LU85336A1 - Procede et dispositif d'extraction - Google Patents

Description

9 * Mémoire descriptif à l'appui d'une demande de brevet d'invention pour :

PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXTRACTION

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'extraction, d'un liquide contenu dans un agrégat non gazeux, par évaporation et entraînement dans un flux de gaz.

Plus particulièrement l'invention concerne la séparation du liquide au moins partiellement évaporé du flux de gaz à l'aide d'une tuyère.

Suivant une forme de mise en application de .l'invention, la séparation dans la tuyère du liquide au moins partiellement évaporé se fait sous forme de condensât par une détente adiabatique dans la partie amont de la tuyère. Cette détente produit un écoulement à grande vitesse du gaz qui contient sous forme de gouttelettes le condensât. La séparation dans la tuyère se fait par barodiffusion desdites gouttelettes à travers les veines d'écoulement du gaz à grande vitesse. Dans la partie aval de la tuyère, le gaz séparé du condensât est recomprimé adiabatiquement. Suivant une forme de mise en application avantageuse de l'invention, une partie des gouttelettes séparées par barodiffusion remonte le gradient de pression au sein de l'écoulement principal du flux de gaz jusqu'à une paroi perméable à travers laquelle elles sont aspirées.

L'invention peut—être utilisée avantageusement pour sécher un agrégat contenant de l'eau.

A titre exemplatif et nullement limitatif le procédé selon l'invention et un dispositif de mise en oeuvre sont décrits ci-après à l'aide d'une . application au séchage d'un agrégat au moyen d'un flux d’air chaud.

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Dans les procédés connus de séchage au moyen d'air chaud, l'eau est évaporée et entraînée par le courant d'air chaud obtenu par chauffage d'air extérieur. Ce chauffage est réalisé, soit par combustion directe de gaz ou de fuel oil dans ledit air extérieur, soit par passage dudit air extérieur dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur où des parois séparent cet air du fluide chauffant. Selon les procédés connus, le fluide chauffant est du gaz de combustion, et il y a ou il n'y a pas de récupération de la chaleur.

Suivant des procédés élaborés, la chaleur contenue dans l'air humide est extraite par thermopompage.

La récupération de chaleur par ces procédés nécessite des installations et appareillages d'une certaine complexité, tels qu'échangeurs de chaleur de récupération, installations de thermopompage comprenant au moins - un condenseur, un évaporateur, et un compresseur mécanique ou thermique.

Ces procédés entraînent donc des coûts d'investissement, de fonctionnement et d'entretien, qui sont fonction de l'importance, de la complexité, et de la consommation énergétique des installations nécessaires.

Le procédé et le dispositif selon l'invention sont à la fois très performants sur le plan énergétique et peu coûteux en frais d'investissement et d'entretien.

La figure 1 illustre un cas d'application de séchage suivant l'invention. L'opération se fait dans une enceinte 1 dans laquelle un agrégat, par exemple de l'orge germée 2 gorgée d'eau est disposée sur une claie 3.

Le ventilateur 4 fonctionne en même temps que le brûleur 5 alimenté en air de combustion 6 et en combustible 7, produisant des gaz de combustion 8 qui sont mélangés à l'air de séchage 9. Le réglage du brûleur 5 se fait de manière à maintenir dans la partie inférieure 10 de l'enceinte 1 la température de l'air de séchage au niveau voulu.

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Ledit air traverse alors le lit d'orge humide 2 et en sort dans la partie supérieure 11 de l'enceinte 1 à une température qui varie pendant l'opéra- ” tion de séchage," mais qui est inférieure de 20° à 30° C à celle en 10.

L'air humide aspiré en 11 par le ventilateur 4 est soufflé en 12 dans un conduit 13 qui l'amène au séparateur aérodynamique 14. Ce dernier sépare le flux entrant d'air humide en un flux principal 22 d'air chaud appauvri en vapeur d'eau et un flux extrait 20, composé essentiellement d'eau froide, qui est rejeté par le conduit 21. Le flux principal est amené par le conduit 23 jusqu'en 9 où il recommence le parcours du cycle de séchage. Un clapet 25 est prévu dans le conduit 23 pour permettre l'addition d'air frais pour compenser les fuites ou pertes d'air de l'ensemble de l'installation vers l'extérieur.

