FR2699087A1 - Dispositif d'amélioration des performances des colonnes de distillation. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne les différentes variantes de dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation utilisant une pompe à chaleur à compression pour extraire de la chaleur du condenseur de la colonne et la ré-injecter dans le rebouilleur en pied de colonne (1, fig. 1) d'enrichissement diabatique incorporant un échangeur (2, fig1) constituant un condenseur progressif pour le fluide du procédé et simultanément un évaporateur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur, le fluide caloporteur sortant de l'extrémité inférieure (20) de cet échangeur entrant dans le compresseur (4), a la sortie de ce compresseur, la vapeur de fluide caloporteur entrant dans l'échangeur de chauffage du rebouilleur de la colonne pour s'y condenser, le liquide en sortant étant envoyé dans un détendeur à travers lequel ce liquide se refroidit et se revaporise partiellement pour être injecté à l'extrémité supérieure de l'échangeur incorporé dans la colonne (1).
Description
DISPOSITIF D'AMELIORATION DES
PERFORMANCES DES COLONNES DE DISTILLATION
La présente invention concerne un dispositif d'amélioration des performances des colonnes de distillation.
PERFORMANCES DES COLONNES DE DISTILLATION
La présente invention concerne un dispositif d'amélioration des performances des colonnes de distillation.
Il est connu dans les procédés de séparation de mélanges, notamment pour l'industrie agro-alimentaire, de coupler des évaporateurs simple ou double effet avec un compresseur.
Dans ce cas, la compression mécanique de vapeur s'effectue sur un fluide pur et dont l'écart de température de vapeur saturée entre l'aspiration et le refoulement du compresseur est compris entre 5 et 150 C.
Cette technique est rentable car le compresseur n'est pas trop onéreux.
Une telle technique est enseignée par l'article intitulé "Application de la recompression mécanique de vapeur au procédé des industries agricoles et alimentaires" publié par A. Gautier et J. Huchon dans la revue "Actualité des industries alimentaires et agroindustrielles" N 10 d'Octobre 1989, pages 801 à 807.
Il est également enseigné dans cette revue de coupler une installation de distillation avec un compresseur. Toutefois, dans ce cas, la colonne de distillation est associée avec un condenseur d'alcool évaporateur d'eau sous vide. La vapeur d'eau produite par ce condenseur est comprimée dans un compresseur bi-étagé et ré-injectée au pied de la colonne où elle assure l'ébullition du mélange à séparer. Dans cette application, l'écart de température nécessite un compresseur bi-étagé, ce qui augmente fortement le coût du compresseur, ceci étant dû essentiellement à l'écart de pression et donc de température à obtenir entre l'entrée et la sortie du compresseur. En outre, ces dispositifs de l'art antérieur utilisent uniquement des fluides purs, par exemple de l'eau, de l'ammoniac ou un
CFC (chlorofluorocarbure).
CFC (chlorofluorocarbure).
Le but de l'invention est de proposer des dispositifs d'amélioration des performances de colonne de distillation en couplant une pompe à chaleur à fluide caloporteur à des colonnes diabatiques, c'est-à-dire non adiabatiques.
Selon une première variante, ce but est atteint par le fait que le dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation, est caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'enrichissement diabatique incorporant un échangeur constituant un condenseur progressif pour le fluide du procédé et simultanément un évaporateur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur. Le fluide caloporteur sortant de l'extrémité inférieure de cet échangeur entre dans le compresseur. A la sortie de ce compresseur, la vapeur de fluide caloporteur entre dans l'échangeur de chauffage du rebouilleur de la colonne et s'y condense. Le liquide qui en sort est envoyé dans un détendeur à travers lequel il se refroidit et se revaporise partiellement. Ce fluide caloporteur froid est alors injecté à l'extrémité supérieure de l'échangeur incorporé dans la colonne.
Selon une autre particularité, le fluide caloporteur est un mélange de fluide zéotropique.
Selon une autre particularité, la sortie de distillat est prélevée en haut de la colonne et au dessous de l'extrémité supérieure du condenseur progressif, le rebouilleur est alimenté en liquide appauvri par le bas de la colonne et le haut du rebouilleur est relié au pied de la colonne au niveau de l'entrée du mélange.
Selon une autre particularité, l'échangeur du condenseur est intégré à la colonne, l'alimentation en mélange se faisant en dessous du condenseur.
Selon une autre variante de l'invention, ce but est atteint par le fait que le dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation est caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'épuisement diabatique incorporant un échangeur constituant un rebouilleur progressif pour le fluide du procédé et simultanément un condenseur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur. Le fluide caloporteur liquide qui sort de l'extrémité supérieure de cet échangeur est envoyé dans un détendeur à travers lequel il se refroidit et se revaporise partiellement. Le fluide caloporteur froid est alors injecté dans l'échangeur qui sert de condenseur du fluide sortant de la colonne de distillation. Le fluide caloporteur s'y vaporise complètement et la vapeur qui en sort entre alors dans le compresseur.La vapeur haute pression qui sort du compresseur alimente l'extrémité inférieure de l'échangeur incorporé dans la colonne de distillation.
