Brevet FR2732233A1 — publié le 19961004

CONCENTRATEUR DE DECHETS LIQUIDES La présente invention concerne un concentrateur de liquides chargés de substances en suspension ou en dissolution, fonctionnant par évaporation, et plus particulièrement un concentrateur dans lequel l'évaporation est effectuée sous vide, ce qui permet de travailler à des températures bien plus faibles qu'en évaporation à la pression atmosphérique. L'invention concerne essentiellement les installations pour le traitement de petits volumes, entre 300 et 1000 litres par jour. De tels concentrateurs permettent d'extraire, à partir de bains usés principalement composés d'eau, un distillat déminéralisé réutilisable d'une part, et un concentrat qui contient les résidus minéraux et solides d'autre part. La réduction de volume obtenue entre le liquide à concentrer et le concentrat dépend de la teneur en eau dudit liquide mais dépasse généralement un rapport de un à dix. Le volume des déchets à évacuer et par suite le coût de cette opération est diminué d'autant. Dans la pratique, un évaporateur est mis en dépression par une pompe à vide. La dépression qui règne dans l'évaporateur permet au liquide de s'évaporer à basse température. Les vapeurs ainsi obtenues traversent alors la pompe et en ressortent réchauffées, à la pression atmosphérique, pour aller se condenser sous forme de distillat dans un échangeur disposé à l'intérieur de l'évaporateur.La chaleur récupérée lors de la condensation reste donc dans le système et est utilisée pour l'évaporation du liquide à concentrer permettant de réduire la consommation énergétique par litre distillé. En régime établi, les pertes de chaleur par conduction et la chaleur évacuée avec le distillat sont compensées par l'énergie apportée par le compresseur fonctionnant en pompe à vide. Mais lors de la phase de démarrage, il est nécessaire d'apporter de la chaleur supplémentaire pour réchauffer le bain de liquide froid. Cette phase de démarrage intervient après chaque vidange de l'évaporateur. Or, l'invention concerne les concentrateurs de petite taille fonctionnant de manière cyclique. Dans ces installations, la vidange du concentrat, qui est réalisée lorsque la concentration en impuretés dudit concentrat atteint une valeur donnée, intervient relativement fréquemment, en moyenne toutes les 6 à 10 heures. Une première solution consiste à doter l'évaporateur d'un système de chauffage additionnel. Outre la complication et le coût supplémentaire qu'entraîne une telle solution, se pose le problème de la fiabilité d'un tel système. En effet, il n'est pas simple de réchauffer des bains pollués : la chaleur doit être apportée progressivement et uniformément de façon à éviter l'agglomération des boues dans la cuve de l'évaporateur. De plus, la température doit être contrôlée en fonction des produits présents dans le liquide, afin de limiter la production d'azéotropes. C'est pourquoi la solution consistant à utiliser le compresseur pour assurer, lors de la phase du démarrage, le réchauffage du liquide stocké dans l'évaporateur, est particulièrement séduisante. Le chauffage du liquide est alors réalisé grâce à l'échauffement d'un compresseur de type "Roots" utilisé en pompe à vide et fonctionnant partiellement en circuit fermé grâce à une dérivation, lors de la phase de démarrage. L'effort demandé au compresseur durant cette phase de démarrage est maximal car ledit compresseur est freiné par la dépression qui se créée au dessus du liquide à concentrer à l'intérieur de l'évaporateur, dépression en partie compensée par l'ouverture d'une dérivation entre l'entrée et la sortie du compresseur.L'air chaud brassé par le compresseur va venir peu à peu réchauffer, par l'intermédiaire du condenseur, le liquide à concentrer, à l'intérieur de l'évaporateur et provoquer ainsi son évaporation. Il est fortement aidé en cela par la dépression importante imposée à l'intérieur de