<Desc/Clms Page number 1>
La présente inventionse rapporte aux.systèmes de traitement en phase .vapeur, et elle concerne plus parti- culièrement la récupération de constituants vaporisables sensiblement purs à partir de charges impures avec une dépense d'énergie thermique minimum par unité de poids de constituant récupéré.
L'invention s'applique à la distillation et à l'évaporation, mais elle est utilisable également d'une façon générale pour la concentration des liquides.
Les procédés de distillation usuels utilisent sous leur forme la plus moderne et la plus efficace une rectification. Les processus d'évaporation utilisent
<Desc/Clms Page number 2>
des systèmes à multiple effet. Les indications fournies par la technique antérieure en ce qui concerne ces @eux opérations séparées exigent ltélimination des ga@ non condensables hors du système.
La théorie de l'élimination des matières non condensables hors du système correspond à la production de films ou pellicules suivant les processus actuellement connus, Selon la théorie actuelle, les matières non condensables (par exemple l'air) se trouvant dans le système en phase vapeur constituent une barrière ou un obstacle additionnel que la chaleur doit traverser pour assurer la vaporisation ou la condensation d'un fluide dans un système donné, et elles représentent par suite un facteur correspondant à une perte de chaleur et ayant pour conséquence un transfert moins efficace si l'on considère l'ensemble du processus opératoire. Les calculs établis dans des article}'! ou ouvrages se rapportant à ces techniques reposent sur ce principe.
Les ingénieurs étudiant plus spécialement cette technique particulière ont publié récemment un grand nombre d'articles concernant l'effet de l'air dans les systèmes de production de vapeur, et ils sont tous arrivés à cette conclusion que, dans le cadre de leurs études, l'air entraîné, retenu ou pénétrant dans le système est nuisible au rendement de l'échange ce chaleur (coefficient thermique global) et doit être par suite éliminé ou évacué par balayage. L'invention apporte une solution opposée permettant d'obtenir un rendement inhabituel dans l'utilisation de la chaleur.
Les opérations séparées effectuées actuellement dans les systèmes de traitement en phase vapeur utilisent des systèmes sous vide et (ou) à multiple effet afin de réduire
<Desc/Clms Page number 3>
la dépense thermique par kilogramme de produit récupérée en augmentant ainsi le rendement global. Certains de ces systèmes fonctionnent de façon continue, mais un grand nombre de systèmes encore en service fonctionnent de façon intermittente. l'invention permet d'obtenir un fonctionnement continu exigeant une dépense d'énergie thermique minimum par unité de produit récupéré en augmentant la vaporisation et en supprimant la condensation rapide des matières vaporisables.
On parvient à ce résultat en maintenant d'une façon constante un gaz inerte non condensable en contact intime avec la charge, les vapeurs et le condensât dans la totalité du système, et. il en résulte une réduction de la dépense thermique réelle par unité de produit ré@@péré. Ceci présente bien entendu une grande importance économique.
La découverte de ce phénomène dans les systèmes gaz-vapeur ouvre dans le domaine de l'industrie chimique des voies permettant d'aboutir à une utilisation plus économique de la chaleur et elle rend possible la récupération d'énergie thermique dans un grand nombre d'opérations qui correspondaient jusqu'ici à une dépense de chaleur. Le procédé, objet de l'invention, permet par exemple une réduction des besoins énergétiques pour la purification de l'eau, et il évite les retards dus à l'utilisation d'eau impure dans ces procédés et lors-de la production de vapeur par les moyens antérieurement connus. Les particularités de mise-en oeuvre concernant la concentration et la distillation apparaîtront plus aisément à la lecture de la description qui va suivre.
La présente invention permet d'atteindre les résultats
<Desc/Clms Page number 4>
envisagés, c'est-à-dire qu'elle rend possible une faible dépense d'énergie par unité de produit récupéré grâce à un procédé nouveau mieux approprié au but poursuivi. On comprendra que le procédé décrit est nouveau par le fait qu'il utilise des gaz non condensables pour les traitements en phase vapeur. On remarquera à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés que les méthodes de calcul actuelles sont utilisables pour déterminer la gamme optimum de conditions de travail. On remarquera également que la présence de quantités notables de gaz non condensables remis en cycle améliore plutôt qu'elle ne diminue la résultat global obtenu.
On notera en outre qu'un appareil de type usuel peut être utilisé pour réaliser ces économies inhabituelles.
L'un des buts de l'invention est de permettre une économie de chaleur dans les systèmes de traitement en phase vapeur.
Suivant une particularité de l'invention, -on utilise des gaz non condensables dans les systèmes de traitement en phase vapeur, ce qui permet d'obtenir un rendement élevé en ce qui concerne la dépense de chaleur par unité de produit pouvant être récupéré.
Suivant une autre particularité de l'invention, on utilise des tensions partielles déterminées lors d'un trai- tement d'évaporation et de condensation, et des matières inertes non condensables sont constamment présentes.
L'invention a également pour but de démontrer la possi- bilité de réaliser une évaporation continue à des températures inférieures au point d'ébullition de la matière vaporisable sous une pression choisie quelconque
<Desc/Clms Page number 5>
L'invention concerne également une nouvelle installation pour la mise en oeuvre de ce procédé, formée par des appa- reils et des dispositifs de type usuel combinés toutefois de façon nouvelle.
Sur les dessins annexés, donnés à titre non limitatif :
La fig. 1 est un schéma d'installation de traitement en phase vapeur suivant l'invention montrant le déroulement des opérations dans un système à simple effet.
La fig. 2 est un schéma de l'installation utilisée dans un système de traitement en phase vapeur suivant l'in- vention, montrant un système à multiple effet.
La fige $ est un graphique montrant une courbe à pression constante choisie, les températures étant portées en abscisses et les kilogrammes de.vapeur. d'eau étant portés en ordonnées.
La fig. 4 est une représentation graphique de l'effet des stades d'évaporation et de condensation sous tension partielle pour une pression totale choisie, @t étant introduit pour compenser le retard dû aux pertes par rayonnement et au temps de montée en température afin de modifier les conditions de chauffage et de refroidissement normales.
