Brevet FR2479009A1 — publié le 19811002

Procédé de concentration de solutions à forte surébullition par com#ression mécanique de vapeur et installation corresfondante L'invention a pour objet un procédé de concentration de solutions k forte surébullition, par compression mécanique de vapeur, qui permet de réduire de façon importante la consommation d'énergie k fournir. On sait qu'entre la température d'ébullition d'une solution b une pression donnée et la température de saturation de la vapeur de solvant émise par cette solution sous la même pression, il existe une différence appelée surébullition ou élévation du point d'ébullition. La surébullition peut atteindre des valeurs notables pour un grand nombre de solutions et dépasse couramment 10000 Ltévaporation par compression mécanique de vapeur consiste b comprimer dans un appareil adapté k cet effet la vapeur de solvant émise par la solution en ébullition jusqu'd une pression telle que la chaleur de condensation de cette vapeur puisse être utilisée au chauffage de la solution on cours d' ébullition0 On sait tout l'intdrtt que présente, sur le plan énergétique, l'évaporation par compression mécanique de vapeur, encore appelée pompe 'a chaleur directe, Or, le dispositif de compression mécanique de vapeur est forte~ ment pénalisé lorsqu'il s'agit de concentrer des solutions présentant une surébullition notable, la pénalisation étant dtautant plus importante que la valeur de la surébullition est élevée, ctest-à-dire queque l'augmentation de pression à fournir est élevée. En effet, la compression doit porter la vapeur b un niveau de pression tel que la température de condensation de la vapeur soit supérieure à la température d'ébullition de la solution qui se trouve de l'autre côté de la surface d'échangea Pour réaliser cette performance, la compression devra réaliser une augmentation de pression de la vapeur telle que le niveau ther inique de celle-ci se trouve augmenté de l'écart réel de température à l'échangeur, augmenté de la surébullition de la solution. À titre d'exemple nullement limitatif, on considérera le cas de l'évaporation de solution saturée en chlorure de sodium. La surébullition de cette solution est de 80C environ, c'est-k- dire que la saumure va bouillir b 1080c sous pression atmosphé- rique. L'évaporateur devra donc être chauffé par de la vapeur ayant une température de condensation supérieure k 1080C, par exemple 115oC à titre de démonstration. Le compresseur de vapeur devra donc fonctionner avec une pression de refoulement de 1,72 Bar Àbs pour une pression d'aspiration de 1,03 Bar abus. Dans ce système, l'énergie nécessaire à la compression de 1,03 Bar Àbs à 1,36 Bar Àbs (1080C) ne sert qu'à vaincre l'effet de la surébullition0 On peut donc dire que la moitié environ de l'énergie absorbée par le compresseur n'a pas d'autre but que de vaincre la surébullition, ou que l'éner- gie absorbée est sensiblement le double de celle qui aurait été nécessaire à l'évaporation d'une solution ayant une surébullition nulle0 La présente invention consiste à utiliser la reversibilité du phénomène de surébullition, que l'on peut illustrer par le fait que si on chauffe par un contact intime avec de la vapeur d'un solvant sous une pression donnée, une solution quelconque, celle-ci s'échauffera jusqu'k sa température d'ébullition sous la pression considérée, cette dernière température pouvant autre supérieure à la température de saturation du solvant, À titre d'exemple, Si on réalise un contact intime entre de la vapeur d'eau à pression atmosphérique et une solution maintenue saturée en chlorure de sodium, la température de cette solution monte jusqu'à 1080C, bien que la température de saturation de la vapeur d'eau à pression atmosphérique soit de 100000 En réalisant la condensation d'une vapeur par échange thermique par contact avec une solution, la température de cette dernière atteint une valeur correspondant à la température de saturation de la vapeur augmentée de la surébullition de la solution. La présente invention, en utilisant ce phénomène, permet de chauffer une solution a' une température supérieure k la température de saturation de la vapeur d'eau, et d'utiliser la chaleur sensible de la solution pour chauffer l'évaporateur qui produit la vapeur d'eau destinée b chauffer cette solution0 Il surfit, dans ce cas, d'augmenter la température de saturation (donc la pression) de la vapeur entre ltévaporateur et le réchauffeur de solution, d'une valeur égale à l'écart de température que l'on veut réaliser dans l'échangeur de l'évaporateur. L'invention sera maintenant décrite en se référant, à titre d'exemple, au dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé. On supposera que le procédé est appliqué à la concentration d'une solution de saumure, par évaporation de la solution saturée. L'installation est constituée de la façon suivante La solution à concentrer arrive par une conduite 1 dans un échangeur de chaleur 2, où elle s'échauffe et passe dans un séparateur-évaporateur 3, dans lequel la vapeur d'eau se deva-e tandis que la solution concentrée est évacuée par une conduite 4. De l'évaporateur 3, la vapeur est prélevée à la pression atmosphérique dans une conduite 5 et envoyée à un compresseur 6 destiné à porter sa pression jusqu'à la pression correspondant à la température de condensation de la vapeur d'eau ; puis, elle est dirigée vers un absorbeur de