l'évaporateur par le compresseur. La quantité d'énergie à apporter lors de cette phase de démarrage conditionne le dimensionnement minimal de la pompe. Il en résulte, durant le régime établi faisant suite au démarrage, une température excessive des vapeurs à la sortie du compresseur. Lesdites vapeurs risquent alors, lors de leur condensation à l'intérieur de l'évaporateur, de réchauffer exagérément le liquide et d'entraîner ainsi l'évaporation parasite d'azéotropes que l'on ne souhaite pas retrouver dans le distillat.De plus, si le réchauffement se poursuit, il risque d'entraîner une détérioration mécanique du compresseur. Afin de pallier cet échauffement excessif, on utilise une partie du distillat pour refroidir le compresseur. De manière traditionnelle, une conduite reliant le réservoir de distillat à l'amont du compresseur est ouverte par une vanne lorsque la température des vapeurs à la sortie dudit compresseur atteint une valeur donnée. L'aspiration du distillat s'effectue alors grâce à la dépression causée par le compresseur. Ce mode de refroidissement, s'il a le mérite de la simplicité, présente néanmoins un certain nombre d'inconvénients. La faible pression d'injection ne permet pas une pulvérisation optimale ; il en résulte que la quantité de distillat utilisée pour le refroidissement est trop importante.Or, le débit de gaz correspondant au distillat ré-injecté augmente la consommation énergétique par litre distillé extrait du système car il diminue le débit des vapeurs résultant de la distillation. De plus, cette quantité excédentaire de distillat injecté nuit également au débit en ce sens qu'elle contribue à amplifier les oscillations de température du système. La présente invention vise en particulier à remédier à ces inconvénients en limitant la quantité de distillat introduit en amont du compresseur. A cet effet, elle concerne un concentrateur à dépression comprenant un évaporateur contenant le liquide à concentrer et relié en amont d'un compresseur débouchant, en aval, sur un condenseur immergé à l'intérieur dudit évaporateur et dans lequel, le distillat est condensé avant d'être stocké dans un réservoir, concentrateur du type où le chauffage dudit liquide, est réalisé, lors du démarrage, par ledit compresseur dimensionné à cet effet, au moyen d'une vanne de dérivation ouvrant une dérivation reliant l'entrée à la sortie dudit compresseur et caractérisé en ce qu'il comporte une pompe d'injection puisant du distillat dans le réservoir et l'injectant sous pression, en amont dudit compresseur, à travers des moyens de pulvérisation. Le concentrateur ainsi réalisé permet de minimiser la consommation d'énergie grâce à un refroidissement du compresseur optimisé. La quantité de distillat prélevée à cet effet et sa pulvérisation au sein de la pompe est optimisée grâce à une pression d'injection relative élevée. De plus la régulation de cette injection permet d'améliorer le réchauffage du liquide à concentrer lors du démarrage du concentrateur. Enfin, selon une disposition particulièrement avantageuse de l'invention, le condenseur possède un raccord automatique sur le circuit de vapeur et le circuit de distillat qui facilitent beaucoup les montages et démontages dudit condenseur lors des nettoyages. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention en référence à la figure unique sur laquelle est représentée une vue schématique du concentrateur selon l'invention. Le liquide 1 à dépolluer est introduit par une vanne 2 à l'intérieur d'un évaporateur 3 constitué par une cuve fermée, raccordée en partie haute à un compresseur 4 de type compresseur à lobes, et plus particulièrement un compresseur de type "Roots", par l'intermédiaire d'un tampon séparateur 5. Le liquide 1 chauffé à l'intérieur de l'évaporateur 3 s'évapore à une température inférieure à 100"C en raison de la dépression provoquée à l'intérieur de l'évaporateur 3 par le compresseur 