Brevet FR2833853A1 — publié le 20030627

Le domaine technique de l'invention est celui des évaporateurs permettant de séparer un fluide en au moins deux phases, une phase vapeur et une phase liquide et/ou solide. On connaît par le brevet GB419566 un évaporateur dans lequel un liquide qui doit être séparé en plusieurs phases (ou distillé) est répandu sur la surface externe d'un corps cylindrique chauffé. Le liquide se trouve alors disposé en couche mince sur cette paroi chauffée et les phases vapeur et gazeuses se trouvent séparées des phases liquides. Un tel évaporateur a un rendement faible et il est mal adapté à la distillation de liquides gras fortement visqueux. En effet dans ce cas l'écoulement sur le corps chauffant est trop lent et les couches obtenues ne sont pas suffisamment minces. De plus les impuretés solides qui sont éventuellement incluses dans les effluents à séparer risquent de s'agglomérer sur le corps chauffant et de perturber l'étape de séparation de phases tout en encrassant l'évaporateur. C'est le but de l'invention que de proposer un évaporateur ne présentant pas de tels inconvénients. Ainsi l'évaporateur selon l'invention permet une séparation rapide et efficace des phases vapeur et liquide d'un effluent, en particulier d'un effluent gras. Par ailleurs l'évaporateur selon l'invention permet d'éviter l'accumulation de résidus solides susceptibles d'encrasser l'évaporateur et il assure la séparation de ces résidus solides et de la phase liquide. Ainsi l'invention a pour objet un évaporateur destiné à séparer un effluent en une phase vapeur et une phase liquide et/ou solide, et comportant une cuve chauffée comprenant des moyens d'introduction des effluents à séparer, une canalisation d'évacuation de la phase vapeur et au moins une ouverture d'évacuation des phases liquide et/ou solide, évaporateur caractérisé en ce que les moyens d'introduction comprennent un diffuseur assurant une dispersion de l'effluent en gouttelettes à l'intérieur de la cuve, la cuve étant par ailleurs maintenue en dépression. Le diffuseur dispersera préférentiellement l'effluent vers un moyen de chauffage. Le moyen de chauffage pourra comprendre une paroi de la cuve chauffée par des tubulures transportant un fluide caloporteur et disposées dans la paroi, le diffuseur dispersant les effluents vers la paroi de la cuve. La paroi de la cuve pourra porter au moins deux ailettes longitudinales permettant d'accroître une surface d'échange thermique entre cuve et effluents. Le diffuseur pourra avoir la forme d'une canalisation torique. La cuve pourra comporter au moins un tamis filtrant disposé entre le diffuseur et un fond de la cuve où se trouvent aménagées les ouvertures d'évacuation des phases liquides et/ou solides. Avantageusement le fond de la cuve pourra être incliné de façon à favoriser l'écoulement d'une phase liquide vers une première ouverture d'évacuation pour la phase liquide. Le tamis filtrant pourra avoir un profil sensiblement conique de façon à favoriser l'évacuation des résidus solides ou boueux vers une deuxième ouverture d'évacuation disposée sensiblement axialement. L'invention a également pour objet une installation de séparation d'un effluent en plusieurs phases, installation mettant en oeuvre un tel évaporateur et assurant une séparation efficace d'effluents (en particulier d'effluents gras) en plusieurs phases tout en réduisant l'encrassement de l'évaporateur et facilitant le nettoyage et la maintenance. Cette installation de séparation pourra comporter un diffuseur alimenté en effluents qui sont mis sous pression par une première pompe. Le diffuseur pourra être raccordé d'un côté à une alimentation en effluents sous pression et de l'autre à un moyen de filtrage. Le diffuseur pourra être raccordé au moyen de filtrage par une canalisation de retour sur laquelle sera disposé au moins un détendeur. Le moyen de filtrage pourra comporter au moins un tamis filtrant, les effluents destinés à l'évaporateur étant introduits en amont du tamis et en parallèle avec ceux issus de la canalisation de retour, une deuxième pompe étant prévue entre le diffuseur et le filtre pour assurer une surpression par rapport à la pression d'arrivée des effluents. L'installation de séparation selon l'invention pourra