Brevet FR2607402A1 — publié le 19880603

La présente invention est relative à un nouveau procédé pour diminuer ou éliminer complètement la teneur en eau de matières liquides sensibles à la chaleur telles que des masses fondues ou des solutions contenant au maximum 10% en poids d'eau, par évaporation de celles-ci à une température d'au plus 30 C supérieure à celle du point de fusion de la masse fondue ou de la température à laquelle les cristaux précipitent dans la solution. Dans des procédés connus utilisés à ce propos, la teneur en eau résiduelle des masses fondues et des solutions était éliminée par évaporation sous vide ou par évaporation en film (A.G.Kasatkin: Basic Operations, Machines and Equipments of the Chemical Industry (Hongrie), 3èpe Edition, Mûszaki Kiad6, Budapest,1976, Chapitre IX). L'utilisation de lUévaporation sous vide est!imitée par le fait que la quantite de chaleur requise pour évaporer la teneur en eau doit être transférée au systéme liquide à une température assez élevée pour provoquer une decorpositior nuisible, eventuellement irréversible de la matière à évaporer ou meme évertuellement conduire a une explosion, De plus cette méthode requiert énormément d'énergie puisque, en plus ae to quantité de chaleur necessaire à l'évaporation de la teneur en eau, il faut aussi de l'énergie (courant électrique, uapeur, eau de refroidissement) pour établir le vide. Dans le cas de l'évaporation en film, on exploite mieux la chaleur transférée ô la matière liquide en ce que, dans l'évaporateur à film, la masse fondue ou la solution chaude est mise en contact sur une grande surface (sur la surface totale des tuyaux de l'évaporateur) avec le milieu qui prélève la teneur en eau, c'est-à-dire avec une quantité relativement importante d'air préchauffé. On utilise dans cette méthode le principe du contact direct à contre-courant pour éliminer la teneur en eau, mais en plus de la chaleur d'évaporation de la teneur en eau à éliminer, il faut de l'énergie supplémentaire pour déplacer et préchauffer une grande quantité d'air. L'objet de la présente invention est de mettre au point un procédé réalisant la diminution ou l'élimination complète de la teneur en eau de matières liquides sensibles à la chaleur à une faible température et avec des faibles besoins en énergie, en supprimant les inconvénients des procédés connus. L'invention repose sur la constatation selon laquelle l'objet ci-dessus peut être complètement atteint par I'introduction de la matière liquide dans une colonne d'extraction à plateaux et l'envoi d'un gaz à contrecourant à travers la colonne avec une vitesse comprise entre 25 cm/sec et 110 cm/sec, telle qu'elle est calculée pour la section droite totale. Dans ce cas, la vitesse réelle à travers l'ouverture des plateaux sera de 6 à 25 m/sec, résultant du fait que la section droite libre est bien inférieure. En fait, la Demanderesse a établi au 'cours de ses expériences, qu'en utilisant la vitesse donnée d'écoulement gazeux, les plateaux de la colonne d'extraction fonctionnent comme une colonne de mousse et donc, étant donné que la surface de contact entre le liquide et le gaz est maximum dans une colonne de mousse, on peut obtenir l'effet d'évaporation désiré en utilisant une quantité de gaz d'extraction extraordinairement faible, cette dernière étant d'au moins d'un ordre de grandeur inférieure à celle qui est aise en oeuvre dans des évaporateurs à film, si bien que le besoin en énergie devient bien inférieur. La présente invention est relative à un nouveau procédé pour diminuer ou éliminer complètement la teneur en eau de matières liquides sensibles à la chaleur, comme des masses fondues ou des solutions contenant au maximum 10X en poids d'eau, par évaporation de celles-ci à une température d'au plus 30 C supérieure au point de fusion de la masse fondue ou à la température à laquelle les cristaux précipitent de la solution. Le procédé de l'invention comprend la réalisation de l'évaporation dans une colonne d'extraction à plateaux, à travers laquelle un gaz est envoyé à contre-courant à une vitesse comprise entre 25 cm/sec et 110 cm/sec. Le gaz utilisé est convenablement de l'air. La colonne utilisée dans le procédé de l'invention est i5 connue en tant qu'équipement de l'industrie chimique depuis longtemps ( voir par exemple R.G. Kasatkin, cité plus haut, p. 