Brevet FR2490103A1 — publié le 19820319

- 1 - 24 90 10 3 1 La présente invention vise à améliorer les conditions de récupération de sol- vants légers. Cette opération intervient souvent dans les opérations chimiques ou physicochimiques o sont mis en oeuvre des composés organiques à haut poids molé- culaire, notamment des hydrocarbures lourds, et qui, de ce fait, présentent des températures normales d'ébullition et/ou des viscosités élevées. Ces composés lour, sont en effet souvent mélangés avec des solvants beaucoup plus volatils. Parmi les raisons pour lesquelles on pratique ces mélanges, on peut citer: - La diminution de la viscosité et l'augmentation de la capacité thermique du pro- duit lourd, facilitant ainsi le contrôle thermique d'une réaction chimique rapide; c'est le cas, par exemple, des réactions de sulfonation ou de chloration des chargé lourdes d'hydrocarbures. - La diminution de la viscosité dans les opérations de séparation par filtration ou ultrafiltration. - Une action physicochimique spécifique telle que la précipitation des asphaltènes dans un procédé de désasphaltage d'hydrocarbures lourds (résidus atmosphériques ou sous vide, voire bruts pétroliers) à l'aide d'hydrocarbures légers (aliphatiques ou olêfiniques en C3, C4, C5, C6, C7) ou le déparaffinage d'huile grâce à l'action combinée du froid et de solvants sélectifs (par exemple: méthyl-éthyl cétone, méthylisobutyl cétone en mélange ou non avec des hydrocarbures aromatiques en C6 ou C7). Dans toutes ces opérations les rapports entre les volumes de solvants et les volumes de charges lourdes sont assez élevés et le plus fréquemment compris entre 1 et 5. A la fin des traitements chimiques ou physicochimiques, il faut donc invaria- blement procéder à la récupération de ces solvants. Vu les différences importantes des volatilités respectives, cette récupération s'effectue le plus souvent par évaporation du solvant léger, mais les quantités importantes de solvant mises en oeuvre rendent fort souhaitable d'améliorer les techniques existantes afin de diminuer les dépenses en énergie que nécessitent de telles évaporations. D'une manière générale, cette évaporation s'effectue en un ou plusieurs étagez à des pressions variables après réchauffage du mélange dans des échangeurs classi- ques. Cette procédure peut être améliorée, comme mentionné dans le brevet français -2490103 1 no 2475 472, en appliquant le principe des installations à multiples effets. D'après ce principe on opère par étapes successives d'évaporation. Entre chaque étape le liquide est pompé pour atteindre une pression plus forte de sorte que sa tempéra- ture d'ébullition augmente entre chaque étape, de 20 à 700C. La vapeur ainsi pro- duite à plus haute pression et température, peut ainsi céder sa chaleur de conden- sation dans un échangeur traversé-par le liquide à plus basse pression et situé donc en amont dans le système d'évaporation. Aussi peut-on espérer réutiliser en étapes (ou effets) successives une quan- tité de chaleur qui a été introduite dans le système à la température et la pres- sion la plus élevée.Le même type de montage a d'ailleurs été utilisé depuis fort longtemps dans la production d'eau distillée ou dans la concentration par évapora- tion de solutions aqueuses. Il faut signaler toutefois que cette procédure réalisée avec un appareillage classique, échangeur + appareil d'évaporation (par exemple un ballon de "flash"), nécessite des différences de températures importantes. Il en résulte un rapport des pressions entre étages relativement important (environ 7/1). La multiplication de ces contraintes sur les différences de température et de pression limite le nombre d'effets pratiquement réalisables à trois. D'autre part, la valeur croissante des pressions dans le sens de la circulation globale du liquide nécessite la mise en oeuvre de pompes opérant parfois à haute température. En modifiant radicalement le type précité d'appareil d'évaporation il a été découvert que ce principe de multiples effets peut être réalisé dans des-conditions particulièrement économiques, même avec