La figure 2 montre le même exemple mais dans le séparateur aérodynamique 14 le flux principal 15 d'air appauvri en vapeur d'eau est amené par un conduit 16 vers un échangeur-récupérateur 17. Le flux 18 enrichi en vapeur d'eau, extrait par le séparateur 14, est amené par un conduit 19 à l'échangeur 17, où il cède sa chaleur à travers les parois d'échange thermique au flux principal 15. Le flux extrait 18 est ainsi refroidi, la vapeur qu'il contient étant condensée en grande partie, et est évacué en 20 par le conduit 21. Le flux principal sort en 22 après réchauffage dans l'échangeur-récupérateur 17.

Comme le montrent les schémas des figures 1 et 2, le procédé selon l'invention est caractérisé par une grande simplicité. En régime, l'énergiennécessaire au fonctionnement du procédé est fournie essentielle-, ment sous forme mécanique par le ventilateur 4.

En complément, le brûleur 5 nécessite une consommation de combustible, mais celle-ci est ramenée à une faible fraction de celle qui serait nécessaire si le ventilateur 4 rejetait le flux 12 dans l'atmosphère et si le flux d'air entrant en 9 était entièrement de l'air frais extérieur. Par comparaison avec les procédés connus, le procédé selon l'invention permet une économie maximale d'énergie, sans nécessiter de frais élevés d'investissement et d'entretien. En effet, les machines tournantes, % * 4.

soit le brûleur 5 et le ventilateur 4, sont nécessaires dans tous les procédés connus du type décrit. Si utilisé, l'échangeur 17 est un appareil commun à tous les procédés connus qui récupèrent une partie de la chaleur.

! Ses frais d'investissement et d'entretien sont très modérés.

Le séparateur aérodynamique 14 est lui-même un appareil essentiellement statique, et donc d'un coût d'investissement et d'entretien très modéré.

Suivant une forme particulièrement avantageuse de l'invention, la séparation aérodynamique, suivant la figure 1, entre d'une part le flux principal d'air appauvri en humidité, et d'autre part le flux extrait composé essentiellement d'eau froide, peut se faire de la façon décrite ci-après :

Le flux d'air humide à séparer est introduit dans une tuyère fixe dans la première partie de laquelle il subit une détente adiabatique. Ledit air * humide est ainsi accéléré à une vitesse pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres par seconde. Cette détente est poussée jusqu'au point où la fraction voulue de la vapeur se condense. Cette condensation se fait à partir de centres de nucléation apparus spontanément et/ou créés artificiellement au sein dudit flux avant la détente ou au cours de celle-ci. Les gouttelettes ainsi condensées au sein du flux gazeux à grande vitesse tendent, en raison de leur forte densité par rapport au milieu gazeux qui les entoure, à suivre une trajectoire rectiligne, dont elles ne s'écartent que légèrement en raison de la traînée qu'elles subissent au sein du milieu gazeux. La forme de la partie amont de la tuyère est conçue de façon que, au cours de la détente et à la fin de celle-ci, les trajectoires des gouttelettes condensées divergent des trajectoires des filets gazeux, ce qui permet de recueillir lesdites gouttelettes et de les séparer du I courant gazeux qui poursuit son écoulement à grande vitesse. Ce courant î ! ainsi débarrassé de l'eau condensée est alors soumis à une recompression adiabatique par transformation de son énergie cinétique dans la seconde partie de la tuyère de séparation. A l'issue de cette recompression, il la pression du flux gazeux est remontée à un niveau proche du - · M>

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niveau de pression à l'entrée de la tuyère; et sa température est sensiblement plus élevée que celle à l'entrée de la tuyère. En effet, on retrouve à la fin de la recompression une enthalpie par kg d'air sec très proche de celle dans le flux gazeux à l'entrée de la tuyère, puisque 1'enthalpie de l'eau froide séparée par la tuyère est presque négligeable par rapport à l'enthalpie qu'avait ladite eau lorsqu'elle était à l'état de vapeur avant sa condensation.

