemment prévu dans le corps de la pompe P ou à l'extérieur de cette dernière qui est constituée essentiellement d'une première série de stages de pompage 22, d'une seconde série de stages de pompage 24 et d'une troisième série de stages de pompage 26, disposées successivement de façon alignée dans une enceinte 26 de la pompe P de façon à être entraînées par un même arbre relié au moteur M,M' à l'intérieur d'une enceinte cylindrique 27.

D'autre part, l'enceinte 14, incluant la membrane 16, est reliée de nouveau à la pompe P par une conduite 28 laquelle débouche au début de la troisième série de stages de pompage 26 par l'entremise d'une entrée secondaire 30.

On note que les éléments constitutifs des première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 sont choisis de sorte à assurer l'acheminement sous pression d'un volume de solution à concentrer qui correspond généralement à la capacité de perméation de la membrane 16 dans l'installation et à un rejet équivalent à environ 10 à 25% du débit de perméation. Le perméat (i.e. de l'eau pratiquement pure) est acheminé hors de l'enceinte 14 (et retiré de l'installation) par la conduite 48 tandis qu'une solution concentrée (i.e. de l'eau d'érable concentrée en sucre) est rejetée de la recirculation par la conduite de rejet 50. Ces éléments constitutifs ont été illustrés par le numéro de référence 32.

Quant aux éléments constitutifs de la troisième série de stages de pompage 26, ils devront faire en sorte de délivrer un important volume de liquide de recirculation. Les éléments constitutifs

- io ¬ de la troisième série de stages 26 ont été illustrés par le numéro de référence 34. Enfin, au niveau de l'entrée secondaire 30 dans la pompe P entre les deuxième et troisième séries de stages 24 et 26, on a prévu des éléments 36 constituant un guide permettant l'acheminement simultané vers la troisième série de stages de pompage 26, du liquide à concentrer en provenance des première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 ainsi que du liquide recirculé dans la troisième série de stages 26 de la pompe P, via la conduite 28 et l'entrée secondaire 30, depuis l'enceinte 14 où se trouve la membrane 16.

La présente invention est caractérisée par la structure qui est insérée entre les première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 et entre les deuxième et troisième séries de stages de pompage 24 et 26. En effet, tel que décrit en détail ci-après, le liquide en provenance de la cuve de stockage par la voie de la canalisation 10 et l'entrée primaire 12 ne peut accéder directement de la première série de stages 22 à la deuxième série de stages 24 au travers de l'enceinte 27 de la pompe P puisqu'il existe dans cette dernière, entre les première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 et entre les deuxième et troisième séries de stages de pompage 24 et 26, des dispositifs d'interruption totale de l'écoulement du liquide dans la pompe P. Ainsi, se référant à la figure 1, la fin de la première série de stages de pompage 22 est équipée d'une première sortie intermédiaire 38 qui s'ouvre sur une première conduite de dérivation 40. Le liquide dévié hors de la pompe P est acheminé par cette première conduite de dérivation 40 vers, par exemple, un filtre F (e.g. 5 microns) conçu pour

retirer une partie des impuretés du liquide, tel que de l'eau d'érable. Le liquide filtré est ensuite acheminé au moyen d'une deuxième conduite de dérivation 42 vers une entrée intermédiaire 44 qui communique avec le début de la deuxième série de stages de pompage 24.

De façon similaire, le liquide ainsi filtré est amené à haute pression par la deuxième série de stages de pompage 24 et le liquide à haute pression est forcé de ressortir de la pompe P par une deuxième sortie intermédiaire 45 et rejoint par une conduite 47 la conduite 20, où le liquide filtré à haute pression se mêle au liquide recirculé qui est délivré par la troisième série de stages de pompage 26 au travers la sortie principale 18.

Pour des descriptions plus détaillées des éléments 32 et 34, on peut se référer à la demande de brevet canadien en instance no. 2,059,392 déposée le 15 janvier 1992 où les éléments 32 et 34 sont des propulseurs, ceux situés au niveau des première et deuxième séries 22 et 24 de stages de pompage étant propres à assurer l'acheminement d'un volume donné de liquide à concentrer vers l'enceinte 14, lequel volume est dicté par la capacité de la membrane 16. Quant à la troisième série de stages de pompage 26, il s'agit de propulseurs à plus grand volume que ceux prévus pour les séries de stages 22 et 24 car ils doivent effectuer l'acheminement du liquide recirculé vers la membrane 16. On note que les trois séries de stages de pompage 22, 24 et 26 sont toutes entraînées par un arbre commun 46 (lui-même entraîné par un seul moteur, c'est-à-dire le moteur M) qui est de section hexagonale. De façon générale, l'arbre 46 entraîne en rotation les impulseurs des

éléments 32 et 34 tandis que les diffuseurs et les enceintes ou anneaux périphériques de ceux-ci demeurent fixes par rapport a l'arbre 46.

