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TITRE DE L'INVENTION
Pompe à pression et à recirculation.
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne une pompe à pression et à recirculation
5 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'introduction du liquide sous pression
10 dans le compartiment qui renferme la membrane, et 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.
15 TECHNIQUE ANTÉRIEURE
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, I'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
2 0 le cas d'une osmose normale où il y a équilibre de la solution des deux côtés
de la membrane, I'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
2 5 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
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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
5 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
10 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
15 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
20 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
25 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
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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
5 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,
o 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
15 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 recouvfement 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
20 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, I'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
25 utilisée que pour la recirculation. Cette alternative est toutefois très
coûteuse à cause de la présence des deux pompes.
Il y aurait donc intérêt à ce qu'on puisse utiliser un système à
une seule pompe, mais dont le recouvrement serait sensiblement amélioré
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par rapport à ce que l'on connaît présentement, et même comparable à
l'utilisation de deux 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 pour objet de proposer une installation de
concentration de liquide par osmose inverse ou nanofiltration où la
recirculation dans le but de décolmater la membrane s'effectue dans la
pompe sous pression dans l'enceinte renfermant la membrane.
Un autre objet de l'invention concerne la mise au point d'un
procédé permettant le décolmatage de la membrane dans un système
d'osmose inverse ou nanofiltration.
Un autre objet de l'invention consiste à réduire notoirement les
coûts d'une installation d'osmose inverse ou de nanofiltration impliquant une
recirculation au niveau de la membrane, du liquide à concentrer.
Un autre objet de l'invention réside en une pompe à deux
séries distinctes de stades de pompage que l'on peut utiliser avec tout
système de traitement de liquide sous pression, nécessitant une
recirculation.
3-
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L'invention concerne une installation pour la concentration
d'une solution contenant un ou plusieurs solutés et éventuellement des
matières en suspension, par osmose inverse ou autre procédé faisant usage
d'une membrane semi-perméable, laquelle installation comporte une
5 enceinte renfermant une membrane semi-perméable responsable de la
concentration de ladite solution, et une pompe permettant l'introduction de
la solution sous pression dans l'enceinte, ainsi qu'un moyen assurant la
recirculation d'une partie de la solution afin d'assurer le décolmatage au
moins partiel de la membrane, et diminuer la concentration à la surface de
10 la membrane, ce qui entraîne un abaissement de la pression osmotique et
provoque une augmentation du débit de perméation, caractérisée en ce que
la pompe comporte deux moyens de pompage, notamment deux séries de
stades de pompage, le premier moyen de pompage, notamment la première
série de stades délivrant un premier volume de solution à traiter
15 correspondant généralement à la capacité de perméation de la membrane
dans l'installation et à un rejet équivalent à environ 10 à 25% du débit de
perméation, le premier moyen de pompage, notamment la première série de
stades de pompage communiquant avec le deuxième moyen de pompage,
notamment la seconde série de stades de pompage pour délivrer le premier
20 volume de solution à concentrer dans le deuxième moyen de pompage,
notamment la seconde série de stades de pompage, le deuxième moyen de
pompage étant agencé pour délivrer un second volume de liquide à
concentrer supérieur au premier volume, une entrée secondaire de liquide
prévue sur la pompe en direction du deuxième moyen de pompage, une
25 première conduite reliant le second moyen de pompage à l'enceinte
renfermant la membrane et une seconde conduite reliant l'enceinte
renfermant la membrane et l'entrée secondaire, permettant à la pompe
d'assurer à la fois l'alimentation de la membrane et une recirculation du
liquide à concentrer qui contribue au décolmatage de la membrane, et à
30 diminuer la concentration à la surface de la membrane ce qui entraîne un
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abaissement de la pression osmotique et provoque une augmentation du
débit de perméation.
Selon une réalisation préférée de l'invention, la première série
de stades de pompage est constituée par une série de premiers propulseurs
disposés l'un à la suite de l'autre et propres à assurer l'acheminement d'un
volume donné de liquide à concentrer vers la seconde série de stades de
pompage, la seconde série de stades de pompage est constituée par une
autre série de seconds propulseurs disposés l'un à la suite de l'autre au-delà
des premiers propulseurs et séparés de ces derniers par des guides
10 permettant l'acheminement simultané vers la seconde série de stades, du
liquide à concentrer en provenance de la première série de stades de
pompage et du liquide recirculé depuis l'enceinte où se trouve la membrane.
