Brevet FR2203658A1 — publié le 19740517

La présente invention concerne un procédé de distillation et en particulier un procédé de distillation économique pour la distillation de l'eau et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, le procédé selon l'invention peut également être appliqué à la distillation d'autres liquides et notamment à la distillation de l'eau de mer pour la production de l'eau potable ou de liteau douce pour d'autres utilisations et pour produire de l'eau distillée, par exemple pour des applications pharmaceuti queso Lorsqu'on recherche un procédé de distillation économique, on prend en considération la consommation d'énergie, le cott de l'installation et dans certains cas la consommation d'eau brute.Une étude des procédés de distillation les plus répandus montre que lorsqu'un procédé est avantageux pour l'un desdits facteurs, il est peu favorable pour un autre de ces facteurs0 On peut citer, à titre d'exemple, le procédé de distillation à phases multiples le mieux connu suivant lequel l'eau à distiller est chauffée pendant qu'elle traverse chaque phase de distillation comme eau de refroidissement des condensateurs0 Des dispositifs travaillant suivant ce procédé présentent une consommation relativement élevée d'énergie et d'eau brute tandis que le coût de l'installation est réduit, Dans un procédé à tube vertical dans lequel la vapeur est condensée par échange thermique avec l'eau de la phase de distillation suivante, la consommation d'eau brute est plus réduite mais l'énergie consommée pour chauffer l'eau brute est évacuée dans des proportions excessives avec le distilat de haute température. Le troisième procédé très connu, le procédé à chaleur pompée, est beaucoup plus avantageux, en ce qui concerne la consommation d'énergie, que les deux autres dits procédés, mais le cotit de l'installation est plus élevé à cause de l'utilisation nécessaire d'un compresseur de vapeur, Chaque procédé est, bien entendu, utilisé en fonction desdits facteurs pour obtenir un résultat économique mais chaque procédé impose certaines limites des combinaisons possibles. L'invention a pour objet de concevoir un procédé permettant de réaliser une combinaison plus avantageuse desdits facteurs et un résultat global plus économique que lesdits procédés de distillation de l'art antérieur0 Le procédé selon l'invention consiste à condenser une partie de la vapeur produite dans chaque phase par échange thermique avec le liquide dont une partie sera distillée dans la mtme phase, à condenser une partie de la vapeur produite par échange thermique avec le liquide dont une partie est déjà distillée dans la méme phase et, à refroidir le condensat obtenu à partir de ladite vapeur par échange thermique avec le liquide destiné à être distillé dans les phases de distillation suivantes réalisées à des températures moins élevées0 La vapeur produite dans une phase donnée est ainsi condensée partiellement, d'une manière similaire à la distillation à phases multiples, à l'aide d'un condensateur de la même phase et une partie de la vapeur est utilisée dans un échange thermique avec le liquide destiné à être distillé dans la phase suivante comme dans le procédé à tube vertical. La chaleur du condensat est récupérée dans l'échange thermique avec le liquide destiné à être distillé dans des phases travaillant à une température moins élevée. De cette manière, on réalise une solution avantageuse en ce qui concerne la consommation d'eau brute comme dans l'évaporation à tube vertical et qui permet d'obtenir un résultat plus avantageux en ce qui concerne la consommation d'énergie, que ceux obtenus avec le procédé à tube vertical et le procédé à phases multiples dans une installation de la mtme importance. Un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention consiste à comprimer une partie de la vapeur produite dans une phase de distillation donnée pour obtenir une vapeur d'une pression et d'une température plus élevées et à condenser cette vapeur par échange thermique avec le liquide à distiller d'une phase de distillation travaillant à une température plus élevée