Brevet FR2417739A1 — publié le 19790914

La présente invention se rapporte aux appareils d'échange de chaleur et, plus précisément, aux appareils rotatifs à film liquide. L'invention peut trouver une large application dans les industries chimique, pétrochimique, alimentaire et pharmaceutique, dans des appareils destinés au déroulement des réactions chimiques rapides exothermiques en phase liquide, ainsi que des processus de distillation, de concentration, de vaporisation sous vide des substances thermiquement instables et l'évaporation dans un courant d'air, ou de gaz inerte sous pression atmosphérique. La création des appareils film d'échange de chaleur et de masse de type rotatif s'explique par le fait que, dans ces appareils, sont assurées des conditions "douces" de l'échange de chaleur qui accompagne les réactions chimiques, ainsi que des processus de distillation, de vaporisation, de concentration et d'évaporation permettant d'éviter la décomposition et la polymérisation des produits à traiter, en particulier des produits thermiquement instables. Dans ces appareils, les processus se déroulent dans le film, il est assuré un bon brassage du liquide, la pression hydrostatique de la colonne de liquide est pratiquement nulle, ce qui permet de mener le traitement des produits sous vide, c'est-#-dite de réduire le température dans l'appareil.Par ailleurs, la durée de séjour du produit dans ces appareils, par rapport a d'autres types d'appareils, est courte (exprimée en secondes), ce qui permet de réduire au minimum l'effet thermique. Une singularité caractéristique des appareils rotatifs a film tient ce qu'ils associent un échange très efficace de chaleur et de masse et une durée réduite du séjour des produits dans l'appareil. En tant qu'appareils rotatifs indiqués sont utilisés les évaporateurs, les réacteurs, les vaporisateurs. En rapport avec cela ont été réalisés des évaporateurs film dans lesquels les films liquides, à la surface d'échange de chaleur de l'appareil, sont créés l'aide des pales d'un rotor rigidement fixées l'arbre de commande et disposées à une distance de I 2 mm du corps (brevets de la République Fédérale d'Allemagne no 1 029 642, 971 974 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2 596 086).Ces appareils possèdent une surface d'échange de chaleur limitée, vu la complexité de leur conception, de la technologie de fabrication, de l'assemblage et de l'exploitation å cause d'un espace réduit entre les parois du corps et les pales du rotor, ainsi qu'a cause d'un équilibrage dynamique indispensable du rotor, tenant compte des déformations thermiques du rotor et du corps de l'appareil. t'appa- reil est sensible envers les charges thermiques du liquide. Dans un évaporateur à film réalisé ultérieurement, dans lequel le film liquide est créé à la surface d'échange de chaleur de l'appareil par les pales d'un rotor articulées à l'arbre de commande et glissant sur la surface du corps de l'appareil, le problème, consistant à augmenter la surface d'échange de chaleur, n'est pas non plus résolu (brevets anglais n0 923 884 et 918 922). En outre, le contact direct des pales du rotor avec la surface d'échange de chaleur de l'appareil, part l'usure indésirable des pales et du corps, entrasse une pollution du produit. Les pales, frottant sur le corps, exigent un traitement minutieux de la surface du corps de l'appareil ainsi qu'une surface polie.Les pales du rotor doivent alors être fabriquées en matériaux résistant l'usure et possédant des propriétés antifriction élevées. Le problème d'augmentation de la surface d'échange de chaleur a été partiellement résolu par une conc#eption simple, plus récente, d'un appareil rotatif à film, comprenant un corps vertical ayant une surface d'échange de chaleur et installé dans une chemise, l'enceinte de laquelle communique avec l'amenée à l'appareil d'un caloporteur, et un arbre de rotor abrité dans l'appareil et portant des tambours creux à parois ondulées et pourvus d'orifices pour la sortie du liquide à la surface d'échange de chaleur (certificat d'auteur de l'Union des républiques socialistes soviétiques n0 233 921). Dans cet appareil à rotor, le film liquide à la surface d'échange de chaleur est créé sans dispositif de mélangeage.Le liquide, sous la force centrifuge, est réparti distance travers les orifices des tambours ondulés et à la surface d'échange de chaleur du corps de l'appareil. L'inconvénient