Brevet FR2943555A1 — publié le 20101001

L'invention a pour objet un procédé et une installation pour l'évaporation ou la distillation en continu de liquides. De nos jours, il existe de nombreux procédés de distillation ou d'évaporation. Pour faire son choix, on retient en général trois facteurs déterminants pour sélectionner quelle sera le type d'évaporateur : la compatibilité de la technologie avec le domaine d'application souhaité, le coût d'investissement et les coûts d'exploitation qui comprennent le coût énergétique, le coût humain, les coûts de maintenance et de nettoyage. De manière générale, on constate que le coût d'exploitation est inversement proportionnel au coût d'investissement, en particulier d'un point de vue énergétique. La présente invention a pour but de concilier un faible coût d'investissement avec un faible coût d'exploitation. En effet, l'appareil rassemble plusieurs organes qui sont généralement séparés, à savoir l'évaporateur, le condenseur, le séparateur de buées. L'implantation est donc facilitée et l'encombrement limité. Il n'y a pas de machines tournantes liées au process donc pas de maintenance à prévoir. D'autre part, l'énergie mise en oeuvre peut être pratiquement n'importe quelle source disponible dans l'environnement proche de l'appareil: électricité, vapeur ou tout autre fluide caloporteur. Enfin, la quantité d'énergie mise en oeuvre est faible de part le procédé utilisé. Le coeur de l'appareil est un double échangeur croisé et un ou plusieurs surchauffeurs. Le double échangeur croisé est constitué de trois parois pouvant être de type tubulaire, plaque ou spiralé ou tout autre forme géométrique pouvant s'adapter au domaine d'application. De l'extérieur vers le centre de l'appareil, on trouve dans l'ordre, la paroi extérieure, le concentrat, la paroi entre le concentrat et le liquide d'alimentation, le liquide d'alimentation, la paroi entre le liquide d'alimentation et les buées/condensats, les buées et condensats. Le surchauffeur est l'appareil qui permet d'apporter l'énergie nécessaire au système pour générer l'évaporation du liquide. Il peut être de nature diverse, à savoir une ou plusieurs résistances chauffantes, un ou plusieurs échangeurs de chaleur utilisant de la vapeur ou tout autre fluide caloporteur comme par exemple de l'eau chaude. Le ou les surchauffeurs sont placés juste en dessous du séparateur de buées et ils sont immergés dans le liquide à évaporer. Le liquide à évaporer entre dans le double échangeur croisé par le bas où, en remontant, il récupère la chaleur spécifique du concentrât et des condensats, la chaleur latente des buées qui se condensent de l'autre côté de la paroi. Les surchauffeurs transmettent leur énergie thermique au liquide qui se vaporise dans la partie supérieure de l'enceinte. Une séparation naturelle se fait entre le concentrât plus dense et les buées plus légères. Le concentrât va descendre gravitairement vers la sortie située au bas de 5 l'enceinte tout en cédant son énergie au liquide d'alimentation. Les buées sont entraînées dans l'autre partie de l'échangeur croisé où elles vont se condenser en cédant leur énergie au liquide d'alimentation. Les condensats sont alors extraits gravitairement vers la cuve. Les incondensables plus lourd que les buées sont également éliminés gravitairement ou bien ils peuvent être extraits par une pompe 10 à vide. Dans le cas où il n'y a pas de gradient de température important entre le liquide d'alimentation et sa température d'ébullition, on peut ajouter un condenseur supplémentaire avant la pompe à vide. L'énergie à fournir au système ne représente que la différence d'enthalpie de la 15 vapeur d'évaporation et de la vapeur surchauffée, la surchauffe de la vapeur étant réalisée en surchauffant le liquide à concentrer. Au même titre qu'une RMV (Recompression Mécanique de la Vapeur), sa consommation d'énergie devrait se situer aux environs de 10 KW/Tonne d'eau évaporée car la chaleur latente de vaporisation est récupérée par le liquide d'alimentation au niveau du condenseur. En comparaison, il y 20 a plusieurs avantages à la présente invention par rapport à une RMV : il n'y a pas de perte d'énergie liée au rendement du compresseur et surtout, on peut utiliser toute source d'énergie disponible y compris tout liquide dont la température est supérieure à la température d'ébullition du liquide dans le système. Enfm, le coût d'investissement est significativement plus faible car il n'y a pas de compresseur à acheter. Autre 25 avantage, le procédé peut être utilisé même avec des liquides présentant un fort retard à l'ébullition car il suffit d'augmenter la puissance transmise par les surchauffeurs pour augmenter le delta de température, il n'y a pas de limite physique lié au taux de compression du compresseur sélectionné comme dans le cas de la RMV. Dans le cas du dessalement de l'eau de mer afin de diminuer les opérations de 30 pompage et les investissements, l'enceinte peut