477) et elle est utilisée comme odsorbant dans plusieurs secteurs de l'industrie chimique. Elle est fréquemment employée comme désorbant ou colonne de distillation; cependant, son utilisation en tant qu'évaporateur est complètement nouvelle, L'avantage fournie par l'utilisation d'une colonne d'extraction comme une colonne de mousse, résulte notablement de la grande surface de contact existant entre les deux phases, puisque les conditions d'équilibre appartenant aux pression, température et concentration données peuvent être atteintes avec un rendement beaucoup plus élevé qu'avec une surface de contact plus petite, en supposant les mêmes temps de séjour. Il peut être clairement compris qu'il y a une surface de contact beaucoup plus grande dans la couche de mousse remplie de fines bulles qu'on ne peut en avoir sur la surface des tuyaux des évaporateurs à film employés jusqu'à maintenant ou dans le séparateur d' évaporateurs à vide. On a besoin de 10 000 Nm3 /h d'air avec un évaporateur à film ayant une surface de 150 m2. Pour faire fonctionner une colonne avec le menme rendement, une quantité de 500 Nm3 /h d'air est satisfaisante,c'est-àdire que dans le procédé de l'invention, le besoin en air est le dixième de celui qui est requis dans un évaporateur à film. Le travail de transfert et l'énergie requise pour le chauffage de la quantité d'air sont donc notablement réduits. Les avantages de la présente invention peuvent être résumés de la façon suivante: a) L'élimination de la teneur en eau peut être réalisée dans un appareil de plus petites dimensions, c'est-à-dire en utilisant moins de matériaux de construction dans des ateliers de moindre volume. b) Le besoin en gaz peut être réduit d'au moins un ordre de grandeur par rapport à l'évaporation en film. c) L'énergie requise pour obtenir le même rendement d'évaporation et pour préchauffer le gaz est plus faible. d) L'évaporation peut être réalisée avec une plus grande sécurité. e) La diminution de la quantité de gaz utilisée réduit celle des gaz contaminés résultants de l'évaporation. Les frais de purification sont donc moins élevés que dans le cas de l'évaporation en film, f) La quantité de matières entrant dans l'environnement et le contaminant pendant l'évaporation est réduite. Le procédé de I'inuention est illustré en détail par les exemples non-limitatifs suivants Exemple I La teneur en eau d'une masse de nitrate d'ammonium fondue contenant 98,5% en poids de nitrate d'ammonium, doit être réduite d'environ I1 en poids, dans une colonne d'évaporation d'extraction de 1,2m de long et de 0,5m de diamètre, construite en acier 304 L. Deux plateaux perforés de barbottage et un plateau de chauffage sont construits dans la colonne. La hauteur du déversoir estdelocm. un serpentin tubulaire préparé à partir d'un tuyau de 1 cm de diamètre est placé en six séries sur le plateau de chauffage, avec une surface de chauffage totale de 2,8 m2 On introduit dans la colonne, 10 000 kg/h d'une masse fondue contenant 150 kg (1,5% en poids) d'eau à une température de 170 C et ayant un point de solidification de 151 C. 500 Nme d'air à une température de 170 C et avec une pression de 2,5 kPa sont injectés dans la colonne pour fournir une vitesse linéaire de 65 cm/sec, telle qu'elle est calculée pour la section droite totale. L'air barbottant à travers le plateau contenant le nitrate d'ammonium fondu forme une mousse, si bien que le teneur en eau de la masse fondue quittant le plateau est réduite à 0,78% en poids de telle façon que la quantité de chaleur requise pour l'évaporation est couverte par la teneur en chaleur sensible de la masse fondue. Il en résulte que la masse fondue se refroidit à C, en supposant que la température de 170 C de l'air introduit ne change pas pendant le fonctionnement, Rfin de concentrer davantage la matière, la masse fondue quittant le plateau inférieur avec une température de 160 C et une teneur en eau de 0,870 en poids est envoyée à travers le plateau de chauffage et réchauffée à 170 C, puis dirigée vers le p ateau inférieur de barbottage, dans lequel de l'air est injecté avec les paramètres ci-dessus. La teneur en nitrate d'ammoniun augmente donc à 99,48% en poids tandis que la température atteint 163 à 165 C. Dans la plupart des cas, par exemple pour la production d'engrais, cette concentration est satisfaisante. Exemple 