Brevet FR2840542A1 — publié le 20031212

Brevet N 03 01 182 du 03/02/2003 Confidentiel Page 27/37 1 2840542 Distillateur d'effluents liquides, aqueux ou organiques a regeneration La presente invention concerne un appareillage de distillation sous vice d'effluents liquides, aqueux ou organiques. La distillation est une operation consommant de l'energie pour vaporiser un liquide et, le plus souvent, de l'eau de refroidissement pour condenser la vapeur produite et recueillir ainsi le liquide purife. La quantite de chaleur a evacuer avec l'eau de refroidissement est pratiquement equivalente a celle exigee pour la vaporisation. Dans les installations de faible capacite, l'eau de refroidissement n'est pas recyclee, au travers d'un refrigerant a air, par exemple, et sa consommation represente un cout croissant, en fait, nettement plus eleve que celui de l'energie thermique a fournir. En outre, les ressources en eau vent limitees dans bien des regions, d'ou l'interet fortement attractif d'un procede ne consommant pas d'eau. Le but de ['invention est de remedier a ces inconvenients. L'invention atteint son but grace a un distillateur d' effluents liquides, aqueux ou organiques en vue de leur regeneration et ou de leur concentration, caracterise en ce qu'il comprend d'amont en aval un bouilleur, un condenseur primaire couple a un educteur maintenant le niveau de vice obtenu au condenseur et qui rejette les condensate dans un receptacle separateur, et une pompe a chaleur destinee a assurer la vaporisation du liquide et simultanement sa condensation. Avantageusement, le dispositif de vice est a deux etages constitues par le condenseur primaire puis l'educteur disposes en eerie. Avantageusement, le fluide moteur de l'educteur est constitue par une partie du solvent recueilli dans le receptacle retournant a l'educteur par une pompe. Avantageusement, il est prevu un dispositif de recuperation de l'excedent thermique de la pompe a chaleur pour des besoins exterieurs tels que le sechage. Avantageusement, le chauffage du bouilleur est effectue par un generateur de vapeur basse pression constitue par un echangeur condenseur assurant le chauffage de la double enveloppe du bouilleur. 2 2840542 Ainsi, le procede de distillation propre a la presente invention, utilise done le principe de la pompe a chaleur pour fournir la chaleur necessaire a la vaporisation du liquide, et en meme temps, apporter le refroidissement quantitativement equivalent pour la condensation des vapeurs produites. Cependant, ['operation doit alors etre realisee sous un niveau de vice approprie, de telle sorte que l'intervalle des temperatures de vaporisation/condensation, soit adapte et aussi reduit que possible, pour firer le meilleur parti de la pompe a chaleur. Le procede combine ainsi le double avantage d'une faible consommation d'energie, reduite d'un facteur de l'ordre de 2,5, par rapport a l'utilisation d'un simple chauffage direct, avec celui de ['absence de consommation d'eau. A titre d'exemple, une machine de nettoyage de vetements de 20 kg de capacite nominale, utilisant un solvent petrolier, qui est equipee d'un distillateur de 150 litres/heure, consomme 12 kWh pour le chauffage et les auxiliaires et, d'autre part, 3601/hr d'eau de refroidissement Le cout horaire d' exploitation de c e distillateur cl as sique stel eve a: electricite: 0,73 - eau: 036 x 3,05 = 1,08 ú ( 60 % du total.) soit un total de 1,83 ú/fur Avec le distillateur construit selon ['invention, la consommation horaire se kouve reduite a: 0, 38 seulement, d'energie electrique, soit une reduction du cout d'exploitation par un facteur 4,8. Cette application particuliere de ['invention a la regeneration d'un solvent met ainsi en evidence son double avantage: la suppression de la consommation d'eau de refroidissement et la reduction par un facteur 2,5 a 3 de la consommation d'energie. Les memes avantages se retrouvent dans les differentes applications possibles de ['invention, telles que la concentration d'effluents organiques ou aqueux et la