4.Pour une pression absolue d'environ 0,6 bars à l'intérieur de l'évaporateur, la température d'évaporation se situe, selon les liquides, aux environs de 85". Les vapeurs 6 résultant de cette évaporation traversent le tampon séparateur 5 destiné à arrêter les gouttelettes de liquide 1 éventuellement projetées par l'ébullition du liquide en dessous et viennent traverser le compresseur 4, entraînées par la dépression. Lesdites vapeurs 6 sont amenées par le compresseur 4 à la pression atmosphérique ce qui entraîne une augmentation de leur température jusqu aux environs de 110 . Les vapeurs 6 traversent alors un condenseur 7 disposé à l'intérieur de l'évaporateur 3 et immergé dans le liquide 1.Du fait de la différence de température entre le liquide 1 à l'intérieur de l'évaporateur 3 et les vapeurs 6 traversant le condenseur 4, lesdites vapeurs 6 se condensent pour former le distillat 8 cédant ainsi de la chaleur au liquide 1. Le distillat 8 liquide ainsi obtenu quitte l'évaporateur 3 pour traverser un ou plusieurs échangeurs de chaleur 9 dans lesquels il se refroidit au profit du liquide 1 admit en amont de l'évaporateur 3 par la vanne 2, permettant ainsi audit liquide 1 de se réchauffer. Puis, le distillat 8 ainsi refroidit est évacué vers son réservoir de stockage 10. La quantité de liquide 1 évaporée à l'intérieur de l'évaporateur 3 sous forme de vapeur 6 est compensée en permanence par la quantité de liquide 1 admise au travers de la vanne 2 si bien que le niveau de liquide 1 à l'intérieur dudit évaporateur 3 reste globalement constant. Le démarrage de l'installation est assuré grâce une dérivation 11 reliant l'entrée et la sortie du compresseur 4 au travers d'une vanne de dérivation 12. Lors du démarrage du concentrateur, l'évaporateur 3 est tout d'abord rempli de liquide 1 par la vanne 2. Pour que l'évaporation de ce liquide 1 puisse débuter, il est nécessaire de chauffer ledit liquide 1. A cet effet, la vanne de dérivation 12, qui en régime établi est fermée, est alors ouverte. Le compresseur 4 est mis en marche et provoque une circulation d'air en circuit fermé à travers la dérivation 11. La température du compresseur 4 s'élève alors rapidement et l'air circulant dans le circuit fermé constitué par le compresseur 4 et la dérivation 11 s'échauffe. L'élévation de la température des gaz sortant du compresseur 4 vient provoquer le démarrage d'une pompe d'injection 13 reliant le réservoir 10 de distillat à l'amont du compresseur 4.Le distillat 8, puisé dans ledit réservoir 10 est comprimé par ladite pompe d'injection 13 à une pression comprise entre 5 et 25 bars puis injecté par des moyens d'injection 14, en amont dudit compresseur 4, à l'intérieur du conduit d'admission des vapeurs 6. Les moyens d'injection 14 seront capables de réaliser une atomisation du distillat 8 sous forme de brouillard. De tels moyens sont bien connus de l'Homme du Métier et peuvent consister par exemple en un injecteur du type de ceux utilisés sur les chaudières de chauffage.Le distillat 10 sous pression est atomisé dans une atmosphère en dépression (aux environs de 0,4 bars absolus lors de la phase de démarrage pendant laquelle la dépression provoquée par le compresseur 4 n'est pas compensée par l'évaporation du liquide 1) dans laquelle il se vaporise instantanément au contact du corps et des lobes du compresseur 4 pour créer de la vapeur d'eau. Une partie de cette vapeur d'eau est renvoyée en amont du compresseur 4 par la dérivation 11 et l'autre partie progresse dans l'évaporateur 3 à travers le condenseur 7 où elle vient se condenser, cédant ainsi de la chaleur au liquide 1 qui ainsi se réchauffe.Le fonctionnement de ladite pompe d'injection 13 est régulé, durant la phase de chauffage de façon à maintenir la température des vapeurs à la sortie du compresseur 4 dans une fourchette qui peut varier selon la nature du liquide 1 mais se situe en général entre 1070C et 125"C. La