Si l'on considère l'ensemble du procédé, on augmente la température d'une charge liquide devant être vaporisée en présence d'un gaz inerte non condensable entraîné avec elle (par exemple de l'azote) de manière à fournir une vapeur sous une pression totale constante, qui est maintenue dans la totalité du système. La charge et la matière non condensable sont amenées à une première température. On augmente ensuite de nouveau la température du gaz inerte
<Desc/Clms Page number 6>
non condensable,. de la charge non vaporisée et de la vapeur.
On condense ensuite la vapeur formée à cette seconde tempé- rature en présence du gaz non condensable par acheminement à contre-courant avec la charge afférente dans un échangeur de chaleur. Dans des conditions ordinaires, une vapeur se condense à température constante à condition que la pression totale demeure constante. Ceci n'est pas le cas toutefois quand un gaz inerte non condensable est présent dans la vapeur et, suivant l'invention; on utilise les tensions partielles de la vapeur et du gaz non condensable pour modifier cette relation normale. En fait, on supprime le phénomène de condensation normale de manière à pouvoir utiliser l'énergie thermique avec un avantage maximum.
On chauffe progressivement la charge et le gaz inerte non condensable dans un système clos, afin d'augmenter la température de la charge par. écoulement en contre-courant avec la matière déjà vaporisée et le gaz inerte. Pendant cette augmentation de température continue, il se produit un accroissement de l'évaporation, et la quantité de vapeur formée à une température quelconque est fonction du rapport entre les tensions de vapeur à cett température, La tension de vapeur est fonction de la température et de la tension partielle du gaz inerte non condensable présent dans la phase vapeur du système.. Pour décrire ce système, on utilisera la terminologie suivante, qui s'applique à la description d'ensemble de l'invention.
Si l'on part de l'admission se trouvant du côté gauche du schéma formant la fig. 1, on introduit dans le système W0 kg de charge et N0 kg de gaz non condensable, à une température t0 et sous une pression p . o .La valeur calorifique intrinsèque'de ces constituants .
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
est égale à Q 0.9 exprimée in grandes calories.
Après passage o à travers le premier échangeur de chaleur,qui est dénommé
EMI7.2
ici pour plus de facilité "échangeur de récupération",' les cond@@@@s à la sortie de cet échangeur sont'-:, température
EMI7.3
t C, S kg de vapeur, W kg de charge non vaporisée,, N kg de gaz inerte non condensable, et on remarquera-,que 'dans l'ensemble du système, N1 No N2 Nsj c'est-à-dire que la quantité de gaz non condensable est maintenue 9.
une valeur constante, comme indiqué par une circulation unitaire sur une base dynamique, et Q1 représente en grandes calories
EMI7.4
la valeur calorifique dans la condition "1"" Api* es, l'admission de l'agent de chauffage dans' le réchauffeur,
O
EMI7.5
on obtient une température t 2 C, S 2 kg de vapstir, 6V kg de charge, et N 2kg de gaz inerte non condensa'.e,,. c .qn.., représente-une valeur calorifique totale de Q, 2';*' grandes calories.
La sortie de l'agent de chauffage hors de 116obDn geur de chaleur de récupération après la condensation des vapeurs à contre-courant avec la charge afférente et échauf- fement de cette charge .afférente, est représentée par la
EMI7.6
condition "trois" (tu, S31 N3, exprimés avec les unités indiquées préc ment). indique en grandes calories la chaleur résiduaire à la sortie du système.
En règle générale, il est désirable' dans cet échangeur
EMI7.7
de récupération., de condenser les vapeurs à gonze-odorant avec la charge afférente, et de les recueillir à un état sensiblement pur avec une récupération de chaleur maximum.
On parvient à ce résultat en augmentant la température des matières formant la charge, après l'accroissement thermique dans l'échangeur de récupération, d'une quantité @t.
Cette chaleur @t est prélevée à une'source de chaleur
<Desc/Clms Page number 8>
extérieure, et l'augmentation correspondante du niveau énergétique dans la condition "deux" permet un échange de chaleur efficace dans l'échangeur de récupération. On voit ainsi qu'une différence de température est nécessaire dans le système, de sorte que la chaleur peut alors être trans- férée à la charge afférente.Cette différence de tempé- rature @t est fournie par le réchauffeur utilisant de la chaleur extérieure et interposé entre les conditions "un" et "deux". Dans toutes les conditions, la vapeur se trouve à saturation ou au-dessous d'un état de saturation pour toute température et toute pression régnant dans le système.
On décrira maintenant l'installation utilisable pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.
Premier étage.
Si l'on se reporte au schéma montrant le déroulement du processus opératoire et qui forme la fig, 1, une pompe
Il et un compresseur 12. du type à ventilateur sont utilisés pour faire arriver une matière vaporisable et un gaz non condensable dans un échangeur de chaleur de récupération 13, afin que cette charge traverse cet échangeur de récupération
13 pour parvenir à un réchauffeur 14. Gamme-montré, ce réchauffeur 14. est constitué par un échangeur de chaleur de type usuel, et on comprendra qu'on peut utiliser n'importe quel type de rêchauffeur efficace.
Du réchauffeur 14, les matières non condensables et la vapeur sont acheminées vers un séparateur 15, où une certaine partie du liquide et les solides présents dans la liqueur de charge sont évacués, tandis que la vapeur et les matières non conden- sables sont remises en cycle à travers le chenisage de
<Desc/Clms Page number 9>
l'échangeur de récupération 13 pour être ensuite intro- duites dans le réchauffeur 14' (Fig. 2) d'un second étage si cela est désirable, afin de réaliser un échange thermique, et sont envoyées ensuite à une température fortement réduite à un stade de séparation finale de la vapeur condensée et du gaz non condensable. Le séparateur 16 est utilisé pour assurer la séparation des matières condensablès par rapport au gaz non condensable., et la matière distillée en est évacuée.
Le gaz non condensable est renvoyé à la charge à travers le compresseur à ventilateur 12. Quand on utilise un seul étage, le séparateur 16. est refroidi par l'eau et condense d'une façon sensiblement totale les. vapeurs, pour en séparer les matières inertes non condensables. Ces matières non condensables sont remises en cycle dans la charge par le compresseur 12.