des solutions non aqueuses réputées pour opérer à de faibles coefficients de transfert de chaleur. En effet, les différences de températures importantes auxquelles il faut faire appel pour réaliser les trans- ferts dans des conditions économiques, sont la conséquence des faibles coefficients du film que l'on réalise dans les évaporateurs classiques opérant avec des liquides apolaires ou peu polaires. En règle générale, on obtient avec ces évaporateurs classiques, des coeffi- cients de transfert globaux, de l'ordre de 250 à 800 watts/(m2. C) et ceci dans la mesure o les différences de température restent dans les limites signalées plus haut. Selon la présente invention, on réalise maintenant les évaporateurs à multiple effet dans des appareils à film tombant, sans agitation mécanique mais dans les- quels la surface d'évaporation a été traitée pour réaliser une ébullition nucléée. Ce traitement peut consister en un dépôt de matériaux poreux ou, plus simplement, en un traitement mécanique de la surface afin d'assurer la nucléation. - 2 - -2490 1 03 1 Ces traitements doivent conduire à un état de surface relativement rugueux avec des cratères dont la dimension moyenne ne doit pas être inférieure à 50iim e pas supérieure à 2 mm, et est de préférence comprise entre 100l m et 500m. Ceci peut être réalisé, par exemple, par projection de fines particules d'un matériau relativement dur sur la surface à nucléer, par exemple, au moyen d'un courant d', entraînant à grande vitesse des particules de sable ou de carbure de silicium. L cavités ainsi créées ont habituellement une profondeur représentant 20 à 60 % de leur diamètre moyen. Une autre technique consiste à projeter une couche de métal poreux, par exemple, à l'aide de chalumeau à plasma. Là aussi le diamètre des poi est du même ordre de grandeur que ce qu'on a indiqué plus haut à propos des cavi- tés. Dans ces conditions on a mesuré des coefficients de transfert de chaleur glb baux aussi élevés que 2000 à 3000 watts/(m2.OC), et ceci pour des différences de température entre les fluides circulant de part et d'autre de la paroi de 2 à 30' de préférence 5 à 100C. Il devient, par conséquent, possible de réaliser des schi mas de récupération qui font l'objet de la présente invention. Les schémas fonda- mentaux sont de deux types mais on pourra, bien entendu, élaborer des combinaison de ces deux types et mettre au point de nombreuses variantes. Dans le premier schéma type, on introduit le mélange composé du solvant léger et du produit lourd en tête du premier évaporateur échangeur E1 (fig.1) à film tombant. Le mélange descend le long de la paroi de cet échangeur (qui peut avoir la forme d'une plaque, d'un tube ou toute autre forme géométrique adaptée comme, par exemple, un faisceau de tubes assemblés dans une calandre) o il recoit de la chaleur d'un fluide caloporteur circulant de l'autre côté de cette paroi. Le plus souvent, ce fluide caloporteur sera une vapeur condensante. Ce fluide caloporteur est à une température de 2 à 300C (de préférence 5 à 'C) supérieure à la température-d'ébullition du mélange à évaporer à la pressic régnant dans l'évaporateur. Le mélange descendant côté évaporation se trouvera da ce schéma type à la pression P1 la plus forte de l'installation. En régime d'ébul lition nucléée, ce mélange va donc produire de la vapeur à cette pression P1, et ceci à l'aide d'une différence de température modeste avec le fluide caloporteur. Le mélange liquide récupéré en bas de l'évaporateur E1 est alors détendu par une vanne de régulation Vl pour que ce liquide atteigne une température d'ébullition entre 2 et 300C (de préférence 5 et 10'C) plus faible que la température régnant dans l'échangeur E1.Ainsi pourra-t-on utiliser la vapeur produite en E1 comme flu de caloporteur dans un échangeur Évaporateur à film tombant E2 d'un type identiqu à celui de E1. Dans ce deuxième échangeur l'évaporation récupération du solvant - 3 - -41 léger se poursuit à une pression P2 et une température T2 plus faibles que celles régnant en E1. Cette procédure peut être reproduite plusieurs Fois pour