FR2637510A1 - Procedes et dispositifs pour secher de l'air a basse temperature - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet des procédés et des dispositifs pour sécher de l'air à basse température. Un dispositif selon l'invention comporte un réacteur 1 de captation enthalpique de la vapeur d'eau contenue dans l'air. Ce réacteur comporte une entrée d'air à la partie supérieure et une sortie d'air 2 équipée d'un ventilateur 3. Il comporte des rampes perforées 5 qui envoient dans le réacteur un liquide hygroscopique finement pulvérisé, de préférence une solution d'acide phosphorique. Le liquide dilué recueilli dans le fond 6 du réacteur passe dans un échangeur 7 puis dans des cellules d'électrodialyse 8 où il est concentré. Le liquide concentré est recyclé par une pompe 9 vers le réacteur 1. Une application est la production d'air sec et propre, à basse température, utilisable pour le séchage ou le stockage de produits alimentaires ou pharmaceutiques.
Description
Procédés et dispositifs pour sécher de l'air a basse
température.
température.
DESCRIPTION
La présente invention a pour objet des procédés et des dispositifs pour sécher de l'air à basse température.
La présente invention a pour objet des procédés et des dispositifs pour sécher de l'air à basse température.
Le secteur technique de l'invention est celui du séchage de l'air et de la production de calories.
On connaît des procédés de séchage de l'air dits procédés de captation enthalpique dans lesquels on fait circuler de l'air humide au contact de fines gouttelettes ou au contact d'un film très mince d'un liquide qui est hygroscopique dans les conditions climatiques de température et de pression de vapeur d'eau. Si le liquide hygroscopique est plus froid que l'air, la vapeur d'eau contenue dans l'air se condense au contact du liquide. Cette réaction est fortement exothermique.
La condensation d'un gramme de vapeur d'eau par seconde représente une puissance de 2,4 Kw.
Les liquides hygroscopiques qui ont été utilisés sont par exemple des solutions aqueuses de soude, de chlorure de calcium ou d'acide phosphorique.
Les résultats obtenus avec l'acide phosphorique sont très bons.
Au cours de l'opération de captation enthalpique de la vapeur d'eau, la solution hygroscopique se dilue et s'échauffe.
Pour que le procédé soit économiquement rentable, il faut pouvoir recycler la solution hygroscopique après l'avoir refroidie et concentrée. Le refroidissement peut se faire facilement par passage dans un échangeur. A condition que la concentration de la solution consomme moins de calories que l'on n'en récupère dans l'échangeur, le procédé permet d'obtenir de l'air très sec, a. basse température, sans consommation d'énergie et même avec récupération d'énergie â condition d'utiliser un moyen de concentration entraînant une faible consommation d'énergie.
A ce jour. la régénération du liquide hygroscopique est réalisée soit par distillation sous vide, soit par recompression mécanique de vapeur. Ces procédés sont coûteux en dépenses d'investissement et en consomnation d'éllergic.
La demande de brevet FP. A 2 592 468 (MOUREAU G. et M.L) décrit un échangeur qui constitue en même temps l'évaporateur et le condenseur d'une pompe à chaleur.
Une application de cet échangeur est la concentration d'un liquide hygroscopique ayant servi à sécher de l'air par captation enthalpique. Dans ce cas, le liquide hygroscopique dilué ruisselle au contact des plaques du condenseur et perd une partie de son eau par évaporation. La vapeur d'eau se condense sur les plaques de l'évaporateur de sorte que l'on récupère la chaleur latente d'évaporation. Une pompe à chaleur équipée d'un tel échangeur permet donc théoriquement de concentrer un liquide hygroscopique en récupérant des calories mais la construction et le fonctionnement d'une telle pompe sont onéreux et mal adaptés à la concentration d'une solution d'acide phosphorique.
L'objectif de la présente invention est de procurer des moyens de concentration d'une solution hygroscopique qui a servi à dessécher de l'air par captation enthalpique de la vapeur d'eau et qui a été diluée par l'eau captée. afin de pouvoir recycler ladite solution, lesquels moyens permettent d'obtenir la régénération de la solution dans des conditions économiques telles que le procédé de séchage d'air par captation enthalpique soit rentable.
Un procédé selon l'invention pour sécher de l'air à basse température est du type connu dans lequel on fait circuler de l'air humide au contact de fines gouttelettes ou de films très minces d'une solution hygroscopique qui absorbe la vapeur d'eau en se diluant, on concentre ladite solution et on la recycle.