comprendre au moins un dispositif d'injection d'eau et ou de vapeur sous pression qui pourra être raccordé au disperseur et/ou à la cuve par l'intermédiaire d'une vanne, dispositif d'injection qui sera mis en oeuvre pour nettoyer le disperseur et/ou la cuve. D'autres avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un évaporateur selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale de cet évaporateur, coupe réalisée suivant le plan dont la trace AA est visible sur la figure 1, - la figure 3 est une vue de détail agrandie du diffuseur, - la figure 4 est un schéma synoptique d'une installation de séparation selon l'invention. En se reportant à la figure 1, un évaporateur 1 selon l'invention comporte une cuve 2 sensiblement cylindrique comportant un fond 2a et fermée en partie supérieure par un couvercle 3. Le couvercle 3 porte des moyens d'introduction des effluents à séparer qui comprennent une canalisation 5 assurant la conduite des effluents (introduits en E dans l'installation). Cette canalisation est obturée par une première vanne 6. Les effluents comprennent ici une phase grasse ou huileuse mêlée à de l'eau qu'il est nécessaire d'éliminer pour permettre la réutilisation ou le traitement ultérieur de la phase grasse. Le fond 2a porte une ouverture 7, disposée de façon désaxée, et permettant l'évacuation d'une phase liquide. Cette ouverture d'évacuation est fermée par une deuxième vanne 8. La paroi cylindrique 2b de la cuve de l'évaporateur est creuse et renferme des tubulures 4, régulièrement réparties angulairement (voir aussi figure 2), reliées les unes aux autres et qui s'étendent sur sensiblement toute la hauteur de la paroi 2b. Ces tubulures permettent de chauffer la paroi qui constitue ainsi un moyen de chauffage de la cuve. A cet effet elles transportent un fluide caloporteur, par exemple de l'eau chaude, qui est fourni par une source de chaleur S non représentée ici en détails (par exemple une chaudière ou un échangeur thermique). Pour la séparation d'un effluent gras (tel que de l'huile usagée ou de la graisse animale ou végétale) en une phase de vapeur d'eau et une phase liquide, le moyen de chauffage sera défini de façon à assurer une température dans l'évaporateur comprise entre 80 et 95 C. Par ailleurs les effluents seront avantageusement préchauffés avant leur introduction dans la cuve afin de leur assurer une fluidité suffisante facilitant leur dispersion. La pressurisation sera obtenue à l'aide d'une pompe 19. Pour des effluents gras on pourra préchauffer à 90 C et introduire les effluents à une pression de l'ordre de 0,4 MPa. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les moyens d'introduction comprennent un diffuseur 9 qui est raccordé à la canalisation 5. Le diffuseur 9 est constitué par un tube métallique (par exemple en acier inoxydable) de forme torique ayant pour axe l'axe 10 de la cuve 2. Ce tube est percé de trous 11 qui ont des axes orientés en direction d'une surface interne 12 de la paroi 2b de la cuve 2. Les trous sont régulièrement répartis angulairement autour de l'axe 10 du diffuseur 9. La figure 3 montre de façon agrandie la disposition des trous 11 par rapport à la paroi 12 de la cuve 2. Certains trous ont un axe al perpendiculaire à la paroi 12, d'autres trous ont un axe a2 qui est incliné par rapport à la paroi 12 et orienté vers une partie basse de la cuve 2. Il résulte de cette configuration une dispersion des effluents suivant une gerbe torique, orientée vers la paroi 12, et ayant en coupe longitudinale un angle d'ouverture a qui est délimité par les directions al et a2. Le diffuseur 9 est disposé à une distance d de la paroi 12. On pourra par exemple réaliser un diffuseur torique sous la forme d'un tube de 30 mm de diamètre externe (avec une épaisseur de l'ordre de 2 mm). Le diamètre du tore lui-même sera choisi de façon à assurer une distance d entre le diffuseur et la paroi qui soit comprise entre 50 et 100 mm. L'angle d'ouverture a de la gerbe de diffusion sera de l'ordre de 20 à 40 et le diamètre des trous 11 sera de l'ordre de 1 mm. Un tel diffuseur permet d'assurer une dispersion de l'effluent sous formes de fines gouttelettes qui se déposent en couche mince sur la paroi 12 chauffée de la cuve, paroi qui assure la séparation entre