majeur de cet appareil tient à une surface d'échange de chaleur limitée et une durée de séjour fixée des réactifs dans l'appareil et, en fin de compte, à une efficacité insuffisante de l'échange de chaleur et de masse. On s'est donc proposé de mettre au point un appareil rotatif film, dont la surface d'échange de chaleur est exécutée de manière qu'elle soit supérieure celle des appareils connus du même type. La solution du problème consiste dans un appareil rotatif à film liquide comprenant un corps vertical, abrité dans une chemise à l'inté- rieur de laquelle circule un caloporteur, ledit corps ayant une surface d'échange de chaleur, et un arbre de rotor, installé dans le corps et portant des tambours creux à parois ondulées, pourvues d'orifices, pour la sortie du liquide à la surface d'échange de chaleur qui, selon l'invention, est formée par des troncs de canes d'orientation opposée, reliés en série et assemblés par leurs bases réalisées.arrondies. Grace à une telle conception, on atteint une augmentation d'environ trois fois la surface d'échange de chaleur, sans augmenter le diamètre et la hauteur de l'appareil. En outre, l'obtention de la surface d'échange de chaleur par des cônes à angles d'inclinaison différents assure dans l'appareil un séjour du produit de durée différente et variable dans des limites assez larges. Il est préférable que les bases arrondies des cônes joints forment un demi-cercle en coupe axiale. Une telle réalisation des bases permet au liquide de s'écouler doucement de la surface du cane supérieur sur la surface du cane sous-jacent et, en outre, simplifie la fabrication du corps de l'appareil. Une autre particularité de l'invention consiste en ce que, dans l'appareil, sont placés des anneaux horizontaux embrassant le corps à lten- droit des jonctions des grandes bases des canes et pourvus chacun d'un orifice et dans le sens du déplacement du caloporteur, devant chaque orifice successivement décalé l'un par rapport à l'autre, est fixée une cloison verticale grace à laquelle la direction de l'écoulement de caloporteur dans l'enceinte de la chemise est réalisée en cercle progressivement de bas en haut. La mise en place des anneaux horizontaux, pourvus d'orifices et de cloisons verticales dans l'enceinte entre le corps et l'enveloppe, assure une bonne circulation du réfrigérant caloporteur et une augmentation du coefficient de transmission de chaleur. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris a la lecture de la description qui va suivre d'exemples préférés de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue générale de l'évaporateur à film selon l'invention, en coupe longitudinale; - la figure 2 représente la coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1; - la figure 3 est une vue générale d'une variante d'évaporateur suivant l'invention en coupe longitudinale; - la figure 4 représente la coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une vue générale d'un réacteur suivant l'invention en coupe longitudinale; - la figure 6 représente la coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 5;; - la ~figure 7 est une partie de la surface d'échange de chaleur, formée par les troncs de canes d'orientation opposée et assemblés oar leurs bases selon l'invention et en coupe longitudinale. On propose un appareil rotatif à film liquide comprenant un corps vertical 1 (figures 1 à 6) abrité dans une chemise 2 l'intérieur de l'enceinte 3 de laquelle circule (en pointille) un caloporteur. Le corps 1 a une surface d'échange de chaleur 4 où est installé un arbre 5 de rotor portant des tambours creux 6 à parois ondulées 7#pourvues d'orifices 8 pour la sortie du liquide à traiter à la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1. Les raccords 9 et 10 servent respectivement à l'amenée et à l'évacuation du caloporteur. Suivant l'invention, la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1 est formée par les troncs de caries 13 d'orientation opposée, reliés en série et assemblés par leurs bases ll (figure 7) et 12. Ces bases 11 et 12 des caries 13 sont exécutées arrondies et forment en coupe axiale un demicercle. Pour mettre en évidence tous les avantages techniques de l'invention et de larges possibilités technologiques de son application, on va faire une description détaillée de plusieurs appareils rotatifs à film, tels que : un évaporateur pour des processus de distillation, