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~ 7~33
La présente invention vise à ameliorer les conditions
de recuperation de certains composes organiques volatils , par
e~emples les fractions hydrocarbonées en C3 - C7. Cette opération
intervie~t souvent dans les operations chimiques ou physicochi-
miques o~ sont mis en oeuvre des composes organiques a haut poids
moleculaire, notamment des hydrocarbures lourds, et qui, de ce
fait, presentent des temperatures normales d'ebulition et/ou
des viscosites élevees. Ces composes lourds sont en effet souvent
mélanges avec des solvants beaucoup plus volatils. Parmi les
raisons pour lesquelles on pratique cPs melanges, on peut citer:
- La diminution de la viscosite et l'augmentation de
la capacité thermique du produit lourd, ~acilitant ainsi le con-
tr~le thermique d'une réaction chimique rapide; c;est le cas, par
exemple, des réactions de sulfonation ou de chloration des charges
lourdes d'hydrocarbures.
- La diminution de la viscosité dans les operations de
séparation par filtration ou ultrafiltration.
- Une action physicochimi~ue spécifique telle que la
precipitation des asphaltenes dans un procede de desasphaltage
d'hydrocarbures lourds ~residus atmospheriques ou sous vide,
voire bruts petroliers) a l'aide d'hydrocarbures légers (alipha-
tiques ou oléfiniques en C3, C4, C5, C6, C7) ou le deparaffinage
d'huile grâce à l'action combinee du froid et de solvants selec-
~ifs (par exemple : methyl-ethyl cetone, methylisobutyl cetone en
melange ou non avec des hydrocarbures aromatiques en C6 ou C7).
Dans toutes ces operations les rapports entre les
volumes de solvants et les volumes de charges lourdes sont asse~
éleves et le plus frequemment compris entre 1 et 5.
A la fin des traitemen~s chimiques ou physicochimiques,
il faut donc invariablement proceder à la recuperation de ces
solvants.
Vu les differences importantes des volatilites respec-
033
tives, cette recuperation s'effectue le plus souvent par eva-
poration du solvant leger, mais les quantités importantes de
solvant mises en oeuvre rendent fort souhaitable d'améliorer
les techniques existantes afin de diminuer les depenses en
energie que nécessitent de telles evaporations.
D7une maniere génerale, cette evaporation s'effectue
en un ou plusieurs etages ~ des pressions variables apr~s
rechauffage du melange dans des echangeurs classiques.
Des evaporateurs comportant plusieurs étages opérant
à des niveaux distinctsde temperature et de pression sont dejà
connus; voir, par exemple, brevet allemand n 871.742, bxevets
rancais no~ 1.178.135, 1.404.264 et 10431.037. On a aussi
propose de modifier les surfaces de contact des echangeurs de
chaleur en y déposant une couche de matériau poreux (brevet
des Etats-Unis n 3.384.154).
Le brevet des Etats-Unis n 4.214.975 utilise lui
aussi le principe des installations a multiples effets. D'après
ce principe on opère par des etapes successives d'evaporation.
Entre chaque etape le liquide est pompe pour atteindre une pres-
sion plus forte de sorte que sa temperature d'ebullition aug-
mente entre chaque etape, de 20 a 70C. La vapeur ainsi produite
~ plus haute pression et temperature, peut ainsi ceder sa
chaleur de condensation dans un echangeur traverse par le
liquide ~ plus basse pression et situe donc en amont dans le
système d'evaporation.
Ainsi peut-on espérer reutiliser en etapes (ou effets)
successives une quantite de chaleur qui a ete introduite dans
le système à la temperature et la pression la plus élevee. Le
meme type de montage a d'ailleurs ete utilise depuis fort
longtemps dans la production d'eau distillee ou dans la concen-
tration par evaporation de solutions aqueuses. Il faut signaler
toutefois que cette procedure realisée avec un appareillage
-- 2 --
classique, echangeur ~ appareil d'evaporation Ipar exemple :
un ballon de ~flash~, nécessite des différences de tempéra-
tures importantes. Il en resulte un xapport des pressions
entre etages relativement important (environ 7/1). La multi-
plication de ces contraintes sur les différences de tempéra~
ture et de pression limite le nombre d'effets pratiquement
realisables à ~rois. D'autre part, la valeur croissante des
pressions dans le sens de la circulation globale du liquide
necessite la mise en oeuvre de pompes operant parfois a haute
temperature.
