Brevet FR2499865A1 — publié le 19820820

La présente invention a pour objet des dispositifs de concentration de Matière Sèchen et de distillation de liqides. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils de concentration et distillation. Dans l'êtat actuel de la technique on dispose pour la concentration et la distil ]ation d'appareils à simple on à multipleseffets et d'appareils à thermocompressi Nous verrons que ces appareils présontent chacun des inconvénients auxquels il es palié par le présent brevet. Pour apprécier la portée de celui ci, il convient de rappeler quelques notions élémentaires de thermodynamique, Les exemples feront référence à l'eau. Il faut savoir que pour chaque corps à l'être liquide, il existe, pour une pres sion donnée à laquelle ce corps est soumis, une température à laquelle celui ci se vaporise. A titre d'exemple, le tableau ci joint (annexe I) donne pour l'eau les pressions et les températures correspondant à la vaporisation. On peut lire que pour une pression 1 bar, la température de vaporisation est de 99,6 C Les colommes H 1 et H 2 indiquent l'énergie contenne dans 1 Kg d'eau à l'êtat 11, quide et à l'être de vapeur par rapport à 1 Kg d'eau à l'être liquide à 0 C. La différence entre ces deux chiffres est la chaleur de vaporisation de l'eau, antrement dit la quantité d'énergie nécessaire pour faire passer 1 Kg d'eau de l'êtat liquide à l'être gazeux. O t X différence est donnée dans la colonne L . On voit aussi que la plus grande partie de l'énergie dépensée pour transformer 1 Kg d'eau liquide en 1 Kg d'eau vapeur à une température usuelle par exemple 99,6 C, n'est pas dépensée pour porter ce Kg d'eau à sa température d'ébulition, mais pour faire passer cette eau de l'être liquide à l'être gazeux. Cette réflexion est trés importante pour la mise en évidence de l'originalité du présent brevet. Afin que celle ci soit intangible et clairement exposée aux yeux de tous, il con vient de rappeler les principes généraux des appareils de concentration et de dis tillation utilisés à ce jour. Pour les appareils mono ou multipleseffets sans thermocompression (schéma annexe 2), on dispose de ouves, chacune représentant un effet, dans lesquelles le liquide à concentrer est déposé. A l'intèrieur de cette cuve on a disposé un é changeur du type serpentin dans lequel on fait circuler un fluide à une températu re supèrieure à celle de la température de vaporisation du liquide à évaporer ou à distiller, compte tenu de la pression à laquelle ce liquide est soumis. Supposons que ce liquide soit de l'eau, soumise à la pression de 1 bar (pression atmosphérique). On fera circuler dans le serpentin un fluide à la température de 120 C, qui en tramsmettant sa chaleur et par conséquent en faisant s'élever la température du liquide au dessus de 99,6 C, le fait s'évaporer. Par ailleur pour que le fluide circulant à l'intèrieur du serpentin cède le maxi mun d'énergle, on utilisera en général de la vapeur d'eau sous une pression telle qu'elle se condense à une températeur supèrieure à la température de vaporisation de l'eau du liquide. Par exemple , s l'on envoit dans le serpentin de la vapeur d'eau sous une pressie de 2 bars, dont la température de vaporisation est de 120,22 C, alors que la température d'évaporation du liquide à concentre@ ou à distiller est de 99,6 C sou la pression de 1 Bar, on pourra retirer de 1 Kg de vapeur 2 bars, à condition que l'échangeur soit bien conçu et rejete de l'e@@ liquide à 99, 6 C ; 646 - 99,68 = 546,32 KCal/Kg de vapeur f2 bars ce qui est considérable On a alors envisagé d'utiliser la vapeur d'eau sortant du 1er effet et de la con denser dans l'échangeur d'un 2 éme effet, où bien entendu la pression réguant dans la cuve devrait être infèreleure à 1 bar, pour que la température de vapori sation du liquide soit infèrieure 99,6 C.Il fallait pour oelà que la vapeur émanant du 2 éme effet soit aspirée par un système quelconque fonctionnant comme une pompe à vide. En augmentant progressivement le nombre d'effets, on est ar rivé à réaliser des appareils à sextuple effet. On doit cependant remarquer qu'en tont êtat de cause, la vapeur issus du dernier effet se perd dans le système d'aspiration final, On en déduit