Brevet FR2855170A1 — publié le 20041126

i L' invention concerne un procédé de déshydratation d' éthanol et de flegmes éthanoliques, par distillation azéotropique, en économie d' énergie. Nous rappelons que 1' atelier de distillation azéotropique comprend habituellement deux colonnes, 1' une dite de déshydratation CD, 1' autre dite de régénération CR, et un décanteur D servant à séparer les phases de la masse d' azéotrope extraite de la colonne CD. La phase lourde aqueuse alimente la colonne CR qui sépare l'eau E, extraite en pied, des composants volatils qui sont concentrés en tête et recyclés sur la colonne CD. La déshydratation d'al cool et de flegmes éthanoliques est réputée consommer plus d' énergie que d' autres procédés comme ceux qui mettent en oeuvre les tamis moléculaires ou 10 les membranes de pervaporation. A titre d'exemple si 1' on veut déshydrater des flegmes qui contiennent 7, 54% p d'eau, jusqu' à une teneur inférieure à 2500 ppm: - la mise en oeuvre d' une distillation azéotropique au cyclohexane, avec une colonne CD à 52 plateaux théoriques et une colonne CR à 32 plateaux théoriques nous conduit 15 à une dépense de vapeur de 140 kg si les colonnes sont disposées en simple effet et de kg si les colonnes sont disposées en double effet - la mise en oeuvre de tamis moléculaire conduit à une dépense de vapeur de 55 kg; Ces consommations sont indiquées pour une mise en oeuvre de flegmes hydratés correspondant à un hectolitre d' alcool pur. L' objet de la présente invention est de déshydrater 1' éthanol et les flegmes éthanoliques, par distillation azéotropique, avec une consommation de vapeur qui est comparable, voire inférieure à celle obtenue par 1' emploi des tamis moléculaires. La faible consommation d' énergie recherchée, l'énergie étant principalement fournie 25 sous forme de vapeur au système, est obtenue en associant divers dispositifs, décrits sur la FIG 1: -le premier dispositif consiste à chauffer en système double effet la colonne CR qui travaille sous pression moindre ou sous vide par la colonne CD qui elle fonctionne sous pression. L' énergie de la colonne CD est cédée à la colonne CR par 1' intermédiaire d' un 30 échangeur E2 qui sert à la fois de condenseur pour la colonne CD et de réchauffeur de pied pour la colonne CR. La colonne CD est maintenue en pression stabilisée par le dispositif de contrôle de pression PC1 qui gère le flux de vapeur azéotropique en excès vers le condenseur final E3. La colonne CR est maintenue en pression moindre ou réduite, stabilisée, par le dispositif de 35 contrôle de pression (vide le cas échéant) PC2 le second dispositif consiste à recycler le flux énergétique, non utilisé pour le chauffage de la colonne CR et encore disponible en tête de colonne CD, vers le pied de cette même colonne CD pour participer à son chauffage. Ce recyclage d' énergie se fait par un ensemble de matériels comprenant en fonctions principales: 2 échangeurs 40 El et E4 et un compresseur à jet(s) de vapeur T alimenté en vapeur haute pression Vhp. L' échangeur E1 sert à vaporiser de l'eau sous basse pression, la vapeur ainsi crée est reprise par le compresseur T et est dirigée après mélange avec Vhp vers 1' échangeur E4. Ainsi par ce simple dispositif la vapeur produite sur E1 sert à chauffer la colonne CD par E4, en créant à la condensation des condensats " c ". - le troisième dispositif a pour objet de valoriser le contenu énergétique de ces condensats " c " issus de E4, qui sont très chauds et difficilement réutilisables en 1' état, et consiste en un pot de détente qui permet 1' auto-évaporation de ces condensats qui passent d' une pression élevée à une pression moindre correspondant à celle du pied de colonne CR. Cette auto-évaporation produit une quantité de vapeur qui complète le chauffage de la colonne CR, majoritairement chauffée par la vapeur d'eau produite par 1' échangeur E2. -le quatrième dispositif consiste en réseau d' apport et de mélange d'eau à la masse d'azéotrope condensée, extraite de la colonne CD et qui alimente le décanteur D de séparation des phases. Cet appoint d'eau relargue le tiers corps qui serait encore contenu dans 10 la phase lourde vers la phase légère du décanteur. Les conséquences de ce dispositif sont avantageuses pour le procédé : moins d'eau recyclée par azéotrope ternaire en tête de colonne CR et plus grande facilité de condensation des vapeurs