Second étage
Quand on désire obtenir un système à multiple effet ou à plusieurs étages, on ajoute un, certain nombre de dispositifs, comme montré sur la fig. 2. L'appareillage du second, étage seretrouve dans n'importe quelle installation à multiple effet. Une pompe 11' et un' compresseur 12' servent à mélanger la charge introduite et le gaz non condensable et à les injecter dans le système. Il est prévu un échangeur de récupération 13' danslequel on refoule la charge afin d'amener sa température d'entrée t à la o valeur t1'. Des conduits de raccordement appropriés permettent 1! introduction de la charge dans le réchauffeur 14', dans lequel la chaleur de l'étage précédent est utilisée pour amener la température de la charge à la valeur t2'.
Un séparateur 15' est monté au voisinage
<Desc/Clms Page number 10>
du réchauffeur 14'. et lets impuretés et une certaine partie de la charge sont évacuées dans ce séparateur. Le gaz non condensable et la vapeur sont envoyés du séparateur 15' dans le chemisage de l'échangeur de récupération 13',de façon que la valeur calorifique de ce mélange amène la charge afférente à la température t1'. La sortie de l'échan- geur de récupération 13' est utilisée pour fournir la chaleur extérieure à l'étage suivant si cela est désirable, et elle est enfin acheminée dans le séparateur 16' en vue de la séparation des matières condensables et du gaz non condensable entraîné. Le gaz non .condensable est renvoyé à la charge ou à l'entrée du système par un compresseur 12'.
On comprendra que les différents dispositifs indiqués sont reliés de façon appropriée par des conduits et sont isblés de façon convenable et distribués de manière à réduire au minimum les pertes thermiques du système. On comprendra également que ces dispositifs sont étudiés de manière à pouvoir résister aux pressions de travail envisagées-,'et que leur capacité est fonction des caractéristiques d'ache- minement continu du système. Des vannes à pression constante (non représentées) sont utilisées pour maintenir les pressions réactives choisies.
On comprendra qu'en résume le procédé, objet de l'in- vention, consiste à introduire un gaz non condensable dans un système à fonctionnement continu sous pression constante et à température différentielle, de manière à éviter une évolution brusque en ce qui concerne l'évaporation et la condensation.
Si l'on se reporte plus spécialement à la fig. 3, on voit que, dans des conditions de pression constantes,
<Desc/Clms Page number 11>
quand l'eau se trouve en présence d'un gaz non condensable, par exemple en présence de 1,57 kg d'azote (1,25 m3 d'un gaz non condensable quelconque), on obtient une courbe caractéristique par report sur un graphique sur lequel la tempéra tare en degrés C est portée eu abscisses, tandis que les quantités de vapeur d'eau en lg sont portées en ordonnées. On soumet différentes parties de cette courbe caractéristique à des essais, afin de déterminer une gamme de travail optimum. pour. un système de production de vapeur, sans oublier qu'une différence de température est nécessaire entre la matière condensée et la charge pour réaliser un transfert de chaleur.
On a essayé diverses différences de température, et il semble que des conditions de travail optima soient obtenues quand on utilise une variation de température de 5,5 G, qui fournit une augmentation de vapeur de 0,18 à 0,36 kg quand 1,57 kg d'azote se trouve dans le système. Des recherches expérimentales ont montré que-ces conditions demeurent valables quelle que soit la pression de travail constante choisie, et que le rapport obtenu est conservé pour n'importe quelle différence de température choisie. Par exemple, quand la différence de température est de Si 50 C, on opère sur la courbe-de pression constante choisie dans une gamme dans laquelle l'augmentation pondéra- ble de vapeur d'eau est comprise entre 0,18 et 0,36 kg.
Pour une différence de température de 2,7 C, les conditions optina se présentent quand on obtient une augmentation de la quantité de vapeur de 0,09 à 0,18 kg quand 1,57 kg d'azote se .trouve dans le système.
Bien que d'autres courbes caractérisent les conditions de production de vapeur quand. des quantités différentes
<Desc/Clms Page number 12>
de gaz non condensable dont présentes dans @e système et quand on choisit d'autres conditions .de pression constante, on comprendra que le choix de conditions optima dépend de l'utilisation de la partie de la courbe obtenue dans * laquelle le changement de pente est le plus rapide, 'comme montré sur la fig. 3. Des courbes analogues sont obtenues pour n'importe quelle matière liquide utilisée comme charge.
La courbe représentée caractérise l'eau dans le systeme gaz-vapeur considéré et représente un exemple de mise en oeuvre typique,
Après avoir établi les courbes désirées pour les tensions de vapeur indiquées sur la fig, 8, et quand la ' matière non condensable présente est de l'azote,on peut alors obtenir la différence de température désirée, en déterminant la partie de la courbe pour laquelle on réalise. des conditions optima.
On obtient un palier de température inférieur (t1) en chauffant la charge à l'aide de la chaleur contenue dans* la sortie du système, qui se trouve à la température (t2).
Le palier de température supérieur (t2) est obtenu par apport de chaleur de l'extérieur. Ainsi, le palier de température inférieur t1 est augmenté de la ..quantité @ pour prendre la valeur t2. En utilisant la température t pour amener la température t0, qui est .la température, de la charge afférente, à la valeur t1, la vapeur d'eau entraînée dans le gaz non condensable est condensée aux dépens de la charge.
Le but de ce chauffage différentiel est de compenser les pertes par rayonnement et le retard de montée en température, ainsi que toute perte ther par extraction; La chaleur extérieure @ est fom
<Desc/Clms Page number 13>
par le réchauffeur 14, et la vapeur d'eau et le gaz non condensable sont ensuite envoyés à travers le séparateur 15. dans lequel les impuretés et une certaine partie de l'eau sont évacuées. La vapeur d'eau et le gaz non condensable à la température t2 contenant la quantité de chaleur Q2 sont envoyés dans le chemisage de l'échangeur de récupération
13. où une quantité de chaleur @QR amène la tempé- rature de la charge de la valeur t0 au palier de température inférieur t1 du système.
