Brevet FR2300962A1 — publié le 19760910

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la récupération de l'énergie calorifique. Dans un certain nombre d'opérations de génie chimique (comme par exemple dans les distillations) on est amené à refroidir un fluide dont la température est élevée. Ce refroidissement s'effectue en réalisant un échange avec de l'eau ou un fluide caloporteur dont la température augmente mais en général on ne récupère pas les calories transférées du fluide à refroidir vers l'eau ou le fluide caloporteur. Il est pourtant intéressant d'essayer de récupérer ces calories notamment dans des installa tions existantes dans le cas où ces calories sont à haute tempéra ture, c'est-à-dire à une température supérieur à environ 1300 C, c'est là le but de la présente invention. Il est a priori possible de prévoir divers moyens pour récupérer de telles calories ; mais ces divers moyens vont conduire à des réalisations très différentes ayant chacune des avantages et des inconvénients ; la présente invention consiste donc à présenter un moyen de choix pour récupérer ces calories, moyen qui est parfaitement adapté aux installations industrielles, car il est très souple et il conduit à des appareillages peu encombrants. La présente invention concerne donc un procédé pour la récupération des calories d'un matériau dont la température est supérieure à 1300C environ, caractérisé en ce que on effectue un échange thermique entre ledit matériau et de l'eau traitée sous pression, de façon qu'à la sortie de l'échangeur ladite eau ait une température d'au moins l300C et se trouve sous forme liquide pour au moins 90 %, (valeur cependant non limitative pouvant (tre l'eau liquide et de la vapeur saturante, laquelle est réutilisée. Selon la présente invention l'eau utilisée pour l'échange est de l'eau traitée, que l'on appelle également eau de chaudière, c'est-à-dire une eau qui se vaporise sans donner un dépot de sels A la sortie de l'échangeur liteau, dont la température est d'au moins 1300C, peut être totalement sous forme liquide ou partiellement vaporisée ; mais dans ce dernier cas, la quantité CL eau vaporisée est de préférence inférieure à 10 % en poids par rapport à la totalité de l'eau étant dans l'dchangeur à un instant considéré, afin de maximiser le coefficient global d'échange thermique du condenseur. La présente invention concerne également un appareillage pour la réalisation du procédé décrit ci-dessus ; cet appareillage est constitué - d'une pompe alimentée à l'équilibre par de l'eau en provenance du bac tampon permettant de débiter de l'eau traitée sous une pression convenable et d'envoyer cette eau dans un échangeur dans lequel, par échange avec ledit matériau chaud, elle s'échauffe à une température d'au moins 1300C. - d'un détendeur recevant l'eau chaude en provenance de l'échangeur et détendant ladite eau dans - un"bac tampon", dans lequel l'eau chaude se détend jusqu a une pression contralée en se vaporisant partiellement, ledit bac comportant une sortie de vapeur saturante, une sortie d'eau condensée qui est recyclée à la pompe et une entrée d'eau franche traitée. L'appareillage selon l'invention a été décrit dans le cas où l'on réalise une seule boucle (pompe, échangeur, détendeur, bac tampon) mais il est évident qu'il est très souple ; c'est ainsi que la-même pompe peut alimenter plusieurs condenseurs dont les retours au bac tampon s'effectueront par l'intermédiaire d'un ou plusieurs détendeurs ; c'est ainsi également que le même bac tampon peut être utilisé pour alimenter plusieurs boucles travaillant dans des conditions différentes ou identiques. Pour le démarrage de l'installation avant équilibre, il est souhaitable de prévoir que la pompe peut être directement alimentée au moyen d'eau traite fratche et que le ou les détendeurs comportent une possibilité d'envoyer l'eau chaude non pas dans le bac tampon, mais vers l'extérieur. Le dispositif selon l'invention, permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, est précisé dans l'exemple non limitatif suivant ; ce dispositif, schématisé sur la figure unique, est représenté dans le cas de récupération des calories des vapeurs sortant d'une colonne de distillation. 