distillation etagee de l'eau de men L'invention atteint son but grace a un appareillage repondant a la description suivante permettant la distillation sous vice. 3 2840542 Le liquide a distiller est introduit en continu, ou en discontinu par charge complete, dans une capacite chauffee permettant sa vaporisation. Les vapeurs emises vent condensees dans la section condensation de l'appareillage. L' ensemble bouilleur/condenseur est maintenu sous vice par un dispositif d'educteur, analogue dans son principe a celui des trompes a eau de laboratoire, cet educteur, place a la suite de la section condensation, est constitue par un ensemble louse/venturi actionne par un fluide moteur qui peut etre avantageusement du liquide distille, mis en circulation par une pompe centrifuge classique. L'utilisation du liquide distille comme fluide moteur est deja connue par le document LP 0 783 910, mais pas dans le cadre d'un appareil utilisant une pompe a chaleur. Le seul ejecteur connu par ce document a une capacite volumetrique limitee. L'educteur exerce sa fonction d'extraction des vapeurs non condensees sortant du condenseur primaire, ainsi que celle des gaz non condensables presents dans le bouilleur, ou s'introduisant par les defauts d' etancheite de l' appareillage. Le produit distille entra^ne par l'educteur s'ecoule a la pression atmospherique dans un bac separateur d'ou il est extrait par trop plein, tandis que le fluide moteur y est repris par la pompe centrifuge. L'appareillage qui vient d'etre decrit fonctionne au moyen d'une pompe a chaleur qui fournit au bouilleur les calories necessaires a la vaporisation du liquide et, d'autre part, les frigories assurant la condensation des vapeurs, dans la partie condenseur/educteur du dispositif, Celle pompe a chaleur comprend essentiellement un compresseur de gaz frigorigene, tel que le > (CFC R134a) qui envoie ce fluide comprime et chaud, a pression elevee, vers un echangeur ou il se condense en generant de la vapeur d'eau basse pression alimentant la double enveloppe du bouilleur. Le Freon condense s'ecoule de l'echangeur ci-dessus dans une capacite de reserve sous pression. I1 est ensuite repris de cette bouteille par une tuyauterie munie d'un detendeur et arrive dans un serpentin evaporateur place a l'interieur du condenseur primaire du distillateur. C' est la vaporisation du Freon a plus faible pression, qui produit le froid necessaire a la condensation des vapeurs issues du bouilleur du distillateur. Le fluide moteur de lteducteur est egalement refroidi par un second echangeur place en serie apres le serpentin evaporateur ci- dessus. Le vice obtenu depend notamment du niveau de froid delivre par la pompe a chaleur. Cette description fait appara^tre le fait que le dispositif de vice caracterisant ['invention comporte deux etages successifs. Le premier est constitue par le condenseur primaire, dont les caracteristiques de temperatures de sortie fixent la pression de vapeur residuelle. Le deuxieme etage, c' est a dire l' educteur, est calcule pour extraire les gaz incondensables. II etablit et maintient le vice au niveau deja assure par le condenseur primaire. Le niveau de froid determine la tension de vapeur dans le distillateur, il fixe done le degre de vice et, par consequent, la temperature de distillation. Ainsi, la pompe a chaleur controle litteralement le fonctionnement du distillateur. D'autre part, la temperature obtenue dans la section haute pression peut etre ajustee pour assurer le debit de distillation prevu, compte tenu des caracteristiques des differentes parties du distillateur. Theoriquement, la chaleur extraite dans la > est transferee vers la > qui recoit en outre ltequivalent de l'energie consommee par le compresseur. Le changement de phase realise au cours de la distillation vaporisation/condensation n'entrane pas theoriquement de consommation ou d'apport d'energie. Il y a done un excedent de chaleur disponible. En realite, les pertes thermiques diverges, l'irreversibilite des processus thermodynamiques, reduisent sensiblement l'excedent de chaleur. Celui-ci sera evacue grace a un aerotherme dont ltechangeur condenseur assurera en meme temps la desurchauffe prealable du Freon. 