Brevet FR2524129A1 — publié le 19830930

L'invention se rapporte d'une manière générale à l'extraction de l'eau inclus dans des produits divisés ou présentant un grand rapport surface/volume, tels que des grains ou granulés ou encore des feuilles ou feuillages, ou bien dans des produits poreux ou autrement perméables permettant la migration de liteau incluse vers leur surface, tels que le bois, le plâtre ou la terre cuite, ou enfin dans des suspensions aqueuses ou.solutions, telles que la pâte à papier ou la pulpe de betterave, une saumure ou un sirop respectivement. Pour ce faire, les techniques les plus anciennement connues consistent à chau fer le produit d'une quelconque manière pour assurer l'évaporation de l'eau accessible à sa surface, et à le ventiler simultanément pour éloigner la vape d'eau produite et ainsi permettre la poursuite du processus d'échange thermiq et d'extraction. Le soleil et le vent y ont longtemps pourvu. Une technique plus élaborée et moins aléatoire consiste à utiliser de l'air chaud agissant comme fluide caloporteur et vecteur, c'est à dire fournissant la chaleur de vaporisation de l'eau extraite comme la quantité de mouvement nécessaire à son éloignement de la surface d'échange. Cette technique est trà dispendieuse en coût énergétique, en raison non seulement de la faible capaci calorique de l'air, mais encore du caractère "ouvert" du processus, l'air che de la vapeur extraite entraînant par là-même toute la chaleur fournie. En out l'utilisation d'air chaud nécessairement porté à haute température risque de provoquer la dénaturation du produit traité, par oxydation ou autre réaction chimique induite, voire par simple altération physique ou géomètrique. Il est connu de pallier nombre de ces inconvénients en utilisant- comme fluidE vecteur et caloporteur de la vapeur d'eau surchauffée sous une pression adéq et donc capable d'entraSner une quantité d'eau supplémentaire jusqu'à concouru de sa saturation pour la température et la pression choisies. Tout problème oxydation est ainsi exclus, tandis que les problèmes d'altération sont grand ment simplifiés.En outre et surtout, les transferts de chaleur sont facilité ce qui permet une réduction importante du débit massique et/ou de la tempera Par contre et nécessairement, le chauffage initial requis pour la production la surchauffe de la vapeur est très coûteux en énergie si le processus reste "ouvert", même si des cycles en cascade avec récupération et retour d'énergie sont agencés au prix de coûteux investissements. L'invention a pour objet de résoudre l'ensemble de ces problèmes par la mist oeuvre de vapeur d'eau surchauffée dans des conditions assurant la plus gra économie d'énergie pour le moindre investissement, sans risque d'altération de dénaturation du produit à sécher ou déshydrater. En efçet, l'invention a pour premier objet un procédé économe énergie pour Ir séchage ou la déshydratation d'un produit humide par échange convectif direct avec de la vapeur d'eau surchauffée, essentiellement caractérisé en ce ou'il consiste à faire circuler en cycle fermé et sans variation notable de pression un débit constant de vapeur d'eau servant de fluide vecteur et caloporteur, dont la température varie aussi peu que possible au-delà du palier de saturation, et à en extraire une très petite fraction équivalant a la quantité d'eau extraite du produit, pour la soumettre à une compression mécanique permettant son évacua tion sous forme liquide après récupération et recyclage de sa chaleur latente de condensation > un niveau de température supérieur à celui du débit de vapeur, de sorte que le bilan énergétique des changements de phase étant sensiblement nul en régime de fonctionnement établi, il suffit d'une part d'un faible aoport d'énergie mécanique pour entretenir la circulation de la vapeur et assurer la compression de sa fraction extraite, et d'autre part d'un faible appoint d'énergie thermique pour maintenir la température moyenne de la vapeur. Cet apport et/ou cet appoint d'énergie peut être commodément fourni initialement sous forme électrique, mais aussi bien sous d'autres formes, par exemple par l'emploi d'un thermocompresseur alimenté en vapeur sous haute pression à temps rature relativement élevée. De manière typique et selon l'invention le rapport du débit de vapeur extrait au débit recyclé est de l'ordre de quelques centièmes, tandis que l'excursion de température de la vapeur au-delà du palier de saturation est de ltrdre de quelques dizaines de degrés. Une corrélation judicieuse du choix de ces paramètres de fonctionnement [le débi de vapeur en cycle fermé tend vers l'infini si l'excursion de température au cours de ce cycle tend vers zéro, et inversement) permet d'assurer un coefficient de performance global supérieur à quatre, ce qui distingue nettement le procédé de l'invention de ceux antérieurement connus et met