Brevet FR2847485A1 — publié le 20040528

L'invention est relative à un procédé de séparation par évaporation (séparation d'un mélange liquide ou séchage d'un solide) pouvant être développé à des fins domestiques et pour l'industrie. Elle propose de réaliser l'opération de séparation de manière économique d'un point de vue énergétique et dans des conditions opératoires de pression et de température maîtrisées, avec du matériel de dimensions réduites au regard du service. Ce procédé peut être appliqué en particulier dans le domaine domestique au séchage du textile, dans le domaine pétrolier, chimique ou pharmaceutique à la séparation (ou concentration) de mélange ou encore dans le domaine agroalimentaire au séchage d'aliments. Une application parlante et simple d'une séparation par évaporation est la machine à sécher le linge. Il existe plusieurs type de sèche-linge, le plus simple étant le sèche-linge par évacuation (Figure 1), il présente l'inconvénient de dissiper dans l'environnement la totalité de l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau et au chauffage de l'air. Afin de rendre l'opération plus économique, outre l'utilisation d'énergie peu onéreuse (fioul, gaz...), des procédés de séchage par recyclage partiel (Figure 2), par préchauffage (Figure 3) ou par condensation (Figure 4) ont été développés. L'économie d'énergie s'est cependant avérée modeste (inférieure en général à 10%) du fait, entre autres, de l'allongement du temps nécessaire à l'opération de séchage. Des systèmes additionnels ont également été développés tels que les pompes à chaleur (Figure 5), mais dans ce cas l'investissement est important et ne parvient pas à recouvrir l'économie d'énergie réalisée. Enfin on rencontre des sécheurs avec récupération d'énergie par compression des vapeurs d'évaporation. Ces sécheurs présentent généralement (Figure 6) une chambre (repère 1) hermétique depuis laquelle un compresseur (ou une pompe à vide, repère 2) aspire les vapeurs de la séparation, ces vapeurs comprimées sont condensées (échangeur de chaleur, repère 3) et la partie non condensée est, soit évacuée vers l'extérieur, soit renvoyée dans la chambre. La chaleur de condensation est directement récupérée par le mélange à séparer (brevets n'US005987770A ou US005459945A), ou récupérer par les vapeurs d'évaporations surchauffées (brevet n'FR2785372, tel que sur la figure) ou bien encore donnée à un fluide caloporteur qui finira par la céder à la chambre (brevet n'US006112426A). Quand la vapeur comprimée et non condensée est évacuée vers l'extérieur, ces systèmes fonctionnent à une pression dans la chambre égale à la tension de vapeur du composé liquide (l'eau pour le sèche-linge) à séparer du mélange. En effet l'atmosphère dans la chambre est exclusivement constituée du composé évaporé (de la vapeur d'eau par exemple). Ainsi la pression opératoire de séparation n'est pas libre (elle s'aligne à la tension de vapeur du composé). Lorsque la vapeur comprimée et non condensée est renvoyée dans la chambre, la température de celle-ci augmente sans maîtrise puisque de l'énergie de compression est apportée au système en permanence et donc de la chaleur, sans qu'en compensation il lui en soit retiré. -2 Du fait que la pression ou la température de ces systèmes ne soit pas librement fixée, les capacités (débit, taux de compression) et la puissance mécanique du compresseur sont importantes. Dès lors ces sécheurs ont un cot élevé et consomment beaucoup d'énergie. Cet exemple du sèche-linge est représentatif de la difficulté de concevoir un procédé de séparation par évaporation qui maîtrise les conditions opératoires. Un premier objet de l'invention est donc de suggérer un procédé qui réalise l'opération de séparation dans des conditions opératoires de pression et de température libres (mais fixées) afin de minimiser la consommation énergétique en fonction de la nature du ou des composés à séparer. Un autre objet important de l'invention est de réaliser l'opération de séparation de manière efficace avec des équipements de dimensions modestes par rapport à l'art actuel et donc de réduire le cot de l'appareil ou du système. La Figure 7 représente la mise en oeuvre générale du procédé de l'invention à partir de laquelle un Homme de l'Art est capable de concevoir des réalisations fonctionnelles et conceptuelles. Les Figures 8, 9 et 12 proposent des réalisations fonctionnelles pour le séchage de solides et la séparation de mélanges liquides. Les Figures 10 et 11 proposent des réalisations conceptuelles pour une application particulière. La philosophie générale de l'invention est représentée par le schéma blocs de la Figure 7. Le procédé consiste à utiliser un Gaz pour créer une atmosphère dans l'enceinte de séparation qui soit à la fois favorable à l'évaporation des composés que l'on souhaite séparer, à leur extraction de l'enceinte et à la récupération de l'énergie contenue dans les vapeurs des composés. Ainsi le procédé