Brevet FR2479701A1 — publié le 19811009

L'invention concerne un procédé pour la récupération et l'utilisation optimale de la chaleur contenue dans des solutions pauvres ou dans des produits de fond de colonne lors de la désorption d'un fluide de travail par séparation thermique, notamment dans des processus d'absorption et désorption avec couples de produits de travail dans la technique du froid, dans le cas de pompes de chaleur à absorption pour techniques de chauffage et climatisation, ainsi que dans des processus de production d'énergie pour l'utilisation de chaleur perdue. L'utilisation traditionnelle de chaleur récupérée à partir de solutions pauvres, libérée lors de la désorption thermique d'un fluide de travail, par exemple d'un mélange de deux produits dans le bas d'un désorbeur, s'effectue par échange de chaleur avec la solution riche plus froide. Cet échange de chaleur s'effectue avec des pertes de chaleur d'autant plus importantes que la différence de quantités est plus grande entre solution pauvre et solution riche. Mais étant donné que l'on recherche l'obtention de grandes différences de commutation entre solution pauvre et solution riche, ce procédé traditionnel présente des inconvénients croissants. Ces inconvénients sont encore accrus par le fait que la solution riche froide est fréquemment utilisée comme moyen de refroidissement, et que, avant l'échange de chaleur avec la solution pauvre, elle absorbe encore de la chaleur dans un dispositif de retour en circulation ou un déphlegmateur ou dans l'absorbeur. On apporte alors à la solution riche d'autant plus de chaleur que le fluide de travail est dégazé en partie déjà avant son entrée dans le désorbeur (évaporation partielle) et que la concentration de la phase liquide restante diminue d'autant e Cela signifie une diminution de la concentration en fluide de travail en tête du désorbeur, un refroidissement accru dans le déphlegmateur, un accroissement de la température de début de désorption, une température plus élevée du moyen de chauffage et une plus grande consommation de chaleur.Une inversion partielle de fonctionnement de l'échangeur de chaleur entre solution pauvre et solution riche accrott également la température de sortie de la solution pauvre à l'extrémité froide, et par conséquent les pertes de chaleur du processus, et ne cons titue donc pas une solution satisfaisante du problème, Un autre mode d'utilisation régénératrice de la chaleur contenue dans la solution pauvre est connue et désignée par l'expression "remise en circuit de la solution" dans le cas de compresseurs thermiques pour le moyen de refroidissement dans les installations frigorifiques à absorption.Par un tel "restant en circuit de la solution", c'est-à-dire par abandon de chaleur de la solution pauvre chaude et du mélange lui-même à séparer dans le désorbeur, c'est-à-dire dans une colonne d'extraction, il est possible d'obtenir une amélioration sans que se produise alors un mélange entre la solution pauvre et le mélange à séparer. Par un retour en circuit de la solution dans le désorbeur lui-même, on peut éviter un excès de chaleur provoquant une évaporation prématurée dans la solution riche. Cet avantage théorique du procédé de retour en circuit de la solution, n'a cependant abouti à aucune révolution dans l'application pratique de ce principe, parce qu'il ne peut être appliqué qu'avec des tuyaux enroulés en spirale. La fiabilité d'un tel système de tuyau n'est pas satisfaisante, ni la productivité de sa fabrication, ni l'épaisseur des surfaces d'échange de chaleur, ni les possibilités de réparation. Ce processus n'a donc été utilisé que dans le domaine supérieur du chauffage de désorbeur et par conséquent nta pu jusqu'à maintenant être mis en oeuvre qu'avec un effet thermodynamique réduit. Dans l'intérêt de pertes de pression les plus faibles possible et de l'application du principe à contre-courant dans la phase de ruicsellement, on recherche un écoulement en film défini qui a abouti à un mode de construction du désorbeur en forme de colonne à tuyaux. Hutte Il B Edition 28 page 244). Ces colonnes de tuyaux fonctionnent avec des faisceaux de tuyaux verticaux, dans lesquels le mélange à séparer s'écoule sous forme de film sur les surfaces intérieures des tuyaux, et le chauffage s'effectue à partir de l'extérieur dans l'enceinte d'enveloppe. Dans le cas d'un fluide de chauffage contenant des impuretés, l'amenée du fluide est inversée. Cependant un "retour en circuit" de