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Application de la thermo-compression mécanique.
La présente invention a pour objet l'applica- tion rationnelle de la thermo-compression mécanique qui a déjà fait l'objet d'applications spéciales notam- ment dans le brevet français N 574.370 du 11 Décembre 1923 aux noms de Messieurs Aumont, Baudot et Lefrançois et dans le brevet français N 665.796 du 27 Mars 1928 au nom de la Demanderesse, aux Industries de la Concen- tration, de la distillation et d'une façon générale aux industries dans lesquelles on consomme de grandes quanti-
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ntés de vapeurs de chauffage.
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Dans ces usines, on cherche à utiliser la détente de la vapeur jusqu'à une faible pression, pour la pro- duction de la force motrice. La vapeur à faible pression appelée "vapeur d'échappement" ou de"soutiragen sert à assurer les besoins de chauffage; mais il est rare que l'équilibre puisse être obtenu entre les besoins de force motrice et ceux du chauffage.
L'application de la thermo-compression suivant l'invention est donc destinée spécialement aux usines dans lesquelles les besoins de chauffage l'emportent momentanément ou constamment sur les besoins de force motrice. Dans de telles usines, on est obligé, en permanence, soit de produire de la vapeur à basse pression uniquement pour les besoins de chauffage, soit de détendre en per- manence de la vapeur haute pression dans un détendeur statique, ce qui est anti-économique, particulièrement quand on dispose de vapeur surchauffée. Le procédé de thermo-compression mécanique ainsi appliqué permet de créer des besoins àe ,foree motrice qui fournissent de la vapeur d'échappement.
Après travail mécanique, cette aussi vapeur produira son effet/efficacement que la vapeur à haute pression qui serait détendue uniquement pour fournir et du chauffage sans production de travail mécanique et la remplace presque poids pour poids si l'installation est bien calculée. Mais, de plus, la force motrice produit ainsi par thermo-compression, le même travail qu'un, autre poids de vapeur qui aura ainsi été économisé. On utilise de cette manière toute l'énergie thermique détenue par la vapeur à haute pression.
Si l'usine possède une source d'énergie ther- @ c'est-à-dire de vaneur sous Dression actionnant
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un moteur à vapeur, le thermo-compresseur sera commandé à l'aide de .ce moteur au moyen d'une transmission quel- conque, le supplément de vapeur consommé par ledit moteur se détendra et ira augmenter le poids de vapeur d'échappement disponible pour le chauffage direct. On aura mieux utilisé l'énergie.
Si, comme ce sera souvent le cas, le moteur à vapeur déjà existant n'est pas assez puissant, un com- presseur sera mû par un moteur à vapeur spécial dont le rendement sera peut-être un peu plus faible que celui @ étant du grand moteur, mais toute la vapeur/utilisée ultérieu- rement pour les besoins de chauffage, l'opération res- tera toujours extrêmement avantageuse.
L'application rationnelle du procédé de thermo- compression consiste à choisir la partie des opérations de l'usine qui doit être traitée par la thermo-compression et celle qui sera avantageusement traitée par le chauffage normal, c'est-à-dire par la vapeur détendue de la source d'énergie. Il n'est pas indiqué en effet d'effectuer en parallèle certaines opérations de chauffage par la thermo- compression et d'autres par la vapeur d'échappement.
Au contraire, la totalité des liquides à tra- vailler peut être traitée d'abord par thermo-compression, ensuite par chauffage, en utilisant les vapeurs d'échap- pement provenant de la thermo-compression, ou inversement, la totalité du liquide sera traitée par chauffage des vapeurs d'échappement provenant des opérations de thermo- compression qui terminent le traitement du liquide rési- duaire.