selon l'invention comporte une chambre dans laquelle est réalisée la séparation (par évaporation) d'un mélange liquide ou la séparation d'un mélange liquide/solide. Un Gaz (de l'air ou de l'azote par exemple) provenant de l'extérieur pénètre dans la chambre et se charge du ou des composés évaporés à séparer. Ce mélange vapeur (Gaz + composés) est comprimé puis condensé. La partie de cette vapeur comprimée et qui ne s'est pas condensée est évacuée vers l'extérieur du procédé. Le Gaz introduit dans la chambre, provenant d'une source extérieure, peut être préchauffé au moyen de cette vapeur non condensée (non représenté sur la figure) évacuée vers l'extérieur et/ou au moyen des condensâts. La chaleur récupérée lors de la condensation est réutilisée par la chambre pour provoquer l'évaporation du ou des composés. Cette chaleur peut être reçue directement par le mélange à -3 séparer, ou bien véhiculée jusqu'à la chambre par la vapeur (Gaz + composés évaporés), par ledit Gaz, ou encore par un fluide extérieur selon les commodités. On distingue donc 2 circuits dans le procédé: - le circuit de compression qui a pour triple fonction d'entraîner vers l'extérieur de la chambre les composés à séparer par l'intermédiaire du Gaz, d'extraire par condensation ledit Gaz des composés et enfin d'établir le niveau de pression désiré dans la chambre. - Le circuit de récupération d'énergie qui a pour fonction principale de récupérer la chaleur de la condensation des composés et de renvoyer cette chaleur dans la chambre. La vapeur non condensée peut être recyclée (renvoyée) en partie ou en totalité dans la chambre. Lorsqu'elle est recyclée en totalité, naturellement il n'y a pas d'apport extérieur de Gaz (c'est cette vapeur non condensée qui constitue ledit Gaz) et un système extérieur d'évacuation de chaleur, dont la position est libre dans le procédé, est nécessaire pour maintenir la température. Un apport extérieur de chaleur peut être rajouté, positionné librement dans le procédé de telles manière qu'in fine la chaleur se retrouve dans la chambre. Les pressions dans la chambre et au refoulement du compresseur sont maintenues à un niveau choisi en provoquant des pertes de charge à l'entrée de la chambre et au refoulement du compresseur. La température est régulée par l'entrée du Gaz frais extérieur et/ou par la part du Gaz recyclé, et/ou encore par la chaleur évacuée ou fournie au procédé. Ainsi ce procédé réalise la séparation à une pression déterminée par le concepteur (par les réglages des organes déprimogènes) et qui est supérieure à la tension de vapeur du ou des composés à séparer du mélange. Le choix de cette pression opératoire se fait au regard de la nature du ou des composés et de la température de travail souhaitée pour favoriser la séparation, mais aussi de son impact sur les dimensions des équipements et sur leur consommation énergétique afin d'optimiser les cots d'investissement et d'exploitation. Il peut aussi être intéressant de prévoir une pompe à vide pour opérer à de faibles pressions, dans ce cas il est préférable de procéder à un recyclage total du Gaz. La pompe à vide est positionnée préférentiellement après le condenseur (la pompe aspire donc la vapeur non condensée) et refoule à l'atmosphère. Toutefois son fonctionnement est maîtrisé, la présence dudit Gaz dans la chambre en quantité suffisante est indispensable pour opérer à une pression supérieure à la tension de vapeur des composés à séparer, ce qui est un atout de la présente méthode. Enfin l'entrée du Gaz dans la chambre peut se faire indirectement par une entrée ailleurs dans le procédé, tout comme la sortie du Gaz peut se faire par l'intermédiaire de l'évacuation de vapeur (Gaz + composés). -4 Remarque: en pratique, lors de la condensation de la vapeur comprimée, les composés ne se condensent pas en totalité, ledit Gaz renvoyé (recyclé) dans la chambre (ou évacué vers l'extérieur), contient donc les composés non condensés, en général en faible quantité. Cependant pour éviter des confusions, ces composés non condensés sont ignorés et la vapeur comprimée et non condensée est donc appelée Gaz (ou bien appelée vapeur non condensée) pour la distinguer de la vapeur sortant de la chambre. Suivant la description ci-dessus de la mise en oeuvre générale de l'invention, les Figures 8 et 9 donnent deux exemples non limitatifs de réalisations fonctionnelles en appliquant l'invention au séchage du textile, de la nourriture ou de matériaux solides. La Figure 8 applique l'invention sur un système ouvert de séchage en utilisant de l'air frais extérieur. La matière à sécher est située dans une chambre (enceinte, repère 1), de l'air extérieur pénètre dans la chambre et se charge en humidité, une partie de cet air humide est comprimée (compresseur ou équivalent, repère 2) et refroidie (échangeur de chaleur ou équivalent, repère 3) ce qui provoque la condensation de l'eau. Le fluide de refroidissement de l'échangeur est également l'air humide