Selon une autre réalisation préférée de l'invention, chaque
propulseur est constitué d'une combinaison d'un impulseur, d'un diffuseur
et d'un séparateur, lequel est disposé entre chaque ensemble impulseur-
diffuseur pour séparer les ensembles l'un de l'autre, la capacité des
impulseurs et des diffuseurs des première et deuxième séries de
propulseurs étant telle que le volume de liquide délivré par la deuxième
série de propulseurs est supérieur au liquide délivré par la première série
de propulseurs.
De préférence, les guides sont constitués de coussinets
d'alignement. Par exemple, les coussinets d'alignement comprennent une
paire de jantes, chacune comportant un moyeu central comportant une
ouverture permettant le passage d'un arbre et des raies sous forme de
2 5 lames réunissant le moyeu à la jante, une ouverture en forme de demi-cercle
pratiquée sur chacune des jantes, les deux jantes étant placées côte-à-côte,
les deux ouvertures en forme de demi-cercle se faisant face pour constituer
une ouverture circulaire permettant d'acheminer le liquide recirculé introduit
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dans la pompe par l'entrée secondaire vers la deuxième série de stades de
pompage où se trouve la seconde série de propulseurs.
De préférence le volume de liquide délivré par la seconde série
de stades est environ 2 à 8 fois, par exemple, 5 à 8 fois supérieur au volume
5 de liquide délivré par la première série de stades.
L'invention concerne aussi un procédé de concentration d'une
solution contenant un ou plusieurs solutés et éventuellement des matières
en suspension, selon lequel on introduit le liquide sous pression dans une
enceinte renfermant une membrane semi-perméable responsable de la
10 concentration de la solution en se servant d'une pompe et l'on fait recirculer
le liquide de la membrane afin d'assurer le décolmatage au moins partiel de
la membrane, caractérisé en ce que la pompe comporte deux moyens,
notamment deux séries de stades, de pompage, le premier moyen délivrant
un premier volume de solution à traiter correspondant généralement à la
capacité de perméation de la membrane dans l'enceinte et à un rejet
équivalent environ à 10 à 25% du débit de perméation, le premier moyen de
communiquant avec le deuxième moyen de pompage pour délivrer le
premier volume de solution à concentrer dans le second moyen de
pompage, le second moyen de pompage étant agencé pour délivrer un
20 second volume de liquide à concentrer supérieur au premier volume, une
entrée secondaire de liquide étant prévue sur la pompe en direction du
second moyen de pompage, on fait recirculer du liquide à concentrer en
l'acheminant depuis l'enceinte jusqu'à l'entrée secondaire d'où il est introduità nouveau dans le second moyen de pompage pour retourner à ladite
2 5 enceinte.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront d'ailleurs de la description qui suit d'un exemple de réalisation
a
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donné à titre illustratif mais sans caractère limitatif, en références aux
dessins annexés dans lesquels:
DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS
La FIGURE 1 est une représentation schématique d'une
5 installation de concentration de liquide par osmose inverse;
La FIGURE 1a est une modification de la Figure 1 illustrant
une autre possibilité d'entrée primaire dans l'installation;
La FIGURE 2 est une vue développée en perspective d'une
partie du premier stade de la pompe;
La FIGURE 3 est une autre vue développée en perspective
d'une partie du second stade de la pompe incluant l'entrée secondaire pour
la recirculation;
La FIGURE 4 est une section longitudinale partielle prise à
travers la première et la seconde séries de stades de pompage.
15 MANIERE DE RÉALISER L'INVENTION
En se référant aux dessins, plus particulièrement la Figure 1,
on verra que l'installation illustrée comporte une pompe 1, reliée à une
source de liquide non illustrée par une entrée primaire 3 ou 3a selon la
Figure 1a, et à une enceinte 5, comprenant une membrane semi-perméable
20 7, par une sortie 9 et une conduite 11. Un moteur submersible ou extérieur
non illustré est évidemment prévu dans le corps de la pompe ou à l'extérieur
de cette dernière comme en Figure 1a et cette dernière est constituée
essentiellement d'une première série de stades de pompage 13 et d'une
seconde série de stades de pompage 15.