clairement en évidence son caractère économe d'énergie. Selon la nature du produit à traiter, la pression et par suite la température moyenne de la vapeur peuvent être choisies à volonté. Toutefois, la mise en oeuvre du procédé sous pression atmosphérique est dans la plupart des cas adéquate, ce qui permet de nombreuses économies de servitudes, notamment en relation avec la ciculation du produit à traiter. L'invention a aussi pour objet une installation pour la mise en oeuvre du proc spécifié, essentiellement caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison - une enceinte traversée par un flux continu de produit à traiter, qui y est introduit et en est extrait par des sas appropriés d'entrée et sortie, - un circuit fermé de vapeur bouclé sur cette enceinte et muni d'un orge d'impulsion entretenant un débit de vapeur constant, - un conduit de prélèvement piqué sur l'enceinte ou le circuit précités et muni d'un organe de compression du débit de vapeur prélevé, - et un condenseur/échangeur de chaleur couplant au circuit de vapeur 1E conduit de prélèvement en aval de son organe de compression. Les organes d'impulsion et de compression mentionnés peuvent autre avantageuse ment constitués par un ventilateur et un compresseur électromécaniques, respec tivement, tandis que l'appoint de chaleur peut être fourni aussi bien par une source électrique, sans que ces choix soient limitatifs. L'invention a encore pour objet des installations du type spécifié dont l'ager cement et le dimensionnement comme les paramètres de fonctionnement peuvent êt spécialement adaptés au traitement de produits bien déterminés, notamment d' origine agricole et/ou à destination alimentaire avec préservation de leurs propriétés organoleptiques, aussi bien qu'au traitement de matériaux de consti tion avec conservation notamment de leur géomètrie. L'invention a enfin pour objet tout produit séché ou déshydraté par le procéda et au moyen d'une installation comme spécifié, dans la mesure où leurs caractE ristiques géomètriques et/ou physico-chimiques initiales et finales reflètent la nature du traitement auquel ils ont été soumis. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plt clairement à la lecture de la description détaillée qui suit et se réfère au dessin annexé, sur lequel - La Figure 1 est un diagramme fonctionnel illustrant le procédé selon l'invention; - La Figure 2 est une représentation des lois physiques exploitées par l'invention; et - La Figure 3 est un schéma montrant l'agencement d'une installation se l'invention. Le diagramme de la Figure 1 comprend essentiellement - selon l'esprit même de l'invention - un cercle en trait fort symbolisant la circulation en circuit fermé d'un débit Q de vapeur d'eau sous une pression sensiblement constante Po pouvant être inférieure, égale ou supérieure à la pression atmosphérique, et à une température au moins égale à la température de saturation correspondante Ts. Ce diagramme comprend en outre une flèche radiale symbolisant la circulation de la matière M à sécher ou déshydrater, dans laquelle est initialement incluse une quantité q d'humidité extraite par échange convectif direct avec la vapeur, préalablement surchauffée comme décrit ci-après. Cet échange convectif direct suppose que la structure de la matière humide permet à l'eau incluse d'accéder à se surface pour être vaporisée puis entraînée par la vapeur qui joue ainsi le double rôle de fluide caloporteur et vecteur, et que l'agencement des circulations permet le balayage de la matière par la vapeur pour assurer le renouvellement de la couche-limite de vaporisation. Il convient de remarquer que les échanges de chaleur sensible et latente s' effectuent ainsi dans des conditions de quasi-réversibilité et donc avec le meilleur rendement si la différence de température entre matière et vapeur est faible. Le débit de vapeur Q venant de "lécher" la matière à sécher se trouve d'une part ramené à la température de saturation- Ts correspondant à la pression Po ambiante, et d'autre part chargé d'un débit g de vapeur supplémentaire correspondant à la quantité d'eau extraite de la matière M. Un débit équivalent g est prélevé sur le circuit principal - dont le débit Q reste donc invariant - pour être soumis à une compression mécanique augmentant sa pression d'une valeur AP, suffisante- pour permettre sa-condensation ultérieure par détente à une température excédant de quelques dizaines de degrés la température de saturation Ts de la vapeur Q. De la sorte la récupération de la chaleur de condensation du débit de vapeur prélevé q et son recyclage dans le circuit principal - comme symbolisé par une flèche - permettent de surchauffer le débit de vapeur Q jusqu'à un degré êT suffisant pour compenser - aux pertes près - son abaissement de température au contact de la matière M à sécher, essentiellement provoqué par la fourniture