autant que les niveaux de pression et de température restent compatibles avec une exploita- tion économique de l'installation. Le nombre d'étages que l'on met en oeuvre peut donc être défini d'après une optimisation économique. Il faut noter que ce schéma ne nécessite aucun appareil mécanique pour faire passer le fluide à évaporer et la vapeur produite d'un étage au suivant: c'est la pression initiale qui fournit la force motrice nécessaire. Dans le second schéma type, le mélange dont il faut récupérer le solvant par évaporation, est introduit dans le premier évaporateur E1 au niveau de pression le plus bas de l'installation (fig.2). A cette pression P1, correspond comme dans le schéma précédent, une température d'ébullition T1 telle qu'elle se trouve de 2 à 300C (de préférence de 5 à 100C) plus basse que la température T2 à laquelle la vapeur de solvant a été produite dans un étage précédent E2, à une pression P2 supérieure à P1. Cette fois, le liquide, partiellement débarrassé de son solvant, est envoyé vers la tête de l'échangeur évaporateur E2 à l'aide d'une pompe; la différence de pression entre E1 (P1) et E2 (P2) est choisie de telle manière que la température en E2 soit de 2 à 30'C (de préférence de 5.à 10%C) supérieure à celle régnant en E1 de sorte que la vapeur produite en E2 puisse servir de fluide calo- porteur chauffant en E1. Cette procédure est répétée comme dans le schéma précé- dent, jusqu'à ce que l'on atteigne une température maximale dans l'échangeur éva- porateur En (E3 dans le cas de la figure 2) o a lieu l'introduction de chaleur dans le système à l'aide d'un fluide caloporteur (très souvent de la vapeur d'eau). Comme dans le cas précédent, le nombre d'étages et les niveaux initiaux et finaux des températures et pressions résulteront avantageusement d'une optimisation éco- nomique. Dans les deux schémas, les vapeurs condensées sont collectées et renvoyées vers un même stockage du solvant afin d'être réutilisées si nécessaire. Les der- nières traces de solvant peuvent être éliminées du produit lourd dans un équipement annexe. La vapeur sortant de l'étage n dans le schéma 1 (de l'étage 1 dans le sché- ma 2) est bien entendu condensée dans un échangeur avant son envoi au stockage. Les deux schémas fondamentaux présentés ici sont illustrés par deux exemples qui ont trait à une récupération de pentane à partir d'un mélange pentane-huile lourde en provenance d'une unité de désasphaltage. - 2 4 90 10 3 1er EXEMPLE (figure 1) 1 On introduit dans un appareil à film tombant un mélange composé de pentane et d'un gasoil sous vide désasphalté à un débit total de 2500 kg/h. La composition est de 4 kg de pentane pour 1 kg de gasoil. Cet appareil est composé de trois tubes (P1, P2, P3), de 5 cm de diamètre chacun et de 6 m de long. Ces tubes ont été trai- tés par grenaillage de telle sorte que leur surface se présente comme une succes- sion de cratères dont le diamètre moyen est compris entrez 2 - 0,5 mm de diamètre. Par un distributeur approprié, placé en tête de chaque tube, les débits de liquide sont à peu près uniformément répartis sur la face interne des tubes. L'introduction se fait par la ligne 1 et on reçoit le liquide à cet endroit à 30 atmosphères et 190C. Dans l'échangeur E1, on réalise l'évaporation de 400 kg/h de pentane. La chaleur nécessaire est fournie par de la vapeur d'eau introduite dans la calandre de l'échangeur E1 par la ligne 10. Cette vapeur d'eau se trouve à une température de 1950C environ. 