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On peut se rendre compte que la thermo-com- pression est notamment avantageuse lorsque l'écart de température entre la source froide et la source chaude est faible, puisque si le travail nécessaire pour l'éva- poration tend vers 0 cet écart tend lui-même vers 0. Par conséquent, si l'on a à effectuer une évaporation pour concentrer un liquide, on a intérêt à opérer sur la solu- tion la plus diluée, c'est-à-dire au commencement de la concentration. En effet, la teneur en sels étant faible, l'écart de température entre le liquide en solution à l'ébullition et sa vapeur est lui-même très faible.
En outre, lorsque la concentration se poursuit, la viscosité devenant de plus en plus grande, il est nécessaire pour obtenir une vitesse suffisante de circulation du liquide à concentrer le long des parois d'échange de chaleur, que l'écart de température entre le fluide chauffant et le fluide chauffé soit plus grand.
De même, lorsqu'on évapore des liquides devant subir une distillation fractionnée, on choisira une partie de l'opération telle que les écarts de température de distillation soient assez faibles entre le haut et le bas de la colonne et se rapportent à des volumes plus grands que ceux des liquides plus concentrés qui seront traités dans l'autre partie des opérations par chauffage direct.
En outre, comme dans le cas précédent, vient souvent s'ajouter un autre facteur qui est celui du nombre de plateaux de la colonne à distiller ou à rec- tifier, on comprend que plus il y aura de plateaux, plus la perte de charge sera grande et cette perte de charge
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température supplémentaire.
Ces deux premiers exemples montrent que dans chaque cas, il ne suffit pas d'utiliser un compres- saur quelconque à une partie quelconque de l'appareillage; on dispose en effet des variables suivantes: - pression de la vapeur motrice initiale à haute pression; - pression de la vapeur d'échappement à basse pression; - nombre de chevaux-vapeur disponibles par Kg de vapeur entre ces deux pressions; - température initiale du liquide à traiter par la thermo-compression; - température finale après la compression; - poids de liquide diluant à éliminer par CV disponible; - surfaces d'échanges nécessaires.
Ceci posé., pour finir l'opération par chauf- fage simple à la vapeur, il restera un poids déterminé de produits à évaporer qui ont besoin d'un poids déterminé de vapeur de chauffage. Il faudra que la vapeur d'échappe- ment fournie par la première phase de l'opération suffise à terminer l'opération, compte tenu des besoins de vapeur positifs ou négatifs du restant de l'usine.
On voit par là la souplesse du système et la variété des solutions. Mais l'étude de chaque cas par- ticulier déterminera les caractéristiques à donner à l'appareil de thermo-compression et à l'appareil de chauf- fage ordinaire et leur importance relative et montrera toujours un bénéfice appréciable, car on aura utilisé au maximum les calories contenues dans la vapeur sortant à haute pression et haute température des chaudières. Ces
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calories à haute température donnent toute leur énergie sans venir en contact même indirect avec les liquides à chauffer à une température supérieure à celle que l'on désire, si basse soit-elle. Les exemples suivants permet- tront de mieux saisir l'exposé qui précède.
PREMIER EXEMPLE - Concentration d'une solution.
Si l'on prend une usine de concentration dispo- sant de vapeur à 18 atm. (Hpz) pour ses besoins et dont le système d'évaporation soit constitué ordinairement par un quintuple effet, l'évaporation est définie en général de la manière suivante: environ 1 kg de vapeur admise évapore 4 kgs de vapeur dans l'appareil.
Avec le procédé de l'invention on opèrera alors de la manière suivante: (fig. 1)
Le groupe thermo-compresseur a a1 travaille par la détente de la vapeur motrice arrivant par b de 18 à 1 kg. effectifs, il sert à aspirer par c la vapeur de la solution et à la comprimer dans l'élément de chauffage d; on arrive ainsi très facilement à évaporer sur la première caisse.! (qui remplace les deux premières habituelles! tra- vaillant en simple effet, 3 kgs 1/2 de vapeur pour 1 kg. détendu dans la machine. En outre, le kilog de vapeur déten- due dans le moteur al et en sortant à la pression d'un kilog effectif alimentera les éléments de chauffage f de trois caisses d'un triple effet et évaporera deux kilos 1/2 de vapeur. Total 6 kgs au lieu de 4.
