Brevet FR2076090A1 — publié le 19711015

La présente invention a pour objet un procédé de concentration par évaporation de solutions salines ayant servi à épuiser une solution dans une colonne de distillation extractive, procédé où la solution saline est concentrée par évaporation en au moins deux étages avec apport de chaleur de l'extérieur. l'invention se rapporte également à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. On connaît des procédés de ce genre où l'on fait appel au chauffage à l'aide de chaleur étrangère pour le deuxième étage d'évaporation, donc celui où la concentration de la solution saline est plus forte, tandis que le chauffage au premier étage se fait à l'aide des vapeurs dégagées au deuxième étage. Si l'on veut rendre plus économique ce procédé du point de vue thermique, c'est-à-dire réduire la quantité de chaleur étrangère nécessaire, on se heurte à une certaine limite. La température de la solution saline ne doit pas dépasser un maximum donné au-dessus duquel elle se dissocie. En outre, la solution saline à concentrer sort de la colonne à la température la plus élevée possible, c'est-à-dire à une température proche de la limite au-delà de laquelle elle risque la dissociation.Par conséquent, pour obtenir un gradient de température suffisant et aussi grand que possible entre le deuxième et le premier étage d'évaporation, lequel permet la concentration par évaporation au premier étage en utilisant la chaleur des vapeurs dégagées au second étage, il faut maintenir aussi basse que possible la température d'évaporation du premier étage. Dans les procédés connus, on y parvient du fait qu'au premier étage on applique l'évaporation par détente de sorte que la solution saline dégage de la chaleur de détente et subit ainsi un abaissement de sa température. Lorsque la concentration au premier étage se fait par évaporation avec détente, on obtient, bien sûr, l'abaissement de la température nécessaire et recherché à cet étage, mais en même~temps une certaine quantité d'eau est extraite de la solution saline par évaporation. Par conséquent, il ne reste plus qu'une quantité d'eau réduite dans la solution saline pour être répartie entre les deux étages d'évaporation.Ceci a pour conséquence que les vapeurs du deuxième étage d'évaporation ne peuvent plus être utilisées en totalité pour le chauffage du premier étage d'évaporation, et que l'excédent doit être condensé dans un condenseur à l'aide d'eau de refroidissement pour être éliminé du circuit sans être mis à profit.Une autre limite qui s'oppose à l'aug- mentation du rendement économique du procédé connu est posée par le fait que le point d'ébullition de la solution saline est plus élevé que celui de l'eau. Par suite de ce phénomène, on ne peut mettre à profit pour la concentration, dans le gradient thermique total entre la température de la chaleur d'apport et celle de l'eau réfrigérante, la fraction correspondant aux différences entre les points d'ébullition de la solution saline et l'eau à chacun des deux étages d'évaporation. L'invention a pour objet de supprimer ces inconvénients et de réaliser un procédé du genre décrit au préambule mais à rendement économique supérieur. le procédé de l'invention est remarquable en ce qu'une partie de la chaleur contenue dans la solution saline sortant de la colonne est prélevée avant le premier étage de concentration de la solution saline par évaporation et que cette partie de la chaleur y est restituée entre deux étages d'évaporation. Dans une forme de réalisation particulière de ce procédé, à au moins trois étages de concentration, on soustrait à la solution saline sortant de la colonne encore une certaine quantité de sa chaleur à un point en amont du point de prélèvement de chaleur défini ci-dessus et on lui restitue cette quantité supplémentaire de chaleur soustraite, à un étage d'évaporation situé en aval du point de restitution du premier prélèvement de chaleur. Une forme de réalisation préférée de ce procédé consiste à opérer le transfert de chaleur d'un point du circuit de la solution saline à un autre point de son circuit par un échange de chaleur fermé et à contre-courant. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé qu'on vient de décrire comprend au moins deux évaporateurs montés en série, dont chacun comporte un vase d'évaporation et une chambre de chauffe, le côté à gaz du second évaporateur communiquant par l'intermédiaire d'une conduite de vapeur avec la chambre de chauffe du premier évaporateur, tandis que la chambre de chauffe du second évaporateur est raccordée à une source de chaleur étrangère.Conformément à l'invention ce dispositif comprend un échangeur de chaleur fermé dont la partie chaude est intercalée dans la conduite de produit transportant la solution saline, entre la colonne d'extraction et le premier évaporateur, tandis que sa partie froide y est intercalée entre deux évaporateurs, la solution saline stécou- lant dans une partie de 1' échangeur de chaleur à contre-courent par rapport au sens de son écoulement dans l'autre partie de l'échangeur. Dans une forme de réalisation spéciale du dispositif, qui comporte au moins trois évaporateurs, le côté chaud de la chambre de chauffe de l'un des évaporateurs, disposé en aval du côté froid dudit échangeur de chaleur, est intercalé dans la conduite de produit en amont de la partie chaude de l'échangeur de chaleur. l'invention sera expliquée avec plus de détails à l'aide du dessin annexé qui illustre schématiquement plusieurs exemples d'exécution du dispositif conforme à l'invention et qui est destiné à la réalisation du procédé de l'invention. Dans ce dessin les figures 1 et 2 sont des schémas d'installations pour la production d'acide chlorhydrique gazeux (HCl), les organes analogues étant désignés dans les deux schémas par les mêmes chiffres de référence. L'installation représentée à la figure 1 comporte une colonne l connue pour-l'extraction par distillation dans laquelle est introduite, par l'intermédiaire d'une conduite 2, une solution aqueuse de HCl provenant d'une colonne d'absorption 3 également# connue. le mélange gazeux HCl-eau sort de la colonne par une conduite 4 dans laquelle se trouve intercalé un réfrigérant à reflux. La so- lution saline - dans le présent cas de la solution de CaCl2 - est introduite à l'état concentré en 6 dans la colonne i. L'apport de chaleur à la colonne 1 se fait de manière connue par l'introduction en 7 de vapeur. La solution saline dont la concentration a été réduite de manière connue dans la colonne, sort de cette dernière en 8, d'où une conduite de produit 9, dirigeant la solution saline, mène celle-ci à travers deux évaporateurs montés en série du côté du produit, c'est-à-dire à travers un premier évaporateur 10 et un second évaporateur 11, pour ramener cette solution saline en 6 vers la colonne. L'ordre des chiffres de référence des évaporateurs va donc dans le sens de l'écoulement de la solution saline en tant que produit du procédé. Le premier évaporateur 10 comporte un vase d'évaporation 12 et une chambre de chauffe 13, et le deuxième évaporateur 11 comporte un vase évaporateur analogue 14 et une chambre de chauffe 15. le coté à gaz du second évaporateur 11 communique par l'intermédiaire d'une conduite de vapeur 16 avec la chambre de chauffe 15 du premier évaporateur 10, et la chambre de chauffe 15 du deuxième évaporateur 11 est raccordée en 17 à un dispositif d'alimentation en vapeur (non montré sur le dessin) qui fait fonction de source de chaleur étrangère. Le côté à gaz du premier évaporateur 10 communique par llinter- médiaire d'une conduite à vapeur 18 avec un condenseur 19. De ce dernier, une conduite d'eau de condensation 20 dans laquelle débouche aussi la conduite d'eau de condensation 21 qui fait suite à la conduite de vapeur 16, mène vers la colonne d'absorption 3. En 22, de l'acide chlorhydrique gazeux, non purifié et provenant d'u- ne installation de dédoublement non représentée sur le dessin, est introduit en 22 dans la colonne d'absorption 3. Du côté à gaz du condenseur 19, une conduite de gaz 23 dans laquelle est intercalée une colonne laveuse 24 destinée à éliminer par lavage des traces de HCl des gaz inertes, mène vers une pompe à vide 25. L'installation comporte