D'autre part, I'enceinte 5, incluant la membrane 7, est reliée de
nouveau à la pompe 1 par une conduite 17 laquelle débouche dans la
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jonction entre la première et la seconde séries de stades de pompage 13 et
15 par l'entremise d'une entrée secondaire 19.
En ce qui concerne les deux séries de stades de pompage 13
et 15, ces dernières ont été illustrées schématiquement sur la Figure 1 et
5 seront décrites en détail ci-après. Pour le moment, il suffit de préciser que
les éléments constitutifs de la première série de stades 13 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 7 dans l'installation et à un rejet équivalent à environ 10 à 25%
du débit de perméation. Ces éléments constitutifs ont été illustrés par le
numéro de référence 21. Quant aux éléments constitutifs de la seconde
série de stades 15, ils devront faire en sorte de délivrer un volume de liquide
supérieur à celui délivré par la première série de stades 13. Les éléments
constitutifs de la seconde série de stades 15 ont été illustrés par le numéro
de référence 23. Enfin, au niveau de l'entrée secondaire 19 dans la pompe
1 entre les première et deuxième séries de stades 13 et 15 on a prévu des
éléments 25 constituant un guide permettant l'acheminement simultané vers
la seconde série de stades 15, du liquide à concentrer en provenance de la
première série de stades de pompage 13 ainsi que du liquide recirculé dans
la deuxième série de stades 15 de la pompe 1, via la conduite 17 et l'entrée
secondaire 19, depuis l'enceinte 5 où se trouve la membrane 7. On verra
enfin que la première série de stades de pompage 13 délivre le liquide à
concentrer depuis la source, via les éléments 25 du guide dans la seconde
série de stades de pompage 15, où il sera repris avec du liquide en
recirculation pour être finalement introduit dans l'enceinte 5 via la conduite
11.
En se référant maintenant plus particulièrement aux Figures 2,
3 et 4, on décrira maintenant les détails des éléments 21, 23 et 25.
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En somme, les éléments 21 et 23 sont des propulseurs, ceux
situés au niveau de la série 13 étant propres à assurer l'acheminement d'un
volume donné de liquide à concentrer vers la série 15, lequel volume est
dicté par la capacité de la membrane 7. Quant à la deuxième série de
stades 15, il s'agit de propulseurs à plus grand volume que ceux prévus pour
la série de stades 13 car il doivent effectuer l'acheminement simultané vers
la membrane, du liquide à concentrer en provenance de la première série
de stades 13 et du liquide en recirculation.
En se référant à la Figure 2, on verra que les éléments 21
1O comprennent chacun un impulseur 27 ainsi qu'un diffuseur 29 de même
qu'un disque 31, ainsi qu'on le voit sur la Figure 2. Les disques 31 sont
disposés entre les ensembles impulseur-diffuseur 27-29 de façon à séparer
chaque ensemble l'un de l'autre. On notera la configuration particulière des
éléments constitutifs 27, 29 et 31. Il est évident qu'on pourra choisir tout
autre arrangement à la seule condition que la série de propulseurs 21 de la
série de stades de pompage 13 produise le volume requis compte tenu de
la capacité de perméation de la membrane 7 et à un rejet équivalent à
environ 10 à 25% du débit de perméation. La pompe comporte un arbre 35
qui s'étend jusqu'au delà de la deuxième série de stades de pompage 15.
En somme, comme on le voit sur les dessins, les disques 31 ainsi que les
diffuseurs 29 sont fixes par rapport à l'arbre 35 tandis que les impulseurs 27
sont entraînés en rotation par l'arbre 35.
En se référant maintenant à la Figure 3 laquelle constitue une
suite de la Figure 2, on notera tout d'abord que l'arbre 35 est simplement
indiqué par un axe. Avant d'accéder à la deuxième série de stades de
pompage 23, on retrouve le guide 25 où se réunissent le liquide à
concentrer en provenance de la première série de stades 21 et le liquide
recirculé via la conduite 17 et l'entrée secondaire 19 depuis la membrane 7.