4 La colonne de distillation 1 remet des vapeurs qui sont dirigées 12 vers le condenseur 2 refroidi par une circulation d'eau traitée sous pression ou d'eau froide.Les condensats receuillis dan le pot barométrique 3 s'écoulent par gravité dans le bac recette 4. La pompe 5 assure le reflux en tête de colonne et le soutirage des condensats vers les stockages généraux usine 15, sous contrtle du niveau de 4 par LRC 16 La colonne 1 peut fonctionner sous vide 17, à pression atmosphérique, ou sous pression. La pompe 7 envoie sur le condenseur 2 soit de l'eau de refroidissement 13, soit de l'eau chaude sous pression 14 reprise dans le bac Tampon 6. Deux vannes trois voies 10 et 11 commandées par la température de tête de colonne (TRC 16) et fonctionnant par tout ou rien, permettent soit la circulation d'eau froide 13, 7, 18, 19, 20 qui est ensuite rejetée à l'égout soit la circulation d'eau chaude sous pression 14, 7, 18, 19, 21, 6. Cette eau chaude qui s'est réchauffée dans le condenseur 2 se détend ensuite dans 6 en se vaporisant partiellement. La vapeur d'eau saturante produite est alors extraite 22 sous contrle de pression PRC 8 vers l'utilisation. L'alimentation en eau traitée de 6 est réalisée 23 automatiquement par contrle de niveau LRC 9. Deux cas peuvent titre envisagés. Si la colonne 1 fonctionne en continu, le condenseur 2 n'est plus alimenté en eau froide. Son refroidissement est assuré par la circulation des condensats sous pression 6, 14, 7, 18, 19, 21. La pression de vapeur produite en 6 est fixée en fonction de la température de la tête de colonne 1 TRC 16 et de la surface du condenseur 2 installé. Les vannes trois voies 10 et 11 sont alors supprimées. Si la colonne 1 fonctionne en discontinu, la température de téte de colonne 1 peut varier tout au long de la distillation. Elle peut être d'abord inférieure à 1000C et s'élever progressivement jusqu'à des températures très supérieures à IOOOC. Lorsque la température de tête de colonne est inférieure à une valeur de consigne T, le condenseur 1 est refroidi par l'eau de refroidissement 13, 7, 18, 19, 20. Il n'y a pas recupération de chaleur dans cette période. Lorsque la température de tête de colonne atteint et dépasse la valeur de consigne T, le condenseur 2 est refroidi par l'eau chaude sous pression dont le circuit 6, 14, 7, 18, 19, 21 est automatiquement mis en route par les vannes trois voies 10 et 11. L'eau chaude se détend dans 6 à la pression indiquée PRC 8 en se vaporisant partiellement. Les exemples non limitatifs suivants illustrent 1' invention. Exemple 1 : colonne de distillation fonctionnant en continu Soit une colonne de distillation fonctionnant en continu dans les conditions suivantes Température de condensation des vapeurs de tette de colonne.....................~...,....... colonne 1700 C Surface du condenseur......... 10 m2 Condenseur refroidi par.............. par fluide caloporteur Température du fluide caloporteur - à l'entrée du condenseur 1000 C - à la sortie du condenseur 1200 C Quantité de chaleur échangée - coefficient global d'échange thermique 500 Kcal/hr m2 OC - écart moyen de température au condenseur. 600 C- - chaleur échangée Q1 = 500 x 60 x 10 = 300 000 Kcal/h Le condenseur de cette colonne est adaptée en vue de récupérer la chaleur de condensation suivant le procédé précédemment décrit, c'est-à-dire en produisant-de la vapeur d'eau saturante sous 2,8 kg/cm2. On a les valeurs suivantes Température de condensation des vapeurs de tettes de colonne 1700 C surface du condenseur ....... ........... 10 m2 Condenseur refroidi par circulation d'eau traitée sous pression Taux de vaporisation de l'eau dans le condenseur 5 % Température de l'eau à l'entrée du condenseur 1300 C Température du mélange eau vapeur à la sortie du condenseur, 1360 C Débit d'eau en circulation 37 m3/h Quantité de chaleur échangée - coefficient global d'échange thermique 810Kcal/h m2 C - écart moyen de température du condenseur. 370 C - chaleur échangée Q2 n 810 x 37 x 10 t 300 000. Kcal/h Pression de'détente de l'eau dans le bac tampon.... 2,8 kg/cm2 Vapeur d'eau saturante produite sous (2,8 kg/cm)... 