un échangeur de chaleur 26 dont la partie chaude est montée entre la colonne 1 et le premier évaporateur 10, dans la conduite de produit 9, et dont le côté froid est monté entre les évaporateurs 10 et 11 dans la conduite de produit 9, la solution saline s'écoulant dans un côté de 1' échangeur de chaleur dans le sens contraire à son écoulement dans l'autre. Pour la description donnée ci-dessous du fonctionnement de l'installation, on se réfèrera aux données du procédé, inscrites sur le dessin, qui permettent sans plus de comprendre le fonctionnement du dispositif, mais il est bien entendu qu'il ne s'agit que d'indications données à titre d'exemple qui ne concernent pas directement l'invention. La solution saline sort de la colonne 1 en 8, à une température élevée et avec une faible concentration pour s'écouler à travers la conduite de produit 9 vers les deux évaporateurs 50 et Il montés en série du côté de l'amenée du produit pour y être concentré par évaporation ; mais la température finale de la solution, à son retour en 6, est limitée par le risque de dissociation. Avant l'entrée de la solution dans le premier évaporateur 10, une partie de la quantité de chaleur qu'elle contient lui est soustraite dans l'échangeur de chaleur 26 et cette quantité de chaleur soustraite y est restituée entre les évaporateurs 11 et 12.On obtient de cette manière un gradient de température convenable entre le deuxième évaporateur 11 et le premier évaporateur 10, permettant de chauffer la chambre de chauffe 13 du premier évaporateur 10 à l'aide des vapeurs provenant du deuxième évaporateur 11. On peut ainsi renoncer dans une large mesure, ou même entièrement, à l'évapora- tion par détente dans le premier évaporateur 10. L'évaporation par détente de l'eau qui a lieu est donc faible ou nulle, si bien qu'une grande quantité d'eau à faire évaporer peut être répartie entre les deux évaporateurs 10 et il et par conséquent le gros, sinon la totalité, des vapeurs provenant du deuxième évaporateur 11 peut être mis à profit pour chauffer la chambre t) du premier évaporateur 10.Et grâce au réchauffement de la solution saline dans le côté froid de 11 échangeur de chaleur 26, il est inutile, pour porter la température de la solution saline dans le deuxième évaporateur à la température d'zbullition, d'avoir recours à de la vapeur fraîche en tant que source de chaleur étrangère, ce qui réduit sensiblement la surface chauffante nécessaire pour la chambre de chauffe 15. les mesures conformes à l'invention permettent donc de réaliser une économie considérable de chaleur étrangère et de frais d'appareillage. L'installation illustrée par la figure 2 comporte trois évaporateurs, un premier évaporateur 10, un deuxième évaporateur 27 avec un vase dëvaporation 28 et une chambre de chauffe 29, ainsi qu'un troisième évaporateur 11. Le côté à gaz du deuxième évaporateur 27 est raccordé à la conduite de vapeur 16 provenant du côté à gaz de l'évaporateur 11. Du côté du produit, le deuxième évaporateur 27 est monté en aval de la partie froide de l'échan- geur de chaleur 26, c'est-à-dire que la solution saline passe, en sortant du côté froid de l'échangeur de chaleur 26, dans l'évaporateur 27. le côté chaud de la chambre de chauffe 29 de cet évaporateur 27 est intercalé dans la conduite de produit 9 en amont de la partie chaude de l'échangeur de chaleur 26.Et la solution saline se déplace dans une partie de la chambre de chauffe 29 dans le sens contraire de son écoulement dans 11 autre partie. Ces dispositions,qu'on vient de décrire sont indiquées dans le cas où les courants de solution traversant l'échangeur de chaleur 26 présentent de grandes différences quant au débit et à la chaleur spécifique. le débit de solution qui s1 écoule à travers le côté chaud de l'échangeur de chaleur 26 est toujours moindre que le débit à travers le côté froid, la différence étant égale à la quantité d'eau évaporée dans l'évaporateur 10. Dans ces conditions, un transfert total de chaleur n'est pas possible dans l'échangeur de chaleur 26, vu que la température dans la partie froide ne peut jamais atteindre,et encore moins