En modifiant radicalement le type précite d'appareil
d'évaporation il a ete decouvert que ce principe de multiples
effets peut etre realisé dans des conditions particulièrement
economiques, même avec des solutions non aqueuses r~putees
pour operer à de faibles coefficients de transfert de chaleur.
En effet, les differences de températures importantes auxguel-
les il faut faire appel pour réaliser les transferts dans des
conditions economiques, sont la conse~uence des faibles coef-
ficients du film que l'on realise dans les evaporateurs clas-
siques operant avec des liquides apolaires ou peu polaires, en
particulier des huiles lourdes hydrocarbonees.
En règle generale, on obtient avec ces evaporateurs
classiques, des coefficients de transfert globaux, de l'ordre
de 250 ~ 800 watts/(m2.C) et ceci dans la mesure o~ les
differences de temperature restent dans les limites signalees
plus haut.
Selon la presente invention, on realise maintenant
les evaporateurs ~ multipleseffetsdans des appareils à film
tombant, sans agitation mecanique mais dans lesquels la surface
d'evaporation a ete traitee pour realiser une ebullition
nucleee. Ce traitement consiste en un traitement mecanique de
la surface afin d'assurer la nucleation.
-- 3 --
't,
'?~, ~
33~
La présente invention conccrne donc un procédé
de recupération d'une fraction hydrocarbonée en C3 - C7 a
partir d'un melange liquide de ladite fraction avec une huile
desasphaltee, caracterise en ce qu'on fait circuler ledit
melange li~uide dans au moins trois étages d'évaporation en
serie comportant chacun une paroi sensiblement verticale, sur
une premiere face de laquelle on fait ruisseler ledit mélange
liguide en film tomban~, ladite premi~re face comportant des
cavites d'un diam~tre moyen compris entre 50 ~m et 2 mmf afin
d'evaporer progressivement ladite fraction hydrocarbonee,
chaque etage operant à une temperature et une pression decrois-
santesd'etage en etage, la seconde face de la paroi du premier
etage etant chauffee par un fluide caloporteur d'origine
externe, on recupere des vapeurs de la fraction hydrocarbonee
formees dans au moins un etage d'evaporation y compris le
premier et on fait circuler lesdites vapeurs au contact de la
seconde face de la paroi verticale de l'etage suivant, de
mani~re a condenser lesdites vapeurs et ~ transmettre leur
chaleur de condensation au melange liquide circulant le long
de la premiare face de la paroi dudit etage suivant, on main-
tient a chaque etage une difference de temperature de 2 a 30C
entre lesdites vapeurs se condensant et ledit melange liquide
s'evaporant, et on recup~re une huile desasphaltee ne con-
tenant pratiquement plus de fraction hydrocarbonee en C3 ~
c7.
Les traitements mécaniques de la surface d'évaporation condui-
sent a un état de surface relativement ru~leux avec des cratèEes dont la
dimension m~yenne ne doit pas ~Ee.inférieur à 50~m et pas sup~rieure a~mm,
et est de préference comprise entre lOO~m et 500~m. Ceci peut
être realise, par exemple, par projection de fines particules
d'un materiau relativement dur sur la surface ~ nucleer, par
exemple, au moyen d'un couxant d'air entralnant à grande vitesse
des particules de sable QU de carbure de silicium. Les cavites
4 -
7~
ainsi créees ont habituellement une profondeur représentant 20
a 60% de leur diamètre moyen.
Dans ces conditions on a mesuré des coefficients de
transfert de chaleur globaux aussi elevés que 2000 a 3000 watts/
(m ~C), et ceci pour des diférences de temperature entre les
fluides circulant de par~ et d'autre de la paroi de 2 à 30C, de
preference 5 a 10C. Il devient, par consequent, possible
de réaliser le schema de récupération qui fait l'objet de la
presente invention.
