Brevet FR2152366A1 — publié le 19730427

La présente invention a pour objet un procédé d'obtention d'eau lourde par échange bitherme entre H20 et H2S. Le principe de base d'obtention d'eau lourde par un procédé bitherme à H25 est de mettre en présence de l'eau liquide (contenant des molécules H2O et des molécules HDO) et de lthydro- gène sulfuré gazeux H2 S. Une partie de cet hydrogène sulfuré se dissout dans l'eau et la phase liquide devient alors le siège d'un échange isotopique entre les corps mis en présence. I1 est connu que pour une même valeur du rapport HDS gaz H2S gaz , le rapport HDO liq. est d'autant plus grand que la H2O liq. température est plus basse. En conséquence, les dispositifs classiques d'obtention d'eau lourde se basent d'une manière générale sur un système constitué de deux enceintes, l'une chaude, l'autre froide, traversées en série par un courant d'hydrogène sulfuré gazeux circulant è contre-courant avec un débit d'eau. En effectuant un soutirage en phase liquide à la sortie de l'enceinte froide, on obtient de 11 eau ayant une teneur en deutérium supérieure à celle de l'eau d'alimentation. Sur la figure 1, ci-jointe, on a représenté une vue schématique d'un dispositif classique d'obtention d'eau lourde. Ce dispositif comporte une tour froide TF et une tour chaude TC montées en série ainsi qu'une tour de odéshumidification TD et une tour d'humidification TH placées respectivement en-dessous des tours TF et TC. L'ensemble constitue l'un des étages du dispositif considéré. Sur cette figure 1, les circuits fléchés en traits pleins représentent le parcours du débit liquide, ceux en tirets le parcours de l'hydrogène sulfuré gazeux, ceux en traits doubles les circuits de réchauffement et de refroidissement. L'eau d'alimentation est amenée en A, à un débit de 45 720 Kmole/h, en haut de la tour froide TF. Cette eau liquide circule dans la tour froide TF à contre-courant avec l'hydrogène sulfuré gazeux qui, à ce moment-là, est enrichi en deutérium. Le débit liquide que l'on extrait en pied de tour froide TF est donc enrichi en deutérium. Sa température est de 32,25 C. Une partie de ce débit liquide enrichi en deutérium est envoyée en haut de la tour froide de l'étage suivant. Son débit est de 14 ODE Kmole/h, la teneur en deutérium de 710 ppm. L'autre partie est envoyée en haut de la tour chaude TC après passage dans un échangeur E1 qui permet d'élever la température du débit liquide jusqu'à 127,1 DE et qui joue également le rôle de dégazeur.A la sortie de ltéchangeur E1, ce débit est de 32 370 Kmole/h et pénètre ensuite dans la tour chaude TC. Le débit liquide extrait en pied de tour chaude TC est appauvri en deutérium et contient de l'H25 dissous dont il est nécessaire de le débarrasser avant de le rejeter. Dans ce but, on l'envoie dans une colonne de stripping S après passage dans ltéchangeur E2 qui a pour rôle de le préchauffer convenablement. Dans cette colonne de stripping S, le débit liquide circule à contre-courant avec de la vapeur provenant d'une chaudière C qui sert de rebouilleur à la colonne S. A la sortie de la colonne S, le liquide épuré en H25 est riche en calories et est utilisé pour les opérations de réchauffement suivantes (circuit en traits doubles), à savoir - élever la température du liquide sortant en pied de tour froide TF et devant aller en tour chaude TC au moyen de l'échangeur E1, - préchauffer le liquide soutiré en pied de tour chaude TC avant qu?il ne soit envoyé à la colonne S au moyen de l'échangeur E2, - amener liteau d'alimentation à la température nécessaire avant son entrée en haut de la tour froide TF au moyen de l'échangeur E3. D'autre part, l'hydrogène sulfuré gazeux pauvre en deutérium, qui provient du somme de la tour chaude de l'étage suivant, est amené en B à un débit de 28 460 Kmole/h en pied de tour froide TF. On