régulation est réalisée à l'aide de moyens de régulation en température bien connus de l'homme du métier. Dès que la température du liquide 1 atteint sa valeur d'ébullition et que les vapeurs 6 ainsi crées traversent le tampon séparateur 5, la vanne de dérivation 12 est fermée. Les vapeurs 6 sont entraînées par le compresseur 4 qu'elles traversent pour venir se condenser à l'intérieur du condenseur 7, maintenant ainsi '0bulliton du liquide 1 à l'intérieur de l'évapora- -teur 3. Le régime établi est ainsi atteint. Pendant ce dernier, le compresseur 4 est refroidi par les vapeurs 6 qui le traversent à la température d'environ 85"C. Néanmoins, ce refroidissement est insuffisant et la température du compresseur 4 continue de s'élever. En effet, ledit compresseur 4 est surdimensionné 1,25 fois environ par rapport à un compresseur qui serait dimensionné pour compenser exactement les pertes de chaleur intervenant lors du régime établi du concentrateur, et ce, afin de répondre aux exigences de la phase de démarrage. C'est pourquoi on utilise avantageusement la pompe d'injection 13 reliant le réservoir 10 de distillat à l'amont du compresseur 4 pour injecter du distillat 8, comprimé par ladite pompe d'injection 13 à une pression comprise entre 5 et 25 bars, à travers les moyens d'injection 14, en amont dudit compresseur 4, à l'intérieur du conduit d'admission des vapeurs 6.De la même façon que pendant la phase de démarrage, le distillat 8 sous pression est atomisé dans une atmosphère en dépression (cette fois-ci aux environs de 0,6 bars absolus car la dépression provoquée par le compresseur 4 est maintenant en partie compensée par l'évaporation du liquide 1) dans laquelle il se vaporise instantanément au contact du corps et des lobes du compresseur 4, assurant ainsi le refroidissement dudit compresseur 4. La quantité de distillat injecté est minimum et ne vient qu'en complément du refroidissement réalisé par les vapeurs 6 traversant le compresseur 4. Le fonctionnement de ladite pompe d'injection 13 est alors régulé de façon à maintenir la température des vapeurs 6 à la sortie du compresseur 4, dans une fourchette qui peut varier selon la nature du liquide 1 mais se situe en général entre 105"C et 115 C. Le volume des gaz correspondant au distillat 8 ré-injecté n'est pas disponible pour la vaporisation du liquide 1 et représente donc une limitation à la création de vapeurs 6 à partir dudit liquide 1. La minimisation de la quantité de distillat 8 ré-injecté permet donc de diminuer la consommation énergétique par litre de distillat extrait du système.Comme le distillat 8 est injecté sous pression par la pompe 13, il ne vient plus perturber la dépression crée par le compresseur 4 comme ce serait le cas s'il était simplement aspiré par dépression au travers d'une conduite reliant le réservoir 10 de distillat à l'entrée du compresseur 4. De plus, dans ce dernier cas, la faible pression du liquide aspiré ne permettrait pas une pulvérisation optimale ; la quantité de distillat utilisée pour le refroidissement serait trop importante ce qui nuirait à la consommation énergétique de l'installation, d'une part par une ré-injection excessive de distillat, et d'autre part par une perturbation superflue de la dépression à l'entrée du compresseur 4. Le refroidissement finement dosé, ainsi que l'absence de perturbation de la dépression réalisée par le compresseur 4 contribuent au maintien d'un régime plus continu limitant au maximum les oscillations des températures de fonctionnement du système ce qui contribue à un meilleur débit global. Lorsque la concentration en impuretés du liquide 1 à l'intérieur de l'évaporateur 7 atteint une certaine valeur prédéfinie, l'installation est arrêtée et le concentrat 15 ainsi obtenu est évacué, l'évaporateur 3 est à nouveau rempli de liquide 1 et le fonctionnement relancé. Néanmoins, avec une périodicité variable en fonction du type de liquide 1 