L'objectif de l'invention est atteint par un procédé selon lequel on concentre la solution hygroscopique par électrodialyse.
Selon un mode de réalisation préférentiel la solution hygroscopique est une solution d'acide phosphorique et on la concentre par électrodialyse à travers des membranes composées de polymères greffés.
L'invention a pour résultat premier la possibilité de produire de l'air très sec à basse température sans dépense d'énergie et dans des installations demandant des investissements peu coûteux. L'air sec peut être mis en circulation par tout autre moyen que les pales d'un ventilateur d'aspiration qui peut même être supprimé si l'on utilise des tunnels ou des tours à tirage naturel.
L'invention a pour second résultat le fait qu'il est possible de récupérer une grande partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air qui représente une source d' énergie gratuite et renouvelable.
La régénération de la solution d'acide phosphorique ou d'un autre liquide hygroscopique par électrodialyse consomme peu d'énergie et permet finalement de recycler continuellement le liquide avec un bilan énergétique global positif.
La régénératIon par électrodialyse permet notamment d'utiliser des solutions d'acide phosphorique qui donnent de bons résultats de captation enthalpique de la vapeur d'eau contenue dans l'air mais qui sont difficiles à régénérer par d'autres moyens connus consommant peu d'énergie.
La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation de l'invention.
La figure 1 est un schéma d'un procédé selon l'invention.
La figure 2 est une représentation d'une cellule d'électrodialyse utilisée pour concentrer une solution d'acide phosphorique.
La figure 1 représente un réacteur 1 dans lequel a lieu le séchage d'air par captation enthalpique. Le réacteur 1 a par exemple la forme d'un cylindre ouvert à sa partie supérieure ou la forme d'un tunnel d'aspiration d'air ou toute autre forme. Il comporte une sortie d'air 2 qui est équipée d'un ventilateur 3 qui aspire de l'air ambiant chargé d'humidité qui entre dans le réacteur par l'ouverture supérieure ou par toute autre entrée d'air.
Avantageusement, la sortie d'air 2 est équipée d'un filtre électrostatique 4 destiné à dépoussiérer l'air.
Le réacteur 1 comporte à sa partie supérieure des rampes perforées 5 par lesquelles on injecte dans le réacteur une solution aqueuse hygroscopique dans les conditions ambiantes. La solution est pulvérisée sous forme de très fines gouttelettes, par exemple des gouttelettes ayant un diamètre de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm. En variante le réacteur 1 peut comporter des plaques verticales au contact desquelles la solution hygroscopique s'écoule sous la forme de films très minces. Dans tous les cas, la surface de contact entre le liquide hygroscopique et l'air est très grande par rapport au volume de liquide. Dans ces conditions, une grande quantité de la vapeur d'eau contenue dans l'air ambiant se condense au contact des gouttelettes ou des films de liquide hygroscopique et l'eau de condensation se mélange à la solution qui se dilue.
La solution hygroscopique capte la majeure partie de la chaleur de condensation et sa température croit. On rappelle que la chaleur latente de condensation représente une énergie de 2,4 Kj par gramme de vapeur d'eau ce qui montre que les quantités de chaleur mises en jeu peuvent être très importantes.
Le réacteur 5 comporte un fond 6 en forme d'entonnoir dans lequel la solution hygroscopique diluée et chaude est recueillie.
On recueille à la sortie 2 du réacteur de l'air très sec et très propre dont la température est voisine de la température ambiante. Cet air peut être utilisé dans des applications nécessitant de l'air de séchage très propre à basse température par exemple pour sécher des produits alimentaires ou pharmaceutiques, des produits aromatiques ou pour stocker des produits pulvérulents qui absorbent l'eau et qui ne peuvent supporter des températures élevées.
Selon un mode de réalisation préférentiel la solution hygroscopique utilisée est une solution aqueuse d'acide phosphorique (H3 P04) ayant une concentration de l'ordre de 59 %.
Pour fixer les idées avec de l'air ambiant ayant une température de 300 C , une hygrométrie de 80 X et un débit d'entrée dans le réacteur de 209 m3/h et une solution d'acide phosphorique ayant une concentration initiale en acide de 59 X et une température de 300C on obtient de l'air sec ayant une température de 37,60C et une hygrométrie de 32,7 %. L'acide dilué a une concentration de 57,4 % et une température de 44 0,2.
La solution hygroscopique diluée recueillie à la base du réacteur 1 passe dans un échangeur 7 dans lequel elle permet de réchauffer un fluide.
