Brevet FR2238512A1 — publié le 19750221

La présente invention concerne un procédé perfection né d'évaporation ou de concentration de mélangesde liquides ou de solutions. En particulier, elle concerne la concentration des solutions acides faibles en acides concentrés par évapora tion de l'eau. La concentration des solutions acides faibles par chauf fage de l'acide de/manière que l'eau de dilution soit classée est bien connue et divers procédés ont été utilisés pour cet te concentration. #r-exe-mple-, l'évaporation dans des cuves ouvertes par chauffage direct, passage de gaz chauds sur la matière concentrée ou dans celle-ci, évaporation en circuit Bermé-sous pression réduite et d'autres variantes de ces pro cédés ont été largement utilisés Un procédé particulièrement avantageux met en oeuvre un évaporateur vertical à circulation naturelle ou forcée, fonctionnant sous vide. Au cours d'un tel procédé, une enveloppe tubulaire verticale d'échange de cha leur contenant un faiceau de tube est utilisée.De la vapeur d'eau ou une autre matière de chauffage passe à l'extrémité inférieure des tubes et Itacide dilué qui doit être concentré circule dans l'espace compris entre l'enveloppe et les tubes sous vide ou inversement. L'ébullition de l'acide provoque la libération de vapeurs/qui induisent une circulation vers le haut dans l'enveloppe, dans l'espace de dégagement et dans une canalisation de recyclage jusqu'à l'extrémité inférieure de ltenveloppe. Le débit de circulation dépend du débit de créa- tion de vapeurs dans l'enveloppe qui dépend lui-+même du chauf- fage de l'ensemble.La chaleur ainsi fournie est déterminée par la surface disponible, la différence de températuresentre le faisceau de tubes et l'acide de l'enveloppe et par le coebf- ficient de transfert/de chaleur. La surface et la différence de temperaturessont habituellement fixées par la dimension de l'a#pareillage ou par des restrictions imposées au fonctionne ment. Dans un évaporateur à circulation naturelle, deux mé canismes de trRnsfert de chaleur sont habituellement mis en oeuvre. L'un de ceux-ci est un mécanisme de transfert de cha leur classique ou à une seule phase qui dépend des propriétés physiques du liquide et de la vitesse de celui-ci par rapport à la surface de chauffage. Le second mécanisme est un mécanisme à deux phases et dépend du transfert de chaleur dans la zone d'ébullition ctest-à-dire dans la zone de transition en- tre les bulles de vapeur et le liquide. -On sait que, pour le même liquide, des transferts de chaleur à deux phases peuvent être un multiple élevé des transferts de chaleur à une seule phase.Malheureusement, on ne peut pas toujours tirer pleinement avantageuse de ce fait bien connu, notamment lorsque les liquides qui doivent etre évaporés ont des températures d'ébullition proches de la température de la matière de chauffage ou lors de l'évaporation de liquides très visqueux, comme dans le cas pa#r exemple de la concentration de 11aeide sulfurique- notamment au-dessus de 80 ffi de H2S04. Dans ces circonstances, la quantité de vapeur créée peut ne pas suffire å la création d'un débit raisonnable de circulation.En conséquence, le coefficient de transfert.de chaleur 'a une seule phase est très faible et la proportion de la surface exposée au transfert 'a deux phases est faible de manière analogue. Dans ce cas, un appareillage mécanique est souvent utilisé de manière qu'il accroisse le débit de circulation et accroisse ainsi le coefficient de transfert de chaleur à une seule phase. En plus du prix élevé de cet appareillage mécanique, ce procédé'pré-sente 1 'inconvénient que la zone de transfert de chaleur à deux phases, qui a un coefficient élevé, disparate pratiquement. L'invention concerne un dispositif simple et peu cot- teux créant une circulation rapide et simultanément accroissant la zone- de, transfert de- chaleur à deux phases dans un évaporateur à recyclage. L'effet combiné d'une circulation rapide et d'une zone agrandie de transfert à deux phases accrolt notablement le- coefficient moyen de transfert de chaleur. En particulier, l'invention concerne un dispositif perfectionné de concentration de l'acide