la solution n'est pas de réalisation satisfaisante". D'une part, l'enceinte d'enveloppe d'un registre d'échauffement de ce genre possède un très grand volume, tandis que la quantité du courant de la solution pauvre qui parvient dans les tuyaux, sous forme d'écoulement à film, jusqu'au fond de la colonne, n'est que très faible.Une vitesse suffisamment élevée de la solution chaude comme fluide de chauffage ne peut par conséquent pas être obtenue même avec l'emploi d'éléments de construction supplémentaires, ou bien une solution technique très compliquée est nécessaire pour l'obtention de cette vitesse élevée. Un autre inconvénient réside en ce que, pour obtenir un écoulement de film descendant, les registres de chauffage pour le mélange a séparer doivent être montés en position superposée. Cela conduit, d'une part, à une augmentation indésirable du nombre des registres de chauffage et, d'autre part, à une limitation de la différence de température utilisable de la solution chaude comme fluide de chauffage, par exemple si le retour en circuit de la solution est disposé en position médiane de trois registres de chauffage (brevet DD 124 936).En outre, cela conduit également à une limitation du refroidissement du porteur de chaleur et à des différences de température import tantes indésirables entre la solution pauvre et la solution à séparer sur le côte "chaud" du registre de chauffage, lorsque le retour en circuit de la solution est réalisé comme registre de chauffage supérieur. En raison de ces difficultés et de la largeur de dégazage seulement faible obtenue jusqu'à ce jour (différence de concentration entre solution riche et solution-pauvre) on a renoncé dans tous les cas à ce procédé de retour en circuit de la solution. L'invention a pour but de remplacer le procédé connu et utilisé jusqu'à maintenant seulement imparfaitement de retour en circuit de la solution pour une utilisation régénérative de la chaleur contenue dans la solution pauvre de désorbeurs dans des processus d'absorption, par un procédé plus efficace et plus réalisable, dans lequel la solution pauvre, c'est-à-dire le produit de fond du désorbeur, est refroidie dans un large domaine de températures, et réalise la condition pour un re- froidissement plus énergique du porteur de chaleur libérée, par réalisation d'un refroidissement supplémentaire pour lemme née de la solution riche. En même temps la dépense de chaleur pour la réalisation du retour en circuit de la solution est réduite et, le cas échéant, on peut renoncer à l'emploi d'une colonne d'amplification pour accrottre la concentration en vapeur de la vapeur de fluide de travail. L'invention propose de résoudre le problème de création d'un procédé par lequel la chaleur sensible d'une solution pauvre, tombant à l'état chaud dans le fond de désorbeurs, d'un fluide de travail, est utilisée pour l'amenée à contre-courant à un courant partiel de la solution riche à dégazer à l'extérieur du désorbeur proprement dit, auquel cas la solution pauvre se refroidit et le fluide de travail, c'està-dire le composant léger, est désorbé hors du courant partiel de la solution riche et est réalisé par adaptation des faibles différences de température des quantités de courant partiel, entre fluide de chauffage et gaz sortant de la solution, et rend ainsi minimales les pertes de transformation lors de la transmission de chaleur sur le courant partiel. Conformément à l'invention, ce problème est résolu en prévoyant que l'amenée de la solution riche pour la séparation thermique est répartie entre un désorbeur à chauffage extérieur et un désorbeur à courant partiel chauffé au moins en partie par la chaleur récupérée, auquel cas la répartition de la quantité de solution riche en deux courants partiels est déterminée par le contenu en chaleur utilisable de la quantité totale de solution pauvre en rapport avec la consommation de chaleur du désorbeur à chauffage extérieur, les courants partiels de solution riche traversant, en courants de ruissellement parallèles entre eux, dans le désorbeur, un faisceau de chauffage ainsi que, dans le désorbeur à courant partiel, un ou plusieurs faisceaux de chauffage, la solution pauvre étant constituée par rassemblement des produits de fond des deux désorbeurs, et ce courant total de solution pauvre étant introduit, comme porteur de chaleur récupérée, dans l'espace enveloppe du faisceau de chauffage du désorbeur à courant partiel à contre-courant par rapport au courant