Brevet FR2933312A1 — publié le 20100108

DESCRIPTION L'invention concerne un appareillage destiné à optimiser et fiabiliser le transfert thermique d'un dispositif d'économie utilisant la compression mécanique des vapeurs � CMV � lors des opérations de déshydratation ainsi que les procédés pour sa mise encaivre. Les opérations de déshydratation s'appliquent notamment à des composés volatils, comme l'éthanol, qui contiennent une fraction d'eau à éliminer. Les procédés de déshydratation concernés sont : - la déshydratation par tamis moléculaires - la déshydratation par glycols la déshydratation par perméation Dans ces trois techniques la charge liquide hydratée alimentée en continu est vaporisée et ce composé volatil sort de l'unité de déshydratation, que nous appelons � UD � sous forme de vapeur déshydratée à un niveau de pression plus faible que celui correspondant à l'alimentation. L'écart de pression n'étant pas très élevé, il est possible de réaliser une � boucle thermique � pour réduire la dépense énergétique en utilisant la chaleur latente de condensation du produit déshydraté. Pour ce faire deux dispositifs peuvent être utilisés : - l'un utilisant la thermo- compression de vapeur d'eau générée à la 20 condensation du composé déshydraté vaporisé l'autre utilisant la compression mécanique des vapeurs� CMV � du composé déshydraté pour le porter à un niveau de pression supérieur à celui du même composé vaporisé sous sa forme hydratée. Les technique de thermo ûcompression et de CMV sont décrites notamment 25 pour le dispositif de déshydratation par tamis moléculaire. L'appareillage permettant d'appliquer la technique de thermo ûcompression avec un stato- surpresseur multi tuyères, pour l'application de déshydratation par glycols a fait l'objet d'un dépôt de brevet au Brésil par Pierre-Olivier COGAT Références : N° 020060120217 30 Si les dispositifs d'économie d'énergie pair thermo- compression sont relativement faciles à appliquer du fait que l'excès d'énergie apporté par la vapeur motrice à haute pression est un élément de stabilité, le dispositif d'économie d'énergie par CMV est plus délicat à mettre enauvre. En effet l'excès d'énergie, dans cette hypothèse, est très faible ou nul et dépend de la teneur en eau du 35 composé hydraté alimentant l'installation. Si la stabilité du dispositif n'est pas maîtrisée la déshydratation sera imparfaite et le fonctionnement du compresseur � CM � aléatoire. L'objet de la présente invention est de proposer un appareillage qui permet une mise en service maîtrisée en deux stades principaux : 40 le premier stade assurant le fonctionnement de l'installation en déshydratation, le compresseur � CM � étant arrêté le second stade correspondant au fonctionnement nominal en déshydratation, stable, le compresseur � CM � étant en marche 5 10 15 25 30 35 40 45 L'originalité de l'appareillage réside principalement : dans la conception d'un vaporiseur unique pouvant être alimenté simultanément et de manière contrôlée par deux sources thermiques différentes dans la définition des chaînes de régulation et la position des capteurs qui assurent une stabilité de fonctionnement à l'ensemble. A titre d'exemple, cet appareillage de vaporisation, fonctionnant en continu, est adaptable sans difficulté au procédé de déshydratation par tamis moléculaire fonctionnant de manière alternative du fait de la nécessité de régénérer les résines. Sur les figures : FIGURE 1 et FIGURE 2 nous schématisons l'appareillage selon l'invention, la FIGURE 1 correspondant à l'utilisation de faisceaux tubulaires verticaux et la FIGURE 2 correspondant à l'utilisation de faisceaux tubulaires horizontaux. L'appareillage, selon l'une ou l'autre des figures : FIGURE 1 et FIGURE 2, fait partie d'un dispositif d'économie d'énergie utilisant la compression mécanique des vapeurs et communément appelée � CMV �. Cet appareillage qui est destiné à optimiser et à fiabiliser les transferts thermiques est constitué notamment : - d'un unique échangeur � F � assurant la vaporisation du composé volatil hydraté grâce à deux sections de chauffage, l'une � Fv � alimentée par une source thermique