être immergée. On peut même envisager un système autonome qui utiliserait l'énergie solaire comme énergie thermique et ne nécessiterait qu'une pompe pour évacuer l'eau dessalée. La description détaillée ci-après se rapporte à un exemple non limitatif d'une des 35 formes de réalisation de l'objet de l'invention, en se référant aux dessins annexes représentant schématiquement le dispositif dans son ensemble. Les figures la, lb (Fig la et Fig lb) représentent l'appareil vu de face. Fig la représente un évaporateur avec les surchauffeurs (11) dans la partie centrale, au milieu des prises d'aspirations du condenseur (32). Fig lb représente un évaporateur avec les surchauffeurs (11) en position déportées. Les figures 2a, 2b et 2c (Fig 2a, Fig 2b et Fig 2C) représente l'appareil vu de profil avec les différentes options retenues pour le surchauffeur immergé (11) : Fig 2a représente le cas d'un chauffage avec de la vapeur : arrivée vapeur (19) avec purgeur (16) et sortie condensats vapeur (17). Fig 2b représente le cas d'un chauffage avec une résistance (18). Fig 2c représente le cas d'un chauffage avec un fluide caloporteur : arrivée fluide caloporteur (20) et sortie fluide caloporteur (21). Les figures 3a et 3b (Fig 3a et Fig 3b) représentent les différentes options pour l'évacuation des condensats et des incondensables : Fig 3a représente l'évacuation des incondensables via une cheminée (10) à l'atmosphère et Fig 3b représente l'évacuation des incondensables via une pompe à vide (23). Fig 3c représente l'évacuation des incondensables via un condenseur additionnel (27) et une pompe à vide (23). L'appareil est constitué d'une enceinte cylindrique (4) isolée thermiquement (6). Dans l'enceinte, on retrouve le double échangeur croisé (7) qui est réalisé avec plusieurs unités (33) composées de deux tubes concentriques disposés parallèlement et d'une hauteur suffisante pour assurer si besoin un gradient de température entre le haut et le bas de l'échangeur. Le nombre d'unités (33) dépend de la capacité évaporatoire que l'on souhaite installer. Toutes ces unités (33) ont leur paroi extérieure en contact avec le concentrât (8). Entre les deux tubes d'une unité (33), on retrouve le liquide d'alimentation (1) qui est amené par le collecteur d'alimentation (30) situé en bas de l'enceinte (4). A l'intérieur du tube intérieur, on retrouve les buées (2) qui se condensent le long de la paroi en commun avec le liquide d'alimentation (9). Les condensats sont récupérés par le collecteur de condensats (31) et acheminées vers la sortie vers le bac condensats (3). Le séparateur de buées (14) est situé au dessus de l'échangeur croisé (7) et au dessus du niveau de liquide (5). Il est dimensionné de telle sorte que les entraînements soient réduits au minimum. Les surchauffeurs (11) sont situées au niveau de la partie haute de l'échangeur croisé (7) dans la partie concentrat. Ils peuvent être positionnés dans la partie centrale voir Fig la, c'est-à-dire intercalés entre les aspirations (32) du condenseur de chaque unité. Sinon, ils peuvent être déportés, voir Fig lb, mais quelque soit le choix, il faut toujours que le liquide d'alimentation sortant de l'échangeur croisé (7) renouvelle en permanence le liquide à leur surface, ceci afin d'éviter les phénomènes de surchauffe du produit. Le niveau de liquide (5) dans l'évaporateur est maintenu constant de telle sorte que les surchauffeurs (11) soient en permanence immergés. Des déflecteurs (29) peuvent être installés en sortie de l'échangeur croisé (7) pour guider le liquide d'alimentation vers les surchauffeurs (11). Ils peuvent également servir à limiter les phénomènes de convection du liquide dans la partie concentrat. Les équipements associés à l'enceinte d'évapo-condensation sont une cuve d'alimentation, une cuve de réception du concentrât et une cuve de condensats (28) sur laquelle est connectée une cheminée (10) ou un départ vers un condenseur (27) et/ou une pompe à vide (23) pour l'extraction des incondensables. On trouvera également les organes de régulation de niveau, de débit, de pression, ainsi qu'un séparateur de gouttelettes (15) pour limiter l'entraînement de produit vers les condensats. Cette liste d'équipements associés est non exhaustive. Le liquide à évaporer arrive par le collecteur d'alimentation (30). Il entre alors dans le double échangeur croisé (7) par le bas où, en remontant, il récupère la chaleur spécifique du concentrât (8), la chaleur spécifique et la chaleur latente des buées (2) qui se condensent de l'autre côté de la paroi (9). Les surchauffeurs transmettent leur énergie thermique au liquide qui se vaporise dans la partie supérieure de l'enceinte. Ce sont les surchauffeurs (11) qui permettent d'amorcer l'évaporation dans la phase de démarrage. Au niveau des surchauffeurs (11), une séparation naturelle se fait entre le concentrât plus dense et les buées plus légères (2). Le concentrât va descendre gravitairement vers la sortie (13) située au bas de l'enceinte (4) tout en cédant son énergie au liquide d'alimentation (8). Le débit de concentrat sera réglé à l'aide d'une vanne. Les buées (2) sont entraînées dans l'aspiration des condenseurs (32) de chaque unité où elles vont se condenser le long de la paroi (9) en cédant leur énergie au liquide d'alimentation. Les condensats sont alors extraits gravitairement vers le collecteur de condensats (31) puis vers la cuve condensats (28) de laquelle ils peuvent être pompés pour être évacués (25). Il est à noter que la sortie vers bac condensat (3) est connectée à l'entrée vers bac condensats (22). Les incondensables contenus dans le liquide d'alimentation s'évacuent gravitairement au fur et à mesure que des buées d'évaporation sont générées. Ils passent également par le collecteur de condensats (30) et arrivent dans le bac condensat (28). Ils sont alors extraits (12) par une cheminée (10), voir Fig 3a. Dans le cas où l'on souhaite diminuer la température d'évaporation afin de limiter l'encrassement ou de préserver la nature du produit, on peut mettre en place une pompe à vide (23) au niveau de la cuve de condensats, voir Fig 2b et Fig 2c. C'est cette pompe à vide qui évacue les incondensables et la pression dans l'enceinte au niveau du séparateur de buées (14) détermine la température d'ébullition du liquide. Pour éviter un condenseur additionnel qui nécessiterait un réfrigérant externe au système, il faut maintenir un gradient de température au niveau des liquides d'alimentation, de concentrat et de condensat entre le haut et le bas de l'échangeur croisé. Dans le cas où l'on ne pourrait maintenir un gradient de température, on peut ajouter un condenseur (27) supplémentaire avant la pompe à vide, voir Fig 3c. Ce condenseur possède une entrée réfrigérant (25), une sortie réfrigérant (26). Il va de soi que l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de la présente invention. REVENDICATIONS1) Procédé d'évaporation et de distillation caractérisé par le fait qu'il utilise le même principe énergétique que la RMV (Recompression Mécanique de Vapeur) avec pour différence le mode de transmission de l'énergie au système. Dans le cas de la RMV, l'énergie mécanique est transformée en énergie thermique transmise directement aux buées. Dans le procédé décrit dans l'invention, l'énergie thermique des surchauffeurs (11) est transmise au liquide à évaporer qui est ensuite transmise aux buées (2). 2) Installation d'évaporation et de distillation �selon la revendication 1 �, caractérisé par le fait que le condenseur (7), le séparateur de liquide (14) et les surchauffeurs (11) sont combinés dans une même enceinte (4) isolée thermiquement (6). 3) Installation � selon les revendications 1 et 2 � caractérisée par les connections sur l'enceinte : une entrée produit (1), une sortie concentrât (13), une sortie condensats (3), une entrée pour la source d'énergie thermique qui peut être suivant les options une résistance chauffante (18), une arrivée vapeur (19), un fluide caloporteur (20) et une sortie : les condensats vapeur (17) ou le fluide caloporteur (21). 4) Installation � selon les revendications 1 à 4� caractérisée par la présence d'un double échangeur croisé (7) constitué d'unités et caractérisé par la présence de surchauffeurs (11), pouvant être de type tubulaire, plaque ou spiralé ou tout autre forme géométrique pouvant s'adapter au domaine d'application. 5) Installation � selon les revendication 1 à 5 � caractérisée par le fait que les surchauffeurs (11) sont en permanence immergés dans le liquide à évaporer 6) Procédé et installation d'évaporation et de distillation � selon les 30 revendications 1 à 5� caractérisé par le fait que le liquide d'alimentation entre dans l'enceinte par le bas (1), récupère en remontant dans la partie centrale de chaque unité (33) du double échangeur croisé (7) la chaleur spécifique du concentrat (8) et des condensats (9), la chaleur latente des buées qui se condensent (9), sort en haut du double échangeur croisé (7) et arrive sur les surchauffeurs (11) où il récupère l'énergie 35 thermique puis se sépare dans le séparateur de liquide (14) en des buées (2) qui se condensent en descendant le long de la paroi du condenseur (9) et sortent dans la cuve25condensats (28) et en du concentrat descendant à l'extérieur du double échangeur croisé (8) qui sort en bas de l'enceinte (13). 7) Installation � selon les revendications 1 à 6� caractérisée par le fait qu'il peut ne pas y avoir de condenseur additionnel (27),voir Fig 3a et Fig 3b dans le cas où la température du liquide d'alimentation est suffisamment éloignée de sa température d'ébullition pour assurer un gradient de température entre le haut et le bas de l'échangeur croisé (7). 8) Installation � selon les revendications 1 à 7� caractérisée par le fait que la source d'énergie mise en oeuvre peut être une énergie à faible entropie comme dans le cas où le fluide caloporteur (20) est de l'eau chaude.