La presente invention sera mieux comprise a la lecture
de la description qui va suivre d'un mode de realisation
prefere de l'invention, faite avec reférence aux dessins suivants:
La Figure 1 est une vue schématique de l'appareillage
necessaire pour effectuer la forme preferëe de l'invention.
La Figure 2 est une vue schematique, donnée ~ titre
de comparaison, de l'appareillage nécessaire pour realiser une
autre forme de recupération d'huile desasphaltee.
Dans le schéma type, on introduit le melange compose
du solvant léger et du produit lourd en tête du premier evapo-
rateur echangeur El (fig. 1) à film tombant~ Le melange descend
le long de la paroi de cet echangeur (qui peut avoir la forme
d'une plaque, d'un tube ou toute autre forme geometrique
adaptee comme, par exemple, un faisceau de tubes assembles
; dans une calandre) où il reçoit de la chaleur d'un fluide calo-
porteur circulant de l'autre côte de cette paroi. Le plus
souvent, ce fluide caloporteur sera une vapeur condensanteO
Ce fluide caloporteuresta une temperature de 2 à 30C
~de preference 5 a 10) superieure a la temperature _
,~ _
.J~.
d'ébullition du mélange a évaporer ~ la pression regnant dans
l'evaporateur. Le melange descendant c8te evaporation se trou-
vera dans ce schéma type 3 la pression Pl la plus forte de
l'installation. En regime d'ebullition nucléée, ce melange
va donc produire de la vapeur a cette pression Pl, et ceci ~
l'aide d'une différence de température modeste avec le fluide
caloport~ur. Le melange liquide récupere en bas de l'evapora-
teur El est alors detendu par une vanne de regulation Vl pour
que ce liquide atteigne une temperature d'ebullition entre 2
et 30C (de preférence 5 et 10C) plus faible que la tempéra-
ture règnant dans l'echangeur El. Ainsi pourra-t-on utiliser
la vapeur produite en El comme fluide caloporteur dans un
echangeur evaporateur a film tombant E2 d'un type identique
à celui de El. Dans ce deuxieme echangeur l'evaporation récu-
peration du solvant leger se poursuit ~ une pression P2 et une
temperature T2 plus faibles que celles regnant en El~ Cette
procedure peut être reproduite plusieurs fois pour autant que
les niveaux de pression et de temperature restent compatibles
avec une exploitation economique de l'installation. Le nombre
d'etages que llon met en oeuvre peut donc être défini d'après
une optimisation économique. Il faut noter que ce schema ne
necessite aucun appareil mecanique pour faire passer le fluide
à evaporer et la vapeur produite d'un etage au suivant : c'est
la pression initiale qui fournit la force motrice necessaire.
Ce schema est particulièrement economique en energie de chauf-
fage et est donc prefere.
Dans le second schema donne a titre de comparaison
et illustre par l'exemple 2 et la Figure 2, le melange dont il
faut recuperer le solvant par evaporation, est introduit dans
le premier évaporateur El au niveau de pression le plus bas de
1'installation (Fig.2). A cette pression Pl, correspond comme
dans le schéma precedent, une temperature d'ebullition T
4b
_.
3.~
telle qu'elle se trouve de 2 à 30~C ;de préference de 5 ~ 10C)
plus basse que la température T2 ~ laquelle la vapeur de
solvant a ete produite dans un etage précédent E2, ~ une
pression P~ superieurP à Pl. Cette fois, le liquide partiel-
lement débarrassé de son solvant, est envoyé vers la tete de
l'échangeur évapora~eur E2 ~ l'aide d'une pompe; la différence
de pression entre El (Pl~ et E~ (P2) est choisie de telle
maniere que la température en E2 soit de 2 à 30C (de préfe-
rence de 5 ~ 10C) supérieure à celle r~gnant en El de sort
que la vapeur produite en E2 puisse servir de fluide calo-
porteur chauffant en El~ Cette procedure est répetée comme dans
le s~héma precedent, jusqu'~ ce que l'on atteigne une tempe-
rature maximale dans l'echangeur évaporateur En (E3 dans le
cas de la Figure 2) o~ a lieu l'introduction de chaleur dans
le systeme ~ l'aide d'un fluide caloporteur ~très souvent de
la vapeur d'eau). Comme dans 1P cas précédent, le nombre
d'etages et les niveaux initiaux et finaux des températures
et pressions résulteront avantageusement d'une optimisation
économique.
