Brevet FR2570286A1 — publié le 19860321

La présente invention concerne un procédé pour l'élimination partielle ou totale deconstituants volatils d'un liquide complexe dans le but de distiller, concentrer, dégazer ce liquide ou d'en extraire ces constituants volatils, ainsi qu'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé, par mise en contact de ce liquide avec un fluide à l'état gazeux (gaz ou vapeur) Ce procédé s'applique au traitement de tous liquides complexes provenant du mélange de deux ou plusieurs liquides ou de solutions de produits liquides ou solides dans un solvant.Les liquides constitutifs du mélange ou les solvants de ceux ci peuvent être quelconques: eau, solvants minéraux, liquides organiques, ainsi que les solides dissous dans ces liquides, Il est connu d'effectuer les opérations de distillation, concentration, dégaza ge, extraction de solvant, . . . d'un liquide complexe en mettant ce liquide en contactavec un courant de gaz ou de vapeur dont les conditions physico-chimiques (pression, température, composition, ..) sont telles qu'il s'établisse entre la phase liquide et la phase gazeuse un équilibre entrainant un transfert dans la phase gazeuse de certains des constituants de la phase liquide ou d'une partie de ceux-ci. Cette opération est le plus souvent effectuée dans des colonnes à garnissage; mais ce type d'appareillage ne peut malheureusement pas être utilisé lorsque le liquide à traiter présente des caractéristiques incompatibles avec un écoulement correct sur le garnissage telles que:viscosité trop élevée dans les conditions opératoires possibles, apparition d'une phase solide (boues, cris taux, . . ) qui se dépose sur le garnissage et l'obstrue, etc. ., qui rende ltécou- lement et donc le fonctionnement défectueux ou impossible. Il est connu en tels cas pour assurer la mise en contact du gaz et du liquide d'utiliser des enceintes dépourvues de garnissage ou d'aménagements internes, et il éxiste à cet effet deux types d'appareillage utilisé: -Les uns, dans lequel le liquide est pulvérisé au sein d'une veine gazeuse circulant à faible vitesse; suivant que la circulation du gaz et du liquide a lieu à à contre-courant ou à Co-courant, la vitesse de la veine gazeuse peut varier entre de larges limites, mais elle est dans tous les cas dans des conditions d'écoulement telles que le nombre de Reynold est inférieur à 20. 000. Cette technique conduit à des appareils volumineux, particulièrement pour le travail sous une pression voisine de la pression atmosphèrique et dans lesquels le contact entre gaz et liquide ne se fait pas toujours avec ltefficacitz souhaitée. - Les autres dans lesquels, pour pallier l'inconvénient ci dessus, on communique à la veine gazeuse une vitesse assez grande pour que le nombre de Reynold correspondant soitégal ou supérieur à 20. 000 et que cette veine gazeuse puisse assurer l'entrainement du liquide pulvérisé en son sein, liquide que l'on sépare ultérieurement du gaz par des procédés connus (cyclone, venturi,..). Ces derniers procédés travaillent toujours à courant ascendant dans des appareillages pouvant affecter diverses formes ( cylindriques, coniques ou tronconiques), mais leur domaine d'utilisation est également limité du fait de la contrainte qu' entraine le maintien en suspension d'un lit plus ou moins fluidisé, la classifica tion et 1' entrainement des goutelettes, La présente invention concerne un procédé nouveau et l'appareillage adapté à sa mise en oeuvre, pour effectuer: distillation, concentration, dégazage,.. de liquides en évitant ces inconvénients.Il opere par dispersion du liquide dans un courant de gaz et/ouvapeur animé d'une grande vitesse, à l'état tourbillonaire dans des conditions qui, assurant un brassage rapide et efficace du liquide etdu gaz, entraine un transfert rapide de chaleur et matière entre le liquide et ce gaz ou cette vapeur dont les conditions physico-chimiques: pression, température, composition, .. sont adaptées aux problèmes à résoudre. L'appareillage necessaire à sa mise en oeuvre comporte essentiellement un échangeur-éclair, comprenant successivement, dans le sens de circulation du gaz les éléments suivants (de section circulaire ou polygonales): - Une chambre de régularisation cylindrique et éventuellement pourvue de dispositifs internes destinés à éviter les mouvements de rotation de la veine gazeuse lorsque ceux ci sont à craindre - Un convergent assurant la mise en vitesse du gaz ou de la vapeur et dans lequel en général on injecte le liquide à traiter de manière à assurer un contact efficace entre celui-ci et le gaz ou vapeur. - Une zone d'échange de forme cylindrique, hémispherique, tronconique ou mixte, de longueur appropriée à la rapidité du transfert entre liquide et gaz ou vapeur. Cette zone d'échange est calculée de telle sorte que l'écoulement du gaz ou de la vapeur s'y fasse dans des conditions qui correspondent à un nombre de Reynold égal ou supérieur à 20. 