de la chambre de séchage (véhiculé par ventilation, turbine, repère 5) qui, réchauffé et réintroduit dans la chambre assure l'apport de chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau. Ce circuit récupère la chaleur de condensation et a aussi pour fonction de provoquer de la turbulence dans la chambre, d'améliorer le contact entre l'air et la matière à sécher et de maintenir ainsi la chambre à l'état saturé en humidité sans que celle-ci soit nécessairement en mouvement (en rotation pour un sèche-linge). L'eau condensée dans l'échangeur est récupérée (bac de séparation liquide/vapeur indépendant ou solidaire de l'échangeur, repère 4) et les vapeurs non condensés sont évacuées vers l'extérieur après être passées au travers d'un préchauffeur (échangeur de chaleur avec l'air entrant, repère 12) ce qui provoque encore de la condensation. L'autre fluide du préchauffeur est l'air ambiant entrant dans la chambre qui est ainsi préchauffé. Bien entendu, ici l'air joue le rôle du Gaz décrit ci-dessus. Les accessoires repérés 6 sont des organes déprimogènes (soupapes, orifices, détendeurs...) qui maintiennent les circuits (repère 9) et les équipements à une pression choisie en provoquant des pertes de charge. Un moyen extérieur de chauffage (résistances chauffantes par exemple, repère 7) apporte au besoin de l'énergie à la chambre. Le préchauffeur n'est pas indispensable et l'air peut être introduit directement ou indirectement dans la chambre. Une partie des vapeurs non condensées peut être recyclée dans la chambre venant en complément ou en substitution de l'air ambiant entrant. L'introduction d'air frais ambiant peut également servir à réguler la température de la chambre. -5 Dans une autre version, l'air évacué provient du circuit de la turbine (à la place de l'air du circuit du compresseur) sous forme d'air humide. Naturellement les organes déprimogènes sur l'entrée et sur la sortie de l'air ne sont utiles que si les circuits sont à une pression différente de celle de l'air ambiant. La Figure 9 applique la même philosophie de séchage sur un circuit fermé. L'air comprimé et non condensé est renvoyé (recyclé) dans la chambre. Un moyen de refroidissement est prévu tel qu'un aéroréfrigérant (échangeur de chaleur, repère 13) par exemple. L'organe déprimogène représenté sur le bac de séparation a pour fonction d'évacuer de l'air (en particulier au démarrage) et de maintenir la pression. Il est également possible avec ce système d'opérer au refoulement du compresseur à une pression plus faible que celle de l'atmosphère sans pompe à vide, pour cela il faut ôter suffisamment d'air au système à l'aide du compresseur. L'astuce consiste à maintenir l'organe déprimogène totalement fermé (ou bien rajouter une vanne s'il ne peut pas se fermer) au démarrage pendant quelques instants. Une partie de l'air initialement contenue dans le système est ainsi évacué par la soupape du bac de séparation (qui peut être positionn&ailleurs entre le compresseur et l'organe maintenu fermé), cette opération favorisera la séparation et diminuera la consommation énergétique du compresseur. Suivant la description ci-dessus de la mise en oeuvre générale de l'invention, les Figures 10 et 11 donnent deux exemples non limitatifs de réalisations conceptuelles en appliquant l'invention au séchage du textile. La Figure 10 représente un sèche-linge à tambour qui fonctionne entre la pression atmosphérique et une pression inférieure à la pression atmosphérique avec préchauffage de l'air entrant. La Figure 11 représente un sèche-linge à tambour qui fonctionne entre la pression atmosphérique et une pression inférieure à la pression atmosphérique avec évacuation d'énergie et recyclage partiel (ou total) de l'air. Ainsi l'air humide sortant du tambour (chambre) est filtré (filtre, repère 8) et entraîné par une soufflante (turbine ou hélice). Le circuit (canalisation) de l'air est réalisé par la charpente même du corps (repère 10) du sèche-linge. Une partie de cet air humide est comprimée, envoyée dans un condenseur (échangeur de chaleur) et condensée. L'autre partie pénètre de l'autre coté du condenseur et se réchauffe, puis elle est renvoyée dans le tambour du sèche-linge après avoir été éventuellement à nouveau chauffée par passage à travers des résistances chauffantes. Ces résistances chauffantes peuvent être utilisées en particulier au démarrage pour élever rapidement la température du sèche- linge. L'eau condensée provenant du refroidissement de l'air humide comprimé est récupérée dans un bac (séparateur liquide/vapeur), la partie de l'air comprimé et qui ne s'est pas condensée traverse ensuite un échangeur (pour préchauffer l'air entrant selon la Figure et pour évacuer l'excès de chaleur selon la Figure 11), ce refroidissement (facultatif) provoque à -7 air par exemple) de nature différente de celles des composés à séparer et constitue ledit Gaz de l'invention. Afin d'atteindre un régime stable en température, un moyen