partiel de solution riche. Suivant une caractéristique particulière de ce procédé caractérisé en ce que pour assurer une même température de désorption et une même concentration de la solution pauvre du désorbeur et du désorbeur à courant partiel, le courant de ruissellement dans le désorbeur à courant partiel est amené en supplément à l'extrémité chaude à travers un faisceau de chauffage à chauffage extérieur. La description ci-après se rapporte à des exeI#ip1es de réalisation avec référence aux dessins dans lesquels les étapes du procédé sont représentées par les schémas de connexion des installations, dessins dans lesquels - la figure 1 montre une installation conforme à l'invention avec un désorbeur avec colonne d'amplification et déphlegmateur, un désorbeur à courant partiel monté en parallèle en exécution verticale avec séparation de la solution riche par régulation. - la figure 2 montre une installation analogue à celle de la figure 1, mais avec des faisceaux de tuyaux verticaux pour le désorbeur à chauffage extérieur et un partage de la solution riche d'après des surfaces de sections transversales différentes, auquel cas toutes les installations d'échange entre produits sont disposées dans une colonne de rectification commune. - la figure 3 montre une installation analogue à celle de la figure 1 cependant avec de la vapeur comme porteur de chaleur pour chauffer le désorbeur, avec répartition automatique de la solution riche au moyen de sections d'entrée de courant de même grandeur. La partie chauffée du désorbeur 1 peut être réalisée au choix en forme verticale ou horizontale. Dans le cas où il faut tenir compte d'impuretés éventuelles dans le fluide de chauffage, celui-ci est introduit dans les tuyaux du faisceau de chauffage 4. La condition générale comme de faibles différences de température entre la solution riche dégazée 12 et le fluide de chauffage est le mieux remplie avec des porteurs de chaleur qui ne possèdent pas de chaleur latente et se distinguent par une circulation à contre-courant du fluide de chauffage par exemple dans le cas de désorbeurs verticaux 1 (figure 1). Dans le cas de faisceaux de chauffage 4 horizontaux, qui sont mis en oeuvre également pour des porteurs de chaleur exampts de chaleur latente, le principe de contre-courant est appliqué de manière approchée seulement par un plus grand nombre de faisceaux de chauffage 4 (figure 2). Le désorbeur à courant partiel 2 fonctionne également sans chaleur de chauffage latente. Pour cela, on peut envisager des réalisations aussi bien verticales qu'horizontales, avec cependant une préférence pour des désorbeurs à courant partiel verticaux en raison de la meilleure possibilité de réalisation d'un contre-courant, et de l'absence de risques d'impuretés. Si l'on prévoit de la vapeur comme moyen de chauffage pour un chauffage extérieur, le principe de contrecourant peut être appliqué de manière approchée par l'emploi de plusieurs étapes de pression pour la vapeur de chauffage. La pression de vapeur de chauffage est alors prévue par étapes dans lesquelles les faisceaux de chauffage inférieurs sont à une pression plus élevée que les faisceaux supérieurs (figure 3). Le circuit des produits et le déroulement du procédé dans les installations, indiquée dans les figures 1 à 3 est le suivant La solution riche 12 est répartie, par un dispositif d'amenée 14, entre le désorbeur 1 et le désorbeur à courant partiel 2, montés en parallèle avec le premier.# Le partage a lieu en fonction du contenu de chaleur de la solution pauvre tombant dans les fonds du désorbeur 1 et du désorbeur à courant partiel 2 et compte tenu de faibles différences de température économiquement traitables entre, d'une part, le courant total de solution pauvre 11, comme fluide de chauffage pour le faisceau chauffant 7 de l'absorbeur à courant partiel 2, et d'autre part la quantité de courant partiel à dégazer dans cet absorbeur, d'après le bilan calorifique.Ensuite, la solution riche 12 est répartie par les installations 5 sur la section transversale de colonne du désorbeur 1 et du désorbeur à courant partiel 2. La répartition de solution riche 12 sur ces deux désorbeurs 1 et 2 peut également n'avoir lieu qu'après le partage entre section transversale de colonne après traversée de l'installation d'échange de produits 6 (figures 2 et 3). La solution riche ruisselle, comme un film, à travers l'installation d'échange de produits 6 et un faisceau de chauffage 4 dans le désorbeur 1 