000 dans la section ou ce nombre est le plus faible, de manière à assurer un échange et donc un transfert de chaleur et de masse aussi rapide que possible. - Un divergent de récupération d'énergie qui assure en outre la coalescence des goutelettes dispersées dans le courent gazeux suivant une propriété connue de ce genre d'appareil. Cette coalescence est d'autant plus efficace qu'elle s'effectue dans une ponte ou le mélange réahtionnel est encore, de façon générale, dans un état tel que la recondensation entrainée soit nulle ou tout au plus très faible. Une injection de liquide, comme indiquée ci après, peut d'ailleurs aider à cette coalescence. - Une chambre de tranguillisation La planche 1/2 montre un exemple de réalisation d'un tel échangeur éclair, comprenant en 1 la chambre de régularisation, en 2 le convergent, en 3 la zone d'échange qui dans cet exemple est de forme mixte, comprenant une partie cylindrique suivie d'une partie tronconique, en 4 le divergent et en 5 la chambre de tranquillisation. Le gaz ou la vapeur pénètre en G, le liquide à traiter et/ou du liquide recyclé ( conformément au processus indiqué ci après) sont injectés par l'une ou l'autre ou plusieurs des tubulures L . Le mélange de liquide et de gaz ou vapeur sort en S. Une unité peut comporter un ou plusieurs échangeurs-éèlair 5 travaillant en parallèle et qui, soit directement, soit par l'intermédiaire de carneaux sont raccordés en aval à un séparateur centrifuge Ce mélangeur-éclair peut travailler dans n importe quelle position, mais de préférence à courant descendant, soit verticalement, soit obliquement par rapport à la verticale, de manièreà éviter les phénomènes liés au maintien d'un lit plus ou moins fluidisé dans le divergent, lit dont l'homogénéité laisse généralement à désirer, particulièrement pour les appareils de grandes capacité. L'appareil représenté planche Itravaille à courant descendant vertical. Lorsque les conditions opératoires choisies (pression, température, composition des fluides, vitesses, ..) ne permettent pas d'assurer dans la veine gazeuse un temps de séjour suffisant, il est procédé au recyclage dans l'échangeur- éclair d'une fraction adéquate du liquide recueilli en sortie d'appareillage. Le débit de liquide ainsi recyclé peut etre aussi élevé qu'on le désire, ce qui permet d'ajuster avec souplesse et précision la durée du contact gaz-liquide et donc la concentration recherchée pour le produit final ou sa température. L'injection dans la veine gazeuse, tant du liquide à traiter, que du liquide recyclé peut être assurée par tout systeme classique connu, approprié aux caracteristiques de ces liquides (débit, température, viscosité, agressivité,..) et choisi en fonction de la dispersion souhaitée (nombre de points d'injection, dimension des particules, forme de la zone de dispersion,..) L'injection du liquide à traiter en un ou plusieurs points se fait en général en amont de la zone d'échange et de préférence à l'entrée du convergent ce qui permet la dispertion maximale du liquide dans le gaz.Toutefois cette dispertion peut aussi s'effectuer dans la zone d'échange elle même, particulièrement lorsque l'on souhaite limiter le temps de contact du liquide avec le gaz dans le but d'éviter divers inconvénients: suchauffe locale du liquide, dépots ou incrustations à l'entrée de la zone d'échange, etc. L'injection du liquide recyclé peut se faire avec celle du liquide à traiter ou séparément. Lorsque l'injection du liquide recyclé se fait séparément de l'injection du liquide à traiter, elle peut se faire en un ou plusieurs points, y compris comme indiqué ci dessus, dans le divergent dans le but de favoriser la coalescence des goutelettes. Le choix des points d'injection dépend de nombreuses considérations propres au liquide à traiter et aux conditions opératoires souhaitées (débit de liquide à traiter, durée-de contact gaz-liquide souhaitée, agressivité du liquide, formation de boues ou