Mais étant donné que la chaleur non utilisée Q3 demeure dans la vapeur d'eau-et dans le gaz non condensable; on.peut utiliser de façon économique un second étage, qui en fait est analogue au premier en ce qui concerne son fonctionnement, et qui travaille à un niveau de pression constant désiré, supérieur ou inférieur à la pression constante du premier étage.
Le principe mécanique du phénomène d'échange thermique peut être expliqué de façon optimun à l'aide d'un exemple dans lequel on utilise l'appareil représenté sur la fig. 1.
Cette fig. 1 sera citée en regard de cet exemple étant donné que les conditions utilisées correspondent à celles de cette figure. Le principe fondamental sur lequel reposent les conditions de travail est prélevé à la fig. "3, qui montre l'analyse graphique des conditions de pression constante de la vapeur d'eau en présence d'azote ( ce gaz étant choisi pour éviter toute réaction d'oxydation dans l'installation), et sur laquelle la température en C est conjuguée à l'augmentation de poids de la vapeur d'eau en kilogrammes, pour former les coordonnées du graphique. Etant donné qu'on utilise dans le système 1,57 kg d'azote, la courbe obtenue est en fait le résultat composite des conditions de tension
<Desc/Clms Page number 14>
partielle régnant dans le système.
Etant donné que la gamme opératoire optimum correspond à une augmentation de poids de 0,18 à 0,36 kg de vapeur d'eau pour une augmentation de température de 5,5 C, on choisit pour t1 unevaleur de 162 0 et pour t2 une valeur de 168,30 G, et on observe une augmentation du poids de la vapeur de 0,22 kg pour la courbe correspondant- à une pression absolue de 15,03 kg/cm , étant donné que l'on choisit pour le premier étage une pression de travail manomé trique de 14 kg/cm2.
Exemple
Dans-cet exemple,on fait arriver de façon continue dans un système clos maintenu à une pression manométrique de 14 kg/cm2, 1,57 kg d'azote et 1,24 kg d'eau. La tempé- rature d'admission de l'eau est de 15,6 C. L'azote remis en cycle pénètre dans le système à une température de 26,7 C,
Le mélange d'eau et d'azote est amené à travers un échangeur
13 à une température- t égale à 162,8 G, et il se forme
0,86 kg de vapeur d'eau, de sorte que @ QR, qui est la chaleur nécessaire pour élever la charge à" la température t1, est égale à 667 grandes calories.
Gomme on le comprendra, cette quantité de chaleur utilisée pour Inchangé thermique est présente dans le mélange de sortie du réchauffeur 14, qui se trouve à une température t2 égale à 168,3 C. La- matière chauffée à la température t1 et contenant 696 grandes calories est introduite dans le réchauffeur 14, où la température est augmentée d'une quantité @t = 5,5 C par la chaleur extérieure @ Q, qui correspond à 137 grandes calories.
Par suite de l'augmentation de température,
1,13 kg d'eau s'évaporent, et0,11 kgse trouvent encore
<Desc/Clms Page number 15>
on phase aqueuse. La quantité de chaleur présente dans le système pour le palier de température supérieur t2 = 1@8,8 est de 833 grandes calories, c'est-à-dire qu'elle est égale à la somme Q1 @Q, La matière quittant le réchauffeur 14 est introduite dans le séparateur 15.
dans lequel on évacue les impuretés et environ 0,11 kg d'eau, ce qui correspond à une perte par extraction de 19 grandes calories environ* Bien que cette perte thermique provenant de l'extraction puisse être récupérable et qu'elle représente une quantité considérable de Matières extraites, l'exemple choisi correspond à un cas dans lequel le pourcentage d'extraction est élevé et correspond à une perte de chaleur dans le système. Ceci est cohérent avec une extraction continue.
On renvoie les vapeurs et le gaz non condensable à température t2 = 168,3 C au chemisage de l'échangeur de récupération 13, dans lequel 667 grandes calories sont prélevées aux 814 grandes, calories (Q2) disponibles dans la masse acheminée à contre-courant.
La tempéra hure de la matière se déplaçant en contre-courant par rapport à la charge tombe de 168,3 C à 82,2 C, en abandonnant 667 grandes calories @QR). La température de la charge (azote et eau)' est amenée de 15,6 C à 162,8 C. La charge afférente continue formée par 1,24 kg d'eau à 15,6 C amène au total 19 grandes calories, et l'azote (1,57 kg) est renvoyée l'entrée du système à une tempe- ra ture d'environ @@,7 C, de sorte qu'il contient 10 grande' calories en vire:.
En ce pointa 137 grandes calories environ ont été introduises dans le système et on prélève 1,14 kg d'eau
<Desc/Clms Page number 16>
distillée. On a ainsi effectué la distillation en dépensant 119 grandes calories-environ par'kg d'eau récupérée. Après correction pour tenir compte d'une chute de pression de 0,35 kg/cm2 dans l'ensemble du système, -cette valeur est ramenée à 119,4 grandes-calories par kg d'eau récupérée, On estime que le travail du compresseur pour assurer la circulation de l'azote afin de surmonter les pertes par friction lors d'un fonctionnement en continu correspond à 1,25 grande calorie.
Sur la fig. 2, on a choisi les conditions de manière à utiliser l'excès de chaleur qui n'a pas été employé dans l'échangeur de récupération du premier étage. Cette chaleur en excès constitue la chaleur fournissant la différence de température nécessaire dans 1s second étage.
Aucun apport de chaleur de l'extérieur n'est donc requis pour ce second étage, et les constantes d'écoulement sont réduites pour tenir compte des conditions de sortie du premier étage. Sur la fig. 2, les conditions indiquées correspondent simplement à l'utilisation de plusieurs étages pour là mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention.
Les conditions données ci-après correspondent à des indications obtenues lors d'un essai continu-réel;¯ Le choix des conditions correspondant à un travail optim@@formé de cycles successifs est déterminé par l'état initial choisi.