Entre les premier et deuxième stages de pompage 22 et 24 et entre les deuxième et troisième séries de stages de pompage 24 et 26 se retrouvent des éléments de dérivation 52. Les éléments de dérivation 52 situés entre les première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 sont illustrés en détail aux figures 2 et 3, les éléments de dérivation 52 situés entre les deuxième et troisième séries de stages de pompage 24 et 26 étant similaires, par conséquent, n'étant pas illustrés ici en détail. Chaque élément de dérivation 52 inclut une jante périphérique 54 emboîtable de façon étanche avec une jante 54 adjacente ou avec les éléments 32 des premier et deuxième stages de pompage 22 et 24. La jante 54 est reliée à un moyeu central 56 percé d'un trou par des raies 58 d'orientation radiale et sous forme de lames. La jante 54, le moyeu central 56 et les raies 58 sont faits suivant une construction solidaire en plastique. Un coussinet en bronze 60 fixé dans le trou du moyeu central 56 reçoit intérieurement un manchon 62 qui ménage une ouverture intérieure de forme correspondante à l'arbre 46 de façon à ce que les manchons 62 se déplacent en rotation avec l'arbre 46 à l'intérieur du coussinet fixe 60.

La sortie et l'entrée intermédiaires 38 et 40 communiquent avec les parties évidées des éléments de dérivation 52 (i.e. les parties ménagées entre les raies 58 de façon longitudinale et entre le moyeu central 56 et la jante 54 de façon radiale) par des ouvertures pratiquées de façon connue (e.g.

dans la demande de brevet canadien en instance précitée) dans les jantes 54. Un disque de séparation 64 intercalée de façon fixe entre deux des éléments 52 et localisé également entre les sortie et entrée intermédiaires 38 et 40 est conçu pour détourner tout le liquide hors de la pompe P par la sortie intermédiaire 38, vers le filtre F par la conduite de dérivation 40, le liquide filtré accédant de nouveau a la pompe P, au niveau de la deuxième série de stages de pompage 24, par l'entrée intermédiaire 44. Le disque de séparation 64 est plein sauf pour une ouverture intérieure destinée à entourer les manchons 62. A cette ouverture, le disque inclut une section annulaire flexible 66, peut-être recouverte de Teflon™, qui s'accote sur les manchons 62 pour assurer l'étanchéité à 1'intérieur de la pompe P longitudinalement de part et d'autre du disque de séparation 64 au niveau des interfaces entre les pièces fixes et les pièces en rotation. La section annulaire flexible 66 comprend ici deux pattes 67 de façon à produire un joint étanche bidirectionnel. L'étanchéité entre la périphérie des jantes 54 et l'intérieur de l'enceinte 27 de la pompe P est de son côté assurée par des joints toriques 68.

Les éléments de dérivation 52 des deuxième et troisième séries de stages de pompage 24 et 26 et, plus particulièrement, le disque de séparation 64 provoque le détournement du liquide filtré hors de la pompe P par la deuxième sortie intermédiaire 45 et vers l'enceinte 14 par les conduites 47 et 20.

Également, a titre d'exemple, le liquide acheminé à l'entrée primaire 12 peut s'écouler sous un débit de 10 gallons par minute (GPM) et à une