cristaux,..) Les effluents du-ou des échangeurs- éclair sont collectés par un ou plusieurs carneaux qui les conduisent dans le séparateur centrifuge auquel ils se raccordent tangentiellement.Pourvus d'une pente suffisante pour drainer vers le séparateur centrifuge le ruissellement éventuel du liquide qui se dépose, ces carneaux ont une section calculée de manière à ce que la veine gazeuse chargée de goutelettes soit envoyée le long de la parois du séparateur centrifuge avec une vitesse qui assure aussi efficacement que possible la séparation du liquide d'avec le gaz par effet de centrifugation. Cette disposition qui permet d'ëquiper une unité de plusieurs échangeurs-éclair débitant sur un même séparateur centrifuge est favorable à la réalisation d'unités de grande capaciXésans risque d'extrapolation. Elle présente l'avantage de pouvoir disposer d'un échangeur-éclair de réserve permettant de maintenir la production en assurant par roulement le nettoyage des autres échangeurs-éclair, ce qui est particulièrement interessant lorsque les produits mis en oeuvre donnent lieu à des dépots, des incrustations ou des érosions, produits préférentiellement traités dans ce type d'appareil. eSt / Le séparateur centrifuge cylindri que, de section et volume adaptés aux débits mis en oeuvre. Sa partie inférieure est concue de manière à permettre la collecte et l'évacuation du liquide, aussi bien que de##s boues et cristaux éventuellement déposés par ce liquide et dont la séparation d'avec le liquide est assurée par tous dispositifs connus. Il comporte, outre les équipements usuels de controle de niveau, trop plein, trou d'homme,. des dispositifs appropriés d'arrosage et/ou d'agitation lorsqu'il s'avère necessaire d'améliorer par de tels moyens la coales cence des goutelettes de liquide ou que les propriétés physiques de ce liquide (viscosité, . . ) le necessitent. Le gaz sort du séparateur centrifuge à la partie supérieure de préférence par le toit et au centre de celui ci. Pour assurer la séparation des vésicules liquides entrainées, la partie supérieure du séparateur centrifuge peut avoir une section supérieure. Eventuellement le gaz traverse des dispositifs séparateurs (chicanes, matelas pouvant être équipés d'un dispositif de lavage) destinés à retenir les vésicules de trop faibles diamètres pour lesquelles ces appareils de séparation sont adaptés et efficaces. Gaz et liquides sortant du séparateur centrifuge peuvent, lorsque l'échangeuréclair travaille à une température différente de la température ambiante, être réchauffés ou refroidis à contre courant des fluides entrants de manière à récupérer au mieux l'énergie thermique mise en oeuvre. Le gaz utilisé pour assurer l'élimination de tout ou partie de la fraction volatile du liquide à traiter sera choisi en fonction du liquide à traiter, des conditions opératoires possibles et du résultat souhaité. Les conditions opératoires seront également choisies en fonction du liquide à traiter et du résultat souhaité. Pour mettre en oeuvre ce gaz on pourra travailler: - Soit en circuit ouvert; ce qui sera généralement le cas lorsqu'on pourra utiliser un fluide bon marché dont le rejet à l'air en sortie de l'appareil ne pose aucun problème de pollution dus à la nature du gaz ou aux traces de fluides entrainés. Nous citerons ainsi: -Le dégazage à l'air ou à la vapeur de liquides avec extraction de gaz ou de vapeurs ni toxiques, ni polluants. - La concentration de solutions aqueuses ou de liquides hydratés par des fumées provenant de la combustion de gaz industriels ou de combustibles fossiles ou par des gaz anhydres (tel que l'azote en provenance d'unités de fractionnement d'air) lorsque ceux ci peuvent être correctement épurés de tous entrainements vésiculaire avant rejet. - Soit en circuit fermé, ce qui sera généralement le cas lorsque le gaz utilisé sera d'un cout élevé qui impose sa récupération, ou lorsque son rejet à l'atmosphère ne peut s'envisager pour des raisons de pollution. Nous citerons ainsi: -Le cas ou la nature du liquide éxige de travailler en atmosphère spéciale (atmosphère inerte, atmosphère réductrice, gaz spécifique,..) -Le cas ou la fraction volatile entrainée ne pouvant être totalement séparée avant rejet et ne pouvant être rejetée à l'atmosphère il s'avère préférable ou necessaire de recycler un gazcontenant des quantités plus ou moins importantes du produit volatil que l'on cherche à extraire du liquide. La circulation du gaz