Si le liquide le permet, c'est-à-dire si sa courbe de température ne croît pas très vite avec la concentra- tion, on peut arriver à des rapporta d'évaporation de 1
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DEUXIEME EXEMPLE - Distillation d'un moût pauvre (fig. 2).
Lorsque l'on a des moûts alcooliques très pauvres, leur distillation est extrêmement onéreuse, l'épuisement de très grandes quantités de liquides doit être assuré avec la vapeur de chauffage.
Par- contre, les opérations suivantes de rectification ou de déshydratation, consomment très peu de vapeur.
Si l'on prend un moût à 1 % d'alcool pour le transformer en alcool rectifié à 96 ou même 100 , il faut environ 2000 kg. de vapeur par hectolitre d'alcool par le moyen de colonnes de distillation, rectification et éventuellement déshydratation.
En opéraht par therma-compression, l'opération de distillation des moûts pour les amener à 10 G.L. on consommera pour cette compression, moins de 500 kgs de vapeur et il reste environ 400 kg. de vapeur d'échappement disponibles qui suffisent largement à la rectification ou déshydratation de ces moûts à 10%. On a donc utilisé en tout et pour tout, 500 kgs de vapeur au lieu de 2000.
La fig. 2 représente une installa tion réalisée de la manière qui vient d'être décrite. Les moûts alcooli- ques sont d'abord épuisés dans la colonne g qui est chauf- fée par thermo-compression, les vapeurs s'échappant en e au sommet de la colonne étant comprimées par le compres- seur a entraîné par le moteur a1 recevant de la vapeur à haute pression par le tuyau b; les vapeurs ainsi compri- mées sont condensées dans le serpentin d et cèdent leur chaleur de condensation à la colonne. Une partie du conden- sat passe par le tuyau n dans la colonne 1 qui sert à la
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rectification des moûts, puis par le tuyau j dans la colonne k qui sert à leur déshydratation.
Les colonnes i et ± sont chauffées par des serpentins f parcourus par la valeur d'échappement du moteur a1 entraînant le compresseur.$ .
TROISIEME EXEMPLE:
Si l'on a à traiter des moûts alcooliques ordinaires, donc plus riches en alcool que ceux qui ont été envisagés dans le 2ème exemple, l'économie de vapeur qui serait procurée par la distillation de ces moûts par thermo-compression ne sera pas extrêmement importante. On commencera, dans ce cas, les opérations de chauffage ayant pour but cle concentrer les moûts, par de la vapeur à basse pression et on appliquera la thermo-compression à l'appareil à rectifier.
L'appareil à rectifier étant chauffé de cette manière, il sera possible de créer dans celui-ci tout régime de pression voulu,puisque.la totalité des vapeurs s'échappant en tête de cet appareil étant comprimée pour être envoyée ensuite dans les éléments de chauffage,on n'a plus besoin de condenseur usuel qui impose toujours un régime de pression donné à l'intérieur de l'appareil à ectifier.
En particulier, on pourra opérer la rectification sous faible pression et l'on sait que, dans ces conditions, on peut obtenir une meilleure séparation des éléments du liquide traité. Dans ce cas encore il n'y aura pas de résidu de chaleur car on pourra équilibrer exactement les besoins d'énergie mécanique de la thermo-compression et les besoins de vapeur à basse pression de la concen- tration préliminaire des moûts.
Les présents exemples ne sont pas limitatifs et
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applicable dans des cas particuliers, pris isolément.
Les règles données ci-dessus sont suffisantes pour per- mettre aux techniciens d'appliquer l'invention pour tous les problèmes qui doivent se présenter dans la pratique, sans qu'il soit besoin de multiplier les exemples.