Le procédé de séparation aérodynamique décrit ci-avant permet d'obtenir les performances maximales. En effet, il réalise la récupération intégrale de la chaleur contenue en début de cycle dans l'air de séchage, au moyen d'un séparateur entièrement statique dont les frais d'investissement et d'entretien sont très modérés.

A titre exemplatif et non limitatif, la figure 3 illustre cette séparation aérodynamique. La séparation se fait dans une tuyère verticale 26 qui a la forme générale d'un convergent-divergent de section circulaire. Dans l'axe de la tuyère 26 se trouve un collecteur cylindrique 27 de petit diamètre. Le flux d'air humide, animé d'une vitesse parallèle à l'axe de la tuyère, entre dans l'espace supérieur 28 de la tuyère, où il peut être soumis à tous moyens connus propres à créer en son sein des centres de nucléation. Ces moyens peuvent consister en une pulvérisation fine et homogène d'eau ou de tout autre élément stimulant la nucléation, et/ou des ondes soniques et/ou ultrasoniques, et/ou des ondes électromagnétiques de fréquence suffisante (par exemple rayons ultraviolets, rayons lasers, rayons ionisants, ondes radar), et/ou des champs électrostatiques. Le flux d'air humide pénètre ensuite dans la partie convergente 29 de la tuyère 26, où se produit la détente accompagnée de condensation sous forme de gouttelettes qui sont projetées sur la surface externe du collecteur 27 et sur la surface interne du col de la tuyère, entouré d'une chambre de collecte 30. Lesdites surfaces sont réalisées, sur toute la hauteur du collecteur 30, en matériau poreux (ou ayant toute autre structure perméable connue) à travers lequel le condensât formé par les gouttelettes est aspiré dans le collecteur 27 et dans la chambre de collecte 30, d'où il est évacué à l'extérieur du circuit principal par ^ tout moyen connu.

* 6.

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Le flux d'air débarassé des gouttelettes de condensât à la sortie du col de la tuyère 26 pénètre dans la partie divergente de celle-ci où il subit * une recompression adiabatique qui ramène sa pression à un niveau proche de celle qui règne en 28, et qui élève sa température à un niveau supérieur à celui de la température en 28. Le col de la tuyère a une section constante sur une longueur suffisante pour permettre une collecte efficace du condensât.

La vitesse en tout point de l'écoulement principal dans la tuyère 26 n'a que des composantes axiales et radiales, à l'exclusion de composante tangentielle.. En variante, on peut prévoir à l'entrée de la tuyère 26 un ailettage qui induit un tourbillon libre qui se superpose à l'écoulement axial et radial. Ce tourbillon libre, dont l'amplitude peut rester petite par rapport aux composantes axiales et radiales de l'écoulement principal, favorise la projection des gouttelettes de condensât sur la surface intérieure de la chambre de collecte 30 et peut améliorer ainsi l'efficacité de la séparation desdites gouttelettes.

Parmi les multiples variantes possibles d'application du procédé et du dispositif selon l'invention, il faut citer celles illustrées par les figures 4 et 5.

La figure 4 représente une variante particulière de la partie supérieure de la tuyère 26 illustrée à la figure 3. Dans cette variante, l'espace supérieur 28 et la partie convergente 29 de la tuyère sont séparés par un corps-central 35 et une grille d'ailettes 36. Ladite grille d'ailettes donne à l'écoulement vertical du flux principal une composante tangenti-* elle créant au sein de cet écoulement un tourbillon libre d'amplitude modérée. En raison de la forme particulière de la partie convergente de la-tuyère représentée à la figure 4, la composante axiale de l'écoulement disparaît progressivement le long des filets fluides, et est rempla-' cée progressivement par une composante radiale centripète, ménageant ainsi une zone dans laquelle la composante tangentielle de la vitesse des gouttelettes de condensât oriente celles-ci horizontalement vers la g paroi externe de la partie convergente 29 de la tuyère, les faisant 7.

