Brevet FR2351681A1 — publié le 19771216

L'invention concerne uee installation pour la concentration d'une solution. Cette installation appartient au type selon lequel la concentration s'effectue par évaporation de buées dans un évaporateur sous vide partiel et avec récupération de la chaleur d'évaporation au moyen d'une pompe thermique, tandis qu'un agent frigorifique s'évapore dans un condensateur de buées par échange thermique avec les buées en condensation, que la vapeur de l'agent frigorifique est comprimée dans un compresseur et qu'elle est condensée dans un échangeur thermique avec restitution de la chaleur de condensation à la solution qui doit être concentré. On connalt de pareilles installations, où la vapeur d'eau est utilisée comme fluide gazeux de chauffage. De pareilles installations connues travaillent en continu. Elles ont pourtant le défaut de ne pouvoir travailler économiquement qu'à une grande échelle. Les petites installations, telles qu'elles sont nécessaires par exemple dans l'industrie pharmaceutique, travaillent jusqu'à maintenant d'une manière discontinue avec plusieurs étages et donc avec des frais de fonctionnement élevés. On connatt aussi des petites installations qui, à cause de la marche à des températures entre OO et 600C, utilisent un agent frigorifique comme fluide de chauffage. Mais ces installations, à cause de leur construction simple, n'ont été conçues que comme des évaporateurs à circulation naturelle ou "downdraft" (à courant de chute). A l'ébullition, les solutions saturées libèrent des matières solides, qui salissent l'échangeur thermique et gênent ainsi l'échange thermique. Sans nettoyage quotidien de 11 échangeur thermique, on ne peut donc utiliser ces évapsrateurs à circulation naturelle ou à courant de chute que pour la concentration de liquides non saturés et ne tendant pas à libérer des matières solides. Une installation de ce type dans laquelle il y aurait, pendant la concentration d'une solution, et spécialement d'une solution saturée, un risque de dépôts de matières solides, est décrite par exemple dans le brevet allemand 459 470. Le but de l'invention est d'offrir une petite installation économique et continue permettant de concentrer des solutions déjà concentrées ou d'autres liquides tendant à déposer des matières solides, sans qu'un dépôt de matières solides dans l'échangeur thermique, où le produit frigorifique restitue sa chaleur à la solution, puisse gêner échange thermique. Un autre but de l'invention est de concevoir une petite installation économique et continue, de manière qu'elle puisse être construite autant que possible seulement avec des éléments fabriqués en grandes séries, qui n'ont donc pas besoin d'être fabriqués à l'unité, mais sont disponibles à relativement bon marché. C'est seulement grâce à cette construction répondant aux nécessités de la fabrication de série qu'il est possible d'assurer un vaste champ d'application à l'installation suivant l'invention pour la concentration d'une solution. Les deux buts de l'invention indiqués plus haut sont atteints à partir d'une installation du type précité, cette installation étant caractérisée en ce que, selon l'invention, l'évaporateur est un appareil à circulation forcée dans le circuit duquel est monté l'échangeur thermique, une pompe à vide étant prévue après le condensateur de buées pour l'évacuation des gaz inertes. Dans l'installation connue suivant le brevet allemant 459 470, on obtient un échangeur thermique particulièrement bon; du fait que le produit frigorifique qui se condense rend, dans l'échangeur thermique, sa chaleur de condensation au liquide à concentrer dans l'état dzëbullition. Si on utilise cette installation pour concentrer une solution saturée ou un autre liquide tendant à libérer une matière solide, cette dernière se dépose dans l'échangeur thermique. Dans le dispositif selon l'invention, pour obtenir un bon échange thermique, on n'utilise pas l'effet d'ébullition comme c'est le cas dans le brevet allemand précité,mais la turbulence produite par l'utilisation d'un évaporateur à circulation forcée. Le risque de dépôt de matières solides à l'intérieur de l'échangeur thermique n'existe donc pas ici. Mais l'invention ne résout pas seulement le problème consistant à éviter ies dépôts de matières solides dans l'échangeur thermique, elle permet aussi de construire une installation presque seulement à partir d'éléments courants dans le commerce Le condensateur de buées, le compresseur et l'échangeur de chaleur sont réunis en une seule unité avec les conduites deraccordement corres pndantes. ils sont disponibles, sous cette forme,nom de 'roupe à eau froide" (ou "réfrigérant à eau"). L'installation comporte encore trois pompes, soit une pompe -pour soutirer les gaz inertes (comme indiqué plus haut), une pompe pour soutirer le condensat et une pompe de circulation dans le circuit de l'évaporateur, à circulation forcée ces pompes pouvant etre d'un type courant dans le commerce. Seul le '-#parateur de buées doit etre nécessairement fabriqué spécialement pour l'installation désirée, mais sa construction est si simple que cette fabrication spéciale n'est pas trop coût euse. L'installation suivant l'invention convient spécialement pour les applications suivantes 1. L'évaporation de solutions sensibles à la température, par exemple de liquides comme le lait ou les solutions de sucre, parce que 11 installation selon l'invention peut fonctionner en consommant peu d'énergie avec de faibles différences de température entre la solution d'une part et la température de condensation du produit frigorifique d'autre part. Cette faible différence de température peut êtré maintenue pendant de longs temps de fenctionre ment grâce à la circulation forcée sous vide. 2. La crtstallisation de matières cristallisant seulement à basse température (par exemple le monohydrate de l'acide citrique, le sel de Glauber) ou de matières devant cristalliser successivement sous deux formes différentès dans une installation (par exemple l'acide citrique sous forme de monohydrate et sous forme d'anhydride), la mise en eeuvre de la circulation forcée sous vide précitée est particulièrement bien appropriée aux cristallisateurs à marche continue devant fonctionner pendant de longues périodes jusqu'aux nettoyages nécessaires. S, Le traitement de petites quantités de solution, pourlesquelles, suivant les procédés conventionnels, une cristallisation directe serait trop chère (par exemple des produits pharmaceutiques, des eaux usées de galvanisation). Il s'est révélé avantageux d'amener conformément à la présente invention, la solution à concentrer dans la canalisation entre le séparateur de buées et la pompe de circulation ou dans la canalisation entre l'échangeur thermique et le séparateur de buées ainsi que de soutirer la solution concentrée de la canalisation entre la pompe de circulation et l'échangeur thermique. Comme l'installation travaille sous vide et que ce vide existe entièrement avant la pompe de circulation, dans ces tronçons de canalisation, la solution à amener et à concentrer est aspirée. Une pompe d'alimentation spéciale n'est pas nécessaire. Dans la canalisation située après la pompe de circulation, il se crée une pression (avant l'échangeur thermique) qui est nettement plus élevée que dans le séparateur de buées, de sorte que la solution concentrée peut être prélevée sans pompe de prélèvement. L'utilisation, selon l'invention, d'un évaporateur à circulation forcée permet automatiquement d'économiser une pompe-d'alimentation et une pompe de prélèvement; elle permet ainsi une autre économie importante sur l'installation. Pour des raisons d'économie, on cherche à réduire le plus possible l'échangeur thermique, c'est-à-dire ses surfaces d'échange. Pour cela, le compresseur doit comprimer le produit frigorifique à une pression élevée. Mais cette forte compression donne au produit frigorifique plus de chaleur qu'il ne serait nécessaire pour chasser les buées. Cette chaleur excédentaire doit être à nouveau évacuée de la façon la plus adéquate. En général on préférera retirer du processus la chaleur excédentaire déjà avant le compresseur, c'est-à-dire "à ltextrémité froide", pour éviter que dans le condenseur de buées une quantité trop grande de produit frigorifique soit évaporée, pour la compression duquel le compresseur consomme beaucoup d'énergie. On condensera donc avantageusement, conformément à une autre caractéristique de la présente invention, une partie seulement des buées dans le condensateur de buées à l'aide d'un produit frigorifique, pendant que les buées résiduelles seront condensées avantageusement dans un condenseur auxiliaire de buées (par exemple au moyen d'eau de refroidissement ou d'air froid). Le condenseur auxiliaire de buées peut être monté avant, à côté ou après le condenseur de buées.Bu lieu de prévoir un condenseur auxiliaire spécial de buées, on peut aussi selon une variante d'exécution conforme à l'invention, munir le condenseur de buées d'une surface d'échange thermique refroidie par air ou par eau. A la place du condenseur auxiliaire de buées ou à côté de lui, on peut aussi prévoir avantageusement conformément à l'invention, une installation de pré-réfrigération du produit frigorifique, qui assure un pré-refroidissement de celui-ci, avant l'entrée dans le condenseur de buées et qui est alimentée en eau ou en air de refroidissement. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, la chaleur excédentaire n'est pas évacués "à l'extrémité froide", mais il est plus avantageux de n'amener qu'une partie du produit frigorifique, fortement comprimé dans le compresseur, à l'échan- geur thermique de l'évaporateur à circulation forcée, tandis qu'une autre partie du produit frigorifique perd sa chaleur de condensation dans un condenseur auxiliaire refroidi à l'air ou à l'eau. Ce condenseur est monté avantageusement parallèle à l'échangeur thermique.Au lieude#oecondenseur auxiliaire supplémentaire pour le produit frigorifique, on peut aussi selon une variante conforme à l'invention, monter dans l'échangeur thermique un serpentin p#our eau de refroidissement qui évacue ainsi la chaleur exéédentaire. Pourles installations particulièrement petites, il s'est révélé avantageux d'employer vonformément à une caractéristique de l'invention, un séparateur de buées vertical en forme de tube, dont la partie supérieure contient un serpentin de réfrigération et qui est monté comme séparateur de buées. Pour que les buées qui condensent sur ce serpentin ne puissent pas s'égoutter nouveau dans la solution à concentrer, le séparateur de buées présente dans ce cas un revers intérieur qui, avec la paroi du séparateur de buées, entoure un espace annulaire, à partir duquel le condensat de buées est aspiré par une pompe. Pour l'extraction de la chaleur excédentaire, on peut prévoir dans le haut du séparateur de buées un deuxième serpentin de réfrigération, refroidi à l'air ou à l'eau. Dans un évaporateur continu àcarculation forcée, le produit circule dans la concentration finale à atteindrez Avec des produits très consistans, les valeurs de la transmission de la chaleur pour la concentration finale sont nettement en dessous de celle concernant une concentration intermédiaire. C'est pourquoi il est avantageux de munir les petites installations de réservoirs de concentré pour pré-concentrer d'abord dans de bonnes conditions de transmission thermique (pour un rendement spécifique élevé de l'installation et une faible consommation en énergie), de mettre en réserve le produit pré-concentré dans lesdits réservoirs et finalement de traiter ce produit pré-concentré pour faire un concentré final.Cette concentration peut se faire en trois ou quatre étapes, le temps nécessaire pour chaque étape étant plus court que pour les précédentes. Ainsi on obtient une puissance d'évaporation maximale dans les meilleures conditions (faible viscosité et bonne transmission thermique). Dans le cas d'installations moyennes, on couple plusieurs installations à un étage, de grandeurs différentes, qui travaillent comme concentrateurs préliminaire moyen ou final. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation d'évaporation selon l'invention et - la figure 2 est un schéma simplifié d'une petite installation d'évaporation; dans la partie supérieure de son séparateur de buées, il est prévu deux serpentins de réfrigération montés comme condenseur de buées ou condenseur auxiliaire de buées. On voit sur la figure 1, que l'évaporateur à circulation forcée 2 comporte une pompe de circulation 4, un échangeur thermique 6, un séparateur 8 ainsi qu'une canalisation de circulation 10. Suivant les flèches dessinées, la canalisation de circulation 10 est parcourue de façon descendante par la solution, tandis que l'échangeur thermique 6 est parcouru de façon ascendante par cette solution. Dans le séparateur 8, la solution circule au-dessnus du niveau du liquide 12, au-dessus duquel se trouvent les buées évaporées. Par suite de l'élimination continue des buées, la concentration de la solution serait élevée. Ceci est empêché grâce au prélèvement continu de la solution concentrée par la canalisation 60 et par l'alimentation continue en solution franche par l'intermédiaire de la canalisation 16; la concentration de la solution est maintenue constante. Les buées évacuées sont condensées dans un condenseur de buées 18 par échange thermique avec le produit de réfrigération liquide amené par la canalisation correspondante 20, cependant que, dans le condenseur de buées 18, le produit de réfrigération est évaporé. Ce produit de réfrigération évaporé est amené, par l'intermédiaire de la canalisation d'aspiration 22 à un compresseur 24 acZonné par le moteur X. Le compresseur 24 comprime le produit de réfrigération gazeux et refoule celui-ci dans l'échangeur thermique 6 de l'évaporateur à circulation forcée 2, par l'intermédiaire de la conduite d'admission 28 à cet échangeur. Par échange thermique avec la solution à circulation forcée, le produit de réfrigération se condense dans l'échangeur thermique 6 et le quitte par la canaliaation de sortie 30 à 11 état liquide. Il pénètre dans un réservoir de produit de réfrigération 32. Pour l'évacuation de la chaleur excédentaire produite avec un compresseur à compression élevée, une partie du courant formé