Selon une autre particularité, le fluide caloporteur est un mélange de fluide zéotropique.
Selon une autre particularité, la sortie de la colonne est la sortie de soutirage et le condenseur est alimenté à son entrée supérieure par de la vapeur de mélange prélevée en haut de la colonne, sa sortie inférieure étant divisée en liquide de reflux réintroduit dans la colonne et en distillat.
Selon une autre particularité, l'échangeur du rebouilleur est intégré à la colonne, l'alimentation en mélange se faisant au-dessus du rebouilleur.
Un autre but est de proposer des dispositifs d'amélioration des performances de colonne de distillation en couplant une pompe à chaleur utilisant non pas un fluide caloporteur indépendant mais un fluide du procédé lui-même avec des colonnes diabatiques. On parle alors de compression mécanique de vapeur couplée à la distillation diabatique.
Selon une première variante de l'invention, ce deuxième but est atteint par le fait que le dispositif améliorant les performances de la colonne de distillation utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne avant de la ré-injecter au pied de la colonne est caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'enrichissement diabatique et incorpore un échangeur dans lequel circule le fluide du procédé luimême. Cet échangeur étant condenseur progressif du côté de la colonne de distillation, et simultanément évaporateur progressif de l'autre côté. La vapeur qui en sort à l'extrémité inférieure alimente l'entrée du compresseur. La vapeur qui sort du compresseur est injectée dans la colonne, à un niveau un peu supérieur au pied de la colonne.La sortie de liquide située au pied de la colonne est, d'une part reliée à l'orifice de soutirage, et d'autre part, reliée à travers un détendeur à l'extrémité supérieure de l'échangeur progressif incorporé à la colonne, la colonne étant alimentée en mélange à séparer à un niveau inférieur à l'échangeur progressif, et le distillat étant prélevé à un niveau un peu inférieur à l'extrémité supérieure de cet échangeur.
Selon un autre mode de réalisation, ce deuxième but est atteint par le fait que le dispositif d'amélioration des performances d'une colonne à distiller utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne est caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'épuisement diabatique et incorpore un échangeur dans lequel circule le fluide du procédé luimême, cet échangeur étant un rebouilleur progressif du côté de la colonne de distillation et simultanément un condenseur progressif de l'autre côté. L'extrémité inférieure de cet échangeur étant reliée à la sortie du compresseur, dont l'entrée est alimentée par la vapeur sortant de la tête de la colonne de distillation.Le liquide qui sort de l'extrémité supérieure de cet échangeur est relié, à travers un détendeur, d'une part à l'orifice de sortie du distillat, d'autre part à une entrée supérieure de reflux dans la colonne. La colonne étant alimentée en mélange à séparer à un niveau supérieur à l'échangeur progressif.
Selon un autre mode de réalisation, ce deuxième but est atteint par le fait que le dispositif améliorant les performances d'une colonne utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne avant de la ré-injecter dans un rebouilleur, est caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'épuisement diabatique incorporant un échangeur dans lequel circule le fluide du procédé lui-même, cet échangeur étant un rebouilleur progressif du côté de la colonne et simultanément un condenseur progressif de l'autre côté, l'extrémité inférieure de cet échangeur étant reliée à la sortie du compresseur dont l'entrée est alimentée par la vapeur sortant de la colonne à un niveau proche du pied de la colonne.Le liquide qui sort à l'extrémité supérieure de cet échangeur est relié, à travers un détendeur, à un second échangeur d'où il sort sous forme de soutirage, cet échangeur servant sur l'autre côté de condenseur pour la vapeur issue de la tête de la colonne de distillation.
Ce condensat étant relié d'une part à l'orifice de sortie du distillat, d'autre part à une entrée supérieure de reflux dans la colonne, la colonne étant alimentée en mélange à séparer à un niveau supérieur à l'échangeur progressif.
Selon un dernier mode de réalisation, ce but est atteint par le fait que le dispositif d'amélioration des performances d'une colonne à distiller utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne est caractérisé en ce que la colonne est diabatique et incorpore deux échangeurs, dans lesquels circule le fluide du procédé lui-même, l'échangeur supérieur étant un condenseur progressif du côté de la colonne et un évaporateur de l'autre côté, tandis que l'échangeur inférieur est un rebouilleur progressif du côté de la colonne et un condenseur progressif de l'autre côté. Le liquide sortant du pied de la colonne passe dans un détendeur où il se refroidit, puis entre dans l'extrémité supérieure de l'échangeur supérieur.La vapeur qui sort de l'extrémité inférieure de cet échangeur entre alors dans le compresseur, et la vapeur haute pression qui sort, entre dans l'extrémité inférieure de l'échangeur inférieur. La sortie de cet échangeur constitue le soutirage. Le distillat est prélevé à un niveau un peu inférieur à l'extrémité supérieure de l'échangeur supérieur. La colonne est alimentée en mélange à séparer à un niveau intermédiaire entre les deux échangeurs.
