Brevet FR2284352A1 — publié le 19760409

La présente invention concerne un procédé pour amélio- rer l'échange thermique dans des évaporateurs à circulation naturelie et en circuit ouvert. Pour concentrer des liquides ou pour récupérer des solvants, par exemple à partir de solutions, de suspensions, d'éxul- siens, etc, on utilise des évaporateurs de genres différents. Les différentes substances contenues dans le liquide sont concentrées et une partie du liquide évaporé passe, par l'intermédiaire d'un séparateur, par exemple dans un autre étage d'évaporateur pour la séparation de constituants condensés, alors que la partie conden, sée est recirculée par l'intermédiaire de tubes de descente.Le produit concentré par évaporation et qui est susceptible encore d'entre pompé peut dé#à constituer un produit final, mais il est également possible d'évacuer ce produit final et de récupérer les brouillards, par exemple sous la forme d'eau douce dans le cas de la distillation d'eau de mer. Dans les évaporateurs, le liquide à traiter est généra liement amené à la température d'ébullition et est évaporé, généra- liement à l'aide d'un élément de chauffage, par exemple d'un écban- geur de chaleur à faisceau tubulaire, chauffé avec de la vapeur (Grundlagen der chem. Tecbnik, Vol. 4, Warmeaustanscher de Roman Gregory, 1959, miton H.R. Sauerl nder, Aarau). Dans les évaporateurs dits à circulation naturelle, il s'établit, pendant le fonctionnement, un niveau dit "niveau de liquide virtuel". On identifie ce niveau virtuel du liquide à l'aide d'un indicateur de niveau du liquide qui est raccordé audessous des tubes chauffants à la chambre à liquide et au-dessus de ces tuyaux chauffants à la chambre de vapeur. Si, par exemple, l'indicateur de niveau du liquide d'un évaporateur à circulation, à tubes chauffants ayant une longueur de 2 m, indique que les tuyaux sont "remplis à moitié', ceci signifie que la pression à l'entrée des tubes est supérieure de 1 s de colonne de liquide par rapport à la pression à la sortie des tubes.Le produit bouillant à évaporer qui sort de la partie haute des tubes chauffants est ramené, par un ou plusieurs tubes de descente, dans la chambre située en-dessous des tubes chauffants, où la pression est de 1 i supérieure à celle qui correspond à la pression d'ébullition du liquide. Si, dans un évaporateur dans lequel de l'eau doit store évaporée à partir d'une solution liquide, la température d'évapo- ration est de 50*C, ilrègne alors dans la chambre de l'évaporateur, au-dessus des tubes chauffants, une pression de 0,125 atmosphère. Toutefois, à l'entrée du tube, il règne, dans cet exemple, une pression de 0,125 atmosphère + 0,1 atmosphère = 0,225 atmosphère si l'on suppose que le poids spécifique du produit à évaporer est égal à 1. Dans une solution aqueuse sans accroissement du point d'ébullition, la températuré du point d'ébullition est de 610 C à 0,225 atmosphère, en sorte que le produit à évaporer ne peut pas bouillir à l'entrée du tube. Etant donné que le produit à évaporer monte dans les tubes chauffants disposés parallèlement les uns aux autres seulement avec une vitesse d'environ 1 cm/sec, il existe une longueur de préchauffage relativement importante avant que l'ébullition puisse commencer dans les tubes de chauffage. Dans la zone intéressant le préchauffage, le transport de chaleur est faible pour une faible vitesse d'écoulement ; dans cette zone, des dépôts ont lieu sur la surface de chauffage, dépôts qui gênent le transfert de la chaleur. Dans des évaporateurs en circuit ouvert, opérant suivant le principe grimpant, et du type comportant, du côté du liquide, des sections d'évaporateur ou des évaporateurs montés les uns derrière les autres, le produit à évaporer, après avoir été transféré vers le haut dans les tubes de chauffage, s'écoule toujours, à travers des tuyaux de