Brevet FR2572090A1 — publié le 19860425

1. EXPOSE Le processus d'élaboration des produits commercialisables à partir des huiles et des corps gras bruts impose la désodorisation. Il s'agit de séparer les acides gras des aldéhydes qui les polluent. Pour ce faire l'huile est envoyée dans une colonne de désodorisation où elle est soumise à une température variant entre 160 et 240 OC à une pression variant entre 1,5 & 30T ainsi qu'à l'action mécanique d'un jet de vapeur d'eau, qui entraine les aldéhydes et une partie des acides gras sous forme de vapeur. Les températures et les pres sions de fonctionnement sont fonction des caractéristiques de chaque variété d'huile traitée. Ainsi, pour l'huile de palme rouge, dont on extrait le carotène nécessaire à la coloration des margarines ( au cun colorant chimique n'est autorisé ), les conditions de fonction nement imposent 1600 C , température maxima au delà de la quelle le carotène se dégrade et 1,5 Tor de pression. Pour l'huile de palme courante, de sojà ou d'arachide, la température peut être portée à 2400 C et la pression à 4,5 Tor. Pour le coprah,la température est de l'ordre de 2200 C et la pression de 30 Tor. On rappelle qu'un Tor est égal à une pression de 1 m/m de Mercure. Les pressions à mettre en oeuvre sont donc trés faibles. D'autre part la quantité de vapeur d'eau envoyée dans la colonne varie selon la pression de fonctionnment. Pour un poids d'huile traitée de 4 tonnes par heure, la quantité de vapeur, appelée vapeur d'insufflation, est de 120 kg sous une pression de 4,5 Tor et de 300 kg sous une pression de 30 Tor. En tout êtat de cause celà implique des volumes à extraire considérables, qui interdisent l'utilisation de pompes à vide. On note qu'à la vapeur d'eau extraite se trouvent ajoutées des va peurs d'aldéhydes, d'acides gras et de l'air entré accidentellment dans le processus. Le mélange gazeux extrait de la colonne passe d'abord par un condenseur à acides gras, qui récupère ce type de va peur. A la sortie de celui ci la température du mélange gazeux évo lue entre 40 et 2000 C selon les appareils. Divers dispositifs sont utilisés pour procéder à l'extraction du mé lange gazeux restant selon les pressions de fonctionnement. Dans le cas d'une pression dans la colonne de désodorisation de 30 Tor, on utilise une colonne barométrique, dont l'action est basée sur deux principes physiques. Un tube de plus de 10 mètres de hauteur est rempli d'eau. Son sommet est étanche et sa base plonge dans une cuve remplie d'eau soumise à la pression atmosphérique; la hauteur de l'eau se stabilise à 9,81 m au dessus du niveau de la cuve en créant un vide au sommet du tube. Ce phénomène, connu depuis Pascal et Toricelli, mesure la pression de l'air sur la terre. A chaque pression de vapeur d'eau correspond une température de condensation de cette vapeur. Pour une pression de 30 Tor, la vapeur d'eau se condense à la température de 290 C. En conséquence, si on envoit simultanément dans la partie vide de la colonne barométrique de la vapeur à la pression de 30 Tor et de l'eau à une température infèrieure à 29 C, la vapeur va se condenser dans l'eau tant que la température sera infèrieure à 290 C. Quand celle de l'eau atteindra 290 C, l'équilibre entre la vapeur et l'eau sera réalisé. Si l'on renouvelle constament l'eau, qui s'échappe par le bas du tube, on pourra condenser de grandes quantités de vapeur et main tenir constament une pression de 30 Tor. Dans le cas des colonnes de désodorisation les corps gras entrainés par la vapeur se condensent également dans l'eau et sont amenés par cette dernière dans la cuve sous pression atmosphérique. Quant à l'air, qui forme une partie du mélange gazeux dans la colonne baro métrique, il remonte au sommet de cette dernière et en est extrait par un éjecteur fonctionnant sur le principe du venturi : le fluide à extraire sous faible pression est envoyé dans un tube ayant un léger étranglement et doté sur son axe d'une buse par laquelle arrive un fluide moteur soumis à une forte