Les résultats indiqués dans le tableau suivant fournissent des indications exactes concernant les conditions de travail du second étage, dans lequel on mélange pour former la charge 0,22 kg d'eau à 1,57 kg d'azote, la pression constante maintenue dans le système étant égale à la pression atmosphérique, le réchauffeur utilisant
<Desc/Clms Page number 17>
l'effluent du premier étae, à une température de 820 C environ et sous une pression manométrique de 14 kg/cm2, cet effluent entraînant 156 grandes calories, dont; 90 sont, ,;
utilisées dans le réchauffeur 14' pour former'la chaleur
EMI17.1
<tb> 'Unité <SEP> Condition <SEP> Condition <SEP> Condition <SEP> Condition
<tb>
EMI17.2
0' 1' 2 3'
EMI17.3
<tb> en <SEP> grandes <SEP> 153"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> calories <SEP> 9,5 <SEP> 63 <SEP> 153 <SEP> 99
<tb>
EMI17.4
t en C 15,6 , 37,8 57,2 , 47,8 S en kg 0, 00 0, 068 0,20 0,12 N en kg 1, 57 1,57 1, 57 1, 57 P en kg/cm.2 z 1, 03 1, 03 1,03 W en kg 0,22 0,16 0, 018 0,10 environ
Ainsi, les vapeurs provenant du second étage permettent à la charge traversant l'éohangeur de récupération 13' d'absorber environ 53 grandes calories parmi les 153 grandes calories disponibles à partir de la condition "2", moins la faible perte représentée par l'extractionet le rayonne-, ment.
On voit ainsi que l'on obtient un procédé et une installation de traitement continu sous pression constante pour la distillation ou la concentration de charges liquides, dans lesquels la charge est mélangée à une quantité constante de gae inerte non condensable, puis chauffée à contre-courant par les vapeurs formant l'effluent, chauffée de nouveau par une source de chaleur extérieure qui lui . fournit une quantité de chaleur différentielle choisie
<Desc/Clms Page number 18>
pour l'amener au niveau, de saturation ou au-dessous de ce niveau, les vapeurs saturées étant ensuite condensées par coopération avec la charge afférente, puis les gaz inertes étant séparés du condensat et remis en cycle dans le procédé.
On conçoit que le procédé, objet de l'invention, permet de réaliser des économies, à la fois à cause de la simplicité de l'appareillage nécessaire et de la nature continue du processus, avec un apport de quantités minima d'énergie thermique adjonctive. La faculté d'adaptation
EMI18.1
de ce procédé à une distillation avec évapora tio..., condensation et concentration au cours de processus chimiques apparaîtra aisément aux techniciens spécialisés dans ce domaine. L'économie de chaleur résultant du traitement à multiple effet a été démontrée, et bien que les données indiquées soient basées sur des essais effectués avec'des charges aqueuses, on comprendra que l'invention s'applique également à des matières autres que l' eau.
Les détails de mise en oeuvre et de réalisation peu- vent être modifiés, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.
EMI18.2
R E V END ICA T- l 0 iI 'S
1 - Procédé de. distillation sous tension partielle, consistant à introduire, un gaz non condensable dans un système à fonctionnement continu sous pression constante à température différentielle, de manière à éviter un changeront brusque entre l' évapora tion et -la condensation.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to vapor phase treatment systems, and more particularly relates to the recovery of substantially pure vaporizable constituents from impure feedstocks with minimum thermal energy expenditure per unit weight of recovered constituent.
The invention applies to distillation and evaporation, but it can also be used in general for the concentration of liquids.
Conventional distillation processes use rectification in their most modern and efficient form. Evaporation processes use
<Desc / Clms Page number 2>
multiple effect systems. The guidance provided by the prior art with respect to these two separate operations requires the removal of non-condensable gases from the system.
The theory of removing non-condensable matter from the system corresponds to the production of films or films according to currently known processes, According to current theory, non-condensable matter (for example air) in the system in phase vapor constitute an additional barrier or obstacle that heat must pass through to ensure the vaporization or condensation of a fluid in a given system, and they therefore represent a factor corresponding to a loss of heat and resulting in a less efficient transfer if we consider the entire operative process. The calculations established in articles} '! or works relating to these techniques are based on this principle.
Engineers studying this particular technique more specifically have recently published a large number of papers concerning the effect of air in steam generating systems, and they have all come to the conclusion that, in the course of their studies, the air entrained, retained or entering the system is detrimental to the efficiency of the heat exchange (overall thermal coefficient) and must therefore be eliminated or evacuated by sweeping. The invention provides an opposite solution making it possible to obtain an unusual efficiency in the use of heat.
Separate operations currently performed in vapor phase processing systems use vacuum and / or multiple effect systems to reduce
<Desc / Clms Page number 3>
the thermal expenditure per kilogram of product recovered, thus increasing the overall yield. Some of these systems operate continuously, but a large number of systems still in service operate intermittently. the invention makes it possible to obtain continuous operation requiring a minimum expenditure of thermal energy per unit of product recovered by increasing the vaporization and by suppressing the rapid condensation of the vaporizable materials.
This is achieved by constantly maintaining an inert, non-condensable gas in intimate contact with the feedstock, vapors and condensate throughout the system, and. this results in a reduction in the actual heat expenditure per unit of product delivered. This is of course of great economic importance.
The discovery of this phenomenon in gas-vapor systems opens in the field of the chemical industry ways allowing to achieve a more economical use of heat and it makes possible the recovery of thermal energy in a large number of operations which until now corresponded to the expenditure of heat. The method, object of the invention, allows for example a reduction in energy requirements for the purification of water, and it avoids delays due to the use of impure water in these processes and during the production of steam. by previously known means. The particularities of implementation concerning the concentration and the distillation will appear more easily on reading the description which follows.
The present invention achieves the results
<Desc / Clms Page number 4>
envisaged, that is to say that it makes possible a low expenditure of energy per unit of product recovered by virtue of a new process better suited to the aim pursued. It will be understood that the process described is new in that it uses non-condensable gases for the vapor phase treatments. It will be appreciated from reading the following description and examining the accompanying drawings that current calculation methods can be used to determine the optimum range of working conditions. It will also be noted that the presence of significant quantities of non-condensable gases put back into the cycle improves rather than decreases the overall result obtained.