extérieure, l'autre � Fa � par de la vapeur déshydratée dudit composé compressée par le compresseur � CM �, - d'échangeurs, l'un � Er � destiné à pré -chauffer le liquide alimentant l'installation, l'autre � CV � destiné à condenser l'excès de vapeur déshydratée, -des chaînes principales de contrôle ùrégulation : � FC � de débit d'alimentation, � LC � de niveau dans le soubassement de � F �, � PC � de maintien en pression de l'installation. D'un dispositif � Rs � servant à isoler et à connecter l'unité de déshydratation � UD � au substrat hydraté vaporisé. L'échangeur � F � selon une variante de l'invention décrite sur la FIGURE 1 est constitué par deux sections � Fa � et � Fv � superposées, réalisées en faisceaux tubulaires verticaux de type flot tombant, arrosés par un flux commun de liquide à vaporiser, ce liquide étant réparti à l'entrée de chacun des faisceaux par un dispositif de répartition des fluides. L'échangeur � F � selon une seconde variante de l'invention décrite sur la FIGURE 2 est constitué de deux sections � Fa � et � Fv �, superposées, réalisées en faisceaux tubulaires horizontaux arrosés à l'extérieur des tubes par un flux commun de liquide à vaporiser. Dans les deux cas les faisceaux tubulaires � Fa � et � Fv � sont arrosés grâce à une pompe de circulation � pc � prélevant le liquide à partir d'une chambre de rétention � cr �, distincte de la chambre de vaporisation et équipée avec le capteur de détection de niveau de la chaîne de régulation � LC �. Un dispositif � Rs � comportant un réseau de tuyauteries et des vannes manoeuvrables permet d'alimenter l'unité de déshydratation � UD � en substrat vaporisé de manière progressive Selon l'invention, il est également possible d'alimenter en substrat vaporisé l'unité de déshydratation, de manière instantanée, grâce à un dispositif comparable, toujours désigné par � Rs �. L'échangeur Fa, -partie du matériel de vaporisation � F � est calculé pour fonctionner avec un écart de température faible entre la température de vapeur , en phase de condensation, du substrat vaporisé déshydraté compressé et celle du substrat liquide hydraté en cours de vaporisation. Cet écart de température est notamment compris entre 2°C et 5°C. Cette caractéristique, associée à une perte de charge très faible des fluides en 10 phase de condensation et de vaporisation, contribue à l'optimisation énergétique du dispositif de compression mécanique des vapeurs � CMV �. Le fonctionnement de l'installation comprend trois phases de mise enoatvre de l'appareillage : le démarrage, la marche en compression mécanique et l'arrêt. 15 Le démarrage de l'installation comprend les étapes successives suivantes : -mise en service des utilités nécessaires au fonctionnement : eau de refroidissement, source d'énergie extérieures... 20 -vaporisation d'un flux continu de substrat liquide hydraté par la mise en service de la pompe de circulation � pc � et du vaporiseur section � Fv � alimenté en continu par la chaîne de régulation de débit � FC �, le niveau de liquide dans la capacité de rétention � cr � étant maintenu constant par la chaîne de régulation � LC � qui assure l'apport de calories nécessaire, 25 -condensation simultanée de la vapeur émise sur le condenseur � CV � et pré - chauffage du substrat liquide alimentant le dispositif par le substrat liquide chaud évacué du dispositif, à travers l'échangeur � Er �, le substrat liquide non déshydraté étant recyclé dans le bac d'alimentation � BA �, -mise en pression progressive du réseau de substrat vaporisé à la valeur 30 souhaitée par la chaîne de régulation � PC �, et réglage de la température de surchauffe par le surchauffeur � s �, - transfert du substrat vaporisé vers l'unité de déshydratation � UD � par le dispositif � Rs � - paramétrage de l'unité de déshydratation � UD � jusqu'à ce que le substrat 35 vaporisé sorte déshydraté et transfert du liquide condensé sur � Cv � et refroidi par � Er � vers le stockage de produit fini � BF �. La phase de marche en compression mécanique des vapeurs sur l'installation comprend les étapes successives suivantes : 40 -mise en service, à son régime de débit minimal, du