les phases liquide et vapeur. En raison de sa forme torique le diffuseur ne gêne pas l'évacuation des vapeurs V engendrées par la paroi chauffée. Ces vapeurs se déplacent de la paroi 12 de la cuve vers une canalisation 15 permettant l'évacuation de la phase vapeur et passent au travers du tore 9. Afin d'augmenter la surface d'échange thermique entre les effluents et la paroi de la cuve, on disposera avantageusement des ailettes longitudinales 13 métalliques sur la surface interne 12 de la cuve. On améliore ainsi le rendement de l'évaporateur. Le diffuseur 9 sera disposé de préférence dans la moitié supérieure de la cuve. Les effluents peuvent ainsi se répartir en ruisselant sur une plus grande surface de la paroi 12 de la cuve et le rendement est amélioré. Afin de faciliter la séparation de phases la cuve 2 sera par ailleurs maintenue en dépression grâce à une pompe à vide 14. Celle ci est reliée à la cuve par la canalisation 15 qui débouche au niveau du couvercle 3 de la cuve. Une vanne 16 permet l'ouverture ou la fermeture de cette canalisation. Un condenseur 17 assure le refroidissement de la vapeur d'eau obtenue. Cette eau est stockée dans une cuve 18. Pour permettre la formation de gouttelettes, les effluents introduits dans l'installation en E sont fournis au diffuseur 9 sous pression, la pressurisation est assurée par une première pompe 19 ou pompe d'alimentation. Selon une autre caractéristique de l'invention le diffuseur 9, qui est raccordé d'un côté par la canalisation 5 à l'alimentation en effluents, est relié de l'autre côté par une canalisation de retour 40 à un moyen de filtrage 20. Ainsi le tore du diffuseur 9 n'est pas fermé. Les effluents circulent de façon continue dans le tore entre la première pompe 19 et le filtre 20 et seule une partie des effluents est diffusée dans la cuve 2 au travers du diffuseur 9. Une telle disposition permet de réduire le risque de colmatage des trous 11 du diffuseur. Les impuretés solides ne se trouvent pas enfoncées par la pression dans les trous 11 mais sont naturellement entraînées par la première pompe 19 vers le filtre 20. Afin d'assurer la dispersion de l'effluent par le diffuseur 9 au travers des trous 11 on prévoira sur la canalisation 40 un détendeur 37 à section réglable par un actionneur 39 (tel un volant). Les effluents sont introduits dans la cuve à une pression de l'ordre de 0,4 MPa. On règlera le détendeur 37 afin d'assurer dans la canalisation de retour 40 une pression de l'ordre de 0,2 Mpa. Un manomètre 38 permettra de contrôler la pression d'effluents dans la canalisation de retour 40. Une telle disposition permet d'assurer une pression de 0,2 Mpa pour l'évacuation des effluents au travers des trous 11. Il est possible à titre de variante de ne pas prévoir de canalisation de retour 40. Dans ce cas une pression d'alimentation du diffuseur de 0,2 Mpa est suffisante. Les risques de colmatage des trous du diffuseur augmentent mais peuvent être acceptables pour certains types d'effluents à déshydrater (solutions de peintures, huiles industrielles...). Avantageusement on raccordera le filtre 20 au circuit d'alimentation E en effluents en amont de la première pompe 19. Le filtre 20 renferme un ou plusieurs tamis filtrants 35. Il pourra recevoir les effluents E en amont du tamis 35 qui assurera alors un préfiltrage de ces derniers. Une deuxième pompe 36 permet de donner aux effluents provenant de la canalisation de retour 40 une surpression par rapport à la pression d'arrivée des effluents en E. Une telle disposition permet d'éviter un passage direct des effluents introduits en E dans la canalisation de retour. Il est possible à titre de variante de dissocier l'alimentation E en effluents et le filtre 20. Dans ce cas il sera inutile de prévoir une deuxième pompe 36 pour assurer une contre pression. La cuve 2 comporte également un tamis filtrant 21 qui est interposé entre le diffuseur 9 et le fond 2a de la cuve où se trouve aménagée l'ouverture d'évacuation 7 de la phase liquide. Ce tamis est formé par une grille métallique réalisée par exemple en acier inoxydable. La dimension de maille du tamis est de l'ordre de 1 mm. Le tamis filtrant 21 a pour objet de retenir les résidus solides et assure ainsi l'obtention d'une phase liquide 22 filtrée qui