de la chaleur latente de vaporisation du débit d'humidité extrait 9. Le bilan des échanges thermiques liés aux changements de phase est ainsi à peu près nul en régime de fonctionnement établi, et le cycle serait bouclé s'il n' ou thermique était besoin de compenser les pertes d'énergie mécaniquetinhérentes à l!entretier de la circulation du débit de vapeur principal Q et à la compression du débit prélevé q, comme au maintien de la température moyenne de la vapeur et au chauffage de la matière à sécher M, sans préjudice des autres causes inévitables de déperdition d'énergie. Il convient toutefois de remarquer que ces déperditions d'énergie peuvent êtrE ramenées à un niveau faible devant celui des échanges d'énergie liès aux changements de phase, et donc que le coefficient global de performance peut être porté à une valeur élevée, typiquement de l'ordre de quatre ou plus, en fait inaccessible par les procédés antérieurement connus. Cet excellent rendement énergétique provient essentiellement de l'utilisation judicieuse de lois physiques illustrées par la Figure 2, et accessoirement de choix matériels qui seront justifiés ci-après. La Figure 2 est un classique diagramme Pression/Enthalpie des changements de phase de l'eau, sur lequel on a isolé l'isotherme incluant le palier de condensation du débit de vapeur prélevé q et, en phase vapeur, les amorces des isothermes concernant le débit principal Q respectivement avant et après sa surchauffe par la chaleur récupérée de la condensation du débit prélevé q. On remarquera l'écart de température ménagé pour permettre l'échange thermiqu à savoir le fait que la température du palier de condensation est quelque peu supérieure à la température de surchauffe, ellPmême bien entendu supérieure à la température de saturation Ts sous la pression Po de la quantité AT déjà mentionnée comme "degré de surchauffe" ou encore comme "excursion de tempéra ture". Cette quantité correspond en effet à la plage de variation de la température du débit de vapeur principal Q au-delà de la saturation au cours de son cycle de travail. La Figure 3 donne le schéma de principe d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit Une enceinte E étanche à l'air et résistant si besoin est à une surpression ou dépression intérieure est raversée par un flux continu de matière à trait introduite puis extraite par des sas appropriés d'entrée R et de sortie S. Cette matière initialement humide est séchée ou déshydratée par échange convectif direct avec le'débit de vapeur Q circulant en cycle fermé dans un cir cuit F à large section de passage et donc figuré en double trait. Ce circuit bouclé sur l'enceinte E est muni d'une part d'un ventilateur électromécaniqu V ou autre organe d'impulsion assurant l'entretien de la circulation de vape et d'autre part d'un surchauffeur formant partie intégrante d'un échangeur d chaleur W, par lequel la température de la vapeur saturée issue de l'enceint E est relevée de quelques dizaines de degrés, par exemple de 100 à 1S0/1400C la pression atmosphérique. A échelle industrielle, un ordre de grandeur typi du débit de vapeur Q est 100 kg/s, auquel correspond une puissance de ventil tion de l'ordre de 400 kW. Un conduit de prélàvement P piqué sur le circuit forme F entre l'enceinte c et le ventilateur V permet de dériver un faible débit oe vapeur @ correspcndant à tout instant à la quantité d'eau extraite de la matière traitée. L'ordre de grandeur de ce débit prélevé q est typiquement quelques centièmes d celui du débit de vapeur principal Q, soit 2 Rugis dans l'exemole cité. La pression de la vapeur prélevée est relevée d'un act-ur k typiquement voisin de 3, au moyen d'un organe de compression C inséré dans le conduit P, par exem- ple un compresseur du genre Rootes entraîné par un moteur électrique de 500 kW. La vapeur prélevée q est ainsi portée des conditions de saturation (1 bar, 1000C) à des niveaux de pression et température (par exemple, 3,5 b et 1400C) permettant son retour à l'état liquide après récupération de sa chaleur de condensation par l'échangeur de chaleur W déjà mentionné, qui donc assure le recyclage de la chaleur latente de changement de phase : la condensation et l'évacuation du débit de vapeur q prélevé compensent oonc exactement l'rapport et l'évaporation de l'eau incluse dans la matière humide à traiter.Comme montré symboliquement sur les figures i et 3, un appoint énergie thermique Z peut toutefois être nécessaire pour compenser les déperditions de chaleur dans l'installation et permettre le chauffage préalable de la matière à traiteur. Pour les valeurs indiquées des paramètres de fonctionnement, une installation selon l'invention offre une puissance thermique de traitement de l'ordre de 4.000 kW qui, rapportée à la somme des puissances de ventilation et compression mises én oeuvre, soit 900 kW, assure un coefficient global de performance