Dans les deux schemas, les vapeurs condenses sont
collectées et renvoyées vers un meme stockage du solvant afin
dlêtre réutilisees si necessaire. Les dernières traces de sol-
vant peuvent etre eliminées du produit lourd dans un équipement
annexe. La vapeur sortant de l'étage n dans le schéma 1 (de
l'etage 1 dans le schema 2~ est bien entendu condensee dans un
echangeur avant son envoi au stockage.
Les deux schemas présentes ici sont illustrés par
deux exemples qui ont trait a une récuperation de pentane à
partir d'un mélange pentane-huile lourde en provenance d'une
unite de desasphaltage.
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ler EXEI~IPLE (figure 1)
On introduit dans un appareil à film tombant un melange composé de pentane et
d'un gasoil sous vide desasphalte à un débit total de 250Q kg/h. La composition est
de 4 kg de pentane pour 1 kg de gasoil. Cet appareil est compose de trois tubes
(P1, P-2, P3), de 5 cm de diamètre chacun et de 6 m de long. Ces tubes ont ete trai-
tes par grenaillage de telle sorte que leur surface se presente comme une succes-
sion de cratères dont le diamètre moyen est compris entreo,Z - 0,5 mm de diamètre.
Par un distributeur approprie, place en tête de chaque tube, les debits de liquide
sont à peu près uniformement repartis sur la face interne des tubes. L'introduction
se fait par la ligne 1 et on reçoit le liquide à cet endroit à 30 atmosphères et190C. Dans l'echangeur E1, on realise l'evaporation de 400 kg/h de pentane. La
chaleur necessaire est fournie par de la vapeur d'eau introduite dans la calandre
de l'echangeur E1 par la ligne 10. Cette vapeur d'eau se trouve à une temperature
de 195C environ. 35 kg/h de vapeur d'eau sont condensés dans cette calandre et
evacues par la ligne 11. L'effluent de l'echangeur E1 est compose par un débit de
2100 kg/h de melange liquide et 400 kg/h de vapeur de pentane qui sont separes ai-
sement en bas de l'echangeur. Le liquide evacue par la ligne 3 est detendu par la
vanne V1 jusqu'à 2,5 MPa. Ceci provoque une evaporation partielle du pentane et une
baisse de la temperature jusquià 180C. Ce melange est injecté dans l'evaporateur
E2 identique à l'évaporateur E1. La vapeur de pentane sortant de l'evaporateur E1
par la ligne 2 est introduite, sans détente, dans la calandre de l'évaporateur E2
où, grâce à la température plus basse, sa condensation se réalise. Cette vapeur
condensee est eliminee par la conduite 8. Grace à la detente et au transfert de
chaleur en provenance de la vapeur de pentane condensee dans la calandre de l'ap-
pareil E2, on provoque l'evaporation de 725 kg/h de pentane qui sont separes en bas
de l'echangeur E2 des 1375 kg/h de liquide non evapores. Le melange liquide est
évacue par la conduite 6 et, comme à la sortie de l'echangeur-E1, detendu dans la
vanne V2 jusqu'à 1,75 MPa, ce qui provoque une nouvelle evaporation avec baisse de
tempera~ure jusqu'à 170C. Les 725 kg/h de pentane vapeur sont introduits sans de-
tente dans la calandre de l'evaporateur E3 par la conduite 7 et evacues par la con-
duite 5. A nouveau, on realise la condensation du pentane vapeur grâce à une diffe-
rence de temperature de 10C. Cet appareil E3 est identique aux deux precedents E1
et E2. Les conditions indiquees ci-dessus pour l'appareil E3 permettent une nouvelle
evaporation de 815 kg/h de pentane qui sont evacues par la conduite 4.