Plus généralement, le dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation utilisant un compresseur est caractérisé en ce que la colonne (1) est diabatique par le fait qu'elle incorpore au moins un échangeur (2, 3) dans lequel circule soit le fluide caloporteur, soit le fluide du procédé, le compresseur (4) comprimant une vapeur constituée soit par la vapeur du fluide caloporteur, soit par la vapeur du fluide du procédé.
Selon une autre particularité de ce but général, l'échangeur est soit un condenseur progressif du côté de la colonne (1) et un évaporateur du côté tubulaire, soit un rebouilleur progressif du côté de la colonne et un condenseur progressif du côté tubulaire.
Selon une autre particularité de ce but général, la colonne comporte deux échangeurs.
Selon une autre particularité de ce but général, l'un des deux échangeurs intérieurs de la colonne est remplacé par un échangeur extérieur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 représente un premier mode de réalisation du couplage d'une colonne d'enrichissement diabatique avec une pompe à chaleur
- la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation permettant le couplage d'une colonne diabatique d'épuisement avec une pompe à chaleur
- la figure 3 représente un troisième mode de réalisation permettant le couplage d'une colonne diabatique complète avec une pompe à chaleur
- la figure 4 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique d'enrichissement avec la compression mécanique de vapeur du soutirage;;
- la figure 5 représente un cinquième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique d'épuisement avec la compression mécanique de vapeur du distillat
- la figure 6 représente un sixième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique d'épuisement avec la compression mécanique de vapeur du soutirage
- la figure 7 représente un septième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique complète avec la compression mécanique de vapeur utilisant le soutirage
- la figure 8A représente le profil de température dans une colonne diabatique utilisant une pompe à chaleur à compression et un mélange zéotropique;
- la figure 8B représente le profil de température dans une colonne adiabatique utilisant une pompe à chaleur à compression et un corps pur.
- la figure 1 représente un premier mode de réalisation du couplage d'une colonne d'enrichissement diabatique avec une pompe à chaleur
- la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation permettant le couplage d'une colonne diabatique d'épuisement avec une pompe à chaleur
- la figure 3 représente un troisième mode de réalisation permettant le couplage d'une colonne diabatique complète avec une pompe à chaleur
- la figure 4 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique d'enrichissement avec la compression mécanique de vapeur du soutirage;;
- la figure 5 représente un cinquième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique d'épuisement avec la compression mécanique de vapeur du distillat
- la figure 6 représente un sixième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique d'épuisement avec la compression mécanique de vapeur du soutirage
- la figure 7 représente un septième mode de réalisation de l'invention permettant le couplage d'une colonne diabatique complète avec la compression mécanique de vapeur utilisant le soutirage
- la figure 8A représente le profil de température dans une colonne diabatique utilisant une pompe à chaleur à compression et un mélange zéotropique;
- la figure 8B représente le profil de température dans une colonne adiabatique utilisant une pompe à chaleur à compression et un corps pur.
L'invention est constituée par différents modes de réalisation de couplage de colonnes diabatiques avec soit la compression mécanique de vapeur, soit une pompe à chaleur, pour permettre une amélioration des performances des colonnes.
Dans chaque exemple de réalisation représenté par les figure 1 à 7, les colonnes utilisent un mélange de fluides zéotropique. Nous rappellerons qu'un mélange azéotropique est un mélange binaire de liquides, homogène et de composition fixe qui bout à une température constante. Un mélange zéotropique est un mélange non azéotropique et a donc pour propriété de bouillir à une température non constante. Comme on le verra par la suite, on pourra utiliser comme mélange zéotropique de très nombreux couples selon les températures d'ébullition et de condensation désirées.
Enfin, rappelons que lorsqu'on utilise dans la pompe à chaleur, non pas un fluide caloporteur indépendant mais le fluide du procédé lui-même, on supprime un échangeur et on simplifie le circuit des fluides. On parle alors de compression mécanique de vapeur au lieu de couplage de distillation diabatique avec une pompe à chaleur.
Le premier mode de réalisation, représenté à la figure 1, est constitué d'une colonne d'enrichissement (1) diabatique car incorporant un échangeur (2) qui constitue un condenseur progressif pour le fluide du procédé circulant dans la colonne et un évaporateur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur. Le mélange à séparer (A) est introduit à l'entrée de la colonne (10), située en dessous de l'échangeur (2). La sortie inférieure (20) de l'échangeur (2) est reliée à l'entrée d'un compresseur (4) dont la sortie est reliée à l'entrée d'un deuxième échangeur (33) situé dans une enceinte (34) et formant un rebouilleur.