lui fait traverser cette tour froide TF, dont il ressort à un débit de 96 090 Kmole/h, et on le fait passer ensuite dans la tour d'humidification TH de manière à ce qu'il soit porté aux conditions de température et d'humidité qu'il doit avoir en pied de tour chaude TC. Après traversée de la tour chaude TC, l'hydrogène sulfuré gazeux traverse la tour de déshumidification TD pour aller ensuite dans la tour froide TF. Les calories nécessaires pour alimenter la tour d'humidification TH sont prises à la chaudière C par l'intermédiaire d'une boucle dFeau. Un appoint deau (compensant la quantité d'eau nécessaire pour l'humidification du gaz) est fourni à cette boucle par un prélèvement sur le débit liquide sortant en piéd de tour chaude TC. Un appoint de calories et d'eau vapeur est apporté à la phase gazeuse lors de la réinjection du H2 5 récupéré au stripper. A la sortie de la tour d'humidification TH, une partie de l'eau liquide va à l'étage suivant, l'autre partie traverse deux échangeurs E4 et E5 dans lesquels elle enlève des calories à deux autres boucles de liquide qui ont pour rôle de refroidir et de déshumidifier le gaz sortant de la tour chaude TC et allant en pied de tour froide TF ; cette opération se passe dans la tour de deshumidification TD. Un appoint de frigories est fourni à ces boucles de refroidissement, après leur traversée de E4 et E5, dans l'échangeur E6. Dans la pratique, les tours TF, TC, TH et TD sont constituées par des colonnes à plateaux. Les caractéristiques des échangeurs E6, E4,E5 et E1 sont données dans le tableau ci-dessous. TABLEAU I Echangeur E6 E4 E5 E1 Chaleur échangée en 106 Kcal/h 102,286 51,697 26,093 57,13 Surface d'échange en m2 10 491 2 890 2 374 9 500 Le procédé d'obtention d'eau lourde, objet de l'invention, permet d'améliorer les conditions de l'art antérieur, notamment en ce qu'il permet d'utiliser une surface d'échange, pour un étage donné, moins importante que celle utilisée dans les procédés connus jusqu'à ce jour et d'obtenir à la sortie de chaque étage une eau ayant une teneur en deutérium plus élevée. Le procédé conforme à l'invention se caractérise notamment en ce que l'on envoie un débit d'eau liquide dans une tour froide, de l'H25 gazeux circulant à contre-courant dudit débit liquide dans cette tour froide, on soutire intégralement ledit débit liquide en pied de @@ur froide et on l'envoie ensuite dans la tour de déshumidification située en-dessous de la tour froide, on soutire une partie dudit débit liquide enrichi en deutérium en pied de la première boucle de la tour de déshumidification après son passage dans un échangeur et on l'envoie en haut de la tour froide de l'étage suivant par l'intermédiaire d'un échangeur de manière à abaisser sa température, on fait traverser l'autre partie du débit liquide enrichi en deutérium dans le reste de la tour de déshumidi- fication et on l'envoie ensuite directement au sommet de la tour chaude du même étage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en se référant à la figure 2 jointe, qui représente un étage du dispositif de mise en oeuvre du procédé considéré. Dans le procédé conforme à l'invention, on retrouve les tours TF, TC, TD et TH analogues à celles du dispositif décrit précédemment, ainsi que la colonne de stripping S et la chaudière C. La mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, s'effectue de la manière suiente On envoie en A l'eau liquide, à un débit de 45 720 Kmole/h, au sommet de la tour froide TF. A la sortie de TF, l'eau a un débit de 47 060 Kmole/h et une température de 32,250C. Après son passage dans l'échangeur E5 qui abaisse sa température jusqu'à 29,50C, on l'envoie intégralement en haut de la tour de déwhumidification TD. Une partie du liquide sortant en pied de la première boucle de la tour de déshumidification TD est envoyée vers le