ainsi qu'à travers l'instal- lation d'échange de produits 6 et un faisceau de chauffage 7 ou 7 et 8 dans le désorbeur à courant partiel 2. Dans ce parcours, les composants légers se séparent thermiquement (par dégazage et désorption). La solution pauvre qui tombe dans les fonds du désorbeur 1 ou du désorbeur à courant partiel 2, est rassemblée en commun, le cas échéant, par l'intermédiaire d'un collecteur de solution 22, et est ensuite dirigée, comme moyen de chauffage, à travers le faisceau de chauffage 7 du désorbeur à courant partiel 2, contre courant avec le courant de ruissellement du mélange à séparer, et elle est ainsi refroidie.La solution pauvre ll sort finalement de l'installation de désorption. Le composant qui a été entratné est également introduit à contre-courant par rapport au mélange à séparer mais en contact direct avec celui-ci, du bas vers le haut, à travers le désorbeur 1 et le désorbeur à courant partiel 2. Il sature alors, dans l'installation échange de produits 6, la solution riche 12 qui en sort de sorte que la concentration de la vapeur de fluide de travail ou de la fraction légère crott du bas vers le haut.Selon la commutation de la solution riche 12 amenée et selon la pureté de la vapeur de fluide de travail 13 il est nécessaire de prévoir une colonne amplificatrice 3 au-dessus de l'arrivée de la solution riche 12. Dans le cas des installations des figures 1 à 3 cette nécessite est supposée existance et les figures représentent, comme producteur de retour en circuit de la solution, un déphlégmateur 17 avec une arrivée de fluide de refroidissement 15 et une sortie 16 pour ce fluide. Le fluide de chauffage du faisceau de chauffage 4 du désorbeur 1 et du faisceau de chauffage 8 du désorbeur à courant partiel 2, comprend une entrée 9 et une sortie 10 Dans le cas où de la vapeur est utilisée comme fluide de chauffage, et en vue de la grande largeur de dégazage souhaitée, on peut envisager la disposition dsun second étage de pression de vapeur dans le désorbeur 1, étage dans lequel la vapeur de détente sortant du condensat de l'étage de pression supérieur peut etre utilisée (figure 3) La vapeur à basse pression pénè tre à l'entrée 18 dans le faisceau de chauffage 4 du désorbeur le et elle quitte celui#ci, sous forme de condensat, à la sortie 19 d'où elle passe dans le désorbeur et collecteur de condensat 20. A partir de celuiweir le condensat est évacué de l'installa- tion, en co~mun avec les autres condensats 10, à travers une sortie 21. REVENDICATIONS 10) Procédé pour la récupération et l'utilisation de la chaleur contenue dans les solutions pauvres tombant comme produits de fond de processus de désorption ou de distillation, avec de faibles pertes dans la transmission de chaleur régénérée, auquel cas on recueille, dans la séparation thermique, comme produit de tête, un fluide de travail, avec une différence de concentration importante entre la solution riche et la solution pauvre du mélange à séparer, procédé caractérisé en ce que l'amenée de la solution riche (12) pour la séparation thermique est répartie entre un désorbeur (1) à chauffage extérieur et un désorbeur à courant partiel (2) chauffé au moins en partie par la chaleur récupérée, auquel cas la répartition de la quantité de solution riche (12) en deux courants partiels est déterminée par le contenu en chaleur utilisable de la quantité totale de solution pauvre (11) en rapport avec la consommation de chaleur du désorbeur à chauffage extérieur (1), les courants partiels de solution riche traversant, en courants de ruissellement parallèles entre eux, dans le désorbeur (1), un faisceau de chauffage (4) ainsi que, dans le désorbeur à courant partiel (2), un ouplusieurs faisceaux de chauffage (7 et 8), la solution pauvre étant constituée par rassemblement des produits de fond des deux désorbeurs (1 et 2), et ce courant total de solution pauvre étant introduit, comme porteur de chaleur récupérée, dans l'espace enveloppe du faisceau de chauffage (7) du désorbeur à courant partiel (2) à contre-courant par rapport au courant partiel de solution riche. 20) procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que pour assurer une meme température de désorption et une même concentration de la solution pauvre du désorbeur (1) et du désorbeur à courant partiel (2), le courant de ruissellement dans le désorbeur à courant partiel (2) est amené en supplément à l'extrémité chaude à travers un faisceau de chauffage à chauffage extérieur (8).