35 kg/h de vapeur d'eau sont condensés dans cette calandre et évacués par la ligne 11. L'effluent de l'échangeur El est composé par un débit de 2100 kg/h de mélange liquide et 400 kg/h de vapeur de pentane qui sont séparés ai- sément en bas de l'échangeur. Le liquide évacué par la ligne 3 est détendu par la vanne V1 jusqu'à 2,5 MPa. Ceci provoque une évaporation partielle du pentane et une baisse de la température jusqu'à 180C. Ce mélange est injecté dans l'évaporateur E2 identique à l'évaporateur E1. La vapeur de pentane sortant de l'évaporateur E1 par la ligne 2 est introduite, sans détente, dans la calandre de l'évaporateur E2 o, grâce à la température plus basse, sa condensation se réalise. Cette vapeur condensée est éliminée par la conduite 8. Grâce à la détente et au transfert de chaleur en provenance de la vapeur de pentane condensée dans la calandre de l'ap- pareil E2, on provoque l'évaporation de 725 kg/h de pentane qui sont séparés en bas de l'échangeur E2 des 1375 kg/h de liquide non évaporés. Le mélange liquide est évacué par la conduite 6 et, comme à la sortie de l'échangeur E1, détendu dans la vanne V2 jusqu'à 1,75 MPa, ce qui provoque une nouvelle évaporation avec baisse de température jusqu'à 170C. Les 725 kg/h de pentane vapeur sont introduits sans dé- tente dans la calandre de l'évaporateur E3 par la conduite 7 et évacués par la con- duite 5. A nouveau, on réalise la condensation du pentane vapeur grâce à une diffé- rence de température de 10C. Cet appareil E3 est identique aux deux précédents El et E2. Les conditions indiquées ci-dessus pour l'appareil E3 permettent une nouvell évaporation de 815 kg/h de pentane qui sont évacués par la conduite 4. Le liquide composé de 500 kg/h d'huile et de 60 kg/h de pentane est évacué par la ligne 9 vers une section de traitement final o l'on finit l'évaporation des dernières traces de pentane, par exemple, par un strippage à la vapeur d'eau. La seule consommation de vapeur a été de 35 kg/h. Dans une installation classique, la - 6 - 1 consommation de vapeur aurait été proche de 150 kg/h. 2ème EXEMPLE Un mélange composé de pentane et de gasoil sous vide désasphalté est introduit dans un appareil à film tombant à un débit total de 2500 kg/h. La composition est de 4 kg de pentane pour 1 kg de gasoil. Cet appareil est composé de trois tubes de cm de diamètre chacun et de 6 m de long. Ces tubes ont été traités par grenaillage de telle sorte que leur surface se présente comme une succession de cratères dont le diamètre moyen est compris entre 0,2 et 0,5 mm. Par un distributeur approprié, les débits de liquide sont à peu près unifor- mément répartis sur les parois internes des trois tubes. L'introduction se fait par la ligne 21 a une température de 150'C et 1,9 MPa de pression. Par l'introduction de 550 kg/h de vapeur de pentane à 1600C dans la calandre de l'échangeur E1, on pro- voque l'évaporation de 200 kg/h de pentane et le réchauffage de l'ensemble gaz + liquide à 1600C. Cette vapeur de pentane, introduite dans la calandre de l'appareil E1 par la conduite 25 provient d'une évaporation ayant lieu dans l'évaporateur E2 dont on parlera plus loin. Cette vapeur de pentane condensée dans la calandre de l'appareil E1, est évacuée par la conduite 24. La vapeur de pentane (200 kg/h) produite dans l'échangeur E1, est séparée de la phase liquide et évacuée pour condensation ou recyclage direct ailleurs dans l'installation, par la ligne 22. Les 2300 kg/h de mélange liquide sont alors en- voyés par la conduite 23 dans l'appareil à film tombant E2 identique au précédent. L'appareil E2 fonctionne à 2,2 MPa et 170C, de sorte qu'une pompe P1 est néces- saire pour amener le liquide de la pression de E1 (1,9 MPa) à la pression de E2 (2,2 MPa). Le liquide est alors réchauffé et partiellement évaporé dans l'appareil- E2 grâce à 1200 kg/h de vapeur de pentane produits dans l'échangeur E3 dont on par- lera plus loin. Le pentane condensé est évacué par la ligne 27. Cette évaporation produit 550 kg/h de vapeur de pentane qui, après séparation en bas de l'appareil E2 est envoyée par la ligne 25 vers la calandre de l'appareil E1.