Brevet FR2741547A1 — publié le 19970530

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de concentration d'un mélange fluide, ainsi que les produits concentrés obtenus par ce procédé. * Son domaine d'application est la concentration de liquides contenant une phase non volatile, notamment de l'eau contenant des matières solides en suspension ou en solution, par exemple des effluents d'industries chimiques ou papetières, que l'on cherche à concentrer en vue d'un retraitement. On connaît des procédés classiques de concentration par évaporation dans lesquels on chauffe des effluents liquides à travers une surface d'échange thermique, par une source de chaleur quelconque. Un inconvénient notable de ce type de traitement est que la surface d'échange thermique s'encrasse rapidement, surtout si la viscosité du fluide est élevée. Un autre de ses inconvénients est que les échanges thermiques entre la source et l'effluent se font difficilement, particulièrement si le taux de matières sèches est élevé, ce qui limite l'efficacité du procédé. D'autre part, dans le domaine de la production de vapeur, on connaît l'utilisation du chauffage ohmique par conduction directe d'un courant électrique dans un volume d'eau. L'énergie électrique se transforme en énergie calorique, par effet Joule, en traversant directement le volume d'eau. Ces dispositifs de production de vapeur comportent des électrodes immergées dans une eau conditionnée, les électrodes ayant une géométrie calculée correspondant à une conductivité imposée à l'eau. L'eau ne doit pas ou peu comporter de matières en suspension. L'objet de la présente invention est de concentrer des mélanges fluides du type précité, d'une façon beaucoup plus efficace que les méthodes utilisées dans l'art antérieur. De façon inattendue, on utilise la technique du chauffage ohmique telle qu'elle est mise en oeuvre dans certains générateurs de vapeur pour réaliser la concentration de mélanges. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de concentration d'un mélange fluide qui comprend une phase liquide et une phase non- volatile, dans lequel on élimine par chauffage au moins une partie de la phase liquide, caractérisé en ce que: - on maintient le mélange fluide en circulation, - on réalise un chauffage ohmique par conduction de courant électrique à travers ce mélange fluide en circulation, et - on règle le courant électrique en fonction inverse de la résistivité du mélange fluide. Un tel procédé permet la concentration de fluides thermosensibles ou à viscosité très élevée, en particulier la "surconcentration". Il permet, par ailleurs, d'atteindre des rendements élevés. L'invention concerne aussi un dispositif de mise en oeuvre du procédé. Ce dispositif comprend une enceinte pour contenir le mélange fluide, comprenant un moyen de mise en circulation du mélange fluide, au moins deux électrodes plongées au moins en partie dans le mélange fluide pour réaliser un chauffage ohmique par conduction de courant électrique à travers le mélange fluide en circulation entre les électrodes, et un moyen de réglage du courant électrique en fonction inverse de la résistivité du mélange fluide. La description qui va suivre et les dessins annexés, donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment l'invention est réalisée. Sur les dessins annexés - la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un dispositif de concentration d'un mélange fluide selon la présente invention; et, - la figure 2 représente une vue en coupe transversale de ce même dispositif. La structure selon l'invention est constituée d'une enceinte 1 pour contenir le mélange fluide à concentrer. Cette enceinte 1 a la forme d'une cuve cylindrique d'axe vertical O-O, fermée à une extrémité supérieure par un dôme démontable 2. Un ensemble d'électrodes 3 est suspendu au dôme 2 et s'étend à l'intérieur de l'enceinte 1. L'enceinte 1 est percée de plusieurs ouvertures reliées à différentes conduites pour la circulation du mélange fluide. Une arrivée 4 est disposée près de l'extrémité supérieure de l'enceinte pour la remplir de fluide à concentrer. Une sortie 5 est disposée près de l'extrémité inférieure de l'enceinte 1 pour soutirer le fluide concentré. Trois ouvertures 6 sont disposées à l'extrémité inférieure de l'enceinte 1 pour la circulation et le brassage du fluide pendant sa concentration. Trois conduites partant de ces ouvertures 6 se rejoignent pour former une conduite de circulation sur laquelle est disposée une pompe de circulation 10. Pour recycler le fluide en circulation, une extrémité de la conduite de circulation est reliée à un retour 7 qui débouche à l'extrémité supérieure de l'enceinte 1. Un conduit d'échappement de vapeur 8 est disposé sur le dôme 2. Une soupape de sûreté 9 est disposée sur le dôme 2 afin de limiter la pression régnant dans l'enceinte 1 qui est close. De préférence, la pompe 10 de circulation a un débit supérieur d'une magnitude au débit d'alimention 4. En conséquence, la conduite de circulation a un diamètre supérieur à l'entrée 4. La figure 2 représente en détail la disposition de