750 kg/h Exemple 2 : colonne de distillation fonctionnan#t en discontinu Soit une.colonne de distillation fonctionnant en discontinu dans les conditions suivantes Température de condensation des vapeurs de tete de colonne - début de distillation 800 C - fin de distillation 2000 C Surfacé du condenseur 10 m2 Condenseur refroidi par : fluide caloporteur Tenpéra,ture du fluide caloporteur - à l'entrée du condenseur 500 C - à la sortie du condenseur 600 C Quantité de chaleur échangée - coefficient global d'échange thermique 500 Kcal/h m2 C - écart moyen de température au condenseur, 25 - chaleur échangée Q3 =500 x 25 x 10 = 125 000 Kcal/h On remarquera que le condenseur ci-dessus devient surdimentionné lorsque la température de condensation des vapeurs en t#te de colonne s'élève au-dessus de 800 C. il s'ensuit qu'il y a refroidissement des condensats, car une partie de la surface du condenseur travaille en condensation de vapeur, et le reste de la surface en refroidissement de liquide condensé. La marche du condenseur de cette colonne est modifîéeen vue de récupérer le maximum possible de chaleur de condensation suivant le procédé précédemment décrit en produisant de la vapeur d'eau saturante sous 2,8 kg/cm2. On a les valeurs suivantes Température de condensation des vapeurs de tête de colonne - début de distillation 800 C - fin de distillation ... 200 C 2000 C Surface condenseur 10 m2 Chaleur de condensation des vapeurs émises en teste de colonne, 000 125 000 Kcal/h Pour des tempSratures de tette de colonne variables entre 80 et 1310 C, le condenseur est refroidi par une circulation d'eau froide non traitée. La chaleur correspondante de condensation n'est pas récupérée. Dès que la température de tete de colonne atteint 1460 C, la condenseur est alimenté par de l'eau traitée sous pression et à une température de 1300 C. On a alors Température de îreau traitée à l'entrée du condenseur 1300 C Température du mélange eau vapeur à la sortie du condenseure 1310 C Débit d'eau en circulation..................... 37 m3/h Taux de vaporisation de l'eau dans le condenseur 5 % Quantité de chaleur échangée Coefficient global d'échange thermique 810 Kcal/h m2 OC Ecart moyen de température au condenseur # 15,50 C Chaleur échangée : Q4 =810 x 15,5 x 10 = 125 000 Kcal/br m2 oC Pression de détente de l'eau traitée dans le bac tampon..,..................,.,....,..... tampon 2,8 kg/cm2 Vapeur d'eau saturante produite sous 2,8 kg/cm2 2 400 kg/h On notera que le flux thermique des vapeurs émises en téte de colonne (125 000 Kcal/h) sera récupérable sous forme de vapeur 2,8 kg/cm2 durant toute la durée de la distillation effectuée pour des températures de tette de colonne comprises entre 146 et 2004 C. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la récupération de calories d'un matériau dont la température est supérieure à 1300C, caractérisé en ce qu'on effectue un échange thermique entre ledit matériau et de l'eau traitée#sous-pression, de façon qu'à la sortie de l'échangeur ladite eau ait une température d'au moins 1300C et se trouve sous forme liquide pour au moins 90 %, et que l'eau chaude ainsi obtenue est détendue dans un bac tampon dans lequel elle se vaporise en partie de façon à donner, sous pression contrtlée, de l'eau liquide et de la vapeur saturante, laquelle est réutilisée. 2. Appareillage pour la récupération de calories à partir d'un matériau dont la température est supérieure à 1300C caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pompe alimentée à l'équilibre par de l'eau en provenance du bac tampon permettant de débiter de l'eau traitée sous une pression convenable et d'envoyer cette eau dans un échangeur dans lequel, par échange avec ledit matériau chaud, elle s'échauffe à une température d'au moins 1300c. - d'un détendeur recevant l'eau chaude en provenance de l'échangeur et détendant ladite eau dans - un "bac tampon", dans lequel l'eau chaude se détend jusqu'à une pression contrôlée en se vaporisant partiellement, ledit bac comportant une sortie de vapeur saturante, une sortie d'eau condensée qui est recyclée à la pompe et une entrée d'eau franche traitée.