ou de la vapeur dans l'installation peut être assurée par un ou plusieurs appareils classiques (ventilateurs, compresseurs, ejecteurs, ..) travaillant soit en soufflage sur le gaz ou vapeur entrant, soit en extraction sur le gaz en aval du séparateur centrifuge, soit par une combinaison des deux modes de travail. Ces appareils ne sont pas necessairessi l'unité de distillation, concentration, dégazage,.. peut être alimentée directement en gaz ou vapeur déjà sous une pression suffisante ou peut être raccordé à une autre unité susceptible d'assurer la circulation de gaz ou de la vapeur, par exemple pourvue d'une installation de mise sous vide. Il n'y a pas d'autre limitation au choix du gaz ou de la vapeur à utiliser que la compatibilité de ceux ci avec le liquide à traiter dans les conditions opératoires choisies. Le procédé peut travailler dans un domaine de température compris entre 1750K et 15000 Kelvin, sous réserve naturellement d'utiliser des matériaux adéquats, et sous des pressions comprises entre 0, OS et 100 Bars absolus. Le procédé, qui conduit à des réalisations particulièrement simples du fait de l'absence de tout équipement interne et de la possibilité d'utiliser une grande et en outre très aisé à mettreenouvre variété de matériau###puisqu'il ne met en jeux que desrgulations simples et classiques. Il statère particulièrement interessant, par exemple pour la concentration de solutions aqueuses de produits chargés ou corrosifs au moyen de gaz chauds.En ce cas, l'absence de tout échangeur à surface est particulièrement interessant et le controle aisé par des régulations de débit (gaz et liquide à concentrer, liquide à recycler, ) de niveau et de simples régulations thermostatiques, le controle par densimètre du titre du liquide concentré pouvant servir à commander le recyclage du liquide dans l'échangeur -éclair. La planche #2donne un exemple d'une installation réalisée conformément au procédé et à l'appareillage décrit. Cette installation comporte 2 échangeurs éclair, identiques travaillant en parallèle. Les échangeurs éclair sont du type à zone de mélange cylindrique et avec injectionunique du liquide à traiter et du liquide recyclé à l'entrée du divergent. Le liquide à traiter E est reçu dans un bac 1 cependant que le liquide soutiré au séparateur centrifuge 2 est divisé en deux fractions: une fraction qui constitue le recyclageet une fraction Fqui constitue la fraction soutirée pour être récupérée ou être soumise à d'autres traitements. Du bac 1 ,le mélange est repris par la pompe 3 et envoyé vers l'échangeur éclair 4 pour y être injecté par la tuyauterie L à l'entrée du convergent. Les débits de liquide E et R sont réglés par des moyens classiques (vannes papillon à commande manu- elle ou automatique ).Les effluents des deux échangeurs éclair 4 qui peuvent travailler éventuellement indépendamment l'un de l'autre si des organes d'isolement adéquats ont été installés, sont collectés par le carneau de sortie 6 dont la forme et la section sont étudiés pour diriger ces effluents à une vitesse suffisante dans le séparateur centrifuge 2 auquel il se raccorde tangentiellement. Dans le séparateur centrifuge 2 le gaz se sépare du liquide, et tandis que ce dernier est recueilli a' la base du séparateur centrifuge, un collecteur de sortie supérieur 7 extrait ce gaz, chargé de fractions volatiles du liquide traité. Le gaz sort en S. Les boues sont éventuellement extraites en B. Ne sont pas figurés sur ce schéma, car réalisés par des moyens classiques: -. Les dispositifs de répartition de débit de gaz ou de liquide entre les deux échangeur s éclair. - Les dispositifs d'isolement. - Les dispositifs de réglage des débEts de gaz ou de liquides, soit à commandes manuelles soit automatiquement réglés en fonction de divers paramètres qui varient au cours du processus ( température, concentration, poids spé cifique,..) - Les ventilateurs, soit de soufflage de gaz, soit d'extraction de gaz suivant la disposition choisie; ainsi que divers autres détails non caractèristiques du procédé. Les exemples donnés ci dessous à titre non limitatifs permettront de mieux comprendre le procédé de la présente invention. Exemple 1 Pour la production de moût de raisin concentré on utilise un appareil conforme à l'invention. équipé d'un seul échangeur éclair. A cet effet on alimente cet échangeur éclair avec de l'air préchauffé à 140f G au moyen d'un aérotherme et on y injecte: dans le convergent 2 