sulf#urique et d'autres solutions qui nécessite une surface minimale de chauffage. L'importance de ce perfectionnement apparaît au fait que la surface de chauf- fage qui convient à la concentration par exemple de l'acide sulfurique, est formée de matières coûteuses telles que le tantale. Selon l'invention, un transfert global amélioré de chauffage est obtenu lors de la concentration de mélanges de liquides et de solutions dans un évaporateur à recyclage, par introduction dans le liquide qui bout dans 1 t évaporateur d'une petite quantité d'air ou d'un autre gaz inerte à une pressien absolue- comprise entre environ 5 et 300 torrs. Dtautres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique représente un évaporateur vertical à recyclage naturel Sur le dessin, une enveloppe ou an tube vertical I contient sur sa longueur un tube interne 2 de chauffage. Le tube 2 est chauffé par de la vapeur d'eau å pression élevez introduite par un barboteur interne 3. L'extrémité supérieure de llenveloppe I aboutit à un séparateur 4 formant une zone agrandie qui est reliée a' un dispositif itaspiration. Le séparateur 4 et l'extrémité inférieure de l'enveloppe 1 sont reliés par une branche 5 de recyclage.Le liquide dilué destiné à être concentré est introduit à l'extrémité inférieure de la branche 5 et de l'enveloppe 1. Le liquide concentré est retiré de la zone collectrice 6 du séparateur 4. Une entrée est formée à l'extrémité ieférieure de l'enveloppe 1 et permet llen- trée d2air ou d'un autre gaz inerte à basse pressi#on dans le liquide de l'enveloppe f. Lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention au cours de la concentration d'une solution acide, l'enveloppe 1 est remplie d'acide, la vapeur d'eau est introduite dans le barboteur 3 de manière qu'el1e#chauffe le tube 2, et une aspi ration est appliquée au dispositif. Une circulation lente de liquide est induite étant donné la différence de -densités entre l'acide froid de la branche 5 et l'acide tiède de l'enveloppe 1. La circulation est encore accrue lorsque commence l'ébulli- tion. Les vapeurs créées à la partie supérieure du tube 2 ré duisent la pression statique exercée sur le liquide placé en dessous si bien que la zone d'ébullition descend le long de l'enveloppe 1 jusqu'à l'état de régime permanent.Entre-temps, du liquide dilué tel que par exemple de l'acide sulfurique à 70 #, est introduit constalument dans l'appareil, à un empla cement convenable, par exemple dans la branche 5. L'acide con- centré est retiré constamment de la zone collectrice 6 et main tient un niveau constant dans le séparateur 4. Le débit d'introduction de l'acide dilué dans l'appareil est réglé dema- nière que l'acide retiré ait la concentration'voulue. L'introduction d'une très faible quantité d'air dans l'acide touillant dans l'enveloppe 1 a l'effet surprenant de provoquersune augmentation importante du transfert de chaleur entre le fluide bouillant et la vapeur d'eau utilisés pour le chauffage. Cette très faible quantité d'air à une temperature et à une pression proches de celles de l'atmosphère, ajoutée dans l'évaporateur, se détend immédiatement en augmentant de volume d'un facteur qui peut atteinre 100, étant donné l'aspiration dans l'évaporateur.Ce gaz qui se détend dans le courant ascendant de liquide bouillant réduit la pression statique exercée sur le mélange de liquide et de vapeuri De plus, L'évaporation d'équilibre du liquide a lieu très rapidement dans la partie inférieure de l'enveloppe 1 et un régime d'é -coulement à deux phases s'établit sur toute la longueur de l'enveloppe. En conséquence, la vitesse du fluide augmente dans l'enveloppe 1, la nueléation est supprimée par la turbulence du fluide et le comportement fait apparattre une région de convection forcée pour le transfert de chaleur, si bien que les transferts de chaleur pour l'ébullition en deux phases sont très élevés.Ce mécanisme d'ébullition accroît le trans fert total de chaleur dans l'évaporateur. Lors du fonctionnement d'une installation pilote com prenant -un évapor & eur à recyclage naturel -comportant - un seul tube de chauffage en tantale, comme représenté sur le dessin, de l'eau est