en conséquence qu'aux déparditions par rayonnement de l'appar@il prés, l'énergie entrée dans un appareil à multiple effets ressort de l'appar@il dans le dernier effet. On voit aussi que dans l'appareil ronceffet, L'énergie de 1 Kg de vapeur a permis de vaporiser approximativement 1 Kg de vapeur et que dans un appareil à n effets, l'énergie de 1 Kg de vapeur @ per@is de v@@eriser approximativement n Kg de vapeur Les dépenses d'énergie par Kg d'eau évap@@é@ sont done, @@@@ant le @@@bre d'ef fets et en tenant compte d'uns augmentation de température @@ 30 C dans le 1er effet, approximativement les suivantes :: Nombre d'effets Fénergie dépensés 1 580 @ KCal/Kg 2 580/2 = 290 KCal/Kg 3 580/3 = 193 KCal/Kg 4 580/4 = 145 KCal/Kg 5 580/5 = 116 KCal/Kg 6 580/6 = 96 KCal/Kg A l'heure actuelle les performances techniques des appareile d'espiration de la vapeur après le dernier effet ne @ermettent pas de réaliser des conoentrateurs comprenant plus de 6 effets. Par ailleurs, pour aspirer la vapeur @esue du dernier effet, on utilise souvent des appareils qui condensent cette vapeur en limettant en présence d'eau à basse température, par exemple des con enseurs à eau ou des pompes à anneau liquide. Les concentreurs de ce type sont @n conséquence souvent gros consommateurs d'eau. Pour les appareils à thermocompre sion, le principe général est le sivant. La vapeur sortant d'un effet est envoyée dans un compresseur où sa pression est aug mentée de façon à ce qu'elle puisse être utilisée dans l'échangeur de l'effet dont elle sort ou d'un autre effet. les' appareils existants à l'heure actuelle sont de deux types les appareils multiples effets modifiés auxquels on ajoute un compresseur @@ vapeur, qui compresse une partie de la vapeur surwant @@ @er effet, @@@@@@ annere 3). Dans ce type d'appareil, l'énergie correspondant à la chaleur latente de vaporisation de l'eau finit par sertir par l'intermédiaire du condenseur. Le compres seur ne sert que d'appoint pour @méliorer les performances de l'appareil. . les appareils mono ou multiple effets à compression totale de la vapeur (schéma annexe 4 et 5), qui représentent trois caractéristiques par rapport au présent brevet. En premier, la totalité de la vapeur est recompressée ; ce qui implique des com presseurs @@tés d'un trés @@s d@bit et dans le cas d'un appareil à multiple ef fets de compresseurs à trés fort taux de compression. En second, si le liquide à concentrer contient des gaz incondensables ( Oxygène , Co 2 ...) entrés par ac@dent dans l'appareil, ceux ci même en quantité minime font chuter de manière trés importante le rendement de l'appareil. En troisième, le compresseur recevant une grande quantité d'énergie sous forme de vapeur et y ajoutant l'énergie mécanique qu'il amène produirait en fait tro@ d'énergie, si l'on voulait en plus réoupérer ses pertes thermiques, qui éveluent entre 25 et 50 % de l'énergie consommée par le compresseur, Les OBJECTIFS de la présente invention sont donc, par rapport aux concentreurs distillateurs existants, les suivants. L@ premier veut supprimer l'utilisation de vapeur produite par une chaudière classique, fonctionnant aux combustibles fossiles de plus en plus rares et che@ ea utilisait un compresseur de vapeur fonctionnant à l'électricité . Le second consiste à diminuer la consommation d'énergie par Kilo de liquide évaporé. Le troisième , tend à diminuer la taille , la puissance et le taux de compres sien , donc le prix du compresseur par Kilo de liquide évaporé . Le quatrième s vent utiliser la pins grande partie de l'énergie consommé par le compresseur en récupérant ses pertes thermiques. Le cinquième, est de permettre la réalisation d'un concentrateur distillateur peuvant travailler sur des produite thermosensibles , c'est à dire des produits dégr@dables par un excés de chaleur, sans risque de cet ordre. Le sixième, élimine l'injection de gas incondensables dans le Compresseur. le septième , vite la consommation d'eau pour condenser la vapeur , comme celà se fait dans les appareils mono ou multiple effets sans thermocompression Ces objectifs sont atteints an moyen du DISPOSITIF suivant z Deux effets E 1 et E 2, travaillent à des pressions et températures, qui sont d'une part P 1 