La solution refroidie passe dans une cellule d'électrodialyse 8 qui permet de la concentrer pour l'amener à la concentration initiale.
La solution concentrée est reprise par une pompe 9 et recyclée vers les rampes de pulvérisation 5.
Le problème à résoudre, plus particulièrement dans le cas d'une solution d'acide phosphorique, est celui de la régénération par électrodialyse adaptées à cette application particulière.
La figure 2 représente schématiquement, à plus grande échelle, une coupe verticale de la cellule d'électrodialyse 8. Celle-ci comporte un bac en un matériau isolant qui résiste à l'acide phosphorique, par exemple un bac en matière plastique. Ce bac comporte à ses deux extrémités une anode 10 et une cathode 11 qui ont de préférence la forme de plaques verticales plongées dans le liquide et s'étendant sur toute la largeur du bac.
Le bac est divisé en compartiments par des membranes verticales parallèles aux électrodes qui sont des membranes échangeuses d'ions.
On a représenté en traits pleins des membranes 12 dites cationiques qui laissent passer préférentiellement les cations et en tirets des membranes 13 dits anioniques qui laissent passer préférentiellement les anions.
Ces membranes cationiques et anioniques alternent les unes avec les autres. Le repère 14 représente la canalisation de solution d'acide phosphorique dilué. Avantageusement cette canalisation déverse l'acide sur toute la longueur du bac.
Considérons les compartiments tels que le compartiment 15 qui sont délimités du côté de la cathode par une membrane cationique 12 et du côté de l'anode par une membrane anionique 13.
L'acide se trouvant dans ces compartiments contient des anions P04--- et des cations H+.
Les anions sont attirés vers l'anode donc vers la membrane anionique. Ils traversent celle-ci. De même les cations sont attirés vers la cathode donc vers la membrane cationique et la traversent.
La concentration en acide dans ces compartiments diminue donc.
Ces compartiments sont connectés en parallèle sur un collecteur 16 qui évacue une solution d'acide plus diluée.
Considérons maintenant les autres compartiments 17 qui sont drlimités du côté de l'anode par une membrane cationique 12 et du coté de la cathode par une membrane anionique 13.
Les anions qui sont attirés vers- l'anode rencontrent une membrane cationique 12 qui les arrête. De même les cations qui sont attirés vers la cathode rencontrent une membrane anionique qui les arrête. Par contre les anions du compartiment voisin, situé de l'autre côté de la membrane anionique, passent dans ce compartiment. De même -les cations du compartiment voisin situé de l'autre côté de la membrane cationique 12 traversent celle-ci et rentrent dans ces compartiments. La solution contenue dans les compartiments 17 se concentre donc en acide. Les compartiments 17 sont connectés en parallèle sur un collecteur 18 qui est connectée à l'aspiration de la pompe 9.
Les cellules d'électrodialyse destinées à concentrer des solutions d'acide phosphorique ayant une concentration de l'ordre de 50 % en acide doivent comporter des membranes anioniques et cationiques qui résistent à cet acide et qui laissent passer sélectivement les anions P04"' et les cations H+.
Les essais en cours montrent que l'on obtient une bonne concentration de solution d'acide phosphorique par électrodialyse en utilisant comme- membranes anioniques des membranes en polyéthylène greffé avec des amines quaternaires ou bien des membranes en polytétrafluoréthylène irradié sur lequel on a greffé du vinylpyrédine par réaction avec du divinylbenzène.
Comme membranes cationiques on utilise soit des membranes en polytétrafluoréthylène greffé avec des radicaux S03- soit des membranes en polyéthylène greffé avec des radicaux 503 ou C02-.
Des essais ont été réalisés en laboratoire en utilisant une cellule d'électrodialyse comportant une seule membrane anionique en polyéthylène greffé avec des amines quaternaires ayant une surface utile de 7 cm2. Les électrodes étaient en titane platiné. La différence de potentiel entre électrodes était de 4 volts et l'intensité du courant de 0,84 ampères soit 1 200 A/m2 de membrane.
Les essais ont été effectués avec des solutions d'acide phosphorique de concentration différente. Ces essais de laboratoire ont montré qu'une solution d'acide phosphorique ayant une concentration en acide de 58 % pouvait être concentrée à 59 ; par électrodialyse avec.une consommation électrique de 8 joules par litre d'acide concentre alors que la captation enthalpique de la vapeur d'eau de l'air par de l'acide phosphorique à 59 % permet de récupérer dans l'acide une énergie de l'ordre de 17 Joules par litre d'acide.Ces résultats montrent que l'on peut arriver ainsi non seulement à sécher de l'air sans consommer de l'énergie mais même à récupérer une partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air supérieure à la consommation d'énergie nécessaire pour reconcentrer la solution d'acide phosphorique.