2840542 Cet excedent de chaleur, sous forme d'air chaud a 60"C environ, peut etre utilise avantageusement pour une operation de sechage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et caracteristiques seront mis en evidence a la lecture de la description suivante se referent a la fgure unique 1 representant un distillateur d'une capacite nominale de 60 a 80 1/hr, destine a la regeneration d'un solvent petrolier, bouillant a 190/200 C sous la pression atmospherique, dont la chaleur latente de vaporisation est de l'ordre de 260 kJ/kg et la densite, d'environ 0,76. L'installation comprend une entree de solvent sale 1 pour son introduction a la partie superieure 2 de la chaudiere bouilleur 3. Ce solvent, vaporise dans le bouilleur 3, s'echappe de la partie 2 par une conduite 4, ces vapeurs de solvent penetrent ensuite dans le condenseur primaire 5, se transforment alors en une phase liquide, en equilibre avec la vapeur residuelle, selon les caracteristiques de temperatures et de vice realisees. Le condenseur primaire 5 a une capacite de condensation importante liee a la surface d'echange de l'evaporateur de Freon. Les condensate vent evacuee par la conduite 6 avec les gaz incondensables et la vapeur residuelle, aspirees par l'educteur 8. Celui-ci est actionne en fluide moteur par le circuit comprenant le bac separateur 7 recevant le refoulement de lteducteur 8, la tuyauterie d'aspiration 13, la pompe de-mise en circulation du fluide moteur 10, la tuyauterie de refoulement 11, et liechangeur evaporateur de Freon 12, qui maintient le fluide moteur a la temperature exigee pour obtenir le degre de vice requis. Le solvent distille est recueilli en 9. L'eau, eventuellement presente dans le solvent sale, est evacuee par la sortie 14. Suivant les cas, ltevacuation de l'eau peut etre realisee en continu, le separateur etant amenage en consequence pour assurer une decantation effcace. La distillation du solvent peut etre effectuee en continu, le solvent sale est alors introduit, apres une fltration grossiere, par une buse placee tangentiellement a l'interieur de la partie superieure 2 du bouilleur 3, alimentee par une tuyauterie d'aspiration pourvue d'un reglage de debit. 6 2840542 La distillation en continu par ecoulement gravitaire en nappe mince, sur la paroi interieure du bouilleur 3, benefrcie d'un coefficient d'echange thermique eleve, de ltordre de 1000 W/m2/0K, presque deux fois plus eleve que celui observe au cours de la distillation en discontinu. La distillation en continu presente, en outre, l'avantage d'eviter la formation de mousses resultant de la presence de tensio-actifs dans le solvent sale. Selon ['invention on utilise avantageusement le solvent propre comme fluide moteur de l'educteur 8. pour beneficier notamment dans ['application decrite, de la tres faible tension de vapeur du solvent aux temperatures inferieures a 10 C. La figure l representant l'une des fortnes non limitatives de ['invention, illustre egalement les dispositions de la pompe a chaleur assurant le fonctionnement du distillateur. Celle-ci comprend essentiellement le compresseur de Freon 15. Le fluide frigorigene, choisi en fonction des niveaux de temperatures a obtenir, est comprime, dans liexemple ci-dessus, a une pression de l'ordre de 22.105 Pa pour le Freon 134a utilise, et est envoye par la tuyauterie 16 dans la > constituee par un premier condenseur 17 remplissant d'abord une fonction de desurchauffe du Freon, puis une seconde fonction d' evacuation de la chaleur excedentaire produite par la pompe a chaleur. Celle-ci est evacuee par un aerotherme 19 pilote par la vanne de regulation 18. L'echangeur condenseur de Freon 20 constitue un generateur de vapeur d'eau basse pression en circuit ferme alimentant la double enveloppe 21 du bouilleur 3. (:e generateur fonctionne selon le principe du thermosiphon. Le Freon