par le produit de réfrigération comprimé, mais encore gazeux, peut passer, par l'intermédiaire d'une dérivation 29 (dont le débit se règle par une soupape 31), à travers le condenseur auxiliaire 106 de produit de réfrigération. Ce produit est liquéfié dans ce condenseur et conduit ensuite au réservoir de produit de réfrigération 32 le condenseur auxiliaire du produit de réfrigération 106 peut par exemple être un climatiseur, qui est parcouru par l'air ambiant dans le sens de la flèche 33. En plus du condenseur auxiliaire du produit de réfrigération 106 ou à la place de celui-ci, on peut prévoir, dans la canalisation 20 reliant le réservoir 32 du produit de réfrigération au condenseur de buées 18, un appareil de surfusion 36 du produit de réfrigération, alimenté en eau ou en air de refroidissement dans le sens de la flèche 35 pour l'évacuation de la chaleur excédentaire produite comme décrit par le compresseur 24. Le condenseur auxiliaire de produit de réfrigération 106-et/ ou l'appareil de surfusion 36 de ce produit extra ertldu système la chaleur excédentaire ( à l'extrémité chaude), c'est-à-dire après le compresseur 24. Le produit de réfrigération liquide peut pourtant être évaporé en trop grande quantité par les buées du condenseur de buées 18. Le compresseur 24 doit alors comprimer une trop grande quantité de réfrigération évaporé et il a donc une trop grande consommation.Pour pouvoir réduire à la valeur nécessaire ou désirée la quantité du produit de réfrigération évaporé dans le condenseur de buées 18, on condense avantageusement seulement une partie des buées dans ce condenseur 18, tandis qu'une autre partie des buées est précipitée dans un condenseur auxiliaire de buées monté avant, à côté ou après le condenseur de buées 18 par rapport au courant des buées.Dans l'installation représentée sur la figure 1, ce condenseur auxiliaire de buées 38 est monté après le condenseur de buées 18, c'est-à-dire qu'une partie des buées est condensée dans le condenseur de buées 18 dans l'eohangeur thermique grâce au produit de réfrigération et que les buées résiduelles sont condensées dans le condenseur auxiliaire de buées 38, monté après le condenseur 18, grace à un échangeur thermique avec de l'eau ou de l'air de refroidissement, les gaz inertes étant finalement aspirés par la pompe à vide 45. Les condensats venant du condenseur de buées 18 ainsi que du condenseur auxiliaire de buées 38 sont amenés, par les collecteurs de condensats 40 ou 42, à une pompe de condensat de buées 44 et évacués par les canalisations de condensat 46. Si l'installation selon l'invention sert à dessaler 11 eau de mer et donc à produire de l'eau douce, cette eau de mer est alimentée par la canalisation 16 et le condensat de buées sortant par la canalisation de condensat 46 est l'eau douce souhaitée. La saumure sortant par la canalisation de dégagement 6 0 est renvoyée dans l + er. Si on veut produire du sel à partir de l'eau de mer, on élève la concentration dans l'évaporateur à circulation forcée 2 jusqu'à ce que du sel de cuisine se cristallise à la surface 12 du liquide; à partir de la saumure prélevée par la canalisation de dégagement 60, on obtient le sel par un filtre ou un épaississeur 110; la saumure hautement concentrée est renvoyée à l'évaporateur à circulation forcée. Sur la figure 1, on voit que le niveau du liquide 12 dans le séparateur 8 est au-dessus de l'échangeur thermique 6,de la hauteur h. Gette hauteur h est mesurée de façon que la pression statique de la colonne de liquide empêche une ébullition du liquide et ainsi un dépôt de matières solides dans l'échan- geur thermique 6. On évite ainsi que des matières solides déposées sous forme de cristaux par exemple, nuisent au fonctionnement de l'échangeur thermique. Les dépôts éventuels deScristaux ont lieu à la surface 12 du liquide. Les cristaux déposés sont aspirés hors du séparateur par la canalisation 10, ils passent par la pompe de circulation 4 et sont évacués par la canalisation de dégagement 60. Les éléments de l'installation représentée sur la figure 1 qui sont entourés par la ligne discontinue 100, c'est-à-dire le condenseur de buées 18, le compres#seur 24, l'échangeur thermique 6 ainsi éventuellement que l'appareil de surfusion du produit de réfrigération 36 et le condenseur auxiliaire de ce produit 106, peuvent constituer un sous-ensemble préfabriqué, que l'on peut appeler "groupe à eau froide" ou "réfrigérant à eau". Celui-ci se trouve dans le commerce tout comme les pompes 4, 44 et 45 ainsi que les canalisations nécessaires. Seul le séparateur de buées 8 doit être fabriqué spécialement. La figure 2 montre une petite installation avec un séparateur de buées 8 en forme de tube Le haut de ce séparateur en forme de tube est muni de deux serpentins de