Brevet FR2580518A1 — publié le 19861024

PROCEDE DE RECUPERATION DE CHALEUR DANS UNE INSTALLATION D'ECHANGE ISOTOPIQUE ENTRE UN LIQUIDE ET UN GAZ ET INSTALLATION METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de récupération de chaleur dans une installation d'échange isotopique entre un liquide et un gaz et une installation mettant en oeuvre ce procédé. Elle s'applique notamment à une installation d'extraction du tritium de l'eau lourde D2O ou de l'eau légère H20 utilisées comme modéra- teur d'un réacteur nucléaire ou comme effluent d'usine de retraitement, par un gaz tel que le deutérium ou l'hydrogène suivant le cas. Elle peut aussi s'appliquer à l'extraction ou la séparation d'un isotope de l'hydrogène. Le tritium est radioactif et doit donc être extrait de l'eau légère ou de l'eau lourde dans lesquelles il est produit par une réaction nucléaire entre des neutrons et des atomes de deutérium, le deutérium étant lui-même un isotope de l'atome d'hydrogène. On peut extraire le tritium de l'eau à traiter suivant un procédé tel que celui décrit dans le brevet n i 526 867 déposé le 9 AoZt 1966 au nom du C.E.A. Selon ce procédé connu (voir figure la), on dérive en continu une fraction de l'eau contenue dans un réacteur nucléaire ou analogue 1. On soumet cette fraction dérivée 3 à une réaction d'échange isotopique avec un gaz 5 tel que le deutérium ou l'hydrogène pour abaisser la teneur de l'eau en tritium. Cet échange s'effectue dans un réacteur d'échange isotopique 7, l'ensemble d'une installation d'échange isotopique comprenant un ou plusieurs réacteurs disposés en série, comme le montre la figure la qui représente trois étages a, b, c. Pour que la réaction d'échange isotopique ait lieu, l'eau doit être vaporisée avant l'entrée du réacteur 7 par un vaporisateur 11. Un refroidisseur 13 à la sortie du réacteur 7 sépare les deux phases en condensant la vapeur et en refroidissant le gaz. Le gaz est à co-courant de l'eau à traiter dans chaque réacteur 7, mais globalement à contrecourant dans l'ensemble de l'installation. Le gaz enrichi en tritium est ensuite recyclé dans une installation de distillation 9, avant d'être renvoyé vers les réacteurs d'échange isotopique 7. La figure lb représente le diagramme de Mac Cabe et Thiele correspondant à l'installation de la figure la avec la teneur en tritium du gaz en ordonnées et du liquide en abscisses. L'eau présentant initialement une teneur xO en tritium, réagit dans un premier réacteur avec le gaz présentant une teneur Y2, pour donner les phases équilibrées après échange de teneurs x1 et Y1 respectivement. L'eau présentant une teneur x1 en tritium à la sortie du premier réacteur 7 est mise en contact dans le deuxième réacteur 7 avec le gaz présentant une teneur y3, pour donner des phases équilibrées, avec des teneurs x2 et Y2, respectivement. La répétition de ces opérations dans le ou les autres réacteurs 7 permet d'abaisser la teneur du tritium de l'eau jusqu'à la valeur souhaitée. Dans ce type d'installation d'échange iso- topique, le nombre d'étages, trois par exemple, et les débits, sont généralement tels que les problèmes d'économie de chaleur ne se posent pas. En revanche, lorsque le nombre d'étages est plus important, et les débits plus élevés, le coût énergétique de l'installa- tion est élevé et les problèmes de récupération de chaleur se posent. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient et notamment de réaliser un dispositif permettant de récupérer de la chaleur à chaque étage d'une installation d'échange isotopique. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de récupération de chaleur dans une installation d'échange isotopique entre un liquide et un gaz mis en présence dans au moins un étage d'échange isotopique, le liquide étant vaporisé à l'entrée et condensé pour former un condensat lors du refroidissement des phases vapeur et gazeuse à la sortie de chaque étage. Ce procédé permet de récupérer la chaleur extraite des phases vapeur et gazeuse lors du refroidissement à la sortie de chaque étage d'échange isotopique et d'utiliser la chaleur ainsi récupérée pour contribuer à la vapori- sation du liquide à l'entrée d'un étage d'échange iso- topique. De façon avantageuse, on préchauffe le gaz à l'entrée d'un étage d'échange isotopique à partir de la chaleur récupérée à la sortie d'un étage. Selon un mode de réalisation, on utilise la chaleur