compresseur mécanique � CM � qui réalise la boucle thermique, en transférant la vapeur de substrat déshydraté vers la section d'échangeur � Fa �, cette opération ayant pour conséquence de commencer à réduire l'apport d'énergie extérieure appelé par � LC �, 45 -montée en débit du compresseur � CM � par paliers jusqu'à ce que le débit de vapeur du composé déshydraté condensé dirigé vers � Cv � corresponde à 5 15 20 25 l'objectif recherché de flux minimal permettant un fonctionnement correct de la chaîne de régulation de pression � PC �, -stabilisation de l'installation au régime nominal réalisée grâce aux automatismes de contrôle de débit � FC �, de niveau � LC � et de contrôle de pression � PC � qui réagissent sans phénomène d'inertie aux écarts détectés sur les capteurs, les deux sections du vaporiseur � Fa � et � Fv � étant alimentées et maintenues à la même température par l'unique flot liquide à l'ébullition, transféré par la pompe de circulation � pc � à partir de la capacité de rétention � cr � d'un volume adapté. La phase d'arrêt de l'installation comprend les étapes successives suivantes : découplage de l'unité de déshydratation � UD � par le dispositif � Rs � et transfert du substrat non déshydraté vers le bac d'alimentation � BA � arrêt du compresseur mécanique � CM �, selon la procédure requise pour le matériel choisi, suivi de l'arrêt de l'alimentation en substrat hydraté par la chaîne de régulation de débit � FC �, ce qui a pour conséquence d'arrêter le chauffage piloté par la chaîne de régulation de niveau � LC �, arrêt des dispositifs de transfert et des utilités. La première finalité de la présente invention : appareillage et procédés d'utilisation de l'appareillage est de réduire notablement la consommation énergétique des unité des unités de déshydratation � UD �, équipées d'un dispositif d'économie d'énergie par compression mécanique des vapeurs et utilisant les procédés de perméation, de tamis moléculaires et d'absorption par les glycols. La seconde finalité est de fiabiliser les séquences de démarrage, de marche en compression mécanique et d'arrêt de l'installation. REVENDICATIONS1- L'Appareillage, partie d'un dispositif d'économie d'énergie utilisant la compression mécanique des vapeurs : � CMV �, destiné à optimiser et fiabiliser les transferts thermiques, est constitué notamment : -d'un unique échangeur � F � assurant la vaporisation du composé volatil hydraté grâce à deux sections de chauffage, l'une � Fv � alimentée par une source thermique extérieure, l'autre � Fa � par de la vapeur déshydratée dudit composé compressée par le compresseur CM. -d'échangeurs, l'un � Er� destiné à pré- chauffer le liquide alimentant l'installation, l'autre � Cv � destiné à condenser l'excès de vapeur déshydratée -des'chaînes principales de contrôle -régulation : � FC � de débit d'alimentation, � LC � de niveau dans le soubassement de � F �, � PC � de maintien en pression de l'installation, -d'un dispositif � Rs � servant à isoler et à connecter l'unité de déshydratation � UD � au substrat hydraté vaporisé. 2- Appareillage selon la Revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur � F � est constitué par deux sections � Fa � et � Fv � superposées, réalisées en faisceaux tubulaires verticaux de type flot tombant, arrosés par un flux commun de liquide à vaporiser, ce liquide étant réparti à l'entrée de chacun des faisceaux par un dispositif de répartition des fluides. 3- Appareillage selon la Revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur � F � est constitué de deux sections � Fa � et � Fv �, superposées, réalisées en faisceaux tubulaires horizontaux arrosés à l'extérieur des tubes par un flux commun de liquide à vaporiser. 4- Appareillage selon les Revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les faisceaux tubulaires � Fa � et � Fv � sont arrosés par une pompe de circulation du liquide � pc � à partir d'une capacité de rétention � cr � distincte de la chambre de vaporisation et équipée avec le capteur de détection de niveau de la chaîne de régulation � LC �. 