haut de la tour froide de l'étage suivant. Sa température étant trop élevée (117,70C), on le fait d'abord passer dans un échangeur E6. En définitive, on envoie vers la tour froide de l'étage ajient, undébit liquide de 13 670 Kmole/h, ayant une température de 29,650C et une teneur en deutérium de 784 ppm. Le zeste du liquide sortant en pied de la première boucle de la tour de déshumidification TD traverse le reste de cette tour dont il sort à la température nécessaire pour aller dans la tour chaude TC. On envoie donc directement dans cette tour chaude. D'autre part, l'hydrogène sulfuré gazeux pauvre en deutérium, qui provient du sommet de la tour chaude de l'étage suivant, est amené en B, à un débit de 27 980 Kmole/h, en pied de tour froide TF dont il ressort à un débit de 96 090 Kmole/h. On le fait ensuite passer dans la tour d'humidification TH et dans la tour chaude TC. Le reste des opérations (élimination de l'H2S contenu dans le débit liquide sortant en pied de tour chaude, circuits de réchauffement pour la tour d'humidification TH, circuits de refroidissement pour la tour de déshumidification TD) sont identiques à celles du procédé décrit précédemment. Les caractéristiques des échangeurs E6, E4, E5 et E7 du procédé conforme à l'invention sont données dans le tableau ci-dessous : TABLEAU Il Echangeur E6 E4 E5 E7 Chaleur échangée en 106K@al/h 78,239 57,906 28,943 22,083 Surface d'échange en m2 8025 3395 2336 2265 Ainsi, le procédé, objet de l'invention, présente une nette amélioration par rapport au procédé classique, en ce sens que l'eau extraite en pied de tour froide est plus riche en deutérium (784 ppm au lieu de 710 ppm) ; ce qui permet d'envoyer un débit moins important de cette eau enrichie en deutérium à l'étage suivant. D'autre part, en comparant les valeurs des tablsaux I et II, on constate que le procédé conforme à l'invention permet d'utiliser une surface d'échange moins importante. L'exemple numérique,qui vient d'être donné et qui est conforme à l'invention,stapplique au premier étage d'une usine dont la production en eau lourde serait d'environ 200 tonnes par an. Par ailleurs, il faut bien préciser que l'amélioration en teneur isotopique et celle en surface d'échange peuvent s'obtenir indépendamment l'une de l'autre, c'est-à-dire que l'on peut cbtenir, ou bien une amélioration de la teneur isotopique, ou bien une diminution de la surface d'échange,ou encore les deux simultanément. C'est ainsi, que si@l'on abandonne l'amélioration en teneur isotopique, la diminution obtenue sur la surface d'échange est beaucoup plus grande, ce qui conduirait à la suppression de l'échangeur E7 du tableau II. REVENDICATION Procédé d'obtention d'eau lourde par échange bitherme de deutérium entre H20 et H2S, du genre de ceux dans lesquels, de façon connue, on réalise cet échange dans une installation comprenant un certain nombre d'étages composés chacun d'une tour froide et d'une tour chaude parcourues à contre-courant par l'eau et l'hydrogène sulfuré gazeux, lesdites tours froide et chaude, étant complétées chacune à leur partie inférieure respectivement par une tour de déshumidification et une tour d'humidification, caractérisé en ce que l'on soutire intégralement le débit liquide en pied de tour froide et on l'envoie ensuite dans la tour de déshumidification située en-dessous de la tour froide, on soutire une partie dudit débit liquide enrichi en deutérium en pied de la première boucle de la tour de déshumidification après son passage dans un échangeur et on l'envoie en haut de la tour froide de étage suivant par l'intermédiaire d'un échangeur de manière à abaisser sa température, on fait traverser l'autre partie du débit liquide enrichi en deutérium dans le reste de la tour de déshumi- dification et on l'envoie ensuite directement au sommet de la tour chaude du même étage.