introduite à la partie inférieure de l'enveloppe 1 à la place de l'acide dilué. Ce procédé simule une opéra tion à l'état de régime permanent, utilisée pour la concentration des acides dilués ou-concentrés, et elle permet le rassemblement de données sur le flux thermique uniforme et sur le coefficient global constant de transfert de chaleur pour une concentration particulière d'acide. Les exemples qui suivent, obtenus à partir d'opérations réalisées sur une installation pilote, illustrent le procédé perfectionné d'évaporation selon l'invention, à titre non limitatif. Exemple 1. On concentre de l'acide sulfurique à 85 % dans un évaporateur à circulation naturelle à un seul tube comme décrit en référence au dessin Les conditions de fonctionnement sont les suivantes pression dans le dispositif 63 torrs absolus température moyenne d'ébullition 152OC température de la vapeur d'eau de chauffage 1380?- On n'ajoute pas d'air dans le fluide qui bout. Les résultats donnent un flux thermique de 60 000 W/m2 et un coefficient global de transfert de chaleur de 1 245 W/m. C. Exemple 2. On concentre un acide analogue à celui de l'exemple 1, dans des conditions identiques, mais on ajoute de l'air à 1,04 3 bar et 229C dans le fluide qui bout, à raison de 700 cm Les résultais mesurés donnent un flux thermique de 93 500 W/m2 et un coefficient global de transfert de chaleur de 2 080 W/m2.0C. De plus-, on détermine que 172 kg de vapeur d'eau sont évaporés pour chaque kilogramme d'air ajouté On note par comparaison des résultats des exemples 1 et 2 qu'on obtient une amélioration importante sur-le flux thermique et le coefficient de transfert de chaleur lors d'addition d'air au fluide qui bouts le transfert de-chaleur dans l'évaporateur étant accru de 68 % par l'addition d'air. Exemple 3. On concentre de l'acide sulfurique å 93 % dans un éva porteur à circulation naturelle à un seul tutie, comme représenté sur le dessin. Les conditions de fonctionnement sont les suivantes pression dans le dispositif 8 torrs absolus température' moyenne d'ébullition 1 46 #c température de la vapeur d'eau de chauffage 198 C On n'ajoute pas d'air dans la matière qui bout Les- résultats donnent un flux thermique de 28 450 w/m et un coefficient global de transfert de chaleur de 555 W/m2.QC. Exemple 4. On concentre un acide analogue à celui de l'exemple 3 dans les conditions suivantes pression dans le dispositif 15 torrs absolus température moyenne d'ébullition 1620-C température de la vapeur de chauf- fage 198 C On ajoute de l'air à 1,04 bar et 22 C dans la matière en ébullition à raison de 700 cm3/mn. Les résultats donnent un flux thermique de 67 000 W/m et un coefficient global de transfert de cnaleur de 1 870 W/m. C. On détermine de plus que 98 kg d'eau sont évaporé; pour chaque kilogramme d'air ajouté. La comparaison des résultats des exemples 3 et 4 montre une amélioration importante du flux thermique et du coefficien#t de transfert de chaleur lors de l'addition d'air dans la matière qui-bout# le--transfe-rt-de- chaleur dans l'évaporateur étant am-eliore de plusieurs centaines de pour cents par addition d'air.- Bien qulon-ait décrit le-procédé et l'appareil de l'in- vent, ion en référence à la concentration de l'acide sulfurique dans un évaporateur à circulation naturelle, il faut noter-que le procédé convient aussi aux évaporateurs à circulation forcée et à la concentration de'tout mélange liquide dans lequel les liquides ont des températures différentes d'ébullition ou pour la concentration de solutions telles que par exemple les solutions de sucre, les solutions salines, la soude caustique et analogues REVENDICATIONS 1. Procédé de concentration de mélangesde liquides ou de solutions par évaporation d'eau, dans un évaporateur à circulation naturelle ou forcée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'introduction dans la solution ou le liquide qui bout dans l'évaporateur d'une petite quantité d'un gaz inerte. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz inerte est l'air. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ga# inerte est introduit dans 1 'évaporateur à une pression comprise entre 5 et 300 torrs absolus