Brevet FR3084454A1 — publié le 20200131

Arrière-plan L'invention concerne un échangeur de chaleur et de matière. Dans l'art antérieur des échangeurs de chaleur et de matière, con conne notamment les échangeurs à contact direct entre un liquide pulvérisé et un gaz. Ce type d'échangeur permet un échange de chaleur et de matière efficace mais présente un inconvénient majeur lié à l'entrainement de gouttes de liquide dans le flux gazeux. Cet entraînement de gouttes constitue un risque quand le liquide est toxique ou corrosif. On connaît également, les échangeurs permettant un échange indirect dans lesquels on sépare l'écoulement par des membranes perméables à la vapeur et imperméable au liquide. La mise en oeuvre de tels échangeurs est délicate du fait de la pression statique du liquide s'écoulant dans le canal formé par les membranes. Cette pression peut causer des problèmes d'étanchéité et nécessite des membranes ayant des propriétés mécaniques particulières et contradictoires avec la perméabilité à la vapeur ce qui les rend peu efficaces et coûteux à réaliser. L'invention propose un échangeur de chaleur et de matière qui ne présente pas les inconvénients de ceux de l'art antérieur. Objet et résumé de l'invention L'invention concerne un échangeur comportant : - des membranes sensiblement parallèles et verticales, perméables à la vapeur et imperméables à un liquide, ces membranes délimitant des zones, chacune de ces zones appartenant de façon alternée à un premier type de zone ou à un deuxième type de zone ; - les zones du premier type comportant en partie haute -une buse de pulvérisation configurée pour pulvériser un liquide selon un plan sensiblement parallèle aux membranes, et en partie basse un premier collecteur de liquide indépendant et séparé des zones du deuxième type, et - une première canalisation agencée pour alimenter les buses de pulvérisation des zones du premier type avec ledit liquide. 2 Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, les membranes sont en polypropylène ou en polyamide/ Conformément à l'invention, le liquide peut être une solution aqueuse plus ou moins riche en sel, voire sans sel. 5 Dans un premier mode de réalisation, l'échangeur selon l'invention comporte un passage permettant de faire circuler un gaz dans les zones du deuxième type. Dans un agencement particulier de ce premier mode de réalisation, l'échangeur selon l'invention comporte un ventilateur permettant 10 d'améliorer la circulation du gaz dans les zones du deuxième type. L'invention vise aussi un procédé d'utilisation d'un échangeur selon ce premier mode de réalisation, ce procédé comportant : - une étape pour faire circuler un gaz relativement chaud et humide dans les zones du deuxième type ; 15 - une étape pour faire circuler un liquide relativement froid et riche en sel dans la première canalisation, ce liquide étant pulvérisé par les buses de pulvérisation dans les zones du premier type ; et - une étape de collecte d'un liquide réchauffé et dilué dans le premier collecteur. 20 L'invention vise un autre procédé d'utilisation d'un échangeur selon le premier mode de réalisation de l'invention, ce procédé comportant - une étape pour faire circuler un gaz relativement froid dans les zones du deuxième type ; - une étape pour faire circuler un liquide relativement chaud et pauvre en 25 sel dans la première canalisation, ce liquide étant pulvérisé par les buses de pulvérisation dans les zones du premier type ; et - une étape de collecte d'un liquide refroidi et concentré dans le premier collecteur. Dans ces deux procédés, les buses de pulvérisation dispersent le 30 liquide à une pression identique à celle du gaz dans les zones du premier type. Le gaz qui circule dans les zones adjacentes du deuxième type s'échauffe et se sature en vapeur quand le liquide est plus chaud que le gaz et quand sa pression de vapeur est supérieure à celle du gaz. Dans le cas inverse, si le liquide est plus froid que le gaz et que sa 35 pression de vapeur est plus basse que celle du gaz, la gaz se refroidit et sa concentration en vapeur diminue. Le liquide (ou solution) après échange, refroidi et concentré ou réchauffé et dilué, est collecté dans un collecteur agencé pour qu'il n'y ait aucun contact entre le liquide et le gaz. Dans un deuxième mode de réalisation de l'échangeur selon 5 l'invention : - les zones du deuxième type comportent en partie haute une buse de pulvérisation configurée pour vaporiser un liquide selon un plan sensiblement parallèle aux membranes, et en partie basse un collecteur indépendant et séparé des zones du premier type ; et 10 - une deuxième canalisation alimentant les buses de pulvérisation des zones du deuxième type avec un liquide. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'échange de masse et de chaleur s'effectue entre deux liquides séparés par les membranes. L'invention vise aussi un procédé d'utilisation d'un échangeur selon 15 ce deuxième mode de réalisation. Ce procédé comporte : - une étape pour faire circuler un liquide relativement froid et pauvre en sel dans la première canalisation, ce liquide étant pulvérisé par les buses de pulvérisation dans les zones du premier type ; une étape pour faire circuler un liquide relativement chaud et riche en 20 sel dans la deuxième canalisation, ce liquide étant pulvérisé par les buses de pulvérisation dans les zones du deuxième type - une étape de collecte d'un liquide réchauffé et dilué dans le premier collecteur en partie basse des zones du premier type ; et - une étape de collecte d'un liquide refroidi et concentré dans le deuxième 25 collecteur en partie basse des zones du deuxième type, ce deuxième collecteur étant séparé du premier collecteur pour empêcher que les liquides collectés ne se mélangent. Dans ce mode de réalisation, la solution chaude et diluée se concentre en cédant sa chaleur et de la vapeur à la deuxième solution 30 froide qui se réchauffe et se dilue. D'une façon générale, l'invention propose ainsi un échangeur de chaleur et de masse entre un liquide et un gaz ou entre deux liquides à travers une membrane, l'échange de chaleur et de masse étant dû à une différence de température et une différence de pression de vapeur entre 35 les deux fluides. La perméabilité à la vapeur du solvant liquide de la membrane permet le transfert de vapeur entre les deux fluides. Ainsi, les expressions « chaude », « froide », « diluée », « concentrée », « riche en sel », « pauvre en sel » doivent s'entendre de façon relative pour exprimer les différences entre l'état des fluides de part et d'autres des membranes pour permettre les échanges de chaleur et de masse entre les zones des premier et deuxième type et non pas de façon absolue. L'invention peut notamment être utilisée pour - concentrer ou diluer une solution par évaporation ou condensation de vapeur en fonctionnant sans écart de pression totale de part et d'autre 10 d'une membrane perméable à la vapeur du solvant ; - déshydrater ou humidifier un gaz par échange avec une solution froide et concentrée ou une solution chaude et diluée sans entrer en contact avec la solution. 15 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaitront dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans 20 lesquels : - la figure 1 représente un échangeur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 2 représente un échangeur conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et 25 - les figures 3 et 4 représentent un échangeur conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention. Premier mode de réalisation 30 La figure 1 représente un échangeur 100 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Il peut être utilisé pour rafraîchir et déshumidifier de l'air chaud et humide (par exemple à 25°C et 60% HR) circulant dans des zones Z30 délimitées par des membranes 30 perméables à la vapeur d'eau. Un ventilateur 40 peut être utilisé pour 35 souffler l'air chaud. Dans le mode de réalisation décrit ici, de part et d'autre de chaque zone de circulation d'air Z30 se trouve une zone Z20 surplombée par une buse de pulvérisation 20. Ces buses de pulvérisation 20 sont alimentées par une canalisation 10 dans laquelle circule un liquide froid (typiquement 5 15°C) et riche en sel. Les buses de pulvérisation 20 pulvérisent le liquide sensiblement en un rideau R plan parallèle aux membranes 30. Dans ce mode de réalisation de l'invention, comme dans ceux décrits ci-après, la pression d'alimentation de liquide en amont des buses peut être de l'ordre de 2 bars. 10 Lorsque le liquide riche en sel est pulvérisé par les buses de pulvérisation 20 dans les zones Z20, l'air compris dans ces zones Z20 cède son humidité qui est absorbée par