descente, dans d'autres tuyaux de chauffage où le produit à évaporer est à nouveau ramené vers le haut par suite d'évaporation. Le poids du liquide dans les tuyaux de chauffage et l'accélération du produit à évaporer et de la vapeur, ainsi que la friction dans les tuyaux provoquent une différence de pression entre l'entrée des tuyaux de chauffage, située dans le bas et la sortie des tuyaux de chauffage, située dans le haut.Par exemple, dans le cas de tuyaux de chauffage ayant des longueurs de 4 m, la différence de pression entre le haut et le bas peut être de 1 'ordre de 2 m de colonne de liquide. Dans le cas d'une solution aqueuse, et pour une température d'évaporation de 500 C, le produit à évaporer peut bouillir à l'entrée des tuyaux à une température de 710 C. D'abord, le liquide qui pénètre dans les tuyaux de chauffage avec une vitesse de l'ordre de 1 cm/sec doit btre préchauffé Jusqu'à ce que l'évaporation puisse commencer lors de son passage vers le haut, par suite de son chauffage et de la diminution de la pression. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients, #######-d### ctest-à-dire d'éviterla mauvaise transmission de la chaleur dans la partie inférieure des tuyaux de chauffage de l'évaporateur, dans laquelle le liquide est chauffé à la température d'ébullition et de réaliser, à l'aide de moyens simples, l'évaporateur à circulation de telle manière que le liquide soit amené à la température d'ébullition avant de pénétrer dans les tuyaux de chauffage. Ce résultat est obtenu, selon l'invention, grâce au fait que le produit à évaporer est amené, avant son entrée dans les tuyaux de chauffage, à sa température d'ébullition à l'aide de vapeur-directe, le chauffage à la température d'ébullition se faisant à une pression hydrostatique qui est supérieure à celle qui règne à l'entrée des tuyaux de chauffage. Suivant un iode d'exécution préféré du procédé selon l'invention, l'alimentation en vapeur directe s'opère à ltextréei- té inférieure d'un siphon réalisé sous la forme d'un tuyau double concentrique relié à l'évaporateur et au séparateur monté en aval dudit évaporateur. Glace à l'adjonction d'un siphon à l'évaporateur et au séparateur, la pression hydrostatique qui règne à ltextrexité inférieure du siphon est augmentée, et suivant la longueur de ce siphon on peut opérer un chauffage plus important correspondant ou un chauffage jusqu'à la telspératnre d'ébullition. Suivant une autre variante, l'alimentation en vapeur directe s'opère dans le liquide qui s'écoule vers le haut dans une section transversale annulaire du siphon réalisé sous la forme d'un tuyau double concentrique. Avantageusement, on produit un écoulement tournant dans la section transversale annulaire du siphon constitué par un tuyau double concentrique. Le tuyau en forme de siphon est pratiquement réalisé sous la forme d'un tuyau double, ce qui donne un tuyau intérieur et une section transversale annulaire entre le tuyau intérieur et le tuyau extérieur. Par l'introduction tangentielle de la vapeur directe, on obtient un écoulement tournant et, de'ce fait, une meilleure transxission de chaleur. Suivant une mise en oeuvre particulière de l'obJet de l'invention, on utilise comme vapeur directe une partie du courant de vapeur provenant da corps chauffant de l'évaporateur. Selon l'invention, un chauffage à l'aide de vapeur -en contact direct- est obtenu à une température qui est supérieure à celle qui correspond à la pression qui règne à l'entrée des tuyaux de chauffage. Le chauffage s'opère, pour chaque évaporateur ou pour chaque section d'évaporateur, à l'extérieur de l'éva- porateur. La vapeur pour le chauffage est rajoutée de façon dosée uniquement à un emplacement. L'invention permet d'améliorer considérablement la transmission de chaleur, et elle permet d'augmenter le débit de l'évaporateur ou de réduire les dimensions des évaporateurs. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La figure 1 représente la disposition selon l'invention d'un évaporateur à circulation naturelle. La figure 2 représente, selon ce principe, une installation d'évaporateur à plusieurs étages. La figure 3 représente en vue élévation le tube-siphon. La figure 4 représente le tube-siphon en plan. Selon la figure 1, le préchauffeur 5 conforme à l'invention est inséré dans le tuyau de retour 1 et 2 reliant le séparateur 3 à la partie inférieure de l'évaporateur 4. La vapeur de chauffage est amenée par la conduite 6 dans l'enceinte entourant les tuyaux de chauffage. Le produit à évaporer est introduit dans l'évaporateur par la conduite 7. Le produit de condensation de la vapeur de chauffage est évacué par la conduite 8. Le produite condensation est prélevé charge par charge ou de façon continue à l'aide de la conduite 9. Les brouillards produits par l'évapora- tion sont amenés par la conduite 10 à un condenseur. Pour l'exploi- tation d'un tel évaporateur, on tient compte du niveau de liquide virtuel", tel qu'il est indiqué par l'indicateur de niveau du liquide 11.Le produit à évaporer et qui est transporté vers le haut dans les tuyaux de chauffage 12, s'écoule par la conduite 13 dans le séparateur et se trouve accéléré par les vapeurs de brouillard qui sortent de la conduite 13. Le produit évaporé qui pénètre dans le séparateur 3 s'écoule à travers le tuyau 1 dans la partie la plus basse du préchauffeur 5, il passe ensuite à nouveau vers le haut dans la chambre annulaire située entre le tuyau 1 et l'enveloppe du préchauffeur 5 et retourne finalement par le tuyau 2 dans l'évaporateur 4. Lors du passage par le préchauffeur 5, on introduit en 16, au début de ltécoulement ascendant, de la vapeur par la conduite 14, la quantité de vapeur à adjoindre étant lini- tée par un déflecteur ou par une tuyère 15.Les conduites 14 et 2 sont avantageusement raccordées en position tangentielle à lten- veloppe du préchauffeur 5, de manière que la vapeur de préchauf fage pénètre en direction tangentielle et que le produit à évaporer qui a été préchauffé puisse sortir tangentiellement. Si, dans l'installation qui vient d'étire décrite, le niveau virtuel du liquide dans l'évaporateur est de 1 m, et si le point de raccordement de la conduite 14 au préchauffeur 5 se situe à 1 R plus bas que l'entrée dans les tuyaux de chauffage, il règne à l'entrée 16 de la vapeur de préchauffage une pression = 2 n de colonne de liquide supérieure que dans la chambre 17 de l'éva- porateur.Pour une température d'évaporation de 500 C correspondant à la pression de 0,125 atmosphère, on a au point 16, pour un poids spécifique égal à 1 pour le liquide d'évaporation, une pression de 0,325 atmosphère ; la température d'évaporation correspon dante est de 700 C, en sorte qu'à cet endroit on dVpeeedin A t de 200 C pour la transmission de chaleur. L'importance de l'invention ressortira nettement à l'ai- de de la mise en oeuvre qui sera décrite à propos de la figure 2. La figure 2 représente un évaporateur ou un étage d'é- vaporateur pour un produit hautement sensible. Le produit à évaporer doit etre évaporé à une température déterminée. Pour des motifs d'ordre bactériologique, un remélange n'est pas admissible. Une stagnation ou des conditions d'écoulement laminaires peuvent conduire à des transformations en gelées en ces emplacements. L'évaporateur est constitué par les quatres unités 1, 2, 3, 4 qui sont reliées entre elles du côté des brouillards. Le brouillard des évaporateurs est évacué par la conduite commune 5. Les unités d'évaporateur sont respectivement pourvues d'un corps chauffant 6, 7, 8, 9 dans lequel sont montés les tuyaux de chauffage 10, 11, 12, 13. Le chauffage des unités d'évaporation se fait parallèlement à l'aide d'une conduite connectrice 