pression. L'action de la buse augmente notoirement la vitesse du fluide. Ce mouvement lui permet d'aspirer avec lui le fluide sous faible pression.Le mélange des 2 fluides voit sa vitesse augmenter sous l'effet de l'étranglement, dont il ressort à une pression comprise entre la pression du fluide moteur et celle du fluide à extraire. On calcule la forme de l'éJec- teur, le débit du fluide moteur et sa pression, pour que celle du mé- lange résultant soit égale à la pression atmosphérique, soit 760 Tor. La technologie des colonnes barométriques est limitée par les carac téristiques thermodynamiques de la vapeur d'eau. On sait que celle ci passe de l'état de vapeur à l'état de glace lorsque sa pression étant de 4,5 Tor, sa température est abaissée au dessous de Oo C. La pré sence de glace pourrait obstruer la colonne barométrique et empécher son fonctionnement. Aussi lorsque la pression de la colonne de déso dorisation est de 4,5 Tor, on envoit préalablement le mélange gazeux dans un éjecteur, dont le fluide moteur est de la vapeur d'eau. Le nouveau mélange voit sa pression portée de 4,5 à 30 Tor environ, ce qui lui permet d'utiliser les capacités technologiques des colonnes barométriques ( Schéma annexe 1 ). A fortiori lorsque la pression de fonctionnement de la colonne de désodorisation est de 1,5 Tor on envoit le mélange gazeux dans les deux éjecteurs montés en série. Le premier fait passer la pression de 1,5 à 4,5 Tor et le second de 4,5 à 30 Tor. Le système est simple et trés fiable. Il n'offre qu'un inconvénient, il consomme beaucoup de vapeur, c'est à dire beaucoup d'énergie et par là son coût d'exploitation est élevé. A titre d'exemple, une co lonne de désodorisation traitant 4 tonnes d'huile / heure, sous une pression de 4,5 Tor, consomme - 120 kg / h de vapeur d'insufflation - 800 kg / h de vapeur par l'éjecteur placé avant la colonne barométrique . 140 kg / h de vapeur par l'éjecteur placé aprés la colonne barométrique soit au total 1 060 kg / h de vapeur représentant une dépense dans les conditions économiques françaises d'Octobre 1984, de 800 000 Fr environ par An, hors les dépenses d'électricité motrice afférentes au fonctionnement. Dans le cas d'une colonne de désodorisation produisant le même quan tité par heure, sous une pression de 30 Tor, on utiliserait - 300 kg / h de vapeur d'insufflation - 140 kg / h de vapeur par l'érecteur placé en arrière de la co lonne barométrique soit au total 440 kg / h de vapeur, représentant une dépense dans des conditions économiques identiques, de 330 000 Fr par An, hors les dépenses d'électricité de fonctionnefment. Celles ci ne sont d'ailleurs pas négligeables puisqu'elles impliquent le fonctionnement de 2 pon pes et des ventilateurs de l'aérorefrigérant pour une puissance totale moyenne de 40 Kva. 2. DISFOSITIF 2.1. PRINCIPE GENERAL Le principe général du dispositif est basé sur l'application optimale des Constantes thermodynamiques de la vapeur d'eau ainsi que sur l'utilisation rationnelle et concommitente des colonnes baromé triques, des groupes frigorifiques et des éjecteurs à vapeur. Les Tables des Constantes thermodynamiques de la vapeur d'eau nous indiquent que pour les pressions infèrieures à 4,5 Tor, la vapeur d'eau passe directement de l'état gazeux à l'état solide lorsqu'on la soumet à des températures infèrieures à 0 C. On ne peut donc pas faire fonctionner une colonne barométrique à une pression in fèrieure à 4,5 Tor sans risquer de l'obstruer. On sait aussi que les groupes frigorifiques du commerce peuvent fournir de l'eau froide à 40 C. Si donc l'eau envoyée dans la colonne barométrique est à une température de 40 C et est réchauffée jusqu'à 70 C par condensation de la vapeur arrivant de la colonne de désodorisation, il suffit que cette vapeur soit à une pression, dont la température de condensation soit légèrement supèrieure à 70 C , par exemple 90 C, température à laquelle correspond une pression de 8,6 Tor. Le fait de porter la vapeur entrant dans la colonne barométrique de 4,5 à 8,6 