Brevet FR2941629A1 — publié le 20100806

DISPOSITIF DE DISTILLATION AVEC RECUPERATION DE CHALEUR La présente invention concerne un dispositif de distillation avec récupération de chaleur. Un tel dispositif permet, à l'aide de peu d'apport d'énergie externe, de séparer d'un fluide des fluides par évaporation dont le seuil est légèrement supérieur à son point de vaporisation, produisant une condensation après refroidissement (condensat), tout en laissant le fluide (résidu) dont le point de vaporisation est plus élevé. On connaît des dispositifs de distillation qui demandent un apport important d'énergie externe pour permettre la vaporisation ou la gazéification du fluide dont le point de vaporisation est le plus bas. La présente invention a pour but de réduire l'apport d'énergie externe ainsi que l'énergie motrice (mécanique) permettant la distillation. En effet, l'énergie devenant de plus en plus rare et onéreuse, il est important d'obtenir une distillation avec moins d'énergie. Le principe de montage du dispositif permet une libre dilatation de l'ensemble, évitant les contraintes mécaniques qui seraient susceptibles de détériorer les matériaux composant le dispositif, et laisse se mouvoir librement chaque élément constituant le dispositif. La fabrication du dispositif est conçue de manière à le fabriquer avec des matériaux courants du commerce, évitant particulièrement les pièces usinées, avec un montage et démontage très simplifiés, ce qui permet une construction et un entretien avec des prix de revient extrêmement bas. Quelques valeurs standard résultant d'un fonctionnement du dispositif en régime permanent pour une distillation de 100 % d'eau de mer, produisant 90 % de condensat (d'eau pure) et 10 % de résidu (saumure), pour : un kilogramme de fuel avec un PCI moyen de 11 300 W/kg et un rendement thermique de 80 %, il pourra traiter environ 236 kg d'eau de mer et donnera : 212 kg d'eau pure et 24 kg de résidus (saumure). un kilogramme de bois avec un PCI moyen de 5 000 W/kg, et un rendement thermique de 70 %, il pourra traiter environ 92 kg d'eau de mer et donnera 83 kg d'eau pure et 9 kg de résidus (saumure). un panneau solaire, son résultat dépendra de sa surface en exposition et de son installation géographique. Le volume du fluide à traiter n'est pas restrictif, il peut être de quelques litres par jour à plusieurs mètres cubes par jour. Le dimensionnement du dispositif sera proportionnel à la quantité du fluide à traiter, ainsi qu'au besoin thermique pour réaliser la modification. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de distillation avec une économie d'énergie calorique et motrice. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois tubes : un tube dans lequel le fluide à traiter circule pour se réchauffer de bas en haut (tube pour fluide à traiter) ; un tube dans lequel le fluide chaud, qui se refroidit pour constituer le résidu, circule de haut en bas (tube pour fluide à résidu) ; un tube dans lequel le fluide vaporisé, qui se refroidit pour constituer le condensat, circule de haut en bas (tube pour fluide à condensat) ; une source d'énergie placée à la partie supérieure du tube pour fluide à résidu permettant de chauffer le fluide en traitement et de le maintenir à une température légèrement supérieure à la température de vaporisation du fluide à traiter ; un condenseur situé en partie haute du tube pour fluide à condensat permettant la condensation ; le tube pour fluide à résidu et le tube pour fluide à traiter échangeant la chaleur pour chauffer le fluide à traiter jusqu'à une température proche de la vaporisation du fluide à traiter tout en refroidissant le fluide à résidu, le tube pour fluide à condensat et le tube pour fluide à traiter échangeant la chaleur pour chauffer jusqu'à une température proche de la vaporisation du fluide à traiter tout en refroidissant le fluide condensat. Ainsi, selon l'invention, le fluide à traiter ayant une circulation ascendante, dû à un stockage au dessus, est réchauffé par le fluide destiné à former le résidu et par le fluide destiné à former le condensat qui ont une circulation descendante. L'énergie est ainsi récupérée au maximum pour réchauffer le fluide à traiter. L'énergie à fournir pour parvenir au point de vaporisation est importante quand le procédé de traitement du fluide est à son point de départ, mais diminue fortement quand le procédé est en fonctionnement. Le tube pour fluide à traiter, le tube pour fluide à condensat et le tube pour fluide à résidu peuvent être des tubes installés concentriquement, ayant une différence de niveau entre l'entrée du fluide à traiter et la partie supérieur du bac réchauffeur. Selon un autre mode de réalisation, les tubes peuvent être associés par paires, un tube étant pour fluide à traiter associé à un tube pour