La sortie de l'échangeur (33) est reliée à travers un détendeur (5) à l'entrée supérieure (21) de l'échangeur progressif (2). Une sortie (11) de phase appauvrie, située au pied de la colonne, est envoyée, d'une part sur la sortie de soutirage et, d'autre part au pied du rebouilleur (34) dont la sortie supérieure est renvoyée sur une entrée (12) de la colonne située au dessous de la sortie (20) du condenseur (2). Le distillat est prélevé à un niveau un peu inférieur à l'extrémité supérieure de l'échangeur progressif.
Un deuxième mode de réalisation est représenté à la figure 2 et dans lequel une colonne (1) d'épuisement est diabatique par le fait qu'elle incorpore un échangeur (3) formant un rebouilleur progressif pour le fluide de procédé dans la colonne et un condenseur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur. Son entrée inférieure (30) reçoit la sortie du compresseur (4). La sortie supérieure (31) de l'échangeur progressif (3) est reliée à travers un détendeur (5) à l'entrée d'un deuxième échangeur (23) disposé dans une enceinte (24) pour former un condenseur de la vapeur sortant de la tête de colonne. La sortie du deuxième échangeur (23) est reliée à l'entrée du compresseur (4). L'entrée supérieure (241) de l'enceinte (24) du condenseur est reliée à une sortie supérieure (13) de la colonne.La sortie inférieure (240) de l'enceinte (24) du condenseur est reliée d'une part à une entrée supérieure (14) de la colonne et, d'autre part à la sortie de distillat.
L'entrée (10) de mélange à séparer s'effectue au-dessus de l'extrémité supérieure du rebouilleur progressif (3).
Une sortie de soutirage (11) est située au pied de la colonne.
La variante de réalisation de la figure 3 consiste à intégrer le rebouilleur de la figure 1 dans la colonne (1). Ainsi, la sortie du compresseur (4) est reliée à l'extrémité inférieure (331) de l'échangeur (3) alors que l'extrémité supérieure (330) de cet échangeur inférieur (3) est reliée à travers le détendeur (5) à l'extrémité supérieure (21) de l'échangeur supérieur (2).
L'entrée (10) du mélange dans la colonne (1) s'effectuant à un niveau entre les deux échangeurs. La colonne (1) comporte comme précédemment une sortie de soutirage (11) située à son pied et une sortie de distillat (1) dans sa partie haute.
La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation dans lequel une colonne diabatique d'enrichissement (1) comporte un échangeur (2) constituant un condenseur progressif pour le fluide de procédé dans la colonne et un évaporateur progressif pour ce même fluide du côté tubulaire de l'échangeur. La sortie inférieure (20) de cet échangeur est reliée à l'entrée d'un compresseur (4). La sortie du compresseur (4) est reliée une entrée (12) située au pied de la colonne (1). La sortie de soutirage (11) située à l'extrémité inférieure de la colonne (1) est envoyée à travers un détendeur (5)à l'entrée supérieure (21) de l'échangeur progressif (2). L'entrée (10) du mélange à séparer s'effectue au niveau inférieur de la colonne et un peu au-dessus du niveau de l'entrée (12) du compresseur. Une sortie (14) de distillat se trouve dans la partie supérieure de la colonne (1).
Un cinquième mode de réalisation est représenté par la figure 5 et dans lequel la colonne diabatique d'épuisement (1) comporte un échangeur (2) constituant un rebouilleur progressif pour le fluide de procédé dans la colonne et un condenseur progressif pour ce même fluide du côté tubulaire de l'échangeur dont la sortie (20) est reliée à travers un détendeur (5) d'une part à une entrée supérieure (14) de la colonne (1) et, d'autre part à la sortie de distillat (D). L'entrée inférieure (21) de l'échangeur progressif est reliée à la sortie du compresseur (4) dont l'entrée est reliée à une sortie supérieure (13) de la colonne (1). Une sortie (11) de soutirage est prévue au pied de la colonne et l'entrée du mélange à séparer (10) s'effectue en tête de la colonne au-dessus du niveau de l'échangeur progressif (2).
Un sixième mode de réalisation est représenté à la figure 6 et dans lequel la colonne diabatique d'épuisement (1) comporte un échangeur (3) dont la sortie (31) est reliée à travers un détendeur (5) à l'entrée supérieure (231) d'un échangeur (23) enfermé dans une enceinte (24) pour former un condenseur de la vapeur issue de la tête de la colonne. La sortie inférieure (230) de cet échangeur (23) forme la sortie de soutirage.
Une sortie supérieure (13) de la colonne (1) est reliée à l'entrée (241) supérieure de l'enceinte (24) et une sortie inférieure (240) de cette enceinte (24) est reliée d'une part à une entrée supérieure (16) dans la colonne et d'autre part à la sortie de distillat. Le compresseur (4) a sa sortie reliée à l'entrée inférieure (30) de l'échangeur progressif (31) et l'entrée du compresseur (4) est reliée à une sortie (15) située dans la moitié inférieure de la colonne.