pression de 30 psi (litres par pouce-carré). Le liquide sous un débit évidemment de 10 GPM s'écoule dans les conduites de dérivation 40 et 42 respectivement sous des pressions, par exemple, de 70 psi et 55 psi, la différence étant due à la perte de pression dans le filtre F. Le liquide ressortant des première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 a une pression de 485 psi et un volume de 10 GPM. Le liquide recirculé et accédant par la conduite 28 et l'entrée secondaire 30 à la troisième série de stages de pompage 26 a une pression de 485 psi et un débit de 60 GPM. Le liquide ressortant de la troisième série de stages 26 a donc un débit de 60 GPM et une pression de 500 psi puisque la deuxième série de stages de pompage est conçue pour pomper un volume élevé tout en élevant partiellement la pression établie du liquide y accédant. Ainsi, 70 GPM de liquide à 500 psi se mélangent en dehors de la pompe P et sont acheminés par la conduite 20 vers l'enceinte 14 qui comprend la membrane semi- perméable 16. Le perméat ressortant de l'enceinte 14 par la sortie 48 peut avoir un débit de 7.5 GPM sous une pression à peu près nulle. Par conséquent 62.5 GPM sont dirigés vers la conduite de recirculation 28 et la sortie de liquide concentré 50. Par exemple, le rejet par la sortie 50 peut être de 2.5 GPM à pression à peu près nulle, tandis que le liquide recirculé au travers la conduite 28 peut avoir un débit de 60 GPM sous une pression de 485 psi. Ainsi, les première et deuxième séries de stages de pompage 22 et 24 augmentent la pression du liquide d'entrée alors que la troisième série de stages 26 pompe un volume de liquide considérable de recirculation. L'ensemble des trois séries de stages de pompage permet le pompage a haute pression d'un volume considérable de liquide avec dérivation et

recirculation, et ce, avec une seule pompe au lieu de trois.

On note que l'on pourrait utiliser cette installation non seulement pour concentrer l'eau d'érable, mais aussi pour tout autre liquide à concentrer notamment l'eau de mer, etc. On pourrait aussi utiliser cette pompe à trois séries de stages sans qu'elle ne soit associée à une opération d'osmose inverse. Tout système faisant usage d'un liquide sous pression et qui nécessite une dérivation et peut-être une recirculation de ce dernier pourrait de toute évidence faire usage de la pompe selon l'invention, faisant en sorte de se dispenser de l'usage d'une deuxième et d'une troisième pompe.

La présente pompe permet un pompage illimité au niveau de débits et de pressions.

Se référant maintenant à la figure 4, une autre pompe P' également suivant la présente invention est entraînée par le moteur extérieur M' par la voie d'un arbre tel que l'arbre hexagonal 46 des figures 1 à 3. La pompe P' de la figure 4 est conçue pour pomper quatre (4) liquides différents sans qu'il n'y ait aucun mélange entre eux. Les quatre liquides sont pompés à partir des réservoirs 100, 102, 104 et 106 par les première, deuxième, troisième et quatrième séries de stages de pompage 108, 110, 112 et 114, respectivement.

Les quatre séries de stages de pompage comprennent des entrées de liquide 116, 118, 120 et 122, respectivement, et des sorties de liquide 124,

126, 128 et 130, respectivement. Les conduites

canalisant les liquides des réservoirs 100, 102, 104 et 106 jusqu'aux entrées 116, 118, 120 et 122 de la pompe P' sont toutes identifiées par la référence 132 sur la figure 4, tandis que les quatre canalisations de sortie de liquide sont identifiées par la référence 134.

Les séries de stages de pompage 108, 110, 112 et 114 sont séparées les unes des autres dans l'enceinte 27 de la pompe P' par des éléments de dérivation 52 identiques à ceux des figures 1 à 3. Sur la figure 4, on voit bien les trois (3) disques de séparation 64 qui séparent les différentes séries de stages de pompage.

Ainsi, le liquide contenu dans le réservoir 100 sera pompé par la première série de stages de pompage 108 de la pompe P' et ce, de gauche vers la droite sur la figure 4 et en direction du disque 64 séparant les première et deuxième séries de stages de pompage 108 et 110. Le liquide provenant du réservoir 102 s'écoulera de droite vers la gauche dans la deuxième série de stages de pompage 110 de la pompe P' et en direction de la première série de stages de pompage 108. Les liquides des réservoirs 104 et 106 s'écouleront respectivement dans les troisième et quatrième séries de stages de pompage 112 et 114 de gauche à droite sur la figure 4. Ainsi, dans la présente pompe P', les liquides peuvent circuler indépendamment de gauche à droite, ou de droite à gauche, dans les différentes séries de stages de pompage 108, 110, 112 et 114. Également, les débits et les pressions des liquides peuvent varier d'une série de stages de pompage à l'autre-

La pompe P' permet donc le pompage de plusieurs liquides, ayant différents débits et différentes pressions, à l'aide d'un seul moteur accouplé à un seul arbre conçu pour entraîner les différents stages de pompage chacun associé à un liquide respectif.