Tor au lieu de 4,5 à 30 Tor entrainera, bien entendu, une dirninution notoire de la vapeur motrice consommée par l'éjecteur et issue d'une chaudière à une pression comprise entre 2 et 10 bars en général. Mais pourquoi utiliser une vapeur motrice haute pression, dont il faut bien payer la production, si l'on peut employer une vapeur mo trice basse pression, dont la production serait gratuite. En effet l'évaporateur du groupe frigorifique reçoit de l'eau à 70 C, qu'il restitue à 40 C. Celle ci a été portée de .4 à 70 C par condensation de la vapeur arrivant dans la colonne barométrique, ce qui représente une énergie fournie de l'ordre de 610 Kcal/kg de vapeur condensée. Cette énergie doit etre rejetée vers l'exterieur par le groupe frigorifique, en meme temps que l'énergie absorbée par le compresseur, ce qui représente un total approximatif de 800 Kcal/kg de vapeur condensée. C'est la fonction du condenseur du groupe frigorique de procéder à ce rejet. Les documentations fournies par les fa bricants de matériel frigorifique indiquent que cette énergie peut aisément être rejetée par le condenseur à la température de 45 C.Or on sait d'aprés les Tables des Constantes thermodynamiques de la va peur d'eau qu'à cette température l'eau se vaporise sous une une pression de 72 Tor. On a de plus calculé qu'un éjecteur à vapeur, dont la vapeur motrice serait de la vapeur à 72 Tor, aurait besoin d'un débit de vapeur motrice de 202 kg/heure, pour porter 120 kg/h de vapeur de 4,5 Tor à 8,6 Tor. Une des caractéristiques du dispo sitif selon la présente Demande de Brevet d'invention sera donc d'u tiliser le condenseur du groupe frigorifique comme un revaporiseur d'eau neuves destinée à alimenter l'éjecteur à vapeur. Mais pour 120 + 202 = 322 kg de vapeur à condenser dans la colonne ba rométrique, on n'aura besoin que de 202 kg de vapeur motrice. Le revaporiseur ne pourra donc pas extraire du goupe frigorifique la totalité de l'énergie absorbée par ce dernier.Aussi le groupe frigorifique sera t il équipé d'un deuxième condenseur, une batterie de condensation à air par exemple, pour extraire le reste de l'énergie du groupe frigorifique. 2.2. DESCRIPTION DU DISPOSITIF ( Schéma annexe 2 ) Le mélange gazeux sort de la colonne de désodorisation A , passe par le conder.seur à acides gras B d'où il ressort par une canalisation 1 en direction d'un éjecteur à vapeur 2 , dont le fluide moteur est une vapeur à basse pression, dont la température de condensation est de l'ordre de 40 à 600 C . Cette vapeur est émise par le condenseur 20 d'un groupe frigorifique dont il sera parlé ci aprés.On a calculé que si les caractéristIques du fluide absorbé ( issu de la colonne de désodorisation ) sont les suivantes pression 4,5 Torr température 400 C débit d'air 4 kg / heure débit de vapeur 120 Xg / heure et que les caractéristiques du fluide moteur sont les suivantes pression 72 Torr température .450 C débit de vapeur 202 kg / heure les caractéristiques du fluide résultant seront les suivantes pression 8,6 Torr température 40 à 450 C débit 322 ka / heure On sait d'autre part que sous une pression de 8,6 T la température de condensation de la vapeur d'eau est de 90 C Le fluide résultant sort de l'éjecteur 2 par la canalisation 3 en direction d'une colonne barométrique 4 , alimentée en eau froide à une température de 4 C et agissant de ce fait comme un condenseur à mélange.Le débit d'eau froide est suffisant pour qu'à son contact la plus grande partie de la vapeur se condense et que l'énergie résul tant de cette condensation, n'entraine pas une augmentation de la température de 11 eau froide de plus de 30 C. Le mélange d'eau froide, de condensats de vapeur et de corps gras, qui. à une tenpérature de 6 à 7 C sont solidifiés, tombe dans une cuve de décantation 5 Les 4 kg d'air restant ainsi qu'un peu de vapeur correspondant à une hygrométrie de 100 % de l'air, sous une pression de 8,6 T et à une température de 70 C, sont repris par la canalisation 6 . On a calculé que pour 4 kg d'air il y avait 2 