It will further be noted that an apparatus of the conventional type can be used to achieve these unusual savings.
One of the aims of the invention is to make it possible to save heat in vapor phase treatment systems.
According to a feature of the invention, non-condensable gases are used in the vapor phase treatment systems, which makes it possible to obtain a high efficiency with regard to the expenditure of heat per unit of product which can be recovered.
According to another feature of the invention, partial voltages determined during an evaporation and condensation treatment are used, and non-condensable inert materials are constantly present.
The object of the invention is also to demonstrate the possibility of carrying out continuous evaporation at temperatures below the boiling point of the vaporizable material under any selected pressure.
<Desc / Clms Page number 5>
The invention also relates to a new installation for the implementation of this method, formed by apparatus and devices of the usual type combined, however, in a novel way.
In the accompanying drawings, given without limitation:
Fig. 1 is a diagram of a vapor phase treatment plant according to the invention showing the flow of operations in a single-acting system.
Fig. 2 is a diagram of the plant used in a vapor phase treatment system according to the invention, showing a multiple effect system.
Freeze $ is a graph showing a selected constant pressure curve, temperatures being plotted on the abscissa and kilograms of steam. of water being carried in ordinate.
Fig. 4 is a graphical representation of the effect of the stages of evaporation and condensation under partial tension for a selected total pressure, @t being introduced to compensate for the delay due to radiation losses and to the time of temperature rise in order to modify the normal heating and cooling conditions.
Considering the entire process, the temperature of a liquid feed to be vaporized is increased in the presence of a non-condensable inert gas entrained with it (e.g. nitrogen) so as to provide a vapor under a constant total pressure, which is maintained throughout the system. The charge and the non-condensable material are brought to a first temperature. The temperature of the inert gas is then increased again
<Desc / Clms Page number 6>
non-condensable ,. unvaporized load and steam.
The vapor formed at this second temperature is then condensed in the presence of the non-condensable gas by countercurrent delivery with the associated charge in a heat exchanger. Under ordinary conditions, a vapor condenses at constant temperature provided that the total pressure remains constant. This is not the case, however, when an inert non-condensable gas is present in the vapor and, according to the invention; the partial tensions of the vapor and the non-condensable gas are used to modify this normal relationship. In fact, the phenomenon of normal condensation is suppressed so that thermal energy can be used with maximum benefit.
The charge and the non-condensable inert gas are gradually heated in a closed system, in order to increase the temperature of the charge by. countercurrent flow with the material already vaporized and the inert gas. During this continuous rise in temperature, there is an increase in evaporation, and the amount of vapor formed at any temperature is a function of the ratio of the vapor pressures at that temperature. The vapor pressure is a function of temperature and of the partial pressure of the non-condensable inert gas present in the vapor phase of the system. To describe this system, the following terminology will be used, which applies to the overall description of the invention.
If we start from the inlet on the left side of the diagram in fig. 1, W0 kg of load and N0 kg of non-condensable gas are introduced into the system, at a temperature t0 and under a pressure p. o. The intrinsic calorific value of these constituents.
<Desc / Clms Page number 7>
EMI7.1
is equal to Q 0.9 expressed in large calories.
After passing through the first heat exchanger, which is referred to as
EMI7.2
here for convenience "recovery exchanger", 'the cond @@@@ s at the outlet of this exchanger are' - :, temperature
EMI7.3
t C, S kg of vapor, W kg of unvaporized feed, N kg of inert non-condensable gas, and it will be noted that 'in the whole system, N1 No N2 Nsj that is to say that the quantity of non-condensable gas is maintained 9.
a constant value, as indicated by unit circulation on a dynamic basis, and Q1 represents large calories
EMI7.4
the calorific value in the condition "1" "Api * es, the admission of the heating medium into the heater,
O
EMI7.5
one obtains a temperature t 2 C, S 2 kg of vapstir, 6V kg of load, and N 2 kg of inert gas not condensa'.e ,,. c .qn .., represents a total calorific value of Q, 2 '; *' large calories.
The exit of the heating medium from the recovery heat source after condensation of the vapors in countercurrent with the related charge and heating of this related charge, is represented by the
EMI7.6
condition "three" (tu, S31 N3, expressed with the units indicated above). indicates in large calories the waste heat at the outlet of the system.
As a general rule, it is desirable 'in this exchanger
EMI7.7
of recovery., to condense the odorant vapors with the associated charge, and to collect them in a substantially pure state with maximum heat recovery.
This is achieved by increasing the temperature of the materials forming the charge, after the thermal increase in the recovery exchanger, by an amount @t.
This heat @t is taken from a heat source
<Desc / Clms Page number 8>
outside, and the corresponding increase in the energy level in condition "two" allows efficient heat exchange in the recovery exchanger. It is thus seen that a temperature difference is required in the system, so that heat can then be transferred to the related load. This temperature difference @t is supplied by the heater using external heat and interposed between the conditions "one" and "two". Under all conditions, steam is at or below a saturated state for any temperature and pressure in the system.
The installation which can be used for implementing the method that is the subject of the invention will now be described.
First floor.
If we refer to the diagram showing the course of the operating process and which forms fig, 1, a pump
II and a fan-type compressor 12 are used to supply a vaporizable material and a non-condensable gas to a recovery heat exchanger 13, so that this charge passes through this recovery exchanger.
13 to arrive at a heater 14. Range shown, this heater 14. is constituted by a heat exchanger of conventional type, and it will be understood that any type of efficient reheater can be used.
From the heater 14, the non-condensable material and the vapor are conveyed to a separator 15, where some of the liquid and the solids present in the charge liquor are removed, while the vapor and the non-condensable materials are returned to. cycle through the tracking of
<Desc / Clms Page number 9>
the recovery exchanger 13 to then be introduced into the heater 14 '(Fig. 2) of a second stage if this is desirable, in order to achieve a heat exchange, and are then sent at a temperature greatly reduced to a stage of final separation of condensed vapor and non-condensable gas. The separator 16 is used to ensure the separation of the condensable material from the non-condensable gas., And the distilled material is discharged therefrom.