5- Appareillage selon la Revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif 30 � Rs � permet d'alimenter l'unité de déshydratation � UD � en substrat vaporisé de manière progressive. 6- Appareillage selon la Revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif � Rs � permet d'alimenter l'unité de déshydratation � UD � en substrat vaporisé de manière instantanée. 35 7- Appareillage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'échangeur � Fa �, partie du matériel de vaporisation � F �, est calculé pour fonctionner avec un écart de température faible entre la température de vapeur, en phase de condensation, du substrat vaporisé déshydraté compressé et celle du substrat liquide hydraté en cours de vaporisation, écart de 40 température notamment compris entre 2°C et 5°C. 8- Procédé pour la mise en oeuvre de l'appareillage défini selon les Revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le démarrage de l'installation comprend les étapes successives suivantes : -mise en service des utilités nécessaires au fonctionnement : eau de 45 refroidissement, électricité, sources d'énergie extérieures... 5 •l0 15 20 25 35 40 45-vaporisation d'un flux continu de substrat liquide hydraté par la mise en service de la pompe de circulation � pc � et du vaporiseur section � Fv � alimenté en continu par la chaîne de régulation � FC �, le niveau de liquide dans la capacité de rétention � cr � étant maintenu constant par la chaîne de régulation � LC � qui assure le chauffage nécessaire. -condensation simultanée de la vapeur émise sur le condenseur � Cv � et préchauffage du substrat liquide alimentant le dispositif par le substrat liquide chaud évacué du dispositif, à travers l'échangeur � Er �, le substrat liquide non déshydraté étant recyclé dans le bac d'alimentation � BA � -mise en pression progressive du réseau de substrat vaporisé à la valeur souhaitée par la chaîne de régulation � PC �, et réglage de la température de surchauffe souhaitée par le surchauffeur � s �, -transfert du substrat vaporisé vers l'unité de déshydratation � UD � par le dispositif � Rs � -paramétrage de l'unité de déshydratation � UD � jusqu'à ce que le substrat vaporisé sorte déshydraté et transfert du liquide condensé sur � Cv � et refroidi par � Er � vers le stockage de produit fini � BF � 9- Procédé pour la mise en oeuvre de l'appareillage, selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la phase de marche en compression mécanique des vapeurs sur l'installation comprend les étapes successives : -mise en service, à son régime de débit minimal, du compresseur mécanique � CM � qui réalise la boucle thermique, en transférant la vapeur de substrat déshydraté vers la section d'échangeur � Fa �, cette opération ayant pour conséquence de commencer à réduire l'apport d'énergie extérieure appelé par � LC �, - montée en débit du compresseur � CM � par paliers jusqu'à ce que le débit de vapeur du composé déshydraté condensé dirigé vers � Cv � corresponde à l'objectif recherché de flux minimal permettant un fonctionnement correct de la chaîne de régulation de pression � PC � - stabilisation de I'installation au régime nominal réalisée grâce aux automatismes de contrôle de débit � FC �, de niveau � LC � et de contrôle de pression � PC � qui réagissent sans phénomène d'inertie aux écarts détectés sur les capteurs, les deux sections du vaporiseur � Fa � et � Fv � étant alimentées et maintenues à la même température par l'unique flot liquide à l'ébullition, transféré par la pompe de circulation � pc � à partir de la capacité de rétention � cr � d'un volume adapté. 10-Procédé pour la mise en oeuvre de l'appareillage, selon les Revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'arrêt de l'installation comprend les étapes successives suivantes : -découplage de l'unité de déshydratation � UD � par � Rs � et transfert du substrat non déshydraté vers le bac d'alimentation � BA � -arrêt du compresseur mécanique � CM �, selon la procédure requise pour le matériel choisi, suivi de l'arrêt de l'alimentation en substrat hydraté par la chaîne de régulation � FC �, ce qui a pour conséquence d'arrêter le chauffage piloté par � LC �, -arrêt des dispositifs de transfert et des utilités_