que celle de la phase à laquelle est produite ladite vapeur. La consommation d'énergie est ainsi réduite dans les mimes proportions que dans le procédé à pompe de chaleur à phase unique mais le cotit de l'installation et de l'entretien de celleci est considérablement réduit parce qu'une fraction, par exemple d'environ 6 X, de la quantité totale de vapeur est refoulée par le compresseur, tandis que, suivant le procédé connu, la totalité de la vapeur est refoulée à une température plus élevée, Dans le dispositif selon l'invention pour la mise en oeuvre dudit procédé, la vapeur produite dans un poste de distillation est conduite vers le haut dans un espace annulaire ménagé entre deux conduits, dans ledit espace annulaire étant disposé un guide hélicoïdal impliquant à la vapeur un mouvement rotatif puissant et qui assure ainsi que les gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur soient évacuées par force centrifuge à travers des fentes pratiquées dans ledit guide à l'extérieur de celui-ci dans un espace fermé à son extrémité supérieure et dans lequel les gouttelettes s'écoulent vers le fond de l'évaporateur, la vapeur sèche ainsi obtenue s'écoulant à partir de l'extrémité supérieure dudit espace annulaire entre les conduits au poste de distillation suivant0 Le procédé selon l'invention sera maintenant décrit plus en détails en se référant aux dessins annexés montrant schématiquement plusieurs modes de réalisation du procédé et du disdispositif selon l'invention. Sur les dessins annexés seulement un petit nombre de phases ou étages de distillation sont représentées pour des raisons de clarté tandis que dans des réalisations pratiques le nombre d'étages peut tire plus important. Sur ces dessins : Fig. 1 montre un mode de réalisation dans lequel l'é- nergie est introduite sous forme de vapeur ou de courant le- trique Figure 2 montre un mode de réalisation dans lequel 1 'é- nergie est introduite à l'aide d'un compresseur Figure 3 montre un détail du transfert du liquide i distiller d'un étage à l'autre d'une installation fi Figure 4 montre la construction d'un étage de distillation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'in- vention et Figure 5 entre une variante d'un étage du dispositif selon l'invention0 Le mode de réalisation représenté à la figure 1 comporte quatre étages de distillation 10, 11, 12 et 130 Une pompe 28 refoule l'eau à distiller à travers un tube 27 aux condensateurs 17, 16, 15 et 14 dans lesquels l'eau est chauffée pendant la condensation de la vapeur. Ensuite, l'eau s'écoule à travers un tube 22 dans l'évaporateur de l'étage de distillation 10. L'échangeur de chaleur 32, actionné par électricité ou par vapeur, assure le chauffage de l'eau et ainsi son évaporation partielle0 Une partie de la vapeur est condensée dans un condensateur 14 et une autre partie s'écoule à travers un tube 33 dans l'échangeur de chaleur 36 de l'étage de distillation 11 avec le condensat accumulé au fond 18 de l'étage de distillation 10.L'eau non évaporée dans l'étage 10 s'écoule à travers un tube 23 dans l'évaporateur de l'étage 11 dans lequel une partie du liquide est évaporée grace à la pression plus faible qui règne dans cet évaporateur et le restant du liquide est refroidi lorsqu'il cède sa chaleur à la vapeur. L'eau refroidie est soumise à l'aide d'un échangeur de chaleur 36 à un échange thermique avec la vapeur venant de l'étage 10 et qui est ainsi condensée et transmet sa chaleur à une quantité correspondante d'eau qui est ainsi évaporée. La vapeur est condensée dans lescondenseuzs 15 et 37 et l'eau s'écoule à travers un tube 24 vers l'étage de distillation 12 dans lequel une partie de l'eau est de nouveau évaporée grâce à la pression réduite et à la chaleur transmise dans un échangeur de chaleur 37. La vapeur produite dans l'étage 12 est condensée dans les condenseurs 16 et 38 et l'eau s'écoule à travers un tube 25 audit étage de distillation 13. La vapeur produite dans l'étage 13 est condensée dans les condensateurs 17 et 29 et l'eau de refroidissement envoyée à travers un tube au dernier dit condensateur est évacuée à