et T 1, d'autre part P 2 et T 2. a toujours P I > P 2 , de telle sorte que l'on a aussi T I > T 2 La vapeur issue de l'effet E I va se condenser dans le condenseur C 2 de l'eff@ 1 2 @ Le condensat qui en résulte est ramené la pression atmosphérique , soit par une colonne barométrique , soit par une pompe P 2 @ soit par une soupape La vapeur, issue de l'effet E 2 est @@pirée par un compresseur de vapeur fonc tionnant en pompe à vide en amont et maintenant une pression P 2 dans l'effet 1 2 , l vapeur sortant du compresseur , sort a une pression P 3 , telle que P 3 gt; P 1. le compression des gaz , la vapeur en est un , se fait selon une courbe isentro pique (diagramme annexe 6), Sa température T 3 est en conséquence élevée For exemple , si P I s 0,5 bar , T I s 8I C et P 3 - I bar , on a T 3 - 150 la vapeur sortant du compresseur est dite surchauffée. Il convient de la désur chauffer, ce qui est réalisé par une canalisation branchés sur la sortie des condensats de l'effet E 1 et qui amène une partie de ces condensats directement dans le compresseur où ils abstrbent l'excés d'énergie de la vapeur compressée pour la ramener à une température plus basse .Une autre partie des condensats est amenée par un branchement ur la canalisation précédente dans une cuve de désurchauffe où , il règne une pression P 4 , telle que = P 3 > P 1 La température est amenée à la température T 4 de vapeur saturante sous la provo sion P 4 . la vapeur passe alo @s dans l'effet E I , où elle se condense dans le condenseur X I de effet E I Les condensats sortant da l'effet E 1 sont alors répartie dans la canalisation e net ur a@ compresseur et à a cuve de désurchauffe et dans une canalisation br@@ch@@ aus une colonne barom trique ou un pompe P 1, qui les ramènent à la pression setmosphérique. Zen condensats des effets E I et Z 2 se rejoignent pour passer dans un système d'échangeur et de pompe à chaleur, qui permet de porter le liquide entrant à la température la plus haute possible, compatible avec la technologie des échangeurs et des pompes à chaleur d'une part et avec la thermosensibilité du liquide entrant dans l'appareil d'antre part t Le système échangeur et pompe à chaleur n'est pas obligatoire, si la tempéta turc da liquide entrant est suffisant.. 12 n'est pas non plus brevetable il est indépendant du dispositif comprenant les deux effets , le compreuseur , la cuve de désurchauffe , le canalisations décrites ci dessus et parceque les montages de pompes à chaleur et dëchangeurs en vue de transférer l'énergie d'un liquide à l'autre sont connus depuis longtemps Le dispositif , objet de la présente invention , dispose aussi que le liquide entrant dans l'appareil passe d'abord dans l'effet E I s puis ensuite dais fet E 2. Les objectifs fixés sont alors atteints, puisque : le premier objectif prévoyait la suppression de la vapeur, issue d'une chaudière classique, ce qui est le cas ; le deuxième objectif prévoyait de diminuer la consommation d'énergie . Un tel dispositif consomme de 20 à 60 KCal/Kg d'eau évaporée suivant la température de fonctionnement ss la troisième objectif prévoyait de diminuer la taille s la puissance et le taux de compression donc le prix du,du compresseur .Il est atteint perceque see la vapeur issue de l'effet E 2 passe par le compresseur et non pas la vapeur issue de l'effet I I . C'est ainsi que le présent dispositif implique la com - pression de 40 à 45 % de la vapeur produite .1. taille du compresseur est di minués d'autant . Par ailleurs les pressions P I s P 2 et P 3 peuvent être trés proches l'und de l'autre, ce qui permet un faible taux de compression.Cet ensemble de caractéristiques du dispositif selon l'invention autorise une dimmution maximale du prix du compresseur ; le @ lame objectif était d'utiliser la p).us grande partie possible de l'éner- gie absorbée par le compresseur, L'utilisation des condensats pour la désurchauffe du compresseur permet d'abaisser la température de fonctionnement de ce dernier et de diminuer ses pertes theriques. En fait les condonsats injectés dans le compresseur agissent comme un véritable circuit de refroidissement de ce dernier en récupérant ainsi le maximum de l'énergie consommée par le conpresseur ; le cinquième