condense dans les echangeurs 17 et 20 s'ecoule par gravite dans la bouteille de reserve de Freon 22. A partir de celle-ci, la tuyauterie 23 alimente la > du dispositif de la pompe a chaleur, en passant par le detendeur thermostatique 24. Celui-ci assure la regulation du debit de Freon qui, en s'evaporant dans le serpentin 25 du condenseur primaire 5, pois, au rnoyen de la tuyauterie 26, alimente l'evaporateur secondaire 12, maintiendra les 7 2840542 parties froides du distillateur au niveau requis, avant de retourner par la tuyauterie 27 a ['aspiration du compresseur 15. La partie pompe a chaleur du distillateur, telle que representee sur la figure 1, comporte egalement les accessoires de contrGle et de regulation indispensables, conformes a l'etat de ['art, necessaires a son bon fonctionnement. Plusieurs variantes du distillateur qui vient d'etre decrit, font partie inherente de ['invention. Il peut s'agir d'amenagements particuliers de la pompe a chaleur, de dispositions de ['ensemble bouilleur/condenseur destines a repondre a des applications specifiques: traitement d'effluents divers en vue de leur concentration, du dispositif d'evacuation de la chaleur excedentaire pouvant trouver une application particuliere, etc. En outre le distillateur peut comporter plusieurs etapes successives de vaporisation, la vapeur produite par le premier bouilleur etant utilisee pour chauffer le bouilleur de l'etage suivant. Un tel dispositif a trots etages peut etre utilise avantageusement pour la distillation de l'eau de mer ou d'eaux saumatres diverges. Dans le cas present, la pompe a chaleur, en permettant le choix des temperatures chaude et froide, definit un intervalle de temperatures de ltordre de 60 C suffisant pour le fonctionnement diun distillateur a triple effet, combinant ainsi son eff1cacite intrinseque a celle de la pompe a chaleur. Dans un prototvpe de ['invention, pour un debit de distillation de kg/hr sous un vice de 5 mbar, le condenseur primaire re$oit un debit volumetrique de 145O m3/hr qu'il condense et l'educteur a une capacite extractive de 6m3/hr. La temperature d'evaporation du Freon determine celle de la condensation de distillat et determine ainsi le niveau de vice du distillateur. Le travail de l'educteur est alors grandement facilite: il lui suffit d'extraire les incondensables, c'est-adire les fuites du dispositif. Ceci ntest realisable qu'a condition de pouvoir fonctionner a un niveau de vice suffsamment teas permettant un ecart de temperatures, chaude et froide, compatible avec un fonctionnement optimum de la pompe a chaleur. Ceci peut etre effectivement realise avec un couple condenseur/educteur adequat et un choix de la temperature froide de la pompe a chaleur. REVENDIC:ATIONS 1 - Distillateur d'effluents liquides, aqueux ou organiques en vue de leur regeneration et ou de leur concentration, caracterise en ce qutil comprend d'amont en aval un bouilleur (3), un condenseur primaire (5) couple a un educteur (8) maintenant le niveau de vice obtenu au condenseur (5) et qui rejette les condensate dans un receptacle separateur (7), et une pompe a chaleur (15, 19,20, 21, 22, 24, 25, 12) destinee a assurer la vaporisation du liquide et simultanement sa condensation. 2 - Distillateur selon la revendication 1, caracterise en ce que son dispositif de vice est a deux etages constitues par le condenseur primaire (5) puis l'educteur (8) disposes en eerie. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que le fluide moteur de l'educteur (8) est constitue par une partie du solvent recueilli dans le receptacle retournant a l'educteur par une pompe (10). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterise par un dispositif de recuperation (19) de l'excedent thermique de la pompe a chaleur (15, 19,20, 21, 22, 24, 25, 12) pour des besoins exterieurs tels que le sechage. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterise en ce que le chauffage du bouilleur (3) est effectue par un generateur de vapeur basse pression constitue par un echangeur condenseur