Enfin le septième mode de réalisation, représenté à la figure 7, est identique à celui de la figure 4, à la modification ci-après. La sortie du compresseur (4) est reliée à l'entrée inférieure (30) d'un échangeur progressif (3) intégré dans le pied de la colonne et dont la sortie supérieure (31) se situe au dessous de l'entrée (10) d'alimentation en mélange à séparer.
Les figures 8A et 8B permettent de réaliser l'intérêt de l'invention en présentant, pour la figure 8A, le cas du mode de réalisation correspondant à la figure 3,c'est-à-dire le couplage d'une colonne diabatique complète couplée avec une pompe à chaleur utilisant un mélange zéotropique et le profil de température des fluides dans la colonne. Ainsi la courbe (83) représente l'évolution de la température du fluide caloporteur dans l'échangeur inférieur (condenseur rebouilleur) (3) alors que la courbe (82) représente l'évolution de la température du fluide caloporteur dans l'échangeur supérieur (évaporateur-condenseur) (2) et la courbe (81) l'évolution de la température du mélange à séparer dans la colonne (1).La courbe en pointillés (84) représente le saut de température à faire effectuer au fluide caloporteur à l'aide du compresseur (4) dans le cas de l'utilisation d'une colonne diabatique (1).
Sur la figure 8B, la courbe (85) en pointillés représente le saut de température à faire effectuer au fluide caloporteur entre l'échangeur supérieur (20) et l'échangeur inférieur (30) dans le cas de l'utilisation d'une colonne adiabatique (6) ayant pour fluide caloporteur un corps pur. On réalise que le saut (85) est beaucoup plus important que le saut (84) de la figure 8A et par conséquent le compresseur (4) utilisé avec la colonne adiabatique (6) n'est pas un compresseur simple à un seul étage mais un compresseur à plusieurs étages.
Ainsi, par le dispositif de l'invention, on réduit non seulement la complexité du compresseur et le coût du dispositif mais encore on améliore les performances de la colonne de distillation. En effet, si l'on compare le fonctionnement d'une colonne adiabatique couplée avec un compresseur mécanique de vapeur, la colonne, un mélange eau-éthanol et le fluide caloporteur étant un mélange eau-ammoniac, on constate les résultats exprimés par le tableau A ci-après dans lequel on a exprimé les grandeurs caractéristiques telles que quantité de fluide, travail, chaleur extraite, chaleur restant à extraire et coefficient de performance (COP) qui est constitué par le rapport de la chaleur utile produite sur l'énergie coûteuse fournie pour, les fluides suivants : eau, R114, mélange zéotropique eau/NH3 à 34% et mélange zéotropique eau/NH3 à 5% dans une colonne adiabatique. Le tableau B exprime les mêmes grandeurs caractéristiques pour le mélange eau/NH3 à 34% et eau/NH3 à 9% et pour une colonne diabatique. On constate que pour les deux mélanges zéotropiques le coefficient de performance est le meilleur pour la distillation diabatique avec l'utilisation d'un fluide zéotropique.
L'avantage de l'utilisation de fluide zéotropique est d'obtenir un profil de température glissant comme représenté sur les courbes (83, 82) de la figure 8A alors que dans le cas d'un fluide pur, la température est constante, comme représenté par les courbes (83, 82) de la figure 8B. Ainsi, la combinaison d'une colonne diabatique avec une pompe à chaleur à compression utilisant un mélange de fluides zéotropique permet de mieux utiliser le principe du contre-courant dans chaque échangeur pour ainsi maximiser sa performance et permettre d'ajuster les profils de température dans le fluide caloporteur et dans le fluide du procédé pour avoir les courbes (83, 81, 82) quasiment parallèles de façon à optimiser l'interconnexion des échangeurs de chaleur par la présence d'un pincement thermique uniforme au niveau (86).
L'évaluation économique du procédé de couplage d'une colonne adiabatique avec une pompe à chaleur montre qu'il est seulement rentable si la différence de température entre tête et pied de colonne est inférieure à environ 25 C, ce qui limite considérablement le champ d'application du procédé.
Le choix du mélange zéotropique constituant le fluide caloporteur de la pompe à chaleur s'effectue de la manière suivante
Connaissant la température d'ébullition du mélange à séparer TA, celle d'ébullition du soutirage T5 et celle de condensation du distillat TD, sous la pression imposée, on choisit la nature et la composition du mélange zéotropique pour que le pincement thermique, tel que présenté sur la figure 8A, soit aussi uniforme que possible et inférieur à 10 C, et même de préférence inférieur à 5 C
Ainsi la température de condensation du fluide caloporteur dans l'échangeur inférieur variera par exemple entre T5 + 5 C à l'extrémité inférieure et TA + 50C à l'extrémité supérieure.