Sans s'écarter en rien des principes éxposés ci-dessus, on peut faire appel en outre, pour effectuer le chauffage de certaines parties de l'ensemble de l'installation, à de la vapeur provenant d'une source indépendante du procédé, ou, au contraire, utiliser un excès éventuel de la vapeur d'échappement ayant fourni le travail de compression, pour les besoins de chauffage d'appareils étrangers au procédé basé sur la thermo- compression mécanique.
On va décrire des exemples d'exécution de ce procédé mixte, en regard des fig. 3 à 6 du.dessin annexé.
QUATRIEME EXEMPLE (fig. 3).
Cet exemple concerne le cas d'une installation combinée de distillation et de déshydratation de moûts alcooliques. On a décrit, en regard de la fig. 1, un exemple analogue où la colonne à distiller était chauffée par thermo-compression, tandis que le chauffage de la colonne à déshydrater était assuré par la vapeur d'échappe- ment provenant du moteur qui entraîne le compresseur. Mais il peut arriver que le liquide entrant en 3, dans la co- lonne à distiller 1, étant assez froid, la thermo-compres- sion ne suffise pas à chauffer cette colonne.
Dans ce cas, on pourra choisir convenablement le débit ou la pression de la vapeur à haute pression alimentant le compresseur 4, pour que la vapeur d'échappement suffise à produire le chauffage de la colonne à déshydrater 2 et à assurer le chauffage complémentaire de la colonne 1.
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L'appoint de chauffage de celle-ci pourra être également obtenu par une source de vapeur étrangère 5 ( cas d'une usine où l'on a besoin, en dehors de l'installation sus- visée, de vapeur de chauffage et où certaines quantités sont disponibles dans de plus ou moins bonnes conditions).
Plus l'emploi de cette vapeur étrangère sera économique, plus on pourra économiser au contraire la vapeur consommée par le groupe 4 qu'il faudra donc choisir à bon rendement, aussi bien moteur que compresseur.
Ainsi on sera, dans certains cas, amené à com- mander le compresseur par un moteur à haut rendement, ou au contraire par un moteur consommant beaucoup de vapeur.
Dans ce dernier cas, il sera même possible de choisir un moteur qui donne de la vapeur d'échappement à assez haute pression pour qu'elle puisse faire de la concentration en simple ou double effet, dans des caisses telles que 4a 4b (fig. 3 ) avant de venir terminer le a-1:) a chauffage de la colonne 2.
En variante, le moteur peut laisser échapper sa vapeur à deux pressions différentes qui sont toutes les deux utilisées, ce qui permet de consommer plus de vapeur motrice lorsqu'on a besoin de beaucoup de vapeur de chauf- fage (fig. 3b).
CINQUIEME EXEMPLE (fig. 4) .
Cet exemple concerne le cas des appareils d'évapo- ration à plusieurs caisses, employés dans l'industrie du sucre ou de la concentration d'eaux résiduaires.
On dispose de vapeur à haute pression provenant des générateurs et de vapeur à moyenne pression provenant d'échappement de moteurs à vapeur étrangers.au procédé.
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compresseur 4 assurant le chauffage par thermo-compres- sion de la première caisse 7. La vapeur à basse pression s'échappant du compresseur 4 et la vapeur à moyenne pression dont on dispose par ailleurs et arrivant par exemple, par le tuyau 8, seront réparties sur les caisses restantes de manière à satisfaire aux divers desiderata du chauffage, compte tenu des propriétés physiques du liquide à ses différents stades de traitement et des avantages que l'on peut obtenir par une répartition con- venable des deux modes de chauffage, d'après les princi- pes exposés ci-dessus.
Si par exemple le poids de vapeur moyenne pres- sion est déterminé ne varietur ( par exemple vapeur d'échappement provenant des machines qui produisent la force motrice générale de l'usine) on n'aura aucun inté- rêt à vouloir l'économiser. Il faut l'employer par priorité.