Le guide 25 est constitué de deux coussinets d'alignement 37, 39. Ces deux
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coussinets sont placés côte-à-côte comme on le voit sur la Figure 4 et sont
identiques sauf pour la disposition miroir des ouvertures 41, 43 en forme de
demi-cercle dont il sera fait mention plus loin. Chaque coussinet
d'alignement est constitué d'une jante 45 comportant un moyeu central 47
percé d'une ouverture 49 traversée par l'arbre 35 (voir Figure 4) et des raies
51 sous forme de lames réunissant le moyeu 47 à la jante 45. Au sommet
des deux jantes 45, on retrouve les ouvertures 41, 43 en forme de demi-
cercle, se faisant face, comme indiqué, pour constituer une entrée au sein
des deux coussinets d'alignement. On constatera que l'ouverture circulaire
constituée par les deux ouvertures 41, 43 en forme de demi-cercle, permet
d'acheminer le liquide recirculé introduit dans la pompe 1 par l'entrée
secondaire 19 vers la deuxième série de stades de pompage 15 où l'on
retrouve une nouvelle série de propulseurs 23. Le liquide en recirculation
se frayera un chemin au travers des raies 51 où il s'entremêlera avec le
liquide en provenance de la première série de stades de pompage 13 pour
former un mélange qui se dirigera vers la deuxième série de stades de
pompage 15 et de là vers l'enceinte 5 où se trouve la membrane.
En se référant toujours à la Figure 3, pour une illustration
détaillée des propulseurs 23, on verra que pour chacun d'eux on retrouve un
dispositif d'espacement annulaire 53, un impulseur 55, et un diffuseur 57
monté dans un cerceau 59. En se référant plus particulièrement à la Figure
4, ces pièces se fixent ensemble pour former un tout de la façon suivante.
Le côté amont de l'impulseur 55 s'introduit à l'aval du dispositif
d'espacement annulaire 53, tandis que le côté aval de l'impulseur 55 pénètre
à l'amont du cerceau 59 en position adjacente par rapport au diffuseur 57
qui occupe l'aval du cerceau d'où il se projette sur une certaine distance
comme on le voit bien sur les Figures 3 et 4. Enfin, la partie aval du
diffuseur qui se projette à l'extérieur du cerceau 59 s'engage à l'intérieur du
dispositif d'espacement annulaire 53 à l'amont de ce dernier. Chacune des
pièces mentionnées ci-dessus est traversée par l'arbre35 etellessont
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toutes fixes par rapport à l'arbre 35, sauf l'impulseur 55 qui est fixé sur
l'arbre pour entrer en opération sur rotation de l'arbre. Évidemment, on
aurait pu choisir un autre arrangement des parties constituantes de la
deuxième série de stades de pompage, la seule restriction étant qu'il faut
5 que cette série de stades délivre un plus grand volume de liquide que la
première série de stades 13. Tout l'ensemble constitué par les deux séries
de stades 13 et 15 est renfermé dans une enveloppe circulaire.
Pour opérer l'installation, il suffit de relier la pompe 1 à une
enceinte renfermant une membrane semi-perméable 7 par les conduites 11
et 17 et d'y introduire un liquide à concentrer par l'entrée primaire 3 ou 3a.
La recirculation s'établira d'elle-même et après un certain temps on
recueillera de l'eau pratiquement pure à la sortie 63 et un liquide concentré
à la sortie 65. On pourrait utiliser cette installation non seulement pour
concentrer l'eau d'érable, mais aussi pour tout autre liquide à concentrer
15 notamment l'eau de mer, etc. On pourrait aussi utiliser cette pompe à deux
séries de stades 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 recirculation de ce dernier pourrait de toute évidence faire
usage de la pompe selon l'invention, faisant en sorte de se dispenser de
20 I'usage d'une seconde pompe. Comme il le fut précisé ci-dessus, il s'agit
que le volume délivré par la seconde série de stades de pompage 15 soit
supérieur à la première série de stades 13. En pratique, la seconde série de
stades est environ 2 à 8 fois, de préférence environ 5 à 8 fois supérieur au
volume délivré par le premier stade, mais ces valeurs ne sont données qu'à
25 titre illustratif et sans caractère limitatifi