le sel. Il devient plus froid et plus sec que l'air dans les zones 730. L'air dans les zones 730 se refroidit et son humidité migre vers les 15 zones Z20 à travers les membranes 30, comme représenté par les flèches horizontales. Le liquide dans les zones Z20 se dilue ; il est récupéré dans un collecteur 50 agencé pour que le liquide collecté ne soit pas en contact avec les zones Z30. Dans ce mode de réalisation 20 - plus le liquide pulvérisé par les buses de pulvérisation 20 est concentré en sel, plus on favorise la déshumidification de l'air chaud et humide dans les zones Z30 ; et - plus le liquide pulvérisé par les buses de pulvérisation 20 est froid, plus on favorise le refroidissement de l'air circulant les zones Z30. 25 Deuxième mode de réalisation La figure 2 représente un échangeur 200 conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. Il peut être utilisé pour refroidir et 30 concentrer un liquide pauvre en sel, voire sans sel, et chaud. Dans le mode de réalisation décrit ici, ce liquide (par exemple à 35°C) est pulvérisé par des buses de pulvérisation 21 dans des zones 221 délimitées par des membranes 30 perméables à la vapeur d'eau, les buses de pulvérisation étant alimentées par une canalisation 11 Les buses de 35 pulvérisation 21 pulvérisent le liquide sensiblement selon un rideau R plan parallèle aux membranes 30. 6 Comme dans le premier mode de réalisation, les zones Z21 sont séparées par des zones Z30 dans lequel circule de l'air. Mais dans ce mode de réalisation, l'air dans les zones f0 est plus froid que le liquide pulvérisé dans les zones Z21. L'air dans les zones 730 est par exemple à 5 température ambiante, par exemple à 24°C. Dans les zones 721, l'air, en contact avec le liquide pulvérisé chaude, se réchauffe et se charge en humidité. Le liquide se refroidit et se concentre. Il est collecté dans un collecteur 51 agencé pour que le liquide collecté ne soit pas en contact avec les zones Z30. 10 La vapeur d'eau migre des zones 721 vers les zones Z30 à travers les membranes 30 comme représenté par les flèches horizontales. Dans les zones 730, l'air se réchauffe et se charge en humidité. Ce deuxième mode de réalisation de l'invention permet avantageusement, grâce au phénomène d'évaporation, de refroidir le 15 liquide en deçà de la température de l'air circulant dans les zones Z30, jusqu'à atteindre la température de bulbe humide, Troisième mode de réalisation 20 Les figures 3 et 4 représentent un troisième mode de réalisation de l'invention. Il peut être utilisé pour dessaler un liquide. Dans ce mode de réalisation l'échangeur 300 comporte - une canalisation 10 alimentant des buses de pulvérisation 20 avec un liquide pauvre en sel, voire sans sel, et froid, ce liquide étant pulvérisé par 25 les buses de pulvérisation 20 dans des zones Z20 ; et - une canalisation 11 alimentant des buses de pulvérisation 21 avec un liquide concentré en sel et chaud, ce liquide étant pulvérisé par les buses de pulvérisation 21 dans des zones Z21. Les zones 720 et Z21 sont alternées et séparées par des 30 membranes 30 perméables à la vapeur d'eau. Dans chacune des zones, les buses de pulvérisation 20, 21 pulvérisent le liquide selon un rideau R plan sensiblement parallèle aux membranes. Dans les zones 721, l'air en contact avec le liquide chaud se réchauffe et se charge en humidité. La vapeur d'eau migre vers les zones 35 Z20 à travers les membranes 30. 7 Dans les zones 120, l'air se réchauffe et se charge en vapeur d'eau du fait de la migration de vapeur d'eau venant des zones Z21 comme représenté par les flèches horizontales. Dans les zones 120, l'air cède sa chaleur au du flux de liquide froid 5 et pauvre en sel augmentant la quantité d'eau. Le liquide chaud et dilué est collecté dans un collecteur 50 agencé pour que ce liquide ne soit pas en contact avec les zones Z21. Dans les zones Z21, la quantité d'eau diminue du fait de la migration et le liquide riche en sel se concentre. Le liquide froid et 10 concentré est évacué par des canaux en forme de U débouchant par des ouvertures 61 dans un collecteur 51 agencé pour que ce liquide ne soit pas en contact avec les zones Z20. Ce mode de réalisation permet de concentrer le liquide riche en sel introduit dans la canalisation 11 : il peut être utilisé pour des opérations 15 de dessalement. Dans ce troisième mode de réalisation de l'invention, l'échangeur 300 présente une structure 7 à laquelle sont fixées les membranes 30. Les collecteurs 50 et 51 possèdent des épaulements dans lesquelles s'insèrent 20 ces membranes 30 évitant ainsi tout contact entre les différents liquides. Un tel agencement peut également être utilisé dans les échangeurs 100 et 200 décrits précédemment en référence aux figures 1 et 2 pour éviter le contact entre le liquide dans les collecteurs 50, 51 et l'air circulant dans les zones 130. 