l'ensemble d'électrodes 3. Dans ce mode de réalisation de l'invention, l'ensemble d'électrodes 3 est constitué de six plaques planes généralement métalliques. De préférence, les plaques ont la même dimension. Trois plaques sont reliées l'une à l'autre par leur bord pour former un prisme équilatère qui constitue une électrode de neutre N, disposée au centre de l'enceinte 2. Chacune des trois autres plaques forme une électrode de phase El, E2, E3 qui est disposée parallèlement face à la plaque homologue de l'électrode de neutre N. Chaque électrode de phase El, E2, E3 est alimentée par la phase correspondante d'une alimention triphasée. De préférence, l'alimention triphasée est fournie aux électrodes 3 par l'intermédiaire de transformateurs pour assurer l'isolement par rapport au réseau et l'adaptation de la tension. Chaque électrode El, E2, E3, N est fixée sur le dôme par une traversée de courant 11 qui la supporte au-dessus de l'enceinte 1. Les traversées de courant 11 maintiennent l'isolement de chaque électrode et l'étanchéité de l'enceinte 1. En fonctionnement, les électrodes 3 sont immergées en partie dans le mélange fluide à concentrer et l'enceinte 1 est fermée. Chaque électrode de phase El, E2, E3 est alimentée par une phase d'alimention triphasée et des courants respectifs circulent depuis chaque électrode de phase El, E2, E3 vers l'électrode de neutre N, à travers le mélange fluide. Les dimensions des électrodes El, E2, E3, N et la distance de séparation entre les électrodes de phase El, E2, E3 et l'électrode de neutre ainsi que la tension triphasée appliquée sont adaptées pour la conductivité et la température du mélange fluide à concentrer. Par effet Joule, chaque courant échauffe le volume de fluide compris entre chaque électrode de phase El, E2, E3 et l'électrode de neutre N jusqu'à ce que la phase liquide soit portée à ébullition. La phase liquide, généralement de l'eau, se vaporise et est évacuée par l'échappement 8. Pour permettre le chauffage et la concentration de tout le volume de mélange fluide, une circulation est prévue par l'intermédiaire d'une pompe de circulation 10. La pompe 10 est disposée sur une conduite de circulation reliée aux orifices 6 à la partie inférieure de l'enceinte 1. De manière générale, le procédé et le dispositif selon l'invention s'appliquent à la concentration de mélanges fluides qui comprennent une phase liquide et une phase non-volatile qui sont séparées par chauffage et évaporation. Le terme "mélange fluide" désigne, dans la présente description, aussi bien une matière solide en suspension dans un liquide (boues, effluents industriels), qu'une émulsion (eau + huile, alcool + huile 25...) de deux liquides ou une solution d'une matière soluble dans un solvant (par exemple un hydrocarbure). Dans tous les cas, le mélange doit être raisonnablement conducteur de l'électricité, de préférence dans une gamme de conductivité électrique d'environ 10-2 à 10 S/m à 20 C. Selon l'invention, on réalise un chauffage ohmique par conduction de courant électrique dans le mélange fluide maintenu en circulation. Un certain volume de mélange fluide est traversé par du courant électrique. Ce mélange est généralement conducteur ou rendu tel. Ainsi, l'eau ou une huile, qui sont isolantes électriquement à l'état pur, présentent une forte conductivité une fois qu'un soluté leur a été ajouté, en particulier lorsqu'une solution ionique est formée. De même, un mélange ou une émulsion présente généralement une forte conductivité. Le courant électrique provoque l'échauffement du mélange fluide, par effet Joule. Le volume de mélange fluide présente une résistance proportionnelle à la résistivité du mélange, proportionnelle à la dimension du volume dans la direction du courant et inversement proportionnelle à une section du volume traversée par le courant, la section étant perpendiculaire à la direction du courant. Selon une caractéristique de l'invention, on règle le courant électrique en fonction inverse de la résistivité du mélange fluide. En effet, la puissance délivrée au volume de mélange fluide est proportionnelle à sa valeur de résistance, donc à sa résistivité, et proportionnelle au carré du courant. Pour maintenir une puissance constante, on diminue donc le courant lorsque la résistivité augmente. De plus, le volume de mélange fluide est alors soumis à une tension qui varie dans un rapport plus faible que la résistivité. Pour limiter l'apparition de phénomènes d'électrolyse dans le mélange fluide, le procédé selon l'invention prévoit, conformément à une caractéristique avantageuse, que le courant électrique utilisé est un courant alternatif. Le dispositif selon l'invention comprend au moins deux électrodes 3 plongées, au moins en partie, dans le mélange fluide pour réaliser un chauffage ohmique par conduction de courant électrique à travers le mélange fluide en circulation entre les électrodes. Ainsi, chaque volume de mélange fluide, compris entre les surfaces de deux électrodes El/N, E2/N, E3/N, est traversé par du courant qui le chauffe par effet Joule. Deux modes de fonctionnement du dispositif