peut être évacuée au travers de la vanne 8 vers une cuve 23 de stockage. Le fond 2a de la cuve est incliné de façon à favoriser l'écoulement de la phase liquide vers la première ouverture 7 d'évacuation. Le tamis filtrant 21 a un profil conique centré sur l'axe 10 de la cuve 2. Il se raccorde à un bol 24 qui assure la réception des résidus solides ou boueux. Le bol 24 est raccordé à une deuxième ouverture d'évacuation 25 qui est disposée sensiblement axialement et fermée par une vanne 26. Le profil conique du tamis 21 assure une évacuation naturelle par gravité des résidus solides vers le bol 24 et l'ouverture d'évacuation 25. Les résidus solides 27 obtenus sont stockés dans un conteneur 28 avant d'être éliminés par exemple par incinération. A titre de variante il est bien entendu possible de définir un évaporateur comportant un disperseur ayant une structure différente. Par exemple formé d'une buse unique percée de plusieurs trous et disposée au niveau du couvercle 3 de la cuve, ou encore comprenant plusieurs buses régulièrement réparties angulairement et orientées de façon à diriger les effluents vers la paroi de la cuve. Ces buses seront reliées les unes aux autres par des tuyaux. Dans tous les cas il sera avantageux pour éviter le colmatage du disperseur de prévoir une canalisation de retour 40 conduisant les effluents vers un filtre. L'évaporateur selon l'invention a été décrit dans une application à la séparation de l'eau et d'une phase grasse d'un effluent. Il peut bien entendu être adapté à d'autres types de séparations de phases : désalinisation de l'eau de mer, déshydratation d'hydrocarbures, déshydratation des effluents industriels (mélanges eau/peinture par exemple), traitement des huiles industrielles... La figure 4 montre une installation de séparation 29 selon l'invention. Cette installation comporte un séparateur 1 incorporant un disperseur 9 torique alimenté en effluents qui sont mis sous pression par une première pompe 19. Cette figure schématise également par S le moyen de chauffage auquel sont reliées les canalisations de chauffage 4 de la cuve 2. Le filtre 20 qui est représenté de façon schématique comporte un tamis filtrant 35 (ou plusieurs). L'arrivée des effluents est schématisée par E et elle est réalisée en partie supérieure du filtre. La pompe d'alimentation 19 est raccordée en partie basse du filtre. La canalisation 40 qui ramène les effluents venant du disperseur 9 se raccorde en partie supérieure du filtre par l'intermédiaire d'une deuxième pompe 36 assurant une contre pression à l'alimentation en effluents E. Ainsi les effluents circulent de façon continue du filtre 20 au disperseur 9 et les résidus solides se trouvent retenus par le tamis 35. Cette installation de séparation comprend également un dispositif 30 permettant de générer de l'eau et/ou de la vapeur sous pression. Ce dispositif peut être raccordé au disperseur 9 ou bien à la cuve 2 par l'intermédiaire d'une vanne à trois voies 31. Une autre vanne 32 permet d'isoler le générateur d'eau ou de vapeur du séparateur 1. Une voie de la vanne 31 est raccordée à une canalisation 33, portée par le couvercle 2 de la cuve. Une autre voie de la vanne 31 est raccordée à la canalisation d'introduction des effluents 5. Ce dispositif est mis en oeuvre pour nettoyer la cuve ou le disperseur 9. Pour réaliser un tel nettoyage on arrêtera la première pompe 19 et on fermera la vanne d'arrivée des effluents 6 On ouvrira ensuite la vanne d'isolation 32 puis on commandera ensuite l'injection d'eau ou de vapeur sous pression par le dispositif 30 vers la canalisation d'introduction 5 en positionnant la vanne à trois voies de façon appropriée. Une telle injection au travers de la canalisation 5 et du diffuseur 9 permettra le débouchage des trous 11 du diffuseur et poussera les résidus éventuellement accumulés dans le diffuseur vers le filtre 20. Si on commande la vanne trois voies 31 de façon à diriger l'eau ou la vapeur sous pression directement vers la cuve 2 on permettra un nettoyage de l'intérieur de celle ci. On pourra favoriser la répartition dans la cuve de l'eau ou de la vapeur en disposant une rampe de diffusion (non représentée) sur la face interne du couvercle et raccordée à la canalisation 33. Bien entendu les différentes vannes 