émises par CR. Cet appoint d'eau doit rester malgré tout limité pour ne pas pénaliser le bon fonctionnement de la partie épuisement de la colonne CR. -le cinquième dispositif, habituel, est constitué d' un échangeur R, à surface, de type liquide / liquide, et permet de à réchauffer la matière première entrante hydratée: Ah, par la matière déshydratée Ad. Le compresseur à jet(s) de vapeur, pièce maîtresse du dispositif du recyclage du flux 20 énergétique disponible en tête de colonne CD, peutêtre équipé d' une seule tuyère ou de plusieurs tuyères. Le compresseur équipé de plusieurs tuyères présente un taux de reprise de vapeur basse pression plus important et est de ce fait plus performant. Le choix entre les 2 types de compresseur à jet(s) dépendra du bilan énergétique respectif des colonnes et des caractéristiques de la vapeur Vhp disponible. 25 Comme pour tout système de recyclage thermique il est important de réduire les écarts de température et de pression entre les zones d' émission des flux thermiques et les zones de réception de ces flux thermiques transférés. C' est pourquoi 1' échangeur E2 qui sert à chauffer la colonne CR par la colonne CD et les deux échangeurs E1 et E4 qui servent à 30 recycler les calories de tête de colonne CD vers le pied de cette même colonne sont suffisamment dimensionnés en surface pour définir un écart de température faible, habituellement inférieur à 5 C. Parmi les échangeurs qui présentent ces caractéristiques et une grande facilité d' utilisation, notamment en mise en service, nous retenons les échangeurs de type à flot tombant, pour El, E4 et E2. Les condensats issus du système de recyclage des calories sur la colonne CD et sortant de E4 sont à une température importante habituellement supérieure à 100 C. Leur réutilisation en chaufferie, via la bâche à eau, n'est pas aisée. C' est pourquoi nous proposons de les " épuiser " thermiquement avant de les extraire, en les faisant passer dans un ballon de détente qui alimente en vapeur émise la colonne CR. Cette vapeur secondaire participe au chauffage de la colonne CR, en complément de la vapeur émise par E2 en système double effet. Les condensats " c " issus du ballons de détente sont dirigés dans deux directions: - 1' échangeur El, afin de générer la vapeur basse pression qui sera reprise par le compresseur à jet(s) T, - la chaufferie. L' eau d' appoint fait sur la phase azéotropique extraite de la colonne D est, de manière intéressante, constituée par de 1' eau extraite en pied de colonne CR. Il s' agit d' une fraction d'eau recyclée, sans contenu minéral, de qualité. La fraction mélangée azéotrope et eau d' appoint est dirigée vers le décanteur D. Une autre partie de 1' eau disponible en pied de colonne CR est utilisée pour fournir de 1' eau à échangeur E2, afin qu' il génère la vapeur principale de chauffage de la colonne CR. L' excès d'eau disponible en pied de cette colonne CR correspond à l'eau de déshydratation et est évacué. Nous pouvons indiquer les performances du système, à titre d'exemple dans deux cas 10 d' utilisation, en déshydratation de flegmes éthanoliques contenant 7,54% p d'eau avec un objectif de teneur en eau résiduelle à moins de 2.500 ppm: -dans le premier cas, le compresseur à jet de vapeur utilisé est mono tuyère et la consommation de vapeur Vhp, à 21 ba saturée, est voisine de 55 kg; -dans le second cas, le compresseur comporte 7 tuyères et la consommation de vapeur Vhp, à 15 21 ba saturée, est inférieure ou égale à 50 kg. Ces données correspondent à la mise en oeuvre d' une quantité de flegmes hydratés correspondant à un hectolitre d' alcool pur, le tiers corps étant le cyclohexane. Toujours dans cet exemple la colonne CD comporte 52 plateaux théoriques et la colonne CR 32 plateaux théoriques. Il est également noté que la colonne CD travaille sous pression, voisine de 3 ba, et 20 que 1' effet de pression est bénéfique en augmentant la teneur en eau de 1' azéotrope constitué en tête de colonne. A noter que si l'eau constitutive de 1' alcool hydraté est de qualité suffisante, les échangeurs El et E2 peuvent être regroupés en un seul échangeur, les circuits d'eau " E " et de condensats " c " étant simplifiés, mais le ballon de détente est conservé. 