selon l'invention sont envisageables. Dans un premier mode de fonctionnement, le mélange fluide est contenu dans l'enceinte 1 et il n'est pas renouvelé au cours de l'opération de concentration. Le volume de mélange fluide diminue donc, au fur et à mesure que la phase liquide s'évapore et s'évacue par l'échappement 8. La surface immergée des électrodes 3 et le volume de mélange fluide traversé par le courant électrique diminuent aussi en cours de concentration. Pour maintenir une densité de courant constante dans le mélange fluide, il faut diminuer l'intensité du courant électrique lorsque la surface immergée des électrodes 3 diminue. Cette diminution de la surface immergée allant de pair avec la concentration, soit avec l'augmentation de la résistivité du mélange fluide, le dispositif comprend, de façon caractéristique, un moyen de réglage du courant électrique en fonction inverse de la résistivité du mélange fluide. Dans un second mode de fonctionnement, le mélange fluide est contenu dans l'enceinte 1 et il est renouvelé au cours de l'opération de concentration par introduction par l'orifice 4. Le soutirage s'effectue en continu par l'orifice 5 de telle façon que ce débit de soutirage soit égal à la différence entre le débit d'alimentation 4 moins le débit d'évaporation de la phase liquide évacuée par l'échappement 8. Il en résulte un niveau constant dans la cuve. L'intensité électrique doit être réglée en permanence, en particulier au démarrage pendant lequel la concentration et la résistivité sont faibles, la résistivité du mélange variant en fonction de sa concentration. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce moyen de réglage du courant électrique réalisant le chauffage ohmique comprend l'application d'une tension alternative réglable. Conformément à une caractéristique de l'invention, on maintient en circulation le mélange fluide. Ainsi, le mélange fluide est chauffé uniformément et on évite la sédimentation d'une partie concentrée du mélange fluide ou la formation de dépôts. Dans le mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, la circulation du mélange fluide se fait verticalement vers la partie inférieure de l'enceinte 1. Le mélange fluide est pompé à la verticale des volumes chauffants E1/N, E2/N, E3/N (figure 2), chaque ouverture 6 se trouvant à la verticale du milieu de chaque paire d'électrode (El, N; E2, N; E3, N). Ainsi, la circulation s'oppose au mouvement naturel de convection du mélange fluide chauffé. Une agitation efficace du mélange fluide est alors obtenue. La pompe 10 propulse le mélange fluide vers une ouverture de retour 7 située à la partie supérieure de l'enceinte. Comme au cours de la concentration le niveau du mélange fluide baisse, le mélange fluide pompé retombe dans l'enceinte 1 en augmentant le brassage. L'invention concerne aussi la disposition et la forme des électrodes 3. L'application d'une tension alternative triphasée permet une disposition commode d'électrodes 3 dans l'enceinte 1 cylindrique. De préférence, le dispositif selon l'invention comprend ainsi trois électrodes El, E2, E3 disposées respectivement à chaque sommet d'un triangle et une phase respective d'un courant alternatif triphasé est appliquée à chaque électrode El, E2, E3. Ainsi, les trois électrodes de phase El, E2, E3 sont disposées face au centre O du triangle à une distance radiale fixée de l'axe central O-O de l'enceinte 1. Cette disposition est illustrée à la figure 2 o l'on voit que les électrodes de phase El, E2, E3 sont régulièrement réparties à 120 face à l'axe O-O de l'enceinte cylindrique 1. Cette disposition permet de former le schéma électrique triphasé connu, soit "en triangle", soit "en étoile". Dans un schéma en triangle, des courants circulent dans le mélange fluide directement d'une électrode de phase à une autre électrode de phase El-E2, E2-E3, E3-E1. Les volumes chauffants seront donc définis par les trois volumes compris entre deux surfaces d'électrodes El/E2, E2/E3, E3/E1. Les électrodes pourront alors être des plaques courbes pour limiter l'intensité surfacique aux bords des électrodes. 0 Dans un schéma en étoile, les courants de chaque phase circulent de chaque électrode de phase El, E2, E3 vers le centre O. Dans ce cas, conformément à une autre caractéristique avantageuse, le dispositif comprend une électrode de neutre N ou des électrodes de neutre connectées entre elles, disposées au centre des trois électrodes de phase El, E2, E3. Cette disposition est la disposition complète des électrodes El, E2, E3, N illustrée à la figure 2. Le neutre du transformateur d'alimentation n'est pas obligatoirement raccordé à l'électrode de neutre N. Pour éviter des surintensités, le dispositif comprend, de préférence, des moyens de limitation de l'intensité surfacique du courant électrique à la surface des électrodes. Un premier moyen de limitation de l'intensité surfacique est réalisé avec des électrodes en forme de plaques disposées face à face à distance constante. De préférence, les électrodes sont planes et disposées parallèlement par paires. Ainsi, le courant se répartit