Connaissant la température d'ébullition du mélange à séparer TA, celle d'ébullition du soutirage T5 et celle de condensation du distillat TD, sous la pression imposée, on choisit la nature et la composition du mélange zéotropique pour que le pincement thermique, tel que présenté sur la figure 8A, soit aussi uniforme que possible et inférieur à 10 C, et même de préférence inférieur à 5 C
Ainsi la température de condensation du fluide caloporteur dans l'échangeur inférieur variera par exemple entre T5 + 5 C à l'extrémité inférieure et TA + 50C à l'extrémité supérieure.
De même, la température d'évaporation du fluide caloporteur dans l'échangeur supérieur variera par exemple entre TD - 50C à l'extrémité supérieure et TA 5 C à l'extrémité inférieure.
En dehors de ces contraintes thermiques, les critères de choix du mélange zéotropique sont les mêmes que pour toutes les pompes à chaleur à compression, à savoir
- Pressions de travail ni trop fortes (inférieures à 30 bar) ni trop faibles (supérieures à 0,1 bar)
- Fortes chaleurs latentes de vaporisation
- Stabilité thermique et absence de corrosion des métaux usuels
- Le mélange eau/ammoniac convient dans de nombreux cas.
- Pressions de travail ni trop fortes (inférieures à 30 bar) ni trop faibles (supérieures à 0,1 bar)
- Fortes chaleurs latentes de vaporisation
- Stabilité thermique et absence de corrosion des métaux usuels
- Le mélange eau/ammoniac convient dans de nombreux cas.
Le couplage d'une pompe à chaleur à compression avec une colonne de distillation diabatique, en utilisant comme fluide caloporteur un mélange zéotropique approprié, permet de réduire la différence de température entre sortie de l'évaporateur et entrée du condenseur et de l'amener aux alentours de 10 C même si la différence de température entre tête et pied de colonne est beaucoup plus grande. Ceci permet donc de coupler un compresseur de faible coût à n'importe quelle colonne de distillation dans des conditions économiquement rentables.
Plus généralement, l'invention concerne un dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation utilisant un compresseur pour comprimer une vapeur qui peut être soit la vapeur d'un fluide caloporteur indépendant (figure 3), soit la vapeur du fluide du procédé lui-même (figure 7).
La colonne de distillation est diabatique en ce sens qu'elle incorpore un ou deux échangeurs, dans lesquels circule le fluide caloporteur ou bien le fluide du procédé. Dans le cas général de deux échangeurs, l'échangeur supérieur est un condenseur progressif du côté de la colonne et un évaporateur du côté tubulaire, tandis que l'échangeur inférieur est un rebouilleur progressif du côté de la colonne et un condenseur progressif du côté tubulaire.
L'un des deux échangeurs incorporés peut être supprimé et remplacé par un échangeur extérieur classique. Dans le cas du fluide caloporteur, ce fluide, sortant, vapeur, du bas de l'échangeur supérieur traverse le compresseur et entre dans le bas de l'échangeur inférieur. Le fluide caloporteur sortant liquide du haut de cet échangeur traverse le détendeur et entre dans le haut de l'échangeur supérieur (figure 2).
Dans le cas du fluide de procédé lui-même, le circuit n'en diffère que par le fait que la sortie de l'échangeur inférieur constitue le soutirage et que c'est le liquide sortant du pied de la colonne qui entre dans le détendeur (figure 7)
D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention.
D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention.
TABLEAU A Colonne adiabatique
l
l
<tb> <SEP> EAU <SEP> R114 <SEP> H2O/NH3 <SEP> <SEP> H2O/NH3 <SEP>
<tb> <SEP> à34% <SEP> <SEP> à <SEP> 9% <SEP>
<tb> Quantité <SEP> de <SEP> fluide <SEP> 0,74 <SEP> 20,76 <SEP> 0,7 <SEP> 0,72
<tb> (kg/s)
<tb> travail <SEP> (kw) <SEP> 151 <SEP> 205 <SEP> 346 <SEP> 152
<tb> chaleur <SEP> extraite <SEP> (kw) <SEP> 1631 <SEP> 1578 <SEP> 1438 <SEP> 1620
<tb> chaleur <SEP> restant <SEP> à <SEP> 163 <SEP> 216 <SEP> 355 <SEP> 174
<tb> extraire <SEP> (kw)
<tb> COP <SEP> 11,8 <SEP> 8,7 <SEP> 5,2 <SEP> 11,64
<tb>
TABLEAU B Colonne diabatique
<tb> <SEP> à34% <SEP> <SEP> à <SEP> 9% <SEP>
<tb> Quantité <SEP> de <SEP> fluide <SEP> 0,74 <SEP> 20,76 <SEP> 0,7 <SEP> 0,72
<tb> (kg/s)
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<tb> chaleur <SEP> restant <SEP> à <SEP> 163 <SEP> 216 <SEP> 355 <SEP> 174
<tb> extraire <SEP> (kw)
<tb> COP <SEP> 11,8 <SEP> 8,7 <SEP> 5,2 <SEP> 11,64
<tb>
TABLEAU B Colonne diabatique
<tb> <SEP> EAU/AMMONIAC <SEP> EAU/AMMONIAC
<tb> <SEP> 34% <SEP> 9%
<tb> Quantité <SEP> de <SEP> fluide <SEP> (kg/s) <SEP> 0,72 <SEP> 0,74
<tb> travail <SEP> (kw) <SEP> 271 <SEP> 103
<tb> chaleur <SEP> extraite <SEP> (kw) <SEP> 1512 <SEP> 1670