récupérée à la sortie d'un étage pour contribuer à la vaporisation du liquide et au chauffage du gaz à l'entrée du même étage. Selon un autre mode de réalisation, on récupère la chaleur à la sortie de chaque étage par échange thermique indirect entre les phases vapeur et gazeuse d'une part et le liquide et le gaz froid d'autre part. - Selon une variante de réalisation du procédé, on récupère la chaleur à la sortie de chaque étage pour contribuer à la vaporisation du liquide et au chauffage du gaz à l'entrée d'un autre étage. Selon un mode préféré de réalisation, on récupère la chaleur et le condensat à la sortie de chaque étage par échange direct entre les phases vapeur et gazeuse d'une part et un liquide auxiliaire d'autre part, afin que ce dernier transfère par échange direct de la chaleur et du condensat à l'entrée d'un étage inférieur' qui doit être alimenté par un liquide de même teneur isotopique que celle du condensat qu'on transfère. Selon un autre mode de réalisation, on récupère la chaleur à la sortie de chaque étage par échange thermique indirect entre les phases vapeur et gazeuse d'une part et un liquide auxiliaire transférant la chaleur à l'entrée d'un étage supérieur par échange thermique direct d'autre part. L'invention a également pour objet un dispo- sitif de récupération de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé comprenant: - au moins un réacteur d'échange isotopique, - des moyens pour vaporiser le liquide et chauffer le gaz à l'entrée du réacteur, - des moyens pour refroidir les phases vapeur et gazeuse à la sortie du réacteur d'échange isotopique, une partie des moyens pour vaporiser et chauffer d'une part et pour refroidir d'autre part étant constituée par des échangeurs de chaleur et des moyens de transfert de chaleur de la sortie d'un réacteur d'échange isotopique vers l'entrée d'un réacteur d'échange isotopique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées 2 à 4 qui font suite aux figures la et lb, dans lesquelles: - les figures la et lb décrites précédemment représentent respectivement une installation d'échange isotopique connuede l'art antérieur et le diagramme de Mac Cabe et Thiele correspondant avec la teneur en tritium du gaz en ordonnée et du liquide en abscisse. - la figure 2 représente une installation d'échange isotopique à un seul étage équipée de moyens de récupération de chaleur par échange de chaleur indirect; - la figure 3 représente une installation d'échange isotopique sur plusieurs étages équipés de moyens de récupération de chaleur par échange de chaleur direct. - le diagramme de la figure 4 représente les variations de la chaleur totale associée à 1 kg de gaz en Kcal en fonction de la température en C, à pression atmosphérique, lors d'une récupération de chaleur par échange direct selon un procédé conforme à l'invention. Les différentes courbes a, b et c représentent respectivement la récupération de chaleur effectuée à la sortie d'un étage d'échange isotopique, l'évolution du mélange liquide-gaz au cours de cet échange et enfin la restitution de chaleur à l'entrée d'un étage d'échange isotopique. - la figure 5 représente une installation d'é- change isotopique sur plusieurs étages équipés de moyens de récupération de chaleur par échange de chaleur mixte. La figure 2 représente une installation d'échange isotopique à un seul étage comprenant de façon connue un réacteur 7 dans lequel l'eau à traiter, vaporisée par un système de chauffage 11 est mise en contact du gaz chauffé par un système de chauffage 19. Ces deux systèmes de chauffage 11 et 19 peuvent être constitués par tout moyen connu. Conformément à l'invention, ces systèmes 11 et 19 servent seulement à réaliser un appoint de chaleur nécessaire à la vaporisation de l'eau et au chauffage du gaz, un préchauffage de ces deux fluides étant effectué par deux échangeurs récupé- rateurs de chaleur indirects 15, 17. Ces deux échangeurs 15, 17 sont placés à la sortie du réacteur d'échange isotopique 7, à partir duquel les deux phases en présence se scindent en deux. Une partie du gaz et du liquide vaporisé traverse l'échangeur de chaleur 15, pour transférer la chaleur à l'eau, afin de préchauffer celle-ci avant qu'elle ne soit vaporisée en 11. L'autre partie du gaz et du liquide vaporisé traverse un deuxième échangeur 17 en contact avec le gaz, afin de préchauffer celui-ci avant qu'il ne traverse le