susé- rieur à quatre, valeur inaccessible aux installations de type connu, et propre à garantir d'importantes économies d'énergie. En outre la souplesse du choix du couple pression/température de fonctionnement d'une telle installation lui permet d'etre adaptée au séchage ou à la déshydr- tation d'une grande variété de matières. C'est dire que l'invention n'est nullement limitée aux exemples de mise en oeuvre indiqués et illustrés, mais au contraire comprend toutes les adaptations, modifications et variantes de réalisation imaginables par l'homme de l'art et Intrant dans le sore des revendications qui suivent. - REVENDICATIONS 1. Procédé économe d'énergie pour le séchage ou la déshydratation d'un produit humide par échange convectif direct avec de la vapeur d'eau surchauffée, caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler en cycle fermé et sans variation notable de pression un débit constant Q de vapeur d'eau servant de fluide vecteur et caloporteur, dont la température varie aussi peu que possible au-delà du palier de saturation, et à en extraire une tres petite fraction q équivalant à la quantité d'eau évaporée du produit, pour la soumettre à une compression mécanique permettant son évacuation sous forme liquide après récupération et recyclage de sa chaleur latente de condensation à un niveau de tempe rature supérieur a celui du débit de vapeur Q de sorte que le bilan énergétique des changements de phase étant sen siblement nul en régime de fonctionnement établi, il suffit d'une par d'un faible apport d'énergie mecanique pour entretenir la circulation de la vapeur et assurer la compression de sa fraction extraite, et d'autre part d'un faible appoint d'énergie thermique pour maintenir 1; température moyenne de la vapeur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'apport d'én gie mécanique et/ou l'appoint d'energie thermique est initialement fo ni sous forme électrique. 3. Procédé selon la revendication l ou la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport du débit extrait q au débit Q est de l'ordre de quelques centièmes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'excursion de température A T de la vapeur au-del du palier de saturation est de l'ordre de quelques dizaines de degrés. 5. Procédé selon la revendication 3 et la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport des débits Q/p et l'excursion de température A T sont choisis corrélativement de manière à assurer un coefficient de performance supérieur à quatre. 6. Procéde selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac tersé en ce qu'il est mis en oeuvre à la pression atmosphérique. 7. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, Caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison : - une enceinte E traversee par un flux continu de produit à traiter, introduit et extrait par des sas appropriés d'entrée R et de sortie s, - un circuit fermé de vapeur F bouclé sur l'enceinte E et muni d'un organe d'impulsion V entretenant un débit de vapeur constant Q, - un conduit de prélèvement P piqué sur l'enceinte ou sur le circuit préciteset muni d'un organe de compression C du débit de vapeur prélevé q, - et un condenseur/échangeur de chaleur W couplant au circuit de va peur F le conduit de prélèvement P en aval de son organe de com pression C. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'organe d'impulsion V est un ventilateur électromécanique. 9. Installation selon la revendication 7 ou la revendication 8, caracté risée en ce que l'organe de compression C est un compresseur électro mécanique. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le circuit de vapeur F est muni de moyens d'appoint de chaleur Z en aval de l'échangeur W. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce quelle est adaptée au traitement de la pulpe de betterave. 12. Installation selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle est adaptée au traitement de saumure ou de sirop. 13. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle est adaptée au traitement de feuilles ou de feuillages. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle est adaptée au traitement de produits d'origine agricole et/ou à destination alimentaire. 15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle est adaptée au traitement de produits divisés, tels par exemple que des grains ou des granulés. 16. Produit traité par une installation selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que ses propriétés organoleptiques sont préservées à l'issue du traitement. 17. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle est adaptée au traitement de matériaux de construction tels par exemple que le bois, le plâtre, la terre cuite, avec conservation notamment de leur géométrie. 18. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qutelle est adaptée au traitement de la pâte à papier.