vapeur 7 où elle se condense en cédant sa chaleur de vaporisation à une saumure. Cette dernière circule en permanence grâce à une pompe 8 entre l'absorbeur 7 et la calandre 9 de l'échangeur 2, au moyen des conduits 10 et 11. Une canalisation 12 d'appoint de solution saturée permet de maintenir la saumure au taux désiré, tandis qu'une canalisation 13 permet de purger la conduite 10 en la débarrassant de la saumure diluée. On supposera que l'évaporateur fonctionne sous pression atmosphérique et que la saumure circulant entre l'absorbeur 7 et l'échangeur 2 soit aussi une solution saturée en chlorure de sodium. La vapeur à l'entrée du compresseur 6 sera à la pression de 1,03 Bar Abs et pourra autre comprimée à 1,32 Bar Rabs, ce qui correspond à une température de condensation de cette vapeur de 107 C. Celle-ci permettra par contact intime dans l'absorbeur 7 avec une solution saturée en chlorure de sodium, de porter la température de cette dernière à 11500 (107 + 8 = 115). La solution ainsi réchauffée est transportée par la pompe 8 à l'échangeur 2, où elle cède sa chaleur sensible, à travers la surface d'échange, à la solution en cours d'évaporation. La solution refroidie dans l'évaporateur retourne en continu en fête de l'absorbeur 7 pour y être réchauffée k nouveau. Une purge continue de la solution d'absorption est effectuée en 13 par exemple sur la liaison 11 pour limiter la dilution de la solution d'absorption par la condensation de la vapeur0 Cette purge sera compensée par un appoint de solution saturée qui peut se faire, par exemple en 12 à l'aspiratìon de la pompe 8. La consommation d'énergie du compresseur 6 sera celle nécessaire à l'élévation de pression de la vapeur de 1,03 k 1,32 Bar Àbs pour réaliser des performances équivalentes à celles d'un évaporateur traditionnel k compression mécanique de vapeur, dans lequel la pression de vapeur aurait dt être portée de 1,03 Bar Âbs à 1,72 Bar abus. L'économie d'énergie ainsi réalisée peut atteindre 50 % de l'énergie consommée dans l'appareil conventionnel, Cette économie d'énergie s'accompagne, comme il est apparu dans l'exemple ci-dessus, d'une dilution de la solution circulant dans l'absorbeur de vapeur comprimée0 Pour cette raison, le procédé revendiqué s'appliquera de façon particulièrement avantageuse, dans tous les cycles de fabrication dans lesquels l'évaporation a pour objet d'enlever temporairement de l'eau (ou un solvant en général) qui se trouve réintroduite en totalité ou en partie en un autre point du même cycle de fabrication0 L'objectif de lienlbvemert temporaire d'eau peut être, selon les cas, une cristallisation partielle, une concentration modifiant une cinétique de réaction ou un équilibre de réaction réversible ou toute autre opération de génie chimique0 Le procédé garde tous ses avantages si l'eau séparée d'un cycle de fabrication par évaporation peut entre utilement employée dans un cycle de fabrication différent, la solution circulant entre l'absorbeur et l'échangeur pouvant titre de nature tout k fait différente de la solution traitée dans 1' évaporateur0 Dans ce cas, il peut, k la limite, être envisagé de n'avoir pas besoin de comprimer la vapeur Si la solution circulant dans le circuit d'absorption présente une surébullition suffisamment plus importante que celle de la solution à évaporer. REVENDICÂTIONS lo Procédé de concentration de solutions à forte surébullition par compression mécanique de vapeur suivant lequel, la solution, après chauffage dans un échangeur, est envoyée à un évaporateur pour évaporation partielle du solvant, caractérisé par ceci que ladite vapeur, après avoir été comprimée, est absorbée par une solution présentant également une forte surébullition, cette solution étant ensuite utilisée comme élément chauffant dans l'échangeur. 2o Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ceci que le solvant est constitué par de l'eau, l'eau séparée de la solution en un point d'un processus de traitement sous forme de vapeur étant réintroduite en totalité ou en partie en un autre point du cycle de fabrication, 30 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ceci que l'eau séparée d'une solution au cours de son traitement est ré introduite dans un cycle de traitement d'une autre solution. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par ceci que la solution du circuit d'absorption de vapeur a une surébullition plus importante que celle de la solution à évaporer, la compression de vapeur pouvant dans ce cas tire très faible et éventuellement nulle0 - 50 Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, earactdrisée par ceci qu'elle comporte un échangeur de chaleur (2) qui reçoit d'une part la solution L évaporer et d'autre part un fluide de chauffage, un évaporateur (3) dans lequel se dégage la vapeur du solvant de la solution, et d'où est retirée la solution concentrée, mi compresseur (6) prélevant la vapeur de solvant de l'éïaporateur et la dirigeant à une pression accrue dans un absorbeur (7) contenant une solution circulant en cycle fermé entre ledit absorbeur et l'échangeur, et une pompe (8) pour asservir cette circulation, 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par ceci qu'il est prévu entre l'absorbeur et l'échangeur, sur la canalisation vers i'échangeur, une arrivée (12) de solution concentrée d'appoint, et sur la canalisation de retour une canalisation (13) de prélèvement de solution diluée0