The non-condensable gas is returned to the load through the fan compressor 12. When using a single stage, the separator 16. is water-cooled and substantially completely condenses them. vapors, to separate inert, non-condensable matter. These non-condensable materials are cycled back into the load by compressor 12.
Second floor
When it is desired to obtain a system with multiple effects or with several stages, one adds a certain number of devices, as shown in fig. 2. The second stage switchgear can be found in any multi-effect installation. A pump 11 'and a' compressor 12 'serve to mix the feed introduced and the non-condensable gas and to inject them into the system. A recovery exchanger 13 'is provided in which the load is delivered in order to bring its inlet temperature t to the value o t1'. Appropriate connecting pipes allow 1! introducing the load into the heater 14 ', in which the heat of the previous stage is used to bring the temperature of the load to the value t2'.
A 15 'separator is mounted in the vicinity
<Desc / Clms Page number 10>
of the 14 'heater. and the impurities and a certain part of the charge are discharged in this separator. The non-condensable gas and the vapor are sent from the separator 15 'into the jacket of the recovery exchanger 13', so that the calorific value of this mixture brings the related charge to the temperature t1 '. The outlet of the recovery exchanger 13 'is used to supply the external heat to the next stage if this is desired, and it is finally passed into the separator 16' for the separation of the condensables and the gas. non-condensable entrained. The non-condensable gas is returned to the load or to the inlet of the system by a compressor 12 '.
It will be understood that the various devices indicated are suitably connected by conduits and are suitably insulated and distributed so as to minimize heat losses from the system. It will also be understood that these devices are designed in such a way as to be able to withstand the working pressures envisaged -, 'and that their capacity is a function of the continuous flow characteristics of the system. Constant pressure valves (not shown) are used to maintain the selected reactive pressures.
It will be understood that, in summary, the method, object of the invention, consists in introducing a non-condensable gas into a system which operates continuously under constant pressure and at differential temperature, so as to avoid a sudden change in terms of evaporation and condensation.
If we refer more specifically to FIG. 3, it can be seen that, under constant pressure conditions,
<Desc / Clms Page number 11>
when the water is in the presence of a non-condensable gas, for example in the presence of 1.57 kg of nitrogen (1.25 m3 of any non-condensable gas), a characteristic curve is obtained by transfer to a graph on which the tare temperature in degrees C is plotted on the abscissa, while the quantities of water vapor in lg are plotted on the ordinate. Different parts of this characteristic curve are tested to determine an optimum working range. for. a steam production system, without forgetting that a temperature difference is necessary between the condensed matter and the load to achieve heat transfer.
Various temperature differences have been tried, and it seems that optimum working conditions are obtained when using a temperature variation of 5.5 G, which provides a vapor increase of 0.18 to 0.36 kg when 1, 57 kg of nitrogen is in the system. Experimental research has shown that these conditions remain valid whatever the chosen constant working pressure, and that the ratio obtained is maintained for any chosen temperature difference. For example, when the temperature difference is Si 50 C, we operate on the constant pressure curve chosen in a range in which the weighted increase in water vapor is between 0.18 and 0.36 kg.
For a temperature difference of 2.7 C, the optimal conditions arise when an increase in the amount of vapor from 0.09 to 0.18 kg is obtained when 1.57 kg of nitrogen is in the system.
Although other curves characterize the conditions of steam production when. different quantities
<Desc / Clms Page number 12>
of non-condensable gas which are present in the system and when other constant pressure conditions are chosen, it will be understood that the choice of optimum conditions depends on the use of the part of the curve obtained in which the change in slope is the fastest, 'as shown in fig. 3. Similar curves are obtained for any liquid material used as a feed.
The curve shown characterizes the water in the gas-vapor system considered and represents an example of typical implementation,
After having established the desired curves for the vapor pressures shown in fig, 8, and when the non-condensable matter present is nitrogen, one can then obtain the desired temperature difference, by determining the part of the curve for which we realize. optimum conditions.
A lower temperature plateau (t1) is obtained by heating the load using the heat contained in * the output of the system, which is at temperature (t2).
The upper temperature plateau (t2) is obtained by supplying heat from the outside. Thus, the lower temperature plateau t1 is increased by the ..quantity @ to take the value t2. By using the temperature t to bring the temperature t0, which is the temperature, of the related charge, to the value t1, the water vapor entrained in the non-condensable gas is condensed at the expense of the charge.
The purpose of this differential heating is to compensate for the losses by radiation and the delay in temperature rise, as well as any loss ther by extraction; Outdoor heat @ is fom
<Desc / Clms Page number 13>
through the heater 14, and the water vapor and the non-condensable gas are then sent through the separator 15. in which the impurities and a certain part of the water are discharged. The water vapor and the non-condensable gas at temperature t2 containing the quantity of heat Q2 are sent to the jacket of the recovery exchanger
13. where a quantity of heat @QR brings the temperature of the load from the value t0 to the lower temperature stage t1 of the system.
But given that the unused heat Q3 remains in the water vapor-and in the non-condensable gas; A second stage can be economically used, which in fact is analogous to the first in terms of operation, and which operates at a desired constant pressure level, higher or lower than the constant pressure of the first stage.
The mechanical principle of the heat exchange phenomenon can be optimally explained with the aid of an example in which the apparatus shown in FIG. 1.
This fig. 1 will be cited with regard to this example given that the conditions used correspond to those in this figure. The fundamental principle on which the working conditions are based is taken from fig. "3, which shows the graphic analysis of the conditions of constant pressure of water vapor in the presence of nitrogen (this gas being chosen to avoid any oxidation reaction in the installation), and on which the temperature in C is combined with the increase in the weight of the water vapor in kilograms, to form the coordinates of the graph. Since we use 1.57 kg of nitrogen in the system, the resulting curve is in fact the composite result voltage conditions
<Desc / Clms Page number 14>
partial prevailing in the system.
Given that the optimum operating range corresponds to an increase in weight of 0.18 to 0.36 kg of water vapor for a temperature increase of 5.5 C, a value of 162 0 is chosen for t1 and for t2 a value of 168.30 G, and an increase in the weight of the vapor of 0.22 kg is observed for the curve corresponding to an absolute pressure of 15.03 kg / cm, given that one chooses for the first stage a manometric working pressure of 14 kg / cm2.