travers un tube 30 vers un dispositif d'éta- cuation 31 qui retire à travers un conduit 26 l'eau non évaporée restant dans l'étage de distillation 13. Le condensat produit dans les condensateurs 14 et 36 contient encore une quantité considérable d'énergie thermique qui peut Titre utilisée pour évaporer de l'eaux Le condensat est accumulé dans le tube 39 et qui s'écoule vers l'échangeur de chaleur 40 de l'étage 12 dans lequel il est refroidi et chauffe l'eau à évaporer. De là il s'écoule vers l'échangeur 41 où il est encore refroidi et est évacué à travers la soupape 47 et le tube 48 vers un éjecteur 49 alimenté avec de l'eau distillée refoulée par une pompe 50 à partir d'un réservoir. D'une manière correspondante, le condensat produit dans les condensateurs 15 et 37 est accumulé dans le tube 42, refroidi dans l'échangeur de chaleur 43 et évacué à travers une soupape 46.Les condensats des étages 12 et 13 sont évacués de la reme manière à travers une soupape 45 dans le tube 44 et vers le tube 48. Les soupapes 45, 46 et 47 sont utilisées pour régler les pressions règnant dans les différents étages de distillation tandis que les gaz non condensés sont évacués avec le condensat par l'éjecteur 49. Lorsqu'une partie des étages de distillation travaille à une température supérieure à la pression atmosphérique, leurs condensats et gaz non condensés ne sont pas évacués à travers ledit éjecteur ; ils s'écoulent directement sous pression dans le réservoir d'eau distillée 51. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, les différents étages de distillation fonctionnent d'une manière similaire que ceux représentés à la figure 1 et, pour cette raison, ce mode de réalisation ne sera pas décrit en détails ci-dessousO Ce mode de réalisation diffère de celui représenté à la figure 1 par le fait que l'énergie est fournie par un moteur 54 et un compresseur 53 qui remplacent l'élément de chauffage 32 dans le mode de réalisation représenté à la figure 1.Le compresseur 53 aspire à travers un tube 52 une partie de la vapeur produite dans un étage de distillation 60 et comprime cette vapeur ce qui entrain un chauffage de celui-ci pour l'envoyer à l'échangeur de chaleur 56 de l'étage de distillation 61o La vapeur est condensée et fait évaporer ainsi de l'eau dans l'étage de distillation 61. Le condensat est refroidi dans des échangeurs de chaleur 58 et 59 et évacué à travers la soupape 62 dans le tube collecteur de condensat 63, le condensat produit dans l'étage 60 étant également envoyé à travers un tube 57 audit collecteur 63. Le moteur 54 peut entres par exemple, un moteur diesel dont la plus grande partie de chaleur secondaire peut etre utilisée pour chauffer l'eau dans un échangeur de chaleur 55. Grace à cette disposition, l'efficacité de la consommation d'énergie sera très élevée et dans une installation de distillation à dix étages, par exemple, la consommation d'énergie est de l'ordre de 20 Kcal/Kg. Lorsque la vapeur est pompée avec une pression différentielle très élevée à travers les différents étages de distillation, elle est comprimée dans une large mesure et atteint une température relativement élevée.Le pompage peut entre réalisé en différentes phases et on peut utiliser des dispositifs de refroidissement intermédiaires, tels que l'échangeur de chaleur 55, dans lesquels l'excès de chaleur est transféré dans l'eau pour l'évaporation de celle-ci. Dans un procédé de distillation à phasesmultiples on peut également utiliser plusieurs circuits de retour ou de recyclage de vapeur, par exemple pour renvoyer la vapeur dans un procédé à neuf phases, de la dernière phase à la septième phase, de la sixième phase à la quatrième phase et de la troisième phase à la première0 L'échangeur de chaleur dans lequel la vapeur, produite dans la phase de distillation, est condensée, peut etre constitué par un ensemble de tubes plongés dans l'eau à distiller, par un ensemble de tubes horizontaux sur lesquels l'eau à distiller s'écoule ou est projetée ou par un ensemble de tubes sur la surface desquels l'eau à distiller s'écoule sous forme d'une mince couche0 Dans les deux