système de chauffage 19. Les deux phases sortant du réacteur sont refroidies d'un côté par le gaz froid passant dans l'échangeur 17 et de l'autre par le liquide froid passant dans l'échangeur 15. L'eau condensée x. et le gaz refroidi Yi sortant de l'étage, en équilibre isotopique peuvent ainsi être séparés sans apport d'énergie extérieure. De plus, l'eau froide passant dans l'échangeur 15 et le gaz passant dans l'échangeur 17 sont préchauffés au contact des deux phases sortant du réacteur d'échange isotopique 7, de sorte que l'apport de chaleur nécessaire pour vaporiser cette eau et chauffer le gaz dans les systèmes 11 et 19 à l'entrée du réacteur est réduit. La figure 3 représente une installation d'échange isotopique à plusieurs étages a, b...n com- prenant de façon connue des réacteurs 7a, 7b... 7n dans lesquels l'eau vaporisée par des systèmes de chauffage 29a, 29b... 29n est mise en contact du gaz chauffé par ce même système. Ces systèmes de chauffage peuvent être constitués par tout moyen connu et servent seulement à réaliser un apport de chaleur nécessaire à la vaporisa- tion de l'eau et au chauffage du gaz. Conformément à l'invention, un préchauffage de ces deux fluides est effectué par l'intermédiaire d'échangeurs récupérateurs de chaleur 21a, 21b... 21n et 23b...23n à contact direct et par des boucles de transfert 25, 26.... Ces échangeurs récupérateurs de chaleur 21a, 21b... 21n et 23b... 23n sont constitués par des colonnes d'échange thermique. Les colonnes de récupération de chaleur et de condensation 21a, 21b... 21n sont placées à la sortie des réacteurs et assurent la condensation du liquide vaporisé et le refroidissement du gaz. Les colonnes de réchauffage et saturation 23b... 23n sont placées à l'entrée des réacteurs 7a, 7b... 7n et assurent la vaporisation du liquide et le chauffage du gaz. Le transfert de chaleur entre les colonnes d'échange 21a, 21b... 21n et 23b... 23n est assuré par des boucles , 26.... dans lesquelles circule un liquide venant du liquide à traiter. Le liquide des boucles 25, 26... se mélange à la phase vapeur qui se condense dans les colonnes 21a, 21b... 21n. L'ensemble du liquide est alors véhiculé à travers les boucles 25, 26... transférant la chaleur récupérée à la sortie d'un étage, à l'entrée d'un étage inférieur, ainsi que le liquide à traiter à la teneur isotopique correspondante. La chaleur véhiculée par les boucles 25, 26... est cédée dans les colonnes de réchauffage et de satu- ration 23b... 23n, dans lesquelles le gaz entrant dans les étages est réchauffé et une partie du liquide venant des boucles est vaporisée. La vaporisation du liquide pénétrant dans l'étage supérieur de l'installation est réalisée au moyen d'un système de chauffage classique 11. De môme, une boucle 30 associée à l'étage inférieur seulement assure le transfert de chaleur entre la colonne 21n associée à cet étage et un système de refroi- dissement classique 27n. Comme la récupération n'est pas totale, il faut sur chaque boucle des appoints de chaleur (systèmes de chauffage 29a, 29b... 29n) et dd refroidissement (systèmes 27a, 27b... 27n). Les systèmes de chauffage 29a, 29b... 29n sont constitués par des éléments chauffants tels que des faisceaux tubulaires de vapeur ou des éléments électriques, placés par exemple dans la partie supérieure des colonnes de réchauffage et satura- tion 23b... 23n. Les systèmes de refroidissement 27a, 27b... 27n sont constitués notamment par des échangeurs refroidisseurs contenant un liquide, provenant d'une source de refroidissement auxiliaire. Ces systèmes sont places par exemple dans la partie supérieure des colonnes de récupération et de condensation 21a, 21b... 21n. Les différentes colonnes 21a, 21b... 21n et 23b... 23n peuvent être superposées, soit deux par deux, soit en plus grand nombre, si le projet montre une plus grande économie dans cette réalisation. Dans toutes les colonnes de condensation 21a, 21b... 21n, les conditions thermiques (température, quantité de chaleur transférée) sont identiques. Il en est de môme pour les colonnes de réchauffage et de saturation 23b... 23 n. Des pompes 33a, 33b... 33n assurent à chaque étage la circulation du liquide à traiter et du liquide circulant dans les boucles 25, 26, 30. Des vannes de régulation 31a, 31b... 31n et 32a, 32b... 32n, placées dans le circuit primaire de chaque échangeur thermique 27a, 27b... 27n et 29a, 