fluide à résidu ou à un tube pour fluide à condensat, soit par une multitudes de tubes en duo ou en trio. La source d'énergie permet deux allures de chauffe : une première allure pour faire parvenir le fluide à traiter au point de vaporisation ainsi que la mise en température l'ensemble du dispositif et une deuxième allure de chauffe, pour maintenir l'évaporation, compensant les déperditions et la différence entre la température de l'entrée du fluide à traiter et les températures de sortie du fluide à condensat et du fluide à résidu. La source d'énergie peut être un élément chauffant ayant deux allures de chauffe ou deux éléments chauffant ayant des allures de chauffe différentes. Le réservoir du fluide à traiter est situé plus haut que l'ensemble formé par les tubes et une conduite d'amenée du fluide débouchant au bas du tube pour fluide à traiter permet la circulation de bas en haut du fluide à traiter dans le tube pour fluide à traiter. Ainsi, le but de la présente invention est d'économiser, de récupérer pour la recycler l'énergie thermique nécessaire pour séparer les fluides de point d'ébullition différents. On récupère l'énergie du fluide constituant le condensat en transférant sa chaleur au fluide à traiter par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur à contre-courant qui sont de préférence des tubes cylindriques ou autres à profils polygonales de sections différentes emboîtés les uns dans les autres. L'économie calorifique réalisée est d'autant plus importante que la différence de température est voisine de zéro entre le fluide à traiter entrant et le condensât sortant ainsi que le résidu sortant. De plus on prévoit donc une isolation thermique complète et efficace de l'ensemble du dispositif, diminuant les pertes de chaleur par déperdition et conduction ; Le dispositif, en régime de fonctionnement, recycle la chaleur en circuit fermé. L'énergie nécessaire au fonctionnement du dispositif compense les pertes énergétiques dues aux déperditions par rayonnement, convection, aux transferts par conduction, à l'entropie du dispositif, et aux différences de température entre l'entrée du fluide à traiter et la sortie du condensat ainsi que du résidu. La description suivante en regard de la figure annexée permettra de mieux comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; et La figure 2 représente un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Les références des figures qui représentent les mêmes organes sont identiques sur les figures 1 et 2. Ces références désignent : 1 : réservoir du fluide à traiter 2 : régulateur de niveau du fluide à traiter 3 : ligne de niveau du fluide à traiter 4 : conduite d'entrée du fluide à traiter : tube pour fluide à traiter 6 : bac alimentaire 7 : bac réchauffeur 8 : condenseur 9 : tube pour fluide à condensat : conduite de sortie du condensat 11 : tube pour fluide à résidu 12 : régulateur de débit du résidu 13 : conduite de sortie du résidu 14 : tube de mise à l'air libre : élément chauffant 16 : alimentation de l'élément chauffant 17 : filtre de gouttelettes 18 : régulateur thermique haut 19 : régulateur thermique bas : isolation thermique Comme on le voit sur les figures, le réservoir 1 est placé au-dessus du dispositif pour l'alimenter et créer une pression hydraulique suffisante pour compenser les pertes de charges du dispositif. On peut placer un dispositif de décantation et de filtration en amont ou dans le réservoir 5 avant le régulateur de niveau 2. Le régulateur de niveau 2 est placé dans le plan du niveau du bac d'alimentaire 6 et comprend un sectionnement d'alimentation qui peut être à pointeau, à boisseau, à clapet, etc. et actionné par un flotteur ou autre, qui permet l'ouverture ou la fermeture de la conduite d'entrée 4 du fluide à 10 traiter afin de maintenir une ligne de niveau 3 constante dans le bac alimentaire 6 et le bac réchauffeur 7. La ligne de niveau 3 est maintenue entre le régulateur de niveau 2 et correspond à la hauteur du fluide dans le bac alimentaire 6 et le bac réchauffeur 7. La conduite d'entrée du fluide à traiter 4 a un diamètre suffisant pour réduire au maximum les pertes de charge et elle véhicule le fluide à traiter. Elle raccorde le régulateur de niveau au pied du tube pour fluide à traiter 5. Le tube pour fluide à traiter 5 dans lequel le fluide à traiter circule de bas en haut, reçoit le fluide à traiter et le transporte dans le bac alimentaire 6. Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, le tube à contre-courant 5 permet au fluide froid à traiter de recevoir la chaleur venant du tube pour fluide à résidu 11 menant le fluide à résidu chaud ainsi que la chaleur provenant du tube 9 transportant les fluides à condensats chauds. Le bac alimentaire 6 fournit au bac réchauffeur 7 le fluide à traiter déjà réchauffé par le tube pour fluide à résidu 11 et par le tube 9 pour fluide à condensat et par les parois du condenseur 8 et du bac réchauffeur 7. II est positionné entre le condenseur 8 et le bac réchauffeur 7. Le bac réchauffeur 7 contient le fluide à traiter déjà préchauffé par les tubes et réchauffé par l'élément chauffant 15. Il est de faible volume pour permettre la chauffe rapide du fluide à traiter. Ses faces séparent le fluide à traiter du fluide qui est en distillation, tout en transmettant une partie de sa chaleur au fluide à traiter. La paroi entre les bacs d'alimentation et le réchauffeur permet au mieux de concentre la chaleur sur le fluide en traitement tout en cédant une partie de l'énergie au fluide à traiter du bac d'alimentation 6. La hauteur de ses parois et légèrement inférieure à la ligne de niveau 3 pour permettre son alimentation par la partie haute de ses faces latérales en fluide provenant du bac alimentaire 6. Le condenseur 8 est situé en partie haute du dispositif et enveloppe le bac alimentaire 6 et le bac réchauffeur 7. Il accumule la vapeur provenant du réchauffeur 7. La condensation de la vapeur commence en ce point par la condensation de la vapeur qui se refroidit au contact des parois du bac alimentaire 6 ainsi que de ses propres parois, du fait des déperditions de chaleur. Les condensats formés s'écoulent par gravité vers le tube 9 en continuant à transmettre la chaleur au fluide à traiter. Le condenseur est enveloppé par un calorifuge 20. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures, le tube pour fluide à condensat 9 est placé concentriquement autour du tube pour fluide à traiter 5. Il est raccordé à la partie basse du condenseur 8 et permet de continuer la condensation de la vapeur du fluide traité. II cède ses calories au fluide à traiter circulant dans le tube pour fluide à traiter 5. Il conduit les fluides condensés vers le bas dans la conduite de sortie 10 du tube en direction de l'extérieur pour qu'il soit conditionné. Le tube pour fluide à condensat 9 est enveloppé par le calorifuge 20. La conduite de sortie 10 des condensats est constituée d'un tube placé au pied du tube pour fluide à condensat 9 pour diriger les condensats en direction d'un conditionnement. Le tube pour fluide à résidu 11 achemine le fluide traité du bac réchauffeur 7 vers la partie basse du dispositif jusqu'à la conduite de sortie du résidu 13. Le régulateur de débit 12 peut être un régulateur à clapet, à pointeau ou une vanne à passage direct, à siège. Il est placé en sortie du tube pour fluide à résidu 11 et permet de réguler le débit du fluide résidu, en maintenant le temps de chauffe nécessaire au traitement dans le bac réchauffeur 7 et pour conserver le niveau du fluide à traiter dans le bac alimentaire 6 et le bac réchauffeur 7. La conduite de sortie du fluide résidu 13 est située après le régulateur 12 de débit, pour diriger le fluide résidu vers un conditionnement. La mise à l'air libre 14, au cas où le bas du tube à condensat 9 est fermé, est composée d'un tube dont la fonction est de maintenir la pression dans le dispositif égale à la pression de l'extérieur et est doté d'une deuxième fonction qui est d'effectuer une purge d'air en évacuant les gaz dissous vers l'extérieur, ainsi qu'une troisième fonction celle d'éviter un besoin supplémentaire de chaleur dû à une surpression dans l'enceinte du système. L'élément chauffant 15 peut être composé de diverses manières : il peut être tubulaire, annulaire, en serpentin, en grille, hélicoïdal, avec ou sans ailettes, en plateau, etc., alimenté par un liquide caloporteur circulant dans deux tubes, raccordés à une chaudière employant un combustible solide, liquide ou gazeux naturel, industriel ou chimique. L'élément chauffant peut éventuellement être constitué par une ou plusieurs résistances électriques alimentées par du courant continu ou alternatif, provenant d'un réseau collectif maillé, de production individuelle (par éolienne, énergie hydraulique, etc.), de la transformation d'énergie solaire produite par des éléments photoélectriques (cellules photovoltaïques), ou directement ou par l'intermédiaire d'accumulateurs électriques. L'élément chauffant peut être un brûleur à combustible liquide ou gazeux implanté directement dans le bac réchauffeur 7. Il permet de chauffer le fluide à traiter et ainsi de séparer ses composants les plus volatils. Si la puissance de l'élément chauffant est supérieure à celle pouvant être transmise par les échangeurs, il se produira des "trains" de vapeur, avec des arrêts momentanés du ou des élément(s) chauffant(s) qui sont régulés par des thermostats. L'élément chauffant 15 doit comporter deux allures de chauffe modulées. Il peut selon un autre mode de réalisation être constitué par un élément chauffant ayant une première