25 Autre utilisation mode de réalisation de l'invention Comme mentionné précédemment, dans le mode de réalisation de la figure 1, la solution récupérée dans le collecteur 50 est diluée par la vapeur d'eau qui a migré depuis les zones 730 à travers la membrane 30. 30 Il est nécessaire, pour pouvoir la réutiliser en entrée de la canalisation 10, de retirer l'eau qui s'y est ajoutée. Pour effectuer cette opération, il est possible de chauffer la solution diluée récupérée dans le collecteur 50 et de l'injecter dans la canalisation 11 de l'échangeur de la figure 2 afin d'en REVENDICATIONS1. Echangeur (100, 200, 300) comportant : - des membranes (30) sensiblement parallèles et verticales, perméables à la vapeur et imperméables à un liquide, lesdites membranes délimitant des zones, chacune desdites zones appartenant de façon alternée à un premier type de zone et à un deuxième type de zone ; - les zones dudit premier type comportant en partie haute une buse de pulvérisation configurée pour puvériser un liquide selon un plan sensiblement parallèle auxdites membranes, et en partie basse un premier collecteur indépendant et séparé des zones dudit deuxième type, - une première canalisation alimentant les buses de pulvérisation (20, 21) des zones (Z20, Z21) dudit premier type avec un liquide. 2. Echangeur (100, 200) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte: - un passage permettant de faire circuler un gaz dans les zones (Z30) du deuxième type. 3. Procédé d'utilisation d'un échangeur (100) selon la revendication 2 comportant : - une étape pour faire circuler un gaz relativement chaud et humide dans les zones (Z30) du deuxième type; - une étape pour faire circuler un liquide relativement froid et riche en sel dans ladite première canalisation (10), ladite liquide étant pulvérisée par lesdites buses de pulvérisation (20) dans les zones (Z20) dudit premier type ; et - une étape de collecte d'un liquide réchauffé et dilué dans ledit premier collecteur (50). 4. Procédé d'utilisation d'un échangeur (200) selon la revendication 2 comportant : - une étape pour faire circuler un gaz relativement froid dans les zones (Z30) du deuxième type ; - une étape pour faire circuler un liquide relativement chaud et pauvre en sel dans ladite première canalisation (11), ledit liquide étant pulvérisé par 9 lesdites buses de pulvérisation (21) dans les zones (Z21) dudit premier type et - une étape de collecte d'un liquide refroidi et concentré dans ledit premier collecteur (51). 5. Echangeur (300) selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les zones dudit deuxième type comportant en partie haute une buse de pulvérisation, configurée pour vaporiser un liquide selon un plan sensiblement parallèle auxdites membranes (30), et en partie basse un 10 deuxième collecteur indépendant et séparé des zones dudit premier type. ledit échangeur comportant en outre - une deuxième canalisation alimentant les buses de pulvérisation (20, 21) des zones (Z20, Z21) dudit deuxième type avec un liquide. 15 6. Procédé d'utilisation d'un échangeur (300) selon la revendication 5 comportant - une étape pour faire circuler un liquide relativement froid et pauvre en sel dans ladite première canalisation (10), ledit liquide étant pulvérisé par lesdites buses de pulvérisation (20) dans les zones (Z20) dudit premier 2.0 type - une étape pour faire circuler un liquide relativement chaud et riche en sel dans ladite deuxième canalisation (11), ladite liquide étant pulvérisée par lesdites buses de pulvérisation (21) dans les zones (Z21) dudit deuxième type 25 - une étape de collecte d'un liquide réchauffé et dilué dans le deuxième collecteur (50) en partie basse des zones (Z20) du premier type ; et - une étape de collecte d'un liquide refroidie et concentrée dans le deuxième collecteur (51) en partie basse des zones (Z21) du deuxième type.