29b... 29n assurent la régu- lation des appoints de refroidissement et de chaleur. Le diagramme de la figure 4 représente les variations de la chaleur totale associée à lkg d'H2 en Kcal, correspondant à la chaleur nécessaire pour porter 1 kg de gaz à la température considérée et pour saturer le gaz à cette température en chauffant le liquide, en fonction de la température en C, lors d'une récupéra- tion de chaleur par échange de chaleur direct selon un procédé conforme à l'invention. La courbe a représente les récupérations de chaleur effectuées à la sortie d'un étage d'échange isotopique. La courbe b représente l'évolution du mélange liquide et gaz au cours de cet échange et enfin la courbe c représente la restitution de chaleur effectuée à l'entrée d'un étage d'échange isotopique. Selon ce diagramme, à l'entrée de chaque réacteur, le gaz et l'eau préalablement vaporisée sont chauffés jusqu'à la température de 220 C (point N) corres- pondant à la température d'échange isotopique de H2 avec de l'eau légère chargée en tritium. Au-delà du point A représenté sur le diagramme, c'està-dire AMM'N, le gaz et la vapeur se comportent comme une phase gazeuse classique avec une chaleur spécifique moyenne sensi- blement constante. Le gaz et la vapeur d'eau sont ensuite refroidis à la sortie du réacteur d'échange isotopique, au contact d'un contre-courant de liquide et évoluent suivant les points N, M', M, A, B du diagramme en cédant de la chaleur au liquide caloporteur circulant dans la boucle de transfert correspondante. Ce liquide passe ainsi de D en L, c'est-à-dire de la température tD = 40 à celle de tL = 71,5 . Le liquide absorbe d'abord la quantité de chaleur Aq, de D en C cédé par le gaz et la vapeur qui se condense, puis Aq2 de C en L cédé par les phases gazeuses qui passent de la tem- pérature de 220 à 65 C. La pente DC est déterminée par le débit du liquide qui doit toujours être à une température inférieure à celle de la phase gazeuse. De plus, par translation des points de D vers K correspondant à la température de 40 et de C vers J correspondant à la température de 62,5 , on doit obtenir une ligne de fonctionnement de la boucle de transfert de chaleur qui permette au liquide de céder la quantité de chaleur Aql au gaz en le réchauffant et le saturant de G en J' correspondant aux températures de 30 et 57 C. Le segment DC détermine le débit 1 de boucle: 1 = Aql B BÀ tc-tD par kg d'H2. La quantité de chaleur Aq2 est restituée dans la colonne de saturation et de réchauf- fage suivant les points FJ. Les récupérations et restitutions de chaleur totales sont donc: AQ = ql + Lq2 Les pertes q3 correspondent aux appoints de chaleur et de refroidissement, avec les quantités de chaleur + Aq3 apporté par le vaporisateur et -Aq3 apporté par le réfrigérant nécessaire pour amener le gaz et l'eau à traiter de la température ambiante à la température de 40 suivant l'exemple décrit. Dans l'exemple décrit ci-dessus, l'ordre de grandeur de la récupération de chaleur, donnée par la relation AQ est d'environ 77 %. AQ+Aq3 La figure 5 représente une installation d'échange isotopique sur plusieurs étages a,b...n équipés de moyens de récupération de chaleur par échange de chaleur mixte, c'est-à-dire par échange de chaleur direct et indirect. Les échangeurs de chaleur indirect a, 35b... 35n sont placés à la sortie des réacteurs d'échange isotopique 7a, 7b... 7n et les colonnes d'échange de chaleur direct 23a, 23b... sont placées à l'entrée de ces réacteurs. Des boucles 37, 39 assurent le transfert de chaleur de la sortie d'un étage d'échange isotopique à l'entrée d'un étage supérieur. Le liquide à traiter arrive dans les colonnes d'échange direct 23a, 23b... après mélange avec le li- quide des boucles 37, 39...chauffé préalablement dans les échangeurs de chaleur indirect 35a, 35b... 35n. Dans ces colonnes 23a, 23b... une partie du liquide est vapo- risée et le gaz préchauffé. Le reste du liquide est véhiculé dans les boucles 37, 39... vers les échangeurs indirects 35a, 35b... 35n de la sortie des étages infé- rieurs. Dans ces échangeurs indirects, le liquide des boucles refroidit le mélange vapeur-gaz sortant des réacteurs d'échange isotopique 7a, 7b... , 7n et récupère ainsi de la chaleur qu'il transférera à nouveau à l'entrée des étages supérieurs 23a, 23b... Des pompes 33a, 33b... 33n assurent la circu- lation du liquide. Comme dans les