25 Le procédé selon l' invention peut être utilisé dans des circonstances qui sont voisines de celles qui correspondent à la déshydratation azéotropique de 1' éthanol avec un tiers corps: à savoir séparation par distillation de 2 composés, formant un azéotrope binaire, à travers une distillation azéotropique ternaire sur une colonne CD et définissant une seconde colonne d' 30 extraction du composé mineur, colonne CR, moins chauffée que la colonne principale de distillation CD. REVENDICATIONS 1.Procédé de déshydratation d' éthanol et de flegmes éthanoliques, par distillation azéotropique, en économie d'énergie, caractérisé en ce qu' il associe les dispositifs suivants: -une colonne de déshydratation, CD, travaillant sous pression et qui chauffe en système double effet la colonne de régénération de la phase lourde, CR, qui elle 5-- travaille à pression moindre ou sous vide, par 1' intermédiaire d' un échangeur E2 -un système de recyclage du flux énergétique disponible en tête de colonne CD vers le pied de la même colonne, partie du flux énergétique non utilisé pour le réchauffage de la colonne CR, comportant un compresseur à jet(s) de vapeur T, alimenté en vapeur haute pression Vhp et deux échangeurs E 1 et E4, -un dispositif de valorisation des calories contenues dans les condensats de vapeur issus de E4, par récupération de leur chaleur sensible, -un dispositif d' appoint d'eau à la masse d' azéotrope condensée, extraite de la colonne CD et alimentant le décanteur D de séparation des phases, -un échangeur de réchauffage, R, de la matière première hydratée Ah, par la matière 15 sortante déshydratée Ad. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un compresseur à jet de vapeur équipé d' une seule tuyère; 3. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur à jets comportant plusieurs tuyères. 4. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1' échangeur qui sert à chauffer la colonne CR par la colonne CD et les échangeurs qui servent à recycler les calories de tête de colonne CD en chauffage de pied de colonne CD, échangeurs El, E2 et E4, sont conçus pour travailler avec un écart de température faible. 5. Procédé, selon la revendication 4, caractérisé en ce que les échangeurs El, E2 et E4 25 sont de type échangeurs à flot tombant, El et E2 pouvant constituer un appareil unique, si la fraction d'eau extraite E est de qualité suffisante. 6. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les condensats " c " de vapeur d'eau qui sortent de E4 sont détendus dans un ballon qui alimente en vapeur la colonne CR, avant d' être dirigés dans deux directions: 1' échangeur El et la chaufferie. 30 7. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1' appoint d'eau qui est mélangé à la phase azéotropique extraite de la colonne CD, le tout étant dirigé vers le décanteur D, est constitué par une partie de l'eau extraite en pied de colonne CR, 1' autre partie servant à alimenter 1' échangeur E2, 1' excès E étant évacué. 8. Procédé, selon 1' une quelconque des revendications 1 et 2 et 4 à 7, caractérisé en ce 35 qu' il assure une opération de déshydratation de flegmes éthanoliques contenant 7,54 % p d'eau jusqu'à une teneur inférieure à 2.500 ppm, sur un atelier de distillation comportant une colonne CD de 52 plateaux théoriques, une colonne CR de 32 plateaux théoriques, un compresseur à jet de vapeur mono tuyère, avec une consommation de 55 kg de vapeur saturée, Vhp, à 21 ba, pour la mise en oeuvre d' une quantité correspondant à un hectolitre d' alcool 40 pur, le tiers corps étant le cyclohexane. 9. Procédé, selon 1' une quelconque des revendications 1 et 3 et 4 à 7, caractérisé en ce qu' il assure une opération de déshydratation de flegmes éthanoliques contenant 7,54 % p d'eau jusqu'à une teneur inférieure à 2.500 ppm, sur un atelier de distillation comportant une colonne CD de 52 plateaux théoriques, une colonne CR de 32 plateaux théoriques, un compresseur à jets de vapeur à plusieurs tuyères, avec une consommation inférieure ou égale à 50 kg de vapeur d'eau saturée, Vhp, à 21ba, pour la mise en oeuvre d' une quantité correspondant à un hectolitre d' alcool pur, le tiers corps étant le cyclohexane. 10. Procédé, selon 1' une quelconque des revendications 1 à 7, applicable à toute séparation par distillation de 2 composés, formant un azéotrope binaire, à travers une distillation azéotropique ternaire sur une colonne CD et définissant une seconde colonne d'extraction du composé mineur, colonne CR, moins chauffée que la colonne principale de distillation azéotropique CD.