réfrigération. L'un des serpentins est un condenseur de buées 18; par une extrémité, il est raccordé à la canalisation du produit de réfrigération 20, tandis qu'à autre extrémité, il est raccordé à la canalisation d'aspiration 22 du compresseur. Par ailleurs, dans le haut du séparateur de buées 8 en trime de tube, il est prévu un autre serpentin, monté comme condenseur auxiliaire de buées 38 et qui est traversé par de l'air ou de l'eau de réfrigération. Les buées qui se condensent sur les deux condenseurs 18 et 38 s'égouttent sous forme de condensat dans une rigole circulaire 150 à partir de laquelle ils sont aspirés par la pompe de condensat 44. En principe,le petit évaporateur représenté sur la figure 2 est d'ailleurs construit comme l'installation de la figure 1; la seule différence est que le compresseur 24 et l'échangeur thermique 6 sont des pièces ou unités d'un sous-ensemble de "groupe à eau froide courant dans le commerce. Bien entendu, 11 invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui. n'ont été donnés qu'à titre d' exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constitutant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent R E V S N D I C A 2 I O N S REVENDICATIONS 1. Installation pour la concentration d'une solution par évaporation de buées dans un évaporateur sous vide partiel et avec récupiration de la chaleur d'évaporation au moyen d'une pompe thermique, tandis qu'un agent frigorifique s'évapore dans un condenseur de buées par échange thermique avec les buées en condensation, que la vapeur de l'agent frigorifique est comprimée dans un compresseur et qu'elle est condensée dans un échangeur thermique avec restitution de la chaleur de condensation à la solution à concentrer, caractérisée en ce que l'évaporateur est un appareil à circulation forcée (2) dans le circuit duquel est disposé l'échangeur thermique (6) et en ce qu'il est prévu, après le condenseur de buées (18), une pompe à vide (45) pour soutirer les gaz inertes. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la canalisation d'alimentation (14), par laquelle ltévaporateur à circulation forcée (2) reçoit de la solution fralche, est raccordée sur la canalisation entre le séparateur de buées (8) et la pompe de circulation (4) ou sur la canalisation entre l'échangeur thermique (6) et le séparateur de buées (8). 3. Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la canalisation de dégagement (60), par laquelle la solution concentrée est prélevée sur l'évaporateur à circulation forcée (2), est raccordée sur la canalisation entre la pompe de circulation (4) et l'échangeur thermique (6). 4. Installation suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, sur le circuit des buées, il est monté un condenseur auxiliaire de buées (38) refroidi à l'air ou à lbeau et situé avant, à côté ou après le condenseur de-buées (18). 5. Installation suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le condenseur de buées comprend une surface d'échange thermique refroidie à l'air ou à l'eau et formant condenseur auxiliaire de buées 6. Installation suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que avant d'entrer dans le condenseur de buées (18), le produit de réfrigération passe par un appareil de pré-réfrigération (36) dudit produit. 7. Installation suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que, du côté du produit de réfrigération, il est monté, en parallèle par rapport à l'échangeur thermique (6), un condenseur auxiliaire (106), refroidi à l'air ou à l'eau, du produit de réfrigération. 8. Installation suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'échangeur thermique (6) présente un serpentin d'eau de réfrigération constituant un condenseur auxiliaire du produit de réfrigération. 9. Installation suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que, dans le haut du séparateur de buées (8) vertical et en forme de tube, est disposé un serpentin de réfrigération constituant un condenseur de buées (18) une goulotte collectrice (150) du condensat étant prévue au-dessous du serpentin de réfrigération. 10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que, dans le haut du séparateur de buées (8), vertical et en forme de tube, est disposé un serpentin de réfrigération constituant un condenseur auxiliaire de buées (38). 11. Installation suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la canalisation de dégagement (60) débouche dans un réservoir de concentrat. 12. Installation suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le niveau du liquide (12) dans le séparateur de buées (8) est au-dessus de l'échangeur thermique 463 d'une hauteur (h), de sorte que la colonne de liquide de hauteur (h) empêehe une ébullition de la solution à concentrer dans l'échangeur thermique (6).