dépasser, celle qui règne dans la partie chaude. Mais, par les mesures qu'on vient d'exposer, il est possible de ramener dans le circuit la chaleur non transmissible dans l'échangeur de chaleur 26.Entre la température de la solution saline dans la conduite de produit 9 en amont de la chambre de chauffe 29 et la température qui règne en aval du côté froid de cette chambre dans le vase d'évaporation 28 du deuxième évaporateur 27, il y a un gradient de température suffisant et, comme de l'évaporation a lieu dans le vase 28, la solution saline qui s'y trouve ne peut pas dépasser sa température d'ébullition qui est inférieure à la température que présente la solution saline en amont de la partie chaude de la chambre de chauffe 29. les mesures qu'on vient de décrire permettent d'augmenter encore davantage le rendement du procédé sur le plan de 11 économie thermique. les schémas dés deux figures contiennent plusieurs pompes 30. Naturellement, les installations industrielles de ce genre comportent encore de nombreux autres organes auxiliaires et plus particulièrement des valves de toutes sortes, ce qui est-évident et connu pour l'homme du métier et n'intervient pas essentiellement dans l'invention. le procédé de l'invention et les dispositifs pour sa mise en oeuvre ont été illustrés par l'exemple de la production d'acide chlorhydrique à l'aide de chlorure de calcium. Mais, évidemment, on pourrait aussi utiliser d'autres sels hygroscopiques tels que le LiC12 ou le MgC12. D'ailleurs, l'invention se rapporte de manière tout à fait générale à la concentration de toutes les solutions salines ayant servi à la séparation d'une quelconque solution par distillation extractive. REVEND i C # T TONS 1.- Procédé de concentration par évaporation de solutions salines ayant servi à épuiser une solution dans une colonne de distillation extractive, procédé où la solution saline est concentrée par évaporation en au moins deux étages avec apport de chaleur de l'extérieur, caractérisé en ce qu'une partie de la chaleur contenue dans la solution saline sortant de la colonne est prélevée avant le premier étage de concentration de la solution saline et que cette partie de la chaleur y est restituée entre deux étages d'évaporation. 2.- Procédé selon la revendication 1, à au moins trois étages de concentration, caractérisé en ce qu'on soustrait à la solution saline, sortant de la colonne, encore une certaine quantité de sa chaleur en un point situé en amont du point de prélèvement de chaleur défini ci-dessus et on lui restitue cette quantité supplémentaire de chaleur soustraite, à un étage d'évaporation situé en aval du point de restitution du premier prélèvement de chaleur. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transfert de chaleur d'un point du circuit de la solution saline à un autre point de son circuit est opéré par un échange de chaleur fermé et à contre-courant. 4.- Disposition pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes présentant au moins deux évaporateurs montés en série, dont chacun comporte un vase d'évaporation et une chambre de chauffe, le côté à gaz du second évaporateur communiquant par l'intermédiaire d'une conduite de vapeur avec la chambre de chauffe du premier évaporateur, tandis que la chambre de chauffe du second évaporateur est raccordée à une source de chaleur étrangère, caractérisé en ce que ce dispositif comprend un échangeur de chaleur fermé dont la partie chaude est intercalée dans la conduite de produit transportant la solution saline entre la colonne d'extraction et le prerier évaporateur, tandis que sa partie froide y est intercalée entre deux évaporateurs, la solution saline s'écoulant dans une partie de l'échangeur de chaleur à contre-courant par rapport au sens de son écoulement dans l'autre partie de l'échangeur de chaleur. 5.- Dispositif selon la revendication 4, comportant au moins trois évaporateurs,caractérisé en ce que le côté chaud de la chambre de chauffe d'un évaporateur ,dispos en aval du coté froid dudit échangeur de chaleur,est intercalé dans la conduite de r#roduit en amontde la tartie chaude de cet échangeur de chaleur.