allure de chauffe et un second élément chauffant ayant une deuxième allure de chauffe. La première allure de chauffe devra correspondre au démarrage à froid et permettre la mise en température du fluide pour le vaporiser, et pour compenser les déperditions de chaleur et la différence de température du fluide entre l'entrée et la sortie ainsi que la mise en chauffe du système. Les besoins calorifiques baisseront progressivement jusqu'à la mise en température du dispositif avec l'arrêt par le régulateur thermique bas 19. La deuxième allure de chauffe devra correspondre au régime établi et la température sera stabilisée grâce au régulateur thermique haut 18. Comme on l'a mentionné ci-dessus, le fluide ascendant à traiter est chauffé par les fluides descendant circulant dans le tube pour fluide à résidu 11 et le tube pour fluide à condensat 9. Les seuls besoins thermiques correspondront aux déperditions, à la différence entre la température de l'entrée du fluide à traiter et les températures de sortie des fluides condensat et du résidu. L'alimentation 16 de l'élément chauffant peut s'effectuer par une canalisation pour fluide caloporteur, combustible gazeux ou liquide ou un câble électrique. Le filtre à gouttelettes 17 laisse passer la vapeur et retient les gouttelettes en suspension. Il empêche les éclaboussures du liquide bouillonnant de descendre dans le tube pour fluide à condensat 9, ce qui pourrait polluer le condensat. Le régulateur thermique haut 18 permet le contrôle de la température d'une résistance électrique ou du débit du caloporteur dans l'élément chauffant ou d'un brûleur pour maintenir le régime permanent du dispositif. Le régulateur thermique bas 19 permet de réguler l'énergie nécessaire à l'élément chauffant pour mettre en température l'ensemble du système et contrôler la température de sortie du condensat. Le calorifuge 20 enveloppe l'ensemble du système et permet de conserver la chaleur du dispositif au profit du fluide à traiter. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, les transferts de chaleur s'effectuent au moyen de trois tubes qui sont concentriques. Le fluide circulant dans le tube placé entre les deux autres circule de bas en haut similaire au système de siphon et le fluide circulant dans les tubes interne et externe circulant de haut en bas sous l'action de la gravité. Sur la figure 2, on a représenté un dispositif dont le tube à fluide pour condensat est fermé dans sa partie inférieure, la pression interne du tube est maintenue à la pression atmosphérique grâce au tube de mise à l'air libre qui a également pour fonction d'évacuer les gaz dissous du fluide. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : On verse le fluide à traiter dans le réservoir 1 dont le niveau est plus élevé que celui du dispositif. Par gravité le fluide à traiter descend vers le régulateur de niveau 2. Le régulateur de niveau 2 contrôle le débit et maintient une ligne de niveau 3 constante du fluide dans le bac alimentaire 6 et le bac réchauffeur 7. Une conduite 4 relie le régulateur de niveau 2 jusqu'au pied du tube pour fluide à traiter 5, en l'alimentant par gravité en fluide à traiter. Le fluide entrant dans la partie basse du tube 5 le gravit jusqu'au bac alimentaire 6, tout en recevant la chaleur cédée par les condensats et le fluide résidu en circulant en sens inverse dans les tubes 9 et 11. Le bac alimentaire 6 permet de déverser le fluide, à traiter déjà préchauffé, dans le bac réchauffeur 7. le niveau du fluide est le même que celui du régulateur de niveau 2, qui est légèrement plus haut que les bords du bac réchauffeur 7 afin que le fluide puisse s'écouler par gravité pour l'alimenter, remplaçant le fluide évaporé devenant fluide condensat. Le fluide chauffé dans le bac réchauffeur 7 par l'élément chauffant 15, contrôlé par des régulateurs thermiques 18 et 19, évapore une partie nécessaire et suffisante du fluide à traiter. La vapeur monte dans le condenseur 8 en prenant tout le volume. Les gouttelettes qui pourraient être en suspension, sont retenues par une grille 17 dont les volets les font tomber dans les bacs. La vapeur en contact avec les parois du condenseur 8 s'écoule vers le tube 9 tout en cédant une partie de sa chaleur au fluide à traiter dans le bac alimentaire 6. Les condensats descendant dans le tube 9 transmettent le reste des leurs calories au fluide à traiter qui monte dans la tube 5. Les condensats ayant cédé leur chaleur sortent ensuite du dispositif par le bas par la conduite 10 pour être conditionnés. L'autre partie du fluide traité dans le réchauffeur 7 est débarrassé de ses éléments gazeux par chauffage, et descend par gravité dans le tube de résidu tout en cédant sa chaleur au fluide à traiter passant dans le tube 5. Son débit est fixé par le régulateur de débit 12. Le