kg de vapeur. Ce mélange est envoyé dans un second éjecteur à vapeur 7 , dont le fluide moteur est de la vapeur basse pression elle aussi issue du condenseur 20 du groupe frigorifique.On a calculé que si les caractéristiques du fluide as piré sont les suivantes pression 8,6 T température 70 C débit d'air 4 kg/heure débit de vapeur 2 kg / heure et que si les cartéristiques du fluide moteur sont les suivantes pression 72 T température 450 C débit de vapeur 21 kg / heure les caractéristiques du fluide résultant seront les suivantes pression 20 T température 35 à 400 C débit 27 kg / heure On sait que sous une pression de 20 T la vapeur d'eau se condense à la températurre de 220 C. Le fluide résultant passe alors par un condenseur à mélange 8 alimenté en eau froide issue du groupe frigori que. Le condenseur 8 est relié à la cuve de décantation 5 par une canalisation 9 et agit de ce fait comme une colonne barométrique.Le débit d'eau froide est suffisant pour condenser la totalité de la vapeur à l'exception de celle correspondant à une hygrométrie de 100 % de l'air du mélange sous une pression de 20 T et à une température de 159 C . L'air et la vapeur restante sortent du condenseur à mé lange 8 par la canalisation 10 en direction d'un compresseur, par exemple à anneau liquide 11 , gui en porte la pression à 760 T et rejete le mélange dans l'atmosphère. On note que la totalité des corps gras a été récupérée au niveau de la colonne barométrique 4 et qu'en conséquence il ne peut y avoir aucune pollution atmosphérique à la sortie du compreseur 11 . La cuve de décantation 5 est équipée de chicanes destinées à pièger les corps gras par flotaison à la surface de l'eau froide.Celle ci est reprise par une canalisation 12 et envoyée grace à l'action d'une pompe 13 dans l'évaporateur 18 du groupe frigorifique. On note que la canalisation 12 peut éventuellement être équipée d'un filtre autonettoyant. Au sortir de l'évapo rateur 18, l'eau froide à température de 3 à 40 C est envoyée par la canalisation 14 au sommet de la colonne barométrique 4 . On note sur sur la canalisation 14 la présence d'une vanne 15, qui permet de dériver une partie de l'eau froide par la canalisation 16 vers le condenseur à mélange 8 .Le groupe frigo rifique est composé d'un circuit fermé de fluide frigorigène sur le quel on trouve, comme dans tous les groupes frigorifiques, le déten deur 17 , l'évaporateur 18 , le compresseur 19 et le système de con densation qui comporte une particularité afférente à la présente Demande de Brevet en ce qu'il est composé de deux condenseurs 20 et 21 dont le condenseur à eau 20 . Celui ci est alimenté en eau neuve et génère à partir de cette dernière la vapeur basse pression qui sert de fluide moteur aux éjecteurs 2 et 7 . Le condenseur 20 agit donc comme un revaporiseur et est relié aux éjecteurs 2 et 7 par les canalisations 22 et 23.On note que l'évaporateur 18 peut être soit un é vaporateur nettoyable, soit un évaporateur non nettoyable sur lequel est monté une boucle fermée comprenant un échangeur,soit un évapora teur double permettant la création d'une boucle d'eau froide propre a alimentant le condenseur à mélange 8 et le compresseur à anneau li quide 11 3. ECONOMIES D' ENERGIE Une colonne de désodorisation normale, traitant 4 tonnes d'huile par heure, consomme 1 060 kg / heure de vapeur et ses organes annexes représentent une puissance électrique de4 0 kwa .Dans ces condi tions la dépense annuelle ( pour 5 640 heures de travail / An et dans les conditions économiques françaises de Octobre 1984 ) peut être calculée ainsi : la vapeur est produit sous une pression de 10 bars à partir d'eau à 200 C , soit une dépense d'énergie de 663 - 20 = 643 KCal / kg de vapeur soit 643 . 1 060 = 681 580 KCal / heure. Le rendement du système chaudière - canalisations étant en moyenne de 85 % , la consommation réelle d'énergie a été de ( 681 580 . 100) / 85 = 801 858 KCal / heure Le PCI du fuel lourd No 2 étant de 9 750 KCal/kg , la consommation de fuel lourd No 2 est de 82,24 kg/heure soit en valeur à 1,95 Fr HT/kg (France Octobre 84) 160,37 Fr/heure La dépense d'électricité est de 40 . 