Le liquide compose de 500 kg/h d'huile et de 60 kg/h de pentane est evacue par
la ligne 9 vers une section de traitement final où l'on finit l'evaporation des
dernières traces de pentane, par exemple, par un strippage à la vapeur d'eau. Laseule consommation de vapeur a ete de 35 kg/h. Dans une installation classiqlIe, la
~7~3~
consommation de vapeur aurait ~te proche de 150 kg/h.
2~me EXE~IPI,E (exemple de comparaison, Figure 2)
Un melange composé de pentane et de gasoil sous
vide desasphalte est introduit dans un appareil ~ film tom-
bant ~ un debit total de 2500 kg/h. La composition est de
4 kg de pentane pour 1 kg de gasoil. Cet appareil est compose
de trois tubes de 5 cm de diametre chacun et de 6 m de long.
Ces tubes ont été traites par grenaillage de telle
sorte que leur surface se presente comme une succession de
cratères dont le diamètre moyen est compris entre 0,2 et
0,5 mm.
Par un distributeur approprie, les debits ~e liquide
sont a peu pres uniformement repartis sur les parois internes
des trois tubes. L'introduction se fait par la ligne 21 à
une temperature de 150C et 1,9 MPa de pression. Par l'intro-
duction de 550 kg/h de vapeur de pentane à 160C dans la
calandre de l'echangeur El, on provoque l'evaporation de
200 kg/h de pentane et le rechaufage de l'ensemble gaz ~
liquide à 160C. Cette vapeur de pentane, introduite dans la
calandre de l'appareil El par la conduite 25 provient d'une
evaporation ayant lieu dans l'evaporateur E2 dont on parlera
plus loin. Cette ~-apeur de pentane condensee dans la calandre
de l'appareil El, est evacuee par la conduite 24.
La vapeur de pentane (200 kg/h) produite dans
l'echangeur El, est separee de la phase liquide et évacuee
pour condensation ou recyclage direct ailleurs dans l'ins-
tallation, par la ligne 22. Les 2300 kg/h de melange liquide
sont alors envoyes par la conduite 23 dans l'appareil à film
tombant E2 identique au précédent. L'appareil E2 fonctionne
a 2,2 MPa et 170C, de sorte ~u'une pompe Pl est necessaire
pour amener le liquide de la pression de El (1,9 MPa) à la
pression de E2 (2,2 MPa). Le liquide est alors rechaue et
~.1
~ll37~3~
partiellement evapore dans l'appareil E2 grâce a 1200 kg/h de
vapeur de pentane produits dans l'echangeur E3 dont on parlera
plus loin. Le pentane condense est evacue par la ligne 27.
Cette evaporation produit 550 kg/h de vapeur de pentane qui,
apr~s séparation en bas de l'appareil E2 est envoyee par la
ligne 25 vers la calandre de l'appareil El. Le melange
liquide xestant en bas de 11 echangeur E2 est evacué par la
ligne 26 et pompe P2 jusqu'~ la pression d'introduction dans
l'évaporateur E3. Le débit passant par la pompe P2 est de
1750 kg/h. L'evaporateur E3 est identique aux appareils El
et E2. Il opere a 2,4 MPa de pression et ~ une température
de 180C. Les 1750 kg~h de liquide arrivant en tête de cet
echangeur sont rechauffes et evapores grâce a un echange avec
120 kg/h
` ` 11~7~:~3
de vapeur d'eau envoyes dans la calandre de l'appareil E3 par la ligne 30. Ceci
provoque l'evaporation de 1200 kg/h de per,tane qui sont envo~es dans la calandre
de l'appareil E2 par la ligne 28. Par la ligne 29, on evacue le melange liquide
non evapore et compose de 50 kg/h de pentane et 500 kg de gasoil, et par la ligne
28 on evacue le pentane condense. Ce melange peut être soumis â un traitement fi-
nal pour recuperer des traces de pentane, par exemple, en realisant un strippageà la vapeur d'eau. La consommation de vapeur a ete de 120 kg/h. Dans une instal-lation classique, on aurait eu besoin de 320 à 340 kg/h de vapeur d'eau. La ~lapeur
d'eau condensee est évacuee par la conduite 31.