de refroidissement est à prévoir (aéroréfrigérant, échangeur, repère 13) situé en tête de colonne avant le compresseur (avec un séparateur liquide/gaz dans ce cas, en pointillé sur la figure) ou après le compresseur. La présence du compresseur permet de descendre en pression dans la chambre ce qui favorise la séparation. La régulation des pressions et du niveau (dans le séparateur liquide/vapeur) est classiquement assurée par des vannes (organes déprimogènes) et un circuit extérieur dudit Gaz, d'azote, d'air ou de gaz combustible (en raffinerie de pétrole) pressurisé et un réseau de torche non représentés sur la figure. -8 Revendications 1 - Un procédé de séparation caractérisé par le fait qu'il procède au moins aux opérations suivantes: - à une séparation dans une chambre (repère 1) conduisant à l'évaporation d'un ou de plusieurs composés, à la traversée de ladite chambre par un Gaz qui se mélange au(x) composé(s) évaporé(s), à la compression (repère 2) de la phase vapeur provenant de la chambre et constituée par le mélange Gaz + composé(s), - à la condensation (repère 3) par refroidissement de cette vapeur comprimée, - à la séparation liquide/vapeur (repère 4) des produits de ladite condensation, - à la récupération et au renvoi dans la chambre de la chaleur issue de ladite condensation. 2 - Un procédé de séparation caractérisé par le fait qu'il procède au moins aux opérations suivantes: - à une séparation dans une chambre (repère 1) conduisant à l'évaporation d'un ou de plusieurs composés, - à l'introduction directement ou indirectement dans ladite chambre d'un Gaz qui se mélange au(x) composé(s) évaporé(s), - à la compression (repère 2) de la phase vapeur provenant de la chambre et constituée par le mélange Gaz + composé(s), - à la condensation (repère 3) par refroidissement de cette vapeur comprimée, - à la séparation liquide/vapeur (repère 4) des produits de ladite condensation, - à l'évacuation dudit Gaz directement par l'intermédiaire de la vapeur non condensée issue de la séparation liquide/vapeur ou indirectement par l'intermédiaire de la vapeur provenant de la chambre, - à la récupération et au renvoi dans la chambre de la chaleur issue de ladite condensation. 3 - Un procédé de séparation caractérisé par le fait qu'il procède au moins aux opérations suivantes: - à une séparation dans une chambre (repère 1) conduisant à l'évaporation d'un ou de plusieurs composés, - à la traversée de ladite chambre par un Gaz qui se mélange au(x) composé(s) évaporé(s), - à la compression (repère 2) de la phase vapeur provenant de la chambre et constituée par le mélange Gaz + composé(s), - à la condensation (repère 3) par refroidissement de cette vapeur comprimée, -9 - à la séparation liquide/vapeur (repère 4) des produits de ladite condensation, - à la récupération de la chaleur issue de ladite condensation. - à la réutilisation en partie ou en totalité de cette chaleur pour un usage externe au procédé, l'autre partie étant renvoyé dans la chambre. 4 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la vapeur de la chambre est utilisée pour récupérer la chaleur issue de ladite condensation et la renvoyer dans la chambre. 5 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la chaleur issue de ladite condensation est récupérée par la phase liquide de la chambre. 6 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit Gaz est préchauffé (repère 12) par la phase vapeur issue de la séparation liquide/vapeur avant de traverser la chambre. 7 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la phase vapeur issue de la séparation liquide/vapeur est renvoyée en partie ou en totalité dans la chambre constituant ainsi en partie ou en totalité ledit Gaz. 8 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen externe de chauffage (repère 7) capable d'apporter directement ou indirectement de la chaleur à la chambre. 9 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen externe de refroidissement (repère 13) capable d'ôter directement ou indirectement de la chaleur à la chambre. - Un procédé selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen de création de vide tel qu'une pompe à vide positionné préférentiellement sur le circuit de refoulement du compresseur, il refoule vers l'atmosphère. 11 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte des organes déprimogènes (repère 6), équivalents à des orifices, des vannes ou des soupapes, capables de tenir les équipements du procédé et le circuit de refoulement du compresseur aux pressions souhaitées. - 10 12 - Un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la chaleur de ladite condensation est récupérée et renvoyée dans la chambre par l'intermédiaire d'un fluide extérieur qui circule en circuit fermé. Ce fluide se réchauffe par récupération de la chaleur de condensation de la vapeur comprimée puis il cède cette chaleur à la chambre et se refroidit. Il est ensuite à nouveau utilisé pour refroidir la vapeur comprimée.