à concentrer, il faut nettoyer le condenseur 7. Cette opération, qui nécessite le démontage du condensateur 7 et son enlèvement hors de l'évaporateur 3 est grandement facilitée par une disposition particulière de l'invention. Selon cette variante, la plaque 7a du condenseur 7 assure directement la fermeture et l'étanchéité latérale de la cuve de l'évaporateur 3 par simple emboîtage des raccords automatiques d'entrée 7b des vapeurs 6 et de sortie 7c du distillat 8 s'étendant depuis ladite plaque 7a vers l'intérieur de ladite cuve, respectivement sur les conduits d'arrivée 3a des vapeurs 6 et de sortie 3b du distillat 8 solidaires de ladite cuve de l'évaporateur 3. Cette disposition permet de raccorder tous les passages de fluide de façon automatique et autorise un démontage instantané du condenseur 7. Après nettoyage, ledit condenseur 7 sera remonté tout aussi facilement, sa fixation étant réalisée par les raccords automatiques d'entrée 7b des vapeurs 6 et de sortie 7c du distillat 8 sur les conduits d'arrivée 3a des vapeurs 6 et de sortie 3b du distillat 8. REVENDICATIONS 1 - Concentrateur à dépression comprenant un évaporateur (3) contenant le liquide (1) à concentrer et relié en amont d'un compresseur (4) débouchant, en aval, sur un condenseur (7) immergé à l'intérieur dudit évaporateur (3) et dans lequel le distillat (8) est condensé avant d'être stocké dans un réservoir (10), concentrateur du type où le chauffage dudit liquide (1), est réalisé, lors du démarrage, par ledit compresseur (4) dimensionné à cet effet, au moyen d'une vanne de dérivation (12) ouvrant une dérivation (11) reliant l'entrée à la sortie dudit compresseur (4) et caractérisé en ce qu'il comporte une pompe d'injection (13) puisant du distillat (8) dans le réservoir (10) et l'injectant sous pression, en amont dudit compresseur (4), à travers des moyens de pulvérisation (14). 2 - Concentrateur à dépression selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation aptes à déclencher la pompe d'injection (13) de façon à maintenir, à la sortie du compresseur (4) - lors de la phase de démarrage du concentrateur, la température des vapeurs résultant de la vaporisation du distillat (8) injecté par ladite pompe d'injection (13), entre 107"C et 125"C environ, - lors du régime établi, la température des vapeurs (6) résultant principalement de la vaporisation du liquide (1) dans la cuve de l'évaporateur (3), entre 105"C et 115"C environ. 3 - Concentrateur à dépression selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pression d'injection du distillat (8) par la pompe d'injection (13) en amont du compresseur (4) est comprise entre 5 et 25 bars. 4 - Concentrateur à dépression selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de pulvérisation (14) permettent une atomisation du distillat (8) injecté en amont du compresseur (4). 5 - Concentrateur à dépression selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la plaque (7a) du condenseur (7) assure la fermeture et l'étanchéité latérale de la cuve de l'évaporateur (3) par simple emboîtage des raccords automatiques d'entrée (7b) des vapeurs (6) et de sortie (7c) du distillat (8) s'étendant depuis ladite plaque (7a) vers l'intérieur de ladite cuve, respectivement sur les conduits d'arrivée (3a) des vapeurs (6) et de sortie (3b) du distillat (8) solidaires de ladite cuve de l'évaporateur (3). 6 - Concentrateur à dépression selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le compresseur (4) est du type compresseur à lobes. 7 - Concentrateur à dépression selon la revendication précédente caractérisé en ce que le compresseur (4) est du type "Roots". 8 - Concentrateur à dépression selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le compresseur (4) est surdimensionné 1,25 fois environ par rapport à un compresseur dimensionné pour compenser exactement les pertes de chaleur intervenant lors du régime établi du concentrateur.