6,8, 16,26, 31 et 32 seront toutes pilotées à distance par une unité électronique de commande 34. Celle ci regroupera également les commandes des autres éléments de l'installation : pompe 19, dispositif de nettoyage par eau ou vapeur 30. Elle pilotera aussi les différents paramètres de l'installation : régulation de la température de la cuve, débit des pompes 19 et 36... A titre de variante il est bien entendu possible de définir une installation comportant plusieurs évaporateurs 1 disposés en parallèle. On pourra ainsi procéder au nettoyage d'un évaporateur sans stopper le fonctionnement de l'installation. REVENDICATIONS 1-Evaporateur (1) destiné à séparer un effluent en une phase vapeur et une phase liquide et/ou solide, et comportant une cuve (2) chauffée comprenant des moyens d'introduction des effluents à séparer, une canalisation (15) d'évacuation de la phase vapeur et au moins une ouverture (7) d'évacuation des phases liquide et/ou solide, évaporateur caractérisé en ce que les moyens d'introduction comprennent un diffuseur (9) assurant une dispersion de l'effluent en gouttelettes à l'intérieur de la cuve (2), la cuve étant par ailleurs maintenue en dépression. 2-Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diffuseur (9) disperse l'effluent vers un moyen de chauffage. 3-Evaporateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de chauffage comprend une paroi (2b) de la cuve chauffée par des tubulures (4) transportant un fluide caloporteur et disposées dans la paroi, le diffuseur (9) dispersant les effluents vers la paroi (2b) de la cuve. 4-Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi (2b) de la cuve porte au moins deux ailettes longitudinales (13) permettant d'accroître une surface d'échange thermique entre cuve (2) et effluents. 5-Evaporateur selon une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le diffuseur (9) a la forme d'une canalisation torique. 6-Evaporateur selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cuve (2) comporte au moins un tamis filtrant (21) disposé entre le diffuseur (9) et un fond de la cuve où se trouvent aménagées les ouvertures (7,25) d'évacuation des phases liquides et/ou solides. 7-Evaporateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fond (2a) de la cuve est incliné de façon à favoriser l'écoulement d'une phase liquide vers une première ouverture (7) d'évacuation pour la phase liquide. 8-Evaporateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tamis filtrant (21) a un profil sensiblement conique de façon à favoriser l'évacuation des résidus solides ou boueux vers une deuxième ouverture (25) d'évacuation disposée sensiblement axialement. 9-Installation de séparation d'un effluent en plusieurs phases, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un évaporateur (1) selon une des revendications précédentes. 10-Installation de séparation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le diffuseur (9) est alimenté en effluents qui sont mis sous pression par une première pompe (19). 11-Installation de séparation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le diffuseur (9) est raccordé d'un côté à une alimentation en effluents (E) sous pression et de l'autre à un moyen de filtrage (20). 12-Installation de séparation selon la revendication 11, caractérisé en ce que le diffuseur (9) est raccordé au moyen de filtrage (20) par une canalisation de retour (40) sur laquelle est disposé au moins un détendeur (37). 13-Installation de séparation selon la revendication 12, caractérisée en ce que le moyen de filtrage (20) comporte au moins un tamis filtrant (35), les effluents destinés à l'évaporateur étant introduits en amont du tamis et en parallèle avec ceux issus de la canalisation de retour (40), une deuxième pompe (36) étant prévue entre le diffuseur et le filtre (20) pour assurer une surpression par rapport à la pression d'arrivée des effluents (E). 14-Installation de séparation selon une des revendications 9 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif (30) d'injection d'eau et ou de vapeur sous pression qui peut être raccordé au disperseur (9) et/ou à la cuve (2) par l'intermédiaire d'une vanne (31), dispositif d'injection qui est mis en oeuvre pour nettoyer le disperseur (9) et/ou la cuve (2).