objectif était de permettre de réaliser un concentrateur distillateur pouvant travailler sur des produits thermosonsibles sans risque de les dégrader .La ouve de désurchauffe répond à cet objectif , puisque la vapeur a sort en direction de l'effet E I , qui est @d la la vapeur saturants w dont la tes- pérature est fonction de la pression de la @apeur . Ainsi , si P 4 = P 3 = 0,4 bar on a automatiquement T 4 P 760C ; le sixième objectif était de ne pas injecter de gaz incondensables dans le compresseur. Celui ci est @@tein@ par le cheminement du liquide entrant, qui doit passer d'abord dans l'effet E, puis dans l'effet E 2. Le produit entrant dans leffet E I est soumis à une température et à une pres sien où tous les incondensable, qu'il aurait pu dissoudre ont tendance k se volatiliser et s'échapper par - a canalisation de vapeur vers le condenseur de l'effet E 2, en compagnie de cette vapeur et des autres gaz incondensables qui auraient pu entrer accidentellement dans l'appareil.C'est donc un produi qui toutes chances d'être déchargé de tous gaz incindensables qui se présent dans l'effet E 2 , alimentant le compresseur alors que l'effet E I n'alimonte po le compresseur t le septième objectif est également réalisé puisque le dispositif selon l'inven tion n'a pas besoin de condenseur aprés le dernier effet et par conséquent ne consomme pas d'eau. La DESCRIPTIoN auivante se réfère au dessin annexe 7 , qui représente sans au oua caractère limitatif un eremple de réalisation d'un dispositif de l'inven tien Le dispositif comporte le premier effet E 1, composé d'une cuve étanche 1 et d'un condenaeur de vapeur représenté par exemple par un serpentin 2. Une ca malisation 3 permet le transfert de la vapeur issue de l'effet E 1 vers l'ef fet E 2, lui même composé d'une cuve étanche 4 et d'un condenseur de vapeur représenté par exemple par un serpentin 5. Une canalisation 6 parmet le trans fert de la vapeur issue de l'effet E 2 vers le compresseur 7. Une canalisatgion 8 permet le transfert de la vapeur du compresseur 7 à la cuve de désurchauffe 9. Une canalisation 10 permet le transfert de la vapeur de la cuve de désurchauffe 9 vers le condenseur 2. Une canalisation 11 permet de ré supérer les condensats à la sortie du condenseur 2. Une pomps ou une colonne barométrique ou une soupape 12 ramène les condensate à la pression atmosphérique. Une canalisation 13 trauporte les condensats vers le compresseur et le cuve de désurchauffe au moyen d'une pompe 14. Un système de vanne 15 commandée par la régulation 16 dirige les condensats soit vere la comprèsseur 7 par la canalisation 13 @, soit vers la cuve de dé surchauffe 9 par la canalisation 13 b. soit vers les deux à la fois. Une canalisation 17 receuille les condensats issuadu condenseur de l'effet E 2 Sur cette canalisation 17 on trouve , soit une pompe , soit une colonne baromé trique, soit une soupape 18, qui ramène les condensats à la pression stmos phérique. Les deux canalisations 11 et 17 se rejoignent on une canalisation 19, qui amème les condensats au système échangeur - pompe à chaleur 20. Le produit à traiter arrive par une canalisation 21 a système échangeur PLC il en repart vers l'effet E I par une canalisation 22 , puis il passe de l'ef - fet X 1 dans l'effet E 2 par une canalisation 23 , puis ressort de l'effet B a par une canalisation 24 . La régluation 16 commande : . le fonctionnement du compresseur en fonction de pression de consigne . le fonctionnement de la pompe 14, en fonction de pression de consi gne à la sortie le . le fonctionnement des pompesI2 & 18en fonction de pression de consi gne e l'ouverture du système vanne 15 vers le compresseur par l'intermé divine de la canalisation I3 a , en fonction de la température de ce dernier , donc par l'intermédiaire d'une sonde de température 25 l'ouverture du système de vanne 15 vers la cuve de surchauffe 9 en fonction du niveau de condensats dans oette dernière, donc par l'intermédiaire de den sondes 26 et 27 le niveau haut et bas des condensats dans la cuve NOTA BENE - A partir de l'invention telle que décrite ci dessus , on peut concevoir des ooncentrateurs distillateurs multipleseffets , dont les effets B 3 , E 4,.. E n seraient placés en aval de