4 * remonter le gradient de pression de l'écoulement principal. Le condensât atteignant la paroi est aspiré par un collecteur de manière similaire à celle décrite à propos de la figure 3. Cette disposition est de nature à améliorer l'efficacité de la séparation desdites gouttelettes au cours de la détente. A la fin de cette dernière, l'écoulement radial centripète est infléchi comme le montre la figure 4 pour redevenir axial en vue de sa recompression dans la partie divergente de la tuyère.

La figure 5 représente une variante particulière d'application du procédé et du dispositif selon l'invention dans laquelle le circuit principal est ouvert au lieu d'être fermé comme décrit ci-avant. Le courant principal, constitué d'air extérieur frais, est aspiré en 37 dans un échangeur 38 à contre-courant, où il est réchauffé par le courant d'air chaud déshumi-difié 22 provenant de la tuyère 26. Le courant principal d'air frais ainsi réchauffé dans l'échangeur 38 est amené par un conduit 39 au ventila-- teur 4, qui l'injecte en 9 dans l'enceinte 1 de séchage. Le courant prin cipal d'air chaud et humide 12 provenant de l'enceinte de séchage entre ensuite dans la tuyère 26 de séparation aérodynamique, d'où le courant extrait composé principalement de condensât sort en 20, le courant principal 22 d'air chaud déshumidifié étant introduit dans l'échangeur à contre-courant 38 où il est refroidi à une température proche de celle de l'air ambiant et dont il sort dans l'ambiance en 40. La variante de l'invention représentée à la figure 5 peut se comparer à celle de la figure 1, complétée par l'adjonction d'un échangeur. Le fonctionnement en circuit ouvert du procédé selon l'invention permet un renouvellement permanent de l'air parcourant l'enceinte de séchage, au prix d'un léger accroissement de consommation énergétique. Cet accroissement est dû d'une part au supplément de puissance du ventilateur 4 qui correspond aux pertes de charge dans l'échangeur 38, et d'autre part à l'appoint de chaleur à fournir par le brûleur 5, qui doit compenser une partie de la différence de température du flux principal entre son entrée en 37 et sa A sortie en 40.

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Bien que la description des procédés et dispositifs selon l'invention ait été faite pour l'application particulière au séchage du malt, les mêmes procédés et dispositifs sont applicables à tous les cas de séchage et notamment aux plâtreries, papeteries et cartonneries.

En fait, l'invention peut s'appliquer en toute généralité à tout agrégat non gazeux, solide ou liquide, ou solide gorgé de liquide. L'agrégat peut être un mélange ou une combinaison d'éléments chimiques ou isotopiques différents en proportions quelconques. Le liquide à extraire peut être un corps simple ou un mélange ou une combinaison d'éléments chimiques ou isotopiques différents en proportions quelconques. Quant aux composants du fluide gazeux, ils peuvent être généralement quelconques en proportions quelconques.

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Claims (6)

1. Procédé pour extraire un liquide d'un agrégat non gazeux par évaporation et entraînement du liquide au moins partiellement évaporé dans un flux de gaz caractérisé en ce que le liquide au moins partiellement évaporé est séparé du flux de gaz à l'aide d'une tuyère dans laquelle l'énergie du gaz est utiliséepour effectuer la * séparation.

2. Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que la séparation dans la tuyère du liquide au moins partiellement évaporé se fait sous forme de condensât par une détente adiabatique dans la partie amont de la tuyère, produisant un écoulement à grande vitesse du gaz contenant sous forme de gouttelettes le condensât et une séparation dans la tuyère par barodiffusion desdites gouttelettes à travers les veines d'écoulement du gaz à grande vitesse, et une recompression, dans la partie aval de la tuyère, dudit flux gazeux séparé dudit condensât.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une partie des gouttelettes séparées par barodiffusion remontent le gradient de pression au sein de l'écoulement principal du flux de gaz jusqu'à une paroi perméable à travers laquelle elles sont aspirées.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé est utilisé pour sécher un agrégat contenant de l'eau.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz circule en circuit fermé à travers l'agrégat à sécher et la tuyère qui sépare le liquide au moins partiellement évaporé du gaz.

6. Dispositif utilisant le procédé suivant les revendications 1 à 5.