On l'utilisera par exemple au chauffage de la 2ème caisse 9, tandis quela vapeur à basse pression provenant de l'échappement du compresseur 4 sera utilisée pour le chauf- fage de la troisième caisse 10, ce qui présente l'avantage de permettre une meilleure détente de la vapeur actionnant le moteur du compresseur 4, et par conséquent, d'améliorer le rendement de ce moteur. Un appoint de chauffage pourra être fourni à la caisse 10, s'il y a lieu et au multiple effet qui peut suivre cette caisse, (tuyauteries 10a) en prélevant sur la caisse 9, une partie de la vapeur produite, l'autre partie servant au chauffage des caisses auxiliaires 11, 12.
Dans certains cas, le moteur actionnant le compresseur 4, sera un moteur à soutirage comme il a été expliqué au premier exemple (fig. 3b), le soutirage à plus haute pression ira chauffer les caisses auxiliaires
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11 et 12 ( appareils à cuire dans les sucreries, par exemple). Les caisses 9 et 10 peuvent alors être amenées à la même pression. Il sera ainsi possible de diminuer la pression de la vapeur à moyenne pression et faire une économie sur la consommation de vapeur pour la force motrice de l'usine (fig. 4a) SIXIEME EXEMPLE (fig. 5).
Une colonne à distiller 11, est chauffée par de la vapeur à moyenne pression par l'intermédiaire de deux faisceaux tubulaires 19 et 13. On veut concentrer les vinasses qui s'échappent en 14 au bas de la colonne à distiller. Ces vinasses sont déjà concentrées par leur passage à travers la caisse 15 qui comporte le faisceau 13. De la caisse 15, elles parviennent à une caisse 16 chauffée par thermo-compression à l'aide d'un compresseur 17 entraîné par la vapeur à haute pression arrivant en 18.
La thermo-compression travaille donc sur les vinasses les plus diluées possible, conformément aux principes énoncés ci-dessus; ----------------- elles passent ensuite à la caisse 19 chauffée par la vapeur à moyenne pression et au multiple effet sous vide 20, 21, 22 chauffé par la vapeur à basse pression provenant de l'échappement du compresseur.
Par le tuyau 22a on fait le vide dans le multiple effet; par le tuyau 22b on recueille les vinasses concentrées.
SEPTIEME EXEMPLE (fig. 6) .
A l'inverse des exemples donnés ci-dessus, des cas pourront se présenter, spécialement quand on ne dispo- sera pas de vapeur moyenne pression, où. un excès de vapeur à basse pression provenant de l'échappement du moteur du compresseur, sera utilisé pour assurer des
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ce cas, on augmentera 11importance du groupe de compres- sion mécanique 4, par exemple en élevant le rapport de compression pour atteindre peut-être 1 atm. ou 1 atm. 1/2, ce qui augmentera la consommation de vapeur du moteur 4. Le triple effet 23 ne peut consommer toute la vapeur d'échappement du moteur 4 pour terminer la concentra-tion. En 24, on dispose donc d'une source de vapeur qui est économique car elle a déjà évaporé 1, 2 ou 3 fois son poids d'eau (selon le rapport des pressions HP et BP).
REVENDICATIONS
1 Dans les procédés industriels de la concentra- tion, de la distillation et d'une façon générale dans les procédés industriels dans lesquels on consomme de grandes quantités de vapeur de chauffage, la réalisation d'une partie des opérations de chauffage par la therma- qompression et de l'autre par de la vapeur à basse pres- sion, provenant en tout ou en partie de la détente de la vapeur à haute pression qui a fourni le travail de thermo- compression,. ce qui permet de réaliser une meilleure utilisation de l'énergie thermique se traduisant par une économie de vapeur de chauffage à basse pression.
2 Dans les procédés spécifiés en 1 l'application de la thermo-compression pour assurer une partie du chauffage telle que la vapeur à basse pression qui pro- vient de la détente de la vapeur motrice à haute pression soit suffisante pour assurer la partie complémentaire du chauffage et que la différence entre les besoins de vapeur motrice à haute pression et ceux de vapeur à basse pression soit ainsi nulle.
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