En utilisant une solution d'acide phosphorique ayant une concentration initiale de l'ordre de 29 ê 30 %, les résultats sont encore meilleurs et laissent espérer que l'on puisse arriver à reconcentrer l'acide avec une consommation énergie de l'ordre de 5
Joules par litre de solution acide.
Joules par litre de solution acide.
Dans une réalisation industrielle un optimum économique pourra être trouvé en jouant sur les paramètres tels que la taille de l'électrodîalyseur, la surface et la nature des membranes échangeuses d'ions, la concentration et la température initiale de l'acide afin d'obtenir le #eilleur rapport entre l'énergie récupérée et 1'énergie nécessaire à la régénération de la solution acide diluée.
Finalement un dispositif selon l'invention permet en premier lieu d'obtenir de l'air très sec à basse température sans consommer de l'énergie.
En outre, un dispositif selon l'invention peut permettre d'obtenir de l'eau provenant de la régénération de l'acide phosphorique et de réinjecter cette eau dans le dispositif. Dans ce cas, le-système tourne sur lui-même sans apport extérieur et constitue une sorte de pompe à chaleur chimique.
De plus, grâce à la régénération de la solution hygroscopique, notamment d'une solution d'acide phosphorique, par électrodialyse on arrive à concentrer la solution avec une consommation d'énergie très faible, nettement inférieure à la partie la chaleur de condensation de la vapeur d'eau que l'on peut récupérer et l'on obtient finalement un dispositif qui permet de produire de la chaleur à basse température utilisable notamment dans les installations de chauffage de locaux ou d'eau sanitaire à partir de la vapeur d'eau contenue dans l'air qui est gratuite, qui se renouvelle sans cesse par l'effet de l'évaporation dûe au soleil et aux plantes et dont la quantité disponible est illimitée. Il s'agit donc d'une source d'énergie primaire renouvelable qui est dérivée de l'énergie solaire.
Claims (8)
1. Procédés pour sécher de l'air à basse température du type dans lequel on fait circuler de l'air humide au contact de fines gouttelettes ou de films très minces d'une solution hygroscopique qui absorbe la vapeur d'eau et se dilue, on concentre ladite solution hygroscopique et on la recycle caractérisé en ce qu'on concentre ladite solution hygroscopique par électrodialyse.
2. Procédés selon la revendication (1) caractérisé en ce que ledit liquide hygroscopique est une solution d'acide phosphorique et on le concentre par électrodialyse à travers des membranes composées de polymères greffés.
3. Dispositif pour sécher de l'air à basse température du type comportant un réacteur (1) de captation enthalpique de la vapeur d'eau équipé de moyens (3) pour y faire circuler de l'air chargé d'humidité et de moyens (5) permettant de mettre cet air humide au contact de fines gouttelettes ou de films très minces d'un liquide hygroscopique qui absorbe une partie de la vapeur d'eau et de moyens (6) pour récupérer au fond dudit réacteur (1) le liquide hygroscopique dilué par l'eau condensée, des moyens (8) pour concentrer ledit liquide hygroscopique et des moyens (9) pour le recycler dans ledit réacteur caractérisé en ce que lesdits moyens pour concentrer le liquide hygroscopique sont constitués par des cellules d'électrodialyse (8).
4. Dispositif selon la revendication (3) caractérisé en ce que ledit liquide hygroscopique est une solution d'acide phosphorique et lesdites cellules d'électrodialyse (8) sont équipées de membranes échangeuses d'ions composées de polymères greffés.
5. Dispositif selon la revendication (4) caractérisé en ce que les membranes anioniques (13) des cellules d'électrodialyse sont en polyéthylène greffé avec des amines quaternaires.
6. Dispositif selon la revendication (4) caractérisé en ce que les membranes anioniques (13) des cellules d'électrodialyse sont en polytétrafluorêthylène irradié greffé avec du vinyle pyrédine.
7. Dispositif selon la revendication (4) caractérisé en ce que les membranes cationiques (12 > des cellules d'électrodialyse sont en polyéthylêne greffé avec des ions SQ3- ou CG2-.
8. Dispositif selon la revendication (4) caractérisé en ce que les membranes cationiques (12) des cellules d'électrodialyse sont en polytétrafluoréthylène greffé avec des ions S03-.
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