Example
In this example, 1.57 kg of nitrogen and 1.24 kg of water are continuously supplied to a closed system maintained at a gauge pressure of 14 kg / cm2. The water inlet temperature is 15.6 C. The cycled nitrogen enters the system at a temperature of 26.7 C.
The mixture of water and nitrogen is brought through an exchanger
13 at a temperature t equal to 162.8 G, and it forms
0.86 kg of water vapor, so that @ QR, which is the heat required to raise the load to "temperature t1, is equal to 667 large calories.
As will be understood, this quantity of heat used for thermal unchanged is present in the outlet mixture of the heater 14, which is at a temperature t2 equal to 168.3 C. The material heated to the temperature t1 and containing 696 large calories are introduced into the heater 14, where the temperature is increased by an amount @t = 5.5 C by the external heat @ Q, which corresponds to 137 large calories.
As a result of the increase in temperature,
1.13 kg of water evaporate, and 0.11 kg are still
<Desc / Clms Page number 15>
an aqueous phase. The amount of heat present in the system for the upper temperature stage t2 = 1 @ 8.8 is 833 large calories, i.e. it is equal to the sum Q1 @Q, The material leaving the heater 14 is introduced into separator 15.
in which the impurities and about 0.11 kg of water are removed, which corresponds to an extraction loss of about 19 large calories * Although this heat loss from the extraction can be recoverable and represents an amount Considerable amount of material extracted, the example chosen corresponds to a case in which the percentage of extraction is high and corresponds to a loss of heat in the system. This is consistent with continuous extraction.
The vapors and the non-condensable gas at temperature t2 = 168.3 C are returned to the lining of the recovery exchanger 13, in which 667 large calories are taken from the 814 large calories (Q2) available in the mass conveyed against it. current.
The temperature of the material moving countercurrently to the load drops from 168.3 C to 82.2 C, releasing 667 large calories @QR). The temperature of the charge (nitrogen and water) 'is brought from 15.6 C to 162.8 C. The continuous afferent charge formed by 1.24 kg of water at 15.6 C brings a total of 19 large calories, and nitrogen (1.57 kg) is returned to the inlet of the system at a temperature of about 0.7 ° C, so that it contains 10 large calories in turn.
At this point, approximately 137 large calories have been introduced into the system and 1.14 kg of water are taken.
<Desc / Clms Page number 16>
distilled. The distillation was thus carried out at the expense of about 119 large calories per kg of water recovered. After correction to take into account a pressure drop of 0.35 kg / cm2 in the whole system, this value is reduced to 119.4 large-calories per kg of water recovered, It is estimated that the work of the compressor to ensure the circulation of nitrogen in order to overcome friction losses during continuous operation corresponds to 1.25 large calorie.
In fig. 2, the conditions were chosen so as to use the excess heat which was not used in the first stage recovery exchanger. This excess heat constitutes the heat providing the necessary temperature difference in the second stage.
No heat input from the outside is therefore required for this second stage, and the flow constants are reduced to take into account the outlet conditions of the first stage. In fig. 2, the conditions indicated simply correspond to the use of several stages for the implementation of the method, object of the invention.
The conditions given below correspond to indications obtained during a continuous-real test; ¯ The choice of conditions corresponding to an optim @@ work formed by successive cycles is determined by the initial state chosen.
The results indicated in the following table provide exact indications concerning the working conditions of the second stage, in which 0.22 kg of water is mixed to form the charge with 1.57 kg of nitrogen, the constant pressure maintained in the system being equal to atmospheric pressure, the heater using
<Desc / Clms Page number 17>
the effluent of the first stage, at a temperature of approximately 820 C and under a gauge pressure of 14 kg / cm2, this effluent causing 156 large calories, including; 90 are,,;
used in the 14 'heater to form the heat
EMI17.1
<tb> 'Unit <SEP> Condition <SEP> Condition <SEP> Condition <SEP> Condition
<tb>
EMI17.2
0 '1' 2 3 '
EMI17.3
<tb> in <SEP> large <SEP> 153 "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> calories <SEP> 9.5 <SEP> 63 <SEP> 153 <SEP> 99
<tb>
EMI17.4
t in C 15.6, 37.8 57.2, 47.8 S in kg 0, 00 0, 068 0.20 0.12 N in kg 1, 57 1.57 1, 57 1, 57 P in kg /cm. 2 z 1.03 1.03 1.03 W in kg 0.22 0.16 0.018 0.10 approximately
Thus, the vapors from the second stage allow the charge passing through recovery exchanger 13 'to absorb about 53 large calories of the 153 large calories available from condition "2", minus the small loss represented by extraction and radiation.
It is thus seen that one obtains a process and a continuous treatment plant under constant pressure for the distillation or concentration of liquid feeds, in which the feed is mixed with a constant quantity of non-condensable inert gas, then heated against current by the vapors forming the effluent, heated again by an external heat source which it. provides a selected amount of differential heat
<Desc / Clms Page number 18>
to bring it to the saturation level or below this level, the saturated vapors then being condensed by cooperation with the related charge, then the inert gases being separated from the condensate and re-cycled in the process.
It will be appreciated that the method, object of the invention, allows savings to be made, both because of the simplicity of the equipment required and the continuous nature of the process, with a contribution of minimum quantities of adjunctive thermal energy. . The ability to adapt
EMI18.1
from this process to a distillation with evaporation ..., condensation and concentration during chemical processes will easily appear to technicians specialized in this field. The heat saving resulting from the multiple-effect treatment has been demonstrated, and although the data given is based on tests carried out with aqueous fillers, it will be understood that the invention also applies to materials other than water. water.
The details of implementation and realization can be modified, in the field of technical equivalences, without departing from the invention.
EMI18.2
R E V END ICA T- l 0 iI 'S
1 - Process of. Partial voltage distillation, consisting in introducing a non-condensable gas into a continuously operating system under constant pressure at differential temperature, so as to avoid a sudden change between evaporation and condensation.