sur la surface de chaque électrode El, E2, E3, N et il n'apparaît pas de surintensité sur les bords d'électrodes El, E2, E3, N car les surfaces sont équidistantes. De façon avantageuse, le schéma électrique en étoile forme alors la disposition d'électrodes représentée à la figure 2 sur laquelle l'électrode de neutre N centrale est un trièdre équilatéral, formé de trois plaques d'électrodes soudées sur leurs arêtes, et les électrodes de phase El, E2, E3 sont des plaques parallèles à chaque face du trièdre, disposées à une distance donnée du trièdre. Un second moyen de limitation de l'intensité surfacique est réalisé avec des écrans d'isolement 13 disposés pour canaliser les lignes de courant. De préférence, des écrans d'isolement 13, en matières isolantes, sont disposés entre chaque électrode de phase El, E2, E3 et l'électrode de neutre N, en reliant chaque bord d'une électrode de phase El, E2, E3 à une arête du prisme N, perpendiculairement aux plaques. Ces écrans 13 évitent qu'un courant ne circule directement entre chaque paire d'électrodes de phase El-E2, E2-E3, E3-E1 et évitent aussi l'accroissement des intensités sur les bords de plaque. Ils servent également de structure de montage pour maintenir en place les plaques et fixer la distance entre les électrodes de chaque paire El-N, E2-N, E3-N. Si l'enceinte 1 est métallique, chaque électrode de phase E1,E2, E3 doit être séparée de l'enceinte 1 par une distance supérieure à la distance séparant une électrode de phase d'une électrode de neutre. De plus, des écrans isolants peuvent alors être disposés sur chaque plaque d'électrode de phase, sur la surface en regard de l'enceinte 1, pour éliminer toute fuite de courant vers cette enceinte 1. Une enceinte 1 métallique doit, bien entendu, être reliée à la terre. De façon générale, toutes les électrodes El, E2, E3, N, y compris l'électrode de neutre, sont isolées électriquement de l'enceinte 1 et de la terre du réseau. 0 Enfin, selon une dernière caractéristique de l'invention, l'enceinte 1 est hermétique et on peut ainsi travailler à des pressions subatmosphériques ou suratmosphériques. Cette disposition permet, par exemple, de faciliter l'ébullition de la phase liquide en dépressurisant l'enceinte. REVENDICATIONS 1) Procédé de concentration d'un mélange fluide qui comprend une phase liquide et une phase non-volatile, dans lequel on élimine par chauffage au moins une partie de la phase liquide, caractérisé en ce que: - on maintient le mélange fluide en circulation, - on réalise un chauffage ohmique par conduction de courant électrique à travers ce mélange fluide en circulation, et - on règle le courant électrique en fonction inverse de la résistivité du mélange fluide. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant électrique est alternatif. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le courant électrique est triphasé. 4) Produit concentré obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 3. ) Dispositif de concentration de mélange fluide qui comprend une phase liquide et une phase non-volatile, par mise en ébullition d'au moins une partie de la phase liquide, le dispositif comprenant une enceinte (1) pour contenir le mélange fluide, caractérisé en ce qu'il comprend: 320 - un moyen de mise en circulation (10) du mélange fluide, - au moins deux électrodes (3) plongées au moins en partie dans le mélange fluide pour réaliser un chauffage ohmique par conduction de courant électrique à travers le mélange fluide en circulation entre les électrodes (3), et - un moyen de réglage du courant électrique en fonction inverse de la résistivité du mélange fluide. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de limitation de l'intensité surfacique du courant électrique à la surface des électrodes. 7) Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'un moyen de limitation de l'intensité surfacique est réalisé par des électrodes en forme de plaques et disposées face à face à distance constante. 8) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'un moyen de limitation de l'intensité surfacique est réalisé par des écrans d'isolement (13) disposés pour canaliser les lignes de courant. 9) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le moyen de réglage du courant électrique réalisant le chauffage ohmique comprend l'application d'une tension électrique alternative réglable. 10) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend trois électrodes (El, E2, E3) disposées respectivement à chaque sommet d'un triangle et en ce qu'une phase respective d'un courant alternatif triphasé est appliquée à chaque électrode (El, E2, E3). 11) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode de neutre (N) ou des électrodes de neutre connectées entre elles, disposées au centre de trois électrodes de phase (El, E2, E3). 12) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que le moyen de mise en circulation du mélange fluide comprend une pompe (10). 13) Dispositif selon l'une des revendications S à 12, caractérisé par une enceinte (1) hermétique permettant un fonctionnement non atmosphérique.