procédés de récupération de chaleur précédemment décrits, des appoints de chaleur 29a, 29b... sont nécessaires pour vaporiser le liquide et chauffer le gaz à la température d'échange isotopique avant l'entrée de ces phases dans les réacteurs d'échange isotopique 7a, 7b.. 7n et des appoints de refroidissement 27a, 27b... 27n sont nécessaires pour condenser le liquide à la sortie des étages d'échange isotopiques. L'allure générale d'un diagramme représentant les variations de la chaleur totale en fonction de la température, correspondant à ce procédé de récupération de chaleur par échange de chaleur mixte est équivalent à celui représenté en figure 4 aux valeurs des tempé- ratures et des quantités de chaleur totale près. La récupération de chaleur dans une installation d'échange isotopique peut se faire par échange thermique indirect, direct ou mixte. Le procédé de récupération de chaleur par échange de chaleur direct est le plus avantageux du point de vue quantité de chaleur récupérée. Les procédés de récupération de chaleur conformes à l'invention permettent une économie de chaleur d'autant plus grande que l'installation d'échange isotopique est vaste, c'est-à-dire comportant un fort débit et un nombre d'étages important. REVENDICATIONS 1. Procédé de récupération de chaleur dans une installation d'échange isotopique entre un liquide (3) et un gaz (5) mis en présence dans au moins un étage d'échange isotopique (a, b...n), le liquide étant vapo- risé (29a, 29b...29n) à l'entrée et condensé (27a, 27b... 27n) pour former un condensat lors du refroidissement des phases vapeur et gazeuse à la sortie de chaque étage, procédé caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur extraite des phases vapeur et gazeuse lors du refroidissement à la sortie (21a, 21b.... 21n) (35a, b... 35n) de chaque étage d'échange isotopique (a,b... n) et en ce qu'on utilise la chaleur ainsi récupérée pour contribuer à la vaporisation du liquide a l'entrée (23a, 23b... 23n) d'un étage d'échange isotopique (a, b...n). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on préchauffe le gaz à l'entrée d'un étage d'échange isotopique à partir de la chaleur récupérée à la sortie (21a, 21b... 21n) (35a, 35b... n) d'un étage. 3. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise la chaleur récupérée à la sortie d'un étage pour contribuer à la vaporisation du liquide et au chauffage du gaz à l'entrée du même étage. 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur à la sortie (15, 17) de chaque étage par échange thermique indirect entre les phases vapeur et gazeuse d'une part et le liquide et le gaz froid d'autre part. 5. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur à la sortie de chaque étage pour contribuer à la vaporisation du liquide et au chauffage du gaz à l'entrée d'un autre étage. 6. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2 et 5, caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur et le condensat à la sortie (21a, 21b... 21n) de chaque étage par échange direct entre les phases vapeur et gazeuse d'une part et un liquide auxiliaire (25, 26) d'autre part, afin que ce dernier transfère par échange direct de la chaleur et du condensat à l'entrée (23b... 23n) d'un étage inférieur qui doit être alimenté par un liquide de même teneur isotopique que celle du condensat qu'on transfère. 7. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2 et 5 caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur à la sortie (35a, 35b... 35n) de chaque étage par échange thermique indirect entre les phases vapeur et gazeuse d'une part et un liquide auxiliaire (37, 39) transférant la chaleur à l'entrée (23a, 23b...) d'un étage supérieur par échange thermique direct d'autre part. 8. Dispositif de récupération de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé comprenant: - au moins un réacteur d'échange isotopique (7), - des moyens (11, 19) (29,23) pour vaporiser le liquide et chauffer le gaz à l'entrée du réacteur (7), - des moyens (15, 17) (27, 21,35) pour refroidir les phases vapeur et gazeuse à la sortie du réacteur (7), caractérisé en ce qu'une partie des moyens pour vapo- riser et chauffer d'une part et pour refroidir d'autre part, est constituée par des échangeurs de chaleur (17, ) (21, 23) (35, 23) et des moyens de transfert (25, 26) (37, 39) de chaleur de la sortie du réacteur (7) vers l'entrée du réacteur (7).