0,40 Fr/kwh 16,80 Fr/heure soit une dépense totale de 176,37 Fr/heure. Le dispositif selon la présente Demande de Brevet implique la puis sance électrique suivante groupe frigorifique 75 kva pompe 7 kva compresseur à anneau liquide 6 kva soit au total 88 kva représentant une dépense de 88 . 0,40 35,80 Fr/heure à cette somme il faut ajouter une dépense de vapeur de 120 kg/heure, soit 18, 16 Fr/heure soit au total 53,36 Fr/heure. Les économies sont donc de 176,37 - 53,36 123,01 Fr/heure soit en pourcentage une économie de 69,74 % et pour 5 640 heures 693 700,00 Fr/An REVENDICATIONS 1. Dispositif selon la présente Demande de Brevet d'invention, carac térisé en ce qu'il élimIne les pollutions gazeuses et génère des economies d'énergie sur les colonnes de désodorisation d'huiles alimentaires et de corps gras par l'utilisation d'un groupe frigorifique et de deux éjec teurs à vapeur 2 et 7 , dont le fluide moteur est produit par le conden seur 20 du groupe frigorifique. 2. Dispositif selon la renvendication 1 , caractrisé en ce que le mélange gazeux sortant du condenseur à acide gras B est envoyé dans l'éjecteur à vapeur 2 et en ce que le mélange gazeux sortant de celui ci est à une pression telle que la température de condensation de la vapeur d'eau, qui le compose pour sa plus grande partie, soit largement- supè rieure à Go C ( de l'ordre de 8 à 10 O C au minimum ). 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 , caractérisé en ce que le mélange gazeux sortant de l'éjecteur 2 est envoyé dans une colonne barométrique 4 , alimentée en eau-froide à une température d'environ 3 à 40 C , issue de l'évaporateur 18 du groupe frigorifique. La colonne barométrique fonctionne de ce fait comme un condenseur à mélange dans lequel la plus grande partie de la vapeur d'eau se condense. Le mélange liquide tombe dans une cuve de décantation 5, équipée de chicanes, où les coprs gras sont séparés de l'eau par flotaison et d'où l'eau ressort par une canalisation 12 équipée d'une pompe 13 vers l'évaporateur 18 du groupe frigorifique d'où elle rejoint la colonne b arométrique par une canalisation 14 4.Dispositif selon les revendications 1 , 2 et-3 cidessus, carac térisé en ce que le mélange gazeux de la colonne barométrique est envoyé dans un éjecteur à vapeur 7 afin que sa pression soit portée à une pres sion au moins égale à 20 T , qui est la pression la plus faible à laquelle il puisse être aspiré par un compresseur mécanique devant refouler à la pression atmosphérique ( 760 T ). Le mélange sortant de l'éjecteur 7 est repris dans un condenseur à mélange 8 , alimenté en eau froide issue de l'évaporateur 18 du groupe frigorifique, grace à une vanne 15 montée sur la canalisation 14 , la dite vanne est en relation avec le condenseur 8 par une canalisation 16 . Le condenseur 8 est en relation avec la cuve de décantation 5- par une canalisation 9 5.Dispositif selon les revendications 1 , 2 , 3 et 4 , caractérisé en ce que le mélange gazeux sortant du condenseur à mélange 8 est aspiré par un compresseur mécanique 11 , un compresseur à anneau liquide par exemple, qui fonctionne en pompe à vide. 6. Dispositif selon les revendications 1 , 2 , 3 , 4 et 5 caracté risé en ce que le goupe frigorifique, dont l'évaporatun 18 fournit l'eau froide mentionnée ci dessus, est équipé de deux condenseurs 20 et 21 L'un, le condenseur 20,fonctionne en revaporisateur et est alimenté en eau neuve, qui grace à l'énergie fournie par le condenseur 20 , la transforme en vapeur. Cette vapeur quitte le condenseur 20 par les canalisations 22 et 23 par lesquelles elle est envoyée respectivement vers les éjecteurs 2 et 7 dans lesquels elle sert de fluide moteur.Le condenseur 21, batterie de condensation par exemple, extrait du groupe frigorifique le reste de l'énergie non récupérée par le condenseur 20, énergie qui a été fournie au groupe frigorifique par l'évaporateur 1q et le compresseur.