<tb> chaleur <SEP> restant <SEP> à <SEP> 282 <SEP> 124
<tb> extraire <SEP> (kw)
<tb> COP <SEP> 6,6 <SEP> 17,15
<tb>
<tb> <SEP> 34% <SEP> 9%
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<tb> COP <SEP> 6,6 <SEP> 17,15
<tb>
Claims (16)
1. Dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation utilisant une pompe à chaleur à compression pour extraire de la chaleur du condenseur de la colonne et la ré-injecter dans le rebouilleur en pied de colonne caractérisé en ce que la colonne (l,fig.l) est une colonne d'enrichissement diabatique incorporant un échangeur (2, figl) constituant un condenseur progressif pour le fluide du procédé et simultanément un évaporateur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur, le fluide caloporteur sortant de l'extrémité inférieure (20) de cet échangeur (2) entrant dans le compresseur (4), a la sortie de ce compresseur, la vapeur de fluide caloporteur entrant dans l'échangeur (33) de chauffage du rebouilleur (34) de la colonne et s'y condensant, le liquide en sortant étant envoyé dans un détendeur à travers lequel ce liquide se refroidit et se revaporise partiellement pour être injecté à l'extrémité supérieure (21) de l'échangeur (2) incorporé dans la colonne (1).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un mélange de fluides zéotropique.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie de distillat est prélevée en haut de la colonne et au dessous de l'extrémité supérieure (21) de l'échangeur progressif (2), le rebouilleur (34) est alimenté en liquide appauvri par le bas (ll) de la colonne et le haut du rebouilleur est relié au pied (12) de la colonne au niveau de l'entrée du mélange.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur du condenseur est intégré à la colonne, l'alimentation en mélange se faisant en dessous du condenseur (2).
5. Dispositif d'amélioration des performances d'une colonne utilisant une pompe à chaleur à compression pour extraire de la chaleur du condenseur et la ré-injecter dans le rebouilleur incorporé dans la colonne, caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'épuisement diabatique (1, figure 2) incorporant un échangeur (3) constituant un rebouilleur progressif pour le fluide du procédé et simultanément un condenseur progressif pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur, le fluide caloporteur liquide sortant de l'extrémité supérieure (3) de cet échangeur étant envoyé dans un détendeur (5) à travers lequel le fluide se refroidit et se revaporise partiellement, pour être injecté dans l'échangeur (23) qui sert de condenseur du fluide sortant de la colonne de distillation, le fluide caloporteur s'y vaporisant complètement et la vapeur en sortant entrant alors dans le compresseur (4), la vapeur haute pression sortant du compresseur (4) alimentant l'extrémité inférieure (30) de l'échangeur (3) incorporé dans la colonne de distillation (1).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un mélange de fluide zéotropique.
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la sortie (11) de la colonne est la sortie de soutirage et le condenseur est alimenté à son entrée supérieure (241) par de la vapeur de mélange prélevée en haut (13) de la colonne, sa sortie inférieure (240) étant divisée en liquide de reflux réintroduit dans la colonne et en distillat.
8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'échangeur du rebouilleur (3) est intégré à la colonne, l'alimentation en mélange se faisant au-dessus du rebouilleur (3).
9. Dispositif améliorant les performances de la colonne de distillation utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne avant de la réinjecter au pied de la colonne, caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'enrichissement diabatique (1, fig.4) et incorpore un échangeur (2) dans lequel circule le fluide du procédé, cet échangeur étant condenseur progressif du côté de la colonne de distillation, et simultanément évaporateur progressif de l'autre côté, la vapeur en sortant à l'extrémité inférieure (20) alimentant l'entrée du compresseur (4), la vapeur sortant du compresseur (4) étant injectée dans la colonne, à un niveau (12) un peu supérieur au pied de la colonne, la sortie (11) de liquide située au pied de la colonne étant, d'une part reliée à l'orifice de soutirage, et d'autre part, reliée à travers un détendeur (5) à l'extrémité supérieure (21) de l'échangeur progressif (2) incorporé à la colonne (1), la colonne (1) étant alimentée en mélange à séparer à un niveau (10) inférieur à l'échangeur progressif, et le distillat étant prélevé à un niveau (14) un peu inférieur à l'extrémité supérieure (21) de cet échangeur.