régulateur de débit 12 permet de contrôler le débit en fonction du taux de vaporisation, de maintenir un niveau régulier dans le bac réchauffeur, de faciliter les échanges thermiques entre les tubes 5 et 11. Le fluide traité résidu sort ensuite par le bas par la conduite 13 pour être conditionné. Dans le cas du dispositif représenté sur la figure 2 qui est fermé par le bas, la pression intérieure du condenseur est maintenue à la pression atmosphérique grâce du tube de mise à l'air libre 14 évitant la surpression interne. Il a également pour fonction d'évacuer les gaz dissous du fluide. Aucune vapeur ne peut sortir de ce tube vers le bas, lui même étant chauffé dans le bac réchauffeur 7. Le dispositif selon l'invention permet de traiter des fluides variés, comme l'eau, de mer, l'eau impure, le jus des plantes pour obtenir des huiles essentielles ou des parfums, après la fermentation de substances pour obtenir de l'éthanol, les produits contenant du saccharose, les hydrocarbures, moult produits chimiques, etc. Le dispositif peut être utilisé en cascade, en superposant des dispositifs les uns au dessus des autres, afin d'obtenir un fonctionnement par gravité. En partant du dispositif situé le plus haut leur raccordement s'effectue en partant de la sortie du fluide à résidu dense à celui de l'orifice du fluide à traiter du dispositif placé en dessous. Le fluide traité ira directement au conditionnement, et ainsi de suite. La température la plus faible est dans le dispositif placé le plus haut et la température la plus élevée dans le dispositif situé dans celui le plus 5 bas. REVENDICATIONS1. Dispositif de distillation avec économie d'énergie calorique et motrice, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois tubes : un tube (5) dans lequel le fluide à traiter circule de bas en haut (tube pour fluide à traiter) ; un tube (11) dans lequel le fluide chaud pour constituer le résidu circule de haut en bas (tube pour fluide à résidu) ; un tube (9) dans lequel le fluide refroidi pour constituer le condensat circule de haut en bas (tube pour fluide à condensat) ; une source d'énergie (15) placée à la partie supérieure du tube pour fluide à résidu (11) permettant de chauffer le fluide à traiter et de le maintenir à une température légèrement supérieure à la température de vaporisation du fluide à traiter ; un condenseur (8) situé en partie haute du tube pour fluide à condensat permettant la condensation ; le tube pour fluide à résidu (11) et le tube pour fluide à traiter (5) échangeant la chaleur pour chauffer le fluide à traiter jusqu'à une température proche de la vaporisation du fluide à traiter tout en refroidissant le fluide à résidu, le tube pour fluide à condensat (9) et le tube pour fluide à traiter (5) échangeant la chaleur pour chauffer le fluide à traiter et refroidir le fluide à condensat. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube pour fluide à traiter (5), le tube pour fluide à condensat (9) et le tube pour fluide à résidu (11) sont des tubes concentriques. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes peuvent être associés par paires, un tube pour fluide à traiter (5) étant associé à un tube pour fluide à résidu (11) ou à un tube pour fluide à condensat (9), suivant les caractéristiques du fluide à traiter, ou pouvantposséder plusieurs séries de tubes concentriques en duo ou en trio, reportant d'autant les surfaces d'échange. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'énergie (15) permet deux allures de chauffe progressives ou instantanées : une première allure pour faire parvenir le fluide à traiter au point de vaporisation et une deuxième allure de chauffe compensant les déperditions et la différence entre la température de l'entrée du fluide à traiter et les températures de sortie du fluide à condensat (9) et du fluide à résidu (11). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'énergie est un élément chauffant ayant les deux allures de chauffe modulées. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source d'énergie est constituée par deux éléments chauffant ayant des allures de chauffe différentes. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu'il comporte un réservoir du fluide à traiter situé plus haut que l'ensemble formé par les tubes et une conduite d'amenée du fluide débouchant au bas du tube pour fluide à traiter qui permet la circulation de bas en haut du fluide à traiter dans le premier tube pour fluide à traiter. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui possède quatre régulations permettant la circulation des fluides : à traiter, à résidu ; un régulateur de niveau maintenant un niveau constant (2) ; un régulateur de débit maintenant le débit souhaité (12) ; et deux régulateurs thermiques (16) et (19) pour les éléments chauffants