l'effet E I ( schéma annexe 8 ) et dont l'effet E n alimenterait en vapeur l'effet E 2 de la présente invention , k condition que , Si P n est la pression de vapeur issue de l'effet E n s on ait P n > P 2 I1 s'agit en fait d'adjoindre un appareil multiple effet à l'invention . l'appareil multiple effet est Depuis longtemps du domaine public . Cette md jonction n'est donc pas brevetable Néanmoins tout appareil multiple effet s qui comporterait deux effets fonction nant selon le dispositif décrit relèverait de la présente invention , an moins pour les deux effets ainsi disposés . Par ailleurs le dispositif de canalisations de transfert du liquide à traiter serait modifié de telle manière que ce dernier passe d'abord par les effets E 3, E 4, .. E n quelqu'en soit l'ordre atin que le produit soit séparé de tout gazincondensable , puis le produit serait envoyé dans l'effet E 2 et en fin dans l'effet E I , où il arriverait avec Une forte concentration , donc un écart ébulicscopique important, qui serait compensé par l'énergie fournie par le compresseur REVENDICATIONS I - Dispositif de concentration et de distillation caractérisé en ce qu'il con porte s . Dour effets E 1 et E 2 comprenant, pour l'effet E 1 une ouve étan che 1 et un condenseur 2, pour l'effet E 2 une ouve étanche 4 et un condenseur 5, fonctionnant de telle manière que, si P 1 est la pression dans l'effet E1 et si P2 est la pression dans l'effet E 2, on a PI P2 . Une canalisation 3 transportant le condenseur 5 de l'effet E 2, on a . Un compresseur 7 maintenant en amont la pression P 2 dans l'effet E 2 et compressant la vapeur issue de l'effet E 2 à une pression P 3, telle que P 3 > P 1 .Une cuve de désurchauffe 9 où la pression P 4 est telle que P 4 - P 3, mais où la température de la vapeur aortant du compresseur est ramenée à la température T 4 égale à la température de la vapeur saturante sons la pression P 4 . Un système de canalisation 6, 8 et 10 transférant la vapeur de l'effet E 2 vers le compresseur 7, puis vers la cuve de désurchauffe 9, puis ver le condenseur 2 de l'effet E 1 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de canalisation 11, 13 13 a, 13 b, ainsi qu'une pompe 14 et un système de vanne 15, qui permettent d'amener les condensats issus de l'ef fet E 1 dans le compresseur 7 et la cuve de désurchauffe 9 dans le but de ré cupérer les pertes thermiques du compresseur et de produire une vapeur, dont les caractéristiques soient compatibles avec les produits thermosensibles. 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé on ce que seule la va peur issue de l'effet E 2 passe par le compresseur, ce qui permet de dimi nuer la taille et le débit, done le prix du compresseur. 4 - Dispositif selon les revendication I , 2 et 3 , caractérisé en ce que le pro duit à traiter est amené au dispositif de telle manière qu'il passe d'abord par la cuve 1 de l'effet E 1, dont la vapeur qui on est issue ne passe pas par le compresseur et seulement aprés par la cuve 4 de l'effet E 2, dont la vapeur qui en est issue passe par le compresseur, coci dans le but d'éviter l'injection d'incondensables dans le compresseur. 5 - Dispositif selon les revendi@ations 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que tou te la vapeur produite dans l@s cuves 1 et 4 des effets E 1 et E 2 est conden sée dans les condense@ss 5 e 2 dans dits effets, ce qui supprime la conson mation d'eau pour la condens tion issue du dernier effet 6 - Dispositif selon les revendi ations I , 2 , 3 , 4 et 5 , caractérisé en ce que @@@ appareils multiples effets à n effets, dont deux effets fonctionnent selon de dispositif de l'inv ntion, ne sont que l'adjonction d'un appareil multiple effet à n - 2 effet à la présente invention. 7 - Dispositif selon les revendications I , 2 , 3 , 4 , 5 , caractérisé en ce que pour les appareils multiples effets à n - 2 effets , appelés K 3 w E 4 t K E n adjoints à la présente invention , dont les effets sont appels E I et E 2 , le produit 8traiter passe d'abord par les effets E 3 , E 4, ... E n , afin que tous les gaz incordensables en soient séparés , puis par l'effet E 2 et anfin par l'effet E 1, où l'énergie fournie par le compres seur permet de compenser son écart ébulioscopique.