14 et des conduites 15, 16, 17, 18. Le produit de condensation est évacué par les conduites 19, 20, 21, 22 et par la conduite collectrice 23. La vapeur pour le préchauffage direct et pour le préchauffage in termédiaire est amené aux préchauffeurs 32, 33, 34, 35 selon l'in- vention par la conduite collectrice 24 et par les conduites 25, 26, 27, 28 dans lesquelles sont montés les déflecteurs ou tuyères 28, 29, 30. Dans la figure 3, le préchauffeur 32 a été représenté, à titre d'exemple, à plus grande échelle. La température de la vapeur saturée du brouillard est, dans cet exemple, de 400 C, correspondant à une pression de 0,075 atmosphère, le produit à évaporer étant à une température de 300 C. Il est introduit de façon dosée dans le préchauffeur 32, par la conduite 36 jusqu'en dessous du point de raccordement de la conduite 25. De la vapeur de préchauffage est ajoutée par excès, par l'intermédiaire de la conduite 25, cette alimentation en vapeur étant limitée par le disque-déflecteur 28. La perte de charge dans les tuyaux de chauffage 10 est, par suite de l'écoulement et du déplacement du liquide à évaporer, de l'ordre de 0,5 m colonne d'eau.Pour une différence de hauteur de 1 m entre les raccords pour les conduites 37 et 38, on a une différence dé pression allant jusqu'd 1,5 i de colonne d'eau, en sorte que le produite à évaporer peut être préchauffé jusqu'à environ 550 C avant son entrée dans le tuyau de chauffage. A l'entrée dans le tuyau de chauffage 10, la température d'ébullition est de 500 C, en sorte que ledit produit pénètre dans le tuyau de chauffage 10 en se vaporisant. Le produit vaporisé ou évaporé et qui est déplacé vers le haut dans les tuyaux de chauffage, passe par la conduite 19 dans le préchauffeur 33 et y est chauffé de manière à être amené en se vaporisant dans les tuyaux de chauffage 11, en passant par la conduite 40. Le produit évaporé s'écoule de mEme manière que décrit ci-dessus par la conduite 41 dans le préchauffeur, par la conduite 42 dans l'unité 3 et, de là, par la conduite 43 dans le préchauffeur 33 pour passer par la conduite 44 dans l'évapora- teur 4. De l'unité 4, le produit évaporé est soutiré à la concentration voulue par la conduite 45. Dans la figure 4, on a représenté en vue en plan un préchauffeur pour la mise en oeuvre de l'invention. On y montre comment lesraccordstubulair 37 pour la vapeur et 38 pour le liquide à vaporiser sont raccordés, avantageusement, en position tangentielle à l'enveloppe 32 pour obtenir un écoulement tournant. REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer l'échange ou la transmission thermique dans des évaporateurs à circulation naturelle ou en circuit ouvert, caractérisé par le fait que le produit à évaporer est amené, avant son entrée dans le tuyau de chauffage de 1 'éva- porateur, à l'aide de vapeur directe à sa température d'ébullition, le chauffage à la température d'ébullition se faisant sous une pression hydrostatique supérieure à celle qui règne à lten- trée des tuyaux de chauffage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alimentation en vapeur directe se fait à l'extrémité inférieure d'un siphon réalisé sous la forme d'un tuyau double concentrique, relié à l'évaporateur et au séparateur qui lui fait suite. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'alimentation en vapeur directe s'opère au niveau du liquide se déplaçant vers le haut dans une section transversale annulaire du siphon réalisé sous la forme d'un tuyau double concentrique. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'on réalise un écoule ment tournant dans la section transversale annulaire du siphon réalisé sous la forme d'un tuyau double concentrique. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'on utilise comme vapeur directe un courant de vapeur partiel provenant du corps chauffant de 1'évaporateur.