1500 litres/ heure de moût de raisin brut, contenant 14 7o de sucre et préalablement préchauffé à 500C à contre courant des fluides sortants du séparateur - centrifuge. - Dans la zone d'échange 3 2SOOlitres/ heure de mout concentré chaud re cueilli à la base du séparateur centrifuge et repris par pompe. L'appareil permet d'extraire du moût 980 Kg. / heure d'eau qui sont entrainés avec l'air de sèchage, tandis qu'on extrait en continu, un moût concentré contenant 30% de sucre dont la température n'excède pas 550C en aucun point de l'appareil. Exemple 2 Pour la concentration d'acide phosphorique, on utilise un appareil conforme à l'invention, équipé de trois échangeurs éclair, travaillant en parallèle, dont un de réserve, réunis à un carneau qui conduit leurs effluents vers un séparateur centrifuge. Les échangeurs éclair sont alimentés en fumées chaudes, à 5700C #provenant de la combustion de gaz naturel et on injecte dans chacun des deux échangeurs éclair en service: - Dans le convergent 3 tonnes/heure d'acide phosphorique vert titrant 54% de P205, préalablement préchauffé à I30 C à contre courant des produits sortants du séparateur centrifuge. - Dans la zone d'échange 35 tonnes/heure d'acide concentré recueilli dans le séparateur centrifuge à sa base. Cette injection provoque la coalescence quasi totale des brouillards entraînés par ltévaporation de l'eau contenue dans l'acide. La température à la sortie d l'échangeur éclair est de 2200 C. Les#funiées chargées de vapeur d'eau et d'acide fluosilicique sont aspirées par un ventilateur et refroidies dans un échangeur de récupération servant au préchauffage de l'air de combustion et de l'acide d'alimentation. L'acide fluosilicique est recueilli dans un filtre lavé. Une telle unité permet de produire en continu 33 tonnes/ Heure d'acide phosphorique concentré à 63% de P205 soit une capacité de 500 tonnes/ jour de P205. l#e liions 1) Procédé pour l'élimination partielle ou totale d'un constituant volatil, d'un liquide complexe par mise en c contact de ce liquide avec un courant de fluide à l'état gazeux caractérisé par le fait que ce courant de fluide est à l'état tourbillonaire avec un nombre de Reynold supérieur ou égal à 20. 000 en courant descendant ( vertical ou oblique). 2) Procédé suivant revendication 1) dans lequel, en outre on ajuste avec précision le temps de contact entre gaz et liquide par recyclage d'une partie du liquide traité. 3) Procédé suivant revendications 1) et 2) caractérisé par le fait que le liquide peut être quelconque, même susceptible de déposer des boues ou des cristaux ou d'avoir une viscosité élevée ou d'être agressif et corrosif. 4) Procédé suivant les revendications 1),2), 3) caractérisé par le fait que le fluide à l'état gazeux peut être constitué par tous gaz ou vapeurs. 5) Procédé suivant revendications 1), 2), 3), 4), caractérisé par le fait que la pression peut être comprise entre 0, OS bar et 100 bars absolus et la température entre 175 et 1500"K. 6) Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé par le fait qu'on assure dans un échangeur de forme appropriée, successivement la régularisation préalable de la veine gazeuse, sa mise en vitesse, sa mise en contact avec le liquide dans la zone où elle est à l'état tourbillonaire, sa détente avec récupération d'énergie et coalescence des brouillards formés et sa tranquilisation. 7) Xppareillage suivant revendication 6) caractérisé par le fait que la zone d'échange peut être de forme cylindrique ou tronconique à base circulaire ou polyonalt ou hémispherique, ou mixte. 8) Appareillage suivant revendications 6) et 7) caractérisé par la possibilité d'injecter le liquide éventuellement recyclé en amont de la zone d'échange ou dans la zone d'échange elle même. 9) Appareillage suivant revendications 6), 7), 8), caractérisé par la possibi - lité d'injecter le liquide éventuellement recyclé soit avec le liquide à traiter, soit indépendamment du liquide à traiter, avant ou après la zone d'échange, ou dans la zone d'échange elle même. 10) Appareillage associant un ou plusieurs échangeurs suivant revendications 6), 7), 8); 9) à un séparatf ur centrifuge, les deux types d'appareil étant réunis par un carneau. 11) Procédé et appareillage suivant revendications 1), 2), 3), 4), 5), 6),7), 8), 9), 11)), particulièrement bien adapté à la déshydratation partielle d'acide phosphorique ainsi qu'à la concentration de liquides organiques tels que les mouts de raisin.