10. Dispositif d'amélioration des performances d'une colonne à distiller utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne, caractérisé en ce que la colonne est une colonne (1, figure 5) d'épuisement diabatique et incorpore un échangeur (2) dans lequel circule le fluide du procédé, cet échangeur (2) étant un rebouilleur progressif du côté de la colonne de distillation et simultanément un condenseur progressif de l'autre côté, l'extrémité inférieure (21) de cet échangeur (2) étant reliée à la sortie du compresseur (4), dont l'entrée est alimentée par la vapeur sortant de la tête (13) de la colonne de distillation, le liquide sortant de l'extrémité supérieure (20) de cet échangeur (2) est relié, à travers un détendeur (5), d'une part à l'orifice de sortie du distillat, d'autre part à une entrée supérieure (14) de reflux dans la colonne, la colonne étant alimentée en mélange à séparer à un niveau supérieur (10) à l'échangeur progressif (2).
11. Dispositif améliorant les performances d'une colonne utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne avant de la ré-injecter au pied de la colonne, caractérisé en ce que la colonne est une colonne d'épuisement diabatique (1, fig.6) incorporant un échangeur (3) dans lequel circule le fluide du procédé, cet échangeur (3) étant un rebouilleur progressif du côté de la colonne et simultanément un condenseur progressif de l'autre côté, l'extrémité inférieure (30) de cet échangeur étant reliée à la sortie du compresseur (4) dont l'entrée est alimentée par la vapeur sortant de la colonne à un niveau (15) proche du pied de la colonne, le liquide sortant à l'extrémité supérieure (31) de cet échangeur étant relié, à travers un détendeur (5), à un second échangeur (23, 24) d'où il sort sous forme de soutirage, cet échangeur (23, 24) servant sur l'autre côté (24) de condenseur pour la vapeur issue de la tête (13) de la colonne de distillation, le condensat étant relié d'une part à l'orifice de sortie du distillat, d'autre part à une entrée supérieure (16) de reflux dans la colonne, la colonne étant alimentée en mélange à séparer à un niveau supérieur (10) à l'échangeur progressif (3).
12. Dispositif d'amélioration des performances d'une colonne à distiller utilisant un compresseur pour comprimer la vapeur issue de la colonne (1, figure 7), caractérisé en ce que la colonne est diabatique et incorpore deux échangeurs (2, 3) , dans lesquels circule le fluide du procédé lui-même, l'échangeur supérieur (2) étant un condenseur progressif du côté de la colonne et un évaporateur de l'autre côté, tandis que l'échangeur inférieur (3) est un rebouilleur progressif du côté de la colonne et un condenseur progressif de l'autre côté, le liquide sortant du pied (11) de la colonne passant dans un détendeur (5) où il se refroidit, puis entrant dans l'extrémité supérieure (21) de l'échangeur supérieur (2), la vapeur sortant de l'extrémité inférieure (20) de cet échangeur (2) entrant dans le compresseur, et la vapeur haute pression en sortant, entre dans l'extrémité inférieure (30) de l'échangeur inférieur (3), la sortie de cet échangeur (3) constituant le soutirage, le distillat étant prélevé à un niveau un peu inférieur à l'extrémité supérieure (21) de l'échangeur supérieur (2), la colonne étant alimentée en mélange à séparer à un niveau intermédiaire (10) entre les deux échangeurs (2, 3).
13. Dispositif d'amélioration des performances d'une colonne de distillation utilisant un compresseur, caractérisé en ce que la colonne (1) est diabatique par le fait qu'elle incorpore au moins un échangeur (2, 3) dans lequel circule soit le fluide caloporteur, soit le fluide du procédé, le compresseur (4) comprimant une vapeur constituée soit par la vapeur du fluide caloporteur, soit par la vapeur du fluide du procédé.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'échangeur est soit un condenseur progressif du côté de la colonne (1) et un évaporateur du côté tubulaire, soit un rebouilleur progressif du côté de la colonne et un condenseur progressif du côté tubulaire.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la colonne comporte deux échangeurs.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'un des deux échangeurs intérieurs de la colonne est remplacé par un échangeur extérieur.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9214925A FR2699087A1 (fr) | 1992-12-11 | 1992-12-11 | Dispositif d'amélioration des performances des colonnes de distillation. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9214925A FR2699087A1 (fr) | 1992-12-11 | 1992-12-11 | Dispositif d'amélioration des performances des colonnes de distillation. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2699087A1 true FR2699087A1 (fr) | 1994-06-17 |
Family
ID=9436460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9214925A Pending FR2699087A1 (fr) | 1992-12-11 | 1992-12-11 | Dispositif d'amélioration des performances des colonnes de distillation. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2699087A1 (fr) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US8227648B2 (en) | 2008-12-17 | 2012-07-24 | Uop Llc | Combined temperature controlled water adsorption and two stage heat pump process for fuel ethanol dehydration |
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-
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- 1992-12-11 FR FR9214925A patent/FR2699087A1/fr active Pending
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