derniers dits cas, l'eau s'écoulant d'un étage de distillation à l'autre doit être élevée à un niveau considérablement plus haut que le niveau d'eau dans l'étage de départ. Lorsque l'eau est à une température correspondant à son point d'ébullition, les bulles de vapeur sont formées abondamment avant le passage de l'eau dans l'évaporateur suivant et le tube à travers l'eau qui s'écoule d'une étage de distillation à l'autre doit ainsi présenter une section large convenable. Cet inconvénient peut être supprimé grace à la disposition représentée à la figure 3. L'eau à distiller passe de l'étage de distillation 64 à l'étage de distillation 65 à travers un tube 66 par lequel elle s'écoule à un échangeur de chaleur 67 disposé dans l'étage de distillation 65 et dans lequel elle est refroidie avec l'eau à distiller contenue dans l'étage 65 et seulement après ce refroidissement, l'eau est élevée à travers un tube 68 à un niveau plus haut lorsqu'elle est évacuée de l'étage de distillation 65. L'échangeur de chaleur 67 peut également être disposé dans un étage de distillation travaillant à une température encore plus basse dans lequel l'échange de chaleur est réalisé avec une température différentielle plus importante et ensuite, l'eau est évacuée dans l'évaporateur de l'étage de distillation travaillant à une température plus élevée. Figure 4 montre la structure d'un étage de distillation correspondant, par exemple, à la phase de distillation 12 représentée schématiquement à la figure 1. A l'échangeur de chaleur 37 représenté à la figure 1 correspond un tube vertical 70 dans lequel la vapeur de l'étage de distillation précédent est envoyée0 A l'intérieur de ce tube est disposé un condensateur 72 correspondant au condensateur 15 représenté à la figure 1. Une partie de la vapeur est condensée dans le condensateur 72 et une partie sur la paroi intérieure du tube 70.Le condensat s'accumule au fond du tube 70 et est évacué à travers un tube 86 pour l'échange de chaleur avec de l'eau dans l'étage de distillation suivant0 L'eau s'écoule à partir de l'étage de distillation précédent à travers un tube 74 à l'échangeur de chaleur 75 dans lequel elle est refroidie par échange thermique avec l'eau évaporée et ensuite l'eau est élevée à travers le tube 73 vers un espace annulaire 71 entourant l'extrémité supérieure du tube 70. De là, l'eau est évacuée à travers une fente étroite 84 vers le bas, le long de la paroi extérieure du tube 70 et ceci sous forme d'une mince couche s'écoulant le long de ce tube0 Lorsque la vapeur est condense sur la paroi intérieure du tube 70, elle transmet de la chaleur à l'eau s'écoulant sur la paroi extérieure du tube 70, une partie de cette eau étant ainsi évaporée.La formation de bulles de vapeur dans l'eau s'écoulant le long de la paroi dudit tube produit des turbulences importantes et améliore l'échange de chaleur. nais ce phénomène entraine également la projection de gouttelettes d'eau quittant la paroi du tube. Pour cette raison, la surface intérieure d'un tube de protection 77 entourant le tube 70 présente des freins d'écoulement 78 qui renvoient l'eau projetée sur la paroi du tube 77 sur la paroi extérieure du tube 70.Les freins d'écoulement représentés ici s'étendent seulement sur une partie de la circonférence du tube 77 pour ménager un passage libre continu pour la vapeur s'écoulant vers le bas dans l'espace entre les tubes 70 et 770 A l'extrémité inférieure du tube 70 1'eau est, de plus, soumise à un échange de chaleur avec le condensat traversant un échangeur de chaleur 76 et qui arrive de l'étage de distillation précédent. Cet échangeur de chaleur correspond à Ç'échangeur 40 représenté à la figure 1.A partir du fond de l'étage de distillation, l'eau est envoyée à travers un tube 85 à l'étage de distillation suivant0 La vapeur produite dans l'étage de distillation s'écoule vers le haut dans l'espace libre annulaire entre le tube 77 et une chemise tubulaire 79 et traverse à ce niveau un conduit héli cordas 80 Dans ce conduit la vapeur avance à une vitesse élevée et, grace à l'accélération radiale qui est facilement égale à plusieurs