2 Une solution de nitrate d'ammoniun ayant une concentration de 93% en poids, doit être concentrée à une teneur en eau ne dépassant pas 0,5% en poids. Le diamètre, le matériau de construction de la colonne mise en oeuvre, ainsi que les dimensions et la construction des plateaux sont tels que décrits dans l'exemple 1, mais la longueur totale de la colonne s'élève à 2,5m, le nombre de plateaux de barbottage inclus est de 5 et celui des plateaux de chauffage est de 4. La solution de nitrate d'ammonium est introduite à une température de 160 C dans le plateau perforé supérieur. La teneur en eau est éliminée au moyen de 750 Hm3 /h d'air ayant une température de 170 C, une vitesse d'écoulement linéaire apparente de 100 cm/sec et une pression de 10 kPa. Les principales caractéristiques des courants de matière sur les plateaux sont les suivantes: R l'entrée R la sortie Plateau 1 concentration: 93,0% en poids 95,2% en poids température: 160,0 C 125,0 C Plateau 2 concentration: 95,2% en poids 97,1% en poids température: 170,0 C 140,0 C Plateau 3 concentration: 97,1X en poids 98,41 en poids température: 170, 0 C 150,0 C PLateau 4 concentration: 98,4% en poids 99,1% en poids température: 170,0 C 160,0 C Plateau 5 concentration: 99,1% en poids 99, 51 en poids température: 170,0 C 164,0 C Le produit final de l'évaporation est donc une masse fondue ayant une teneur en eau de 0,5X en poids et à une température de 164'C. Exemple 3 Une masse fondue de nitrate d'ammonium ayant une concentration de 98,7% en poids est évaporée au moyen de 300 Ho3 1h d'air à une température de 170 C et une pression de 1,2 kPa dans l'équipement décrit dans l'exemple 1. La vitesse d'écoulement linéaire apparente de l'air dans la colonne s'élève à 40 cm/sec Les principales caractéristiques des courants de matière sur les plateaux sont les suivantes: A l'entrée R la sortie Plateau 1 concentration: 98,7% en poids 99,25% en poids température: 170, 0 C 162,0 C Plateau 2 concentration: 99,25% en poids 99,46% en poids température: 170,0 C 165,00C Le produit final de l'évaporation est donc une masse fondue ayant une teneur en eau de 0,54% en poids et une température de 165 . Exemple 4 La teneur en eau d'une masse fondue ayant une température de 150 C et contenant 99,0% en poids d'urée doit être réduite à O,1% en poids dans la colonne décrite dans l'exemple 1. R ce propos, on introduit dans la colonne 500 Nm3 /h d'air ayant une température de 150 C et à une pression de 5 kPa, La matière, se refroidissant à 140 C sur le plateau 1, est chauffée sur le plateau chauffant du milieu, puis portée vers le plateau d'évaporation 2. Les principales caractéristiques des courants de matière sur les plateaux sont les suivantes: R l'entrée A la sortie Plateau 1, concentration: 99, 0% en poids 99,7X en poids température: 150,00C 140,0 C Plateau 2, concentration: 99,7% en poids 99,9X en poids température: 145,0 C 142,0 C Le produit final de l'évaporation est donc une urée ayant une teneur en eau de 0,X1% en poids et à une température de 142 C. Exemple 5 La teneur en eau d'une masse fondue contenant 99,5X en poids de caprolactame et ayant une température de 135 C est éliminée dans une colonne analogue à celle qui est décrite dans l'exemple 1, c'est-à-dire qu'elle a les mêmes longueur, matériau de construction et disposition des plateaux, mais un diamètre de 0,4m seulement. On envoie 300 Mm 3/h d'azote ayant une température de 130 à 135 C et une pression de 2 kPa à travers la colonne, à une vitesse d'écoulement linéaire de 60 cm/sec. Le produit quittant la colonne a une température de 130*C et il est pratiquement dépourvu d'eau. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour diminuer ou éliminer complètement la teneur en eau de matières liquides sensibles à la chaleur, comme des masses fondues ou des solutions contenant au maximum 10 % en poids d'eau, par évaporation de celles-ci à une température d'au plus 30 C supérieure au point de fusion de la masse fondue ou-de la température à laquelle les cristaux précipitent de la solution, caractérisé en ce que l'on réalise l'évaporation dans une colonne d'extraction à plateaux, à travers laquelle est envoyé un gaz à contre-courant à une vitesse comprise entre 25 cm/sec et 110 cm/sec. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par l'utilisation d'air en tant que gaz.