-Le mélange liquide restant en bas de l'échangeur E2 est évacué par la ligne 26 et pompé-P2 jusqu'à la pression d'introduction dans l'évaporateur E3. Le débit passant par la pompe P2 est de 1750 kg/h. L'évaporateur E3 est identique aux appareils E1 et E2. Il opère à 2,4 MPa de pression et à une température de 180'C. Les 1750 kg/h de liquide arrivant en tête de cet échangeur sont réchauffés et évaporés grâce à un échange avec 120 kg/h 7 - 24 9 O 10 3 1 de vapeur d'eau envoyés dans la calandre de l'appareil E3 par la ligne 30. Ceci provoque l'évaporation de 1200 kg/h de pentane qui sont envoyés dans la calandrE de l'appareil E2 par la ligne 28. Par la ligne 29, on évacue le mélange liquide non évaporé et composé de 50 kg/h de pentane et 500 kg de gasoil, et par la ligr 28 on évacue le pentane condensé. Ce mélange peut être soumis à un traitement fi nal pour récupérer des traces de pentane, par exemple, en réalisant un strippagE à la vapeur d'eau. La consommation de vapeur a été de 120 kg/h. Dans une instal- lation classique, on aurait eu besoin de 320 à 340 kg/h de vapeur d'eau. La vape d'eau condensée est évacuée par la conduite 31. 240 O 103 R E V E N D I C A T I O N S 1 1/ Procédé de récupération d'au moins un composé organique volatil à partir d'un mélange liquide dudit composé avec au moins un composé organique liquide peu volatil, caractérisé en ce que l'on réalise cette récupération par un processus d'évaporation du composé volatil en plusieurs étapes successives, chaque étape opérant à une température et une pression différentes, et en utilisant la chaleur de condensation de la vapeur produite dans une étape donnée (E) comme source de chaleur dans une autre étape en aval ou en amont de la dite étape (E), mais opé- rant à une température et une pression plus basses que celles de l'étape (E), une partie au moins de ces différentes étapes étant mises en oeuvre, chacune, avec une différence de température de 2 à 300C entre les fluides participant à l'échange de chaleur, et ledit échange s'effectuant à travers une paroi verti- cale le long de laquelle le mélange à évaporer ruisselle en film tombant, ladite paroi ayant préalablement été traitée, au moins sur la face en contact avec le mélange à évaporer, par dépôt de matériaux poreux ou par action mécanique afin de créer des cavités ou des pores permettant une ébullition nucléée. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes successives -sont mises en oeuvre à des pressions décroissantes depuis l'entrée du mélange à évaporer jusqu'à la sortie du composé peu volatil, les vapeurs produites et le liquide partiellement évaporé progressant globalement à concourant dans les é- tages successifs de l'installation, la vapeur produite dans un étage donné étant condensée dans l'étage suivant et ainsi de suite, la circulation de part et d'autre de la paroi, à un étage donné, se faisant à co-courant ou à contre-cou- rant, le premier étage étant lui-même chauffé par un fluide caloporteur d'ori- gine externe. 3/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans chaque étage, la vapeur formée à cet étage et le liquide en cours de vaporisation progressent en concourant descendant d'un même côté de la paroi. 4/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans chaque étage, la vapeur formée à cet étage remonte à contre-courant du liquide en évaporation dont elle est issue. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes successives opèrent à des pressions croissantes depuis l'entrée du mélange liquide à évapo- -9- 24 90 10 3 1 rer jusqu'à la sortie du composé organique peu volatil, débarrassé du composé volatil, la vapeur produite dans un étage étant condensée dans l'étage précédent créant ainsi un contre-courant global dans les étages successifs de l'installa- tion, entre le liquide à évaporer et la vapeur produite, la vapeur en cours de condensation et le liquide en cours de vaporisation circulant à concourant ou à contre-courant à chaque étage, le dernier étage étant chauffé par un fluide caloporteur d'origine externe. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans chaque étage, la vapeur formée à cet étage et le liquide en cours de vaporisation progressent en co-courant descendant d'un même côté de la paroi. 7/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans chaque étage, la vapeur formée à cet étage remonte à contre-courant du liquide en évaporation dont elle est issue. 8/ Procédé selon l'une des revendications l à 7, dans lequel les cavités ou pores ont un diamètre moyen de 50pm à 2 mm. 9/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les cavités ou pores ont un diamètre moyen de 100lm à 200pm