centaines de fois de l'accélération par la gravité terrestre, les gouttelettes d'eau entraînées par la vapeur sont projetées à travers les fentes 81 dans l'espace annulaire 82 dans lequel elles s'écoulent vers le bas. La vapeur sèche continue son chemin vers le haut et passe à travers un conduit 83 à l'étage de distillation suivant. La construction représentée à la figure 4 est particulièrement avantageuse pour des installations de distillation d'une importance réduite, Dans des installations plus importantes, chaque étage de distillation peut comprendre plusieurs tubes échangeurs de chaleur 70 et, dans ce cas, la chambre d'alimentation d'eau supérieure 71 est une chambre commune pour tous les tubes dont chacun est entouré par une fente annulaire 84. Le séparateur de gouttelettes 80 peut, par contre, servir pour tous les tubes 70 d'un étage. Dans des installations plus importantes, on utilise un mode de réalisation représenté à la figure 5 dans lequel chaque étage de distillation comporte plusieurs tubes échangeurs de chaleur 87 sur la paroi intérieure desquels l'eau à distiller s'écoule vers le bas et est évaporée en mSme temps ; sur la paroi extérieure des tubes 87 est condensée la vapeur de l'étage de distillation précédente.Le mélange d'eau et de vapeur obtenu i l'extrémité inférieure du tube 87 arrive au fond de l'étage de distillation lorsque la vapeur passe dans le séparateur de gouttelettes 80 et que l'eau s'écoule à l'étage de distillation suivante à travers le tube 85. Le séparateur 80 peut constituer un élément commun pour tous les tubes et être disposé dans l'espace annulaire entre une chemise 88 de l'ensemble échangeur de chaleur et une chemise extérieure 79 de l'étage de distillation. Le guide hélicoïdal 72 peut, par exemple, titre remplacé par un échangeur de chaleur en U portant la référence 89 et qui est disposé entre ladite chemise'et l'ensemble d'échangeurs de chaleur.L'eau est déchargée dans les tubes échangeurs de chaleur à partir d'une chambre d'eau commune 90 à travers des gicleurs 91 et à une température correspondant à un surchauffage à la pression règnant dans les tubes, de sorte qu'une partie de l'eau est évaporée et la vapeur produite projète l'eau efficacement sur la paroi du tube. L'eau envoyée dans le premier étage de distillation peut être chauffée à une température de surchauffage, par exemple au moyen dudit échangeur de chaleur en U et par de la vapeur de chauffage. Le passage hélicoïdal peut être réalisé d'une autre manière, par exemple au moyen d'un tube présentant des fentes étroites pour les gouttelettes d'eau. L'écoulement vers le bas de l'eau à évaporer et l'écou lement vers le haut de la vapeur à travers un séparateur de goui- telettes centrifuge, dans la chambre d'évaporation, permettent d'obtenir des vitesses d'écoulement très élevées pour la vapeur ce qui permet de réduire les dimensions de la chambre d'évaporation, Dans les installations de distillation connues pour l'industrie pharmaceutique, on realise des vitesses de vapeur de l'ordre de 3m/sec tandis que le dispositif selon l'invention permet de réaliser des vitesses dix fois plus élevées et ainsi l'utilisation de chambres d'évaporation de dimensions plus réduites Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ici mais on pourra y apporter de nombreuses modifications de détails sans sortir, pour cela, du cadre de l'invention0 REVENDICATIONS 1.- Procédé de distillation d'un liquide tel que l'eau comportant plusieurs phases successives, caractérisé en ce qu'il consiste à condenser une partie de la vapeur produite dans chaque phase par échange thermique avec le liquide dont une partie sera distillée dans la même phase, à condenser une partie de la vapeur produite par échange thermique avec le liquide dont une partie est déjà distillée dans la même phase et, à refroidir le condensat obtenu à partir de ladite vapeur par échange thermique avec le liquide destiné à titre distillé dans les phases de distillation suivantes réalisées à des températures moins élevées. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à séparer par centrifugation les gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à refroidir le liquide à distiller par échange thermique avec le liquide à distiller de la phase de distillation constituant la phase d'évaporation de liquide suivante. 4.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à refroidir le liquide obtenu à une phase de distillation donnée, avant son écoulement vers la phase de distillation suivante, par échange thermique avec le liquide des phases de distillation travaillant à des températures moins élevées. 5o- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à condenser la vapeur produite dans la phase de distillation la plus froide par échange thermique avec une matière qui n'est pas envoyée ultérieurement dans les autres phases de distillation. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à comprimer une partie de la vapeur produite dans une phase de distillation donnée pour obtenir une vapeur d'une pression et d'une température plus élevées et à condenser cette vapeur par échange thermique avec le liquide à distiller d'une phase de distillation travaillant à une température plus élevée que celle de la phase à laquelle est produite ladite vapeur. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser la chaleur produite par ladite compression pour le chauffage du liquide à évaporer. 8.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la vapeur produite dans un poste de distillation est conduite vers le haut dans un espace annulaire ménagé entre deux conduits, dans ledit espace annulaire étant disposé un guide hélicoïdal impliquant à la vapeur un mouvement rotatif puissant et qui assure ainsi que les gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur soient évacuées par force centrifuge à travers des fentes pratiquées dans ledit guide à l'extérieur de celui-ci dans un espace fermé à son extrémité supérieure et dans lequel les gouttelettes s'écoulent vers le fond de l'évaporateur, la vapeur sèche ainsi obtenu nues s'écoulant à partir de l'extrémité supérieure dudit espace annulaire entre les conduits au poste de distillation suivant0 9.- Dispositif suivant la revendication 8, caractéris en ce que ledit guide hélicoïdal est disposé autour d'un échangeur de chaleur vertical dans lequel le liquide à distiller s'é- coule sous forme d'une mince couche le long de la paroi intérieure ou extérieure du tube d'échange de l'échangeur et du haut vers le bas, la vapeur déviée à partir de l'étage de distillation précédente étant condensée sur le côté opposé dudit échangeur de chaleur0 10.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendica tions 8 et 9, caractérisé en ce que le liquide à distiller sté- coule sous forme d'une mince couche le long de la paroi extérieure d'un tube d'échange de chaleur vertical et du naut vers le bas, la vapeur produite dans l'étage de distillation précédente étant condensée sur la paroi intérieure dudit tube, ledit tube d'échange étant entouré par un tube de protection ouvert à son extrémité inférieure et qui dirige la vapeur libérée vers le bas, ledit tube de protection comportant sur une partie de sa circonférence des guides qui retournent alternativement le liquide déposé sur la paroi intérieure du tube de protection sur la paroi extérieure dudit tube d'échange et permettent, en mtme temps, l'écoulement de la vapeur vers l'extrémité inférieure dudit tube de protection0 11.- Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau de l'extrémité inférieure dudit tube d'échange et à l'extérieur de celui-ci une série d'échangeurs de chaleur dans lesquels est envoyé le condensat produit dans les étages de distillation précédents0 12.- Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au niveau de l'extrémité inférieure dudit tube d'échange et à l'extérieur de celui-ci un échangeur de chaleur dans lequel est envoyé le liquide à distiller obtenu au niveau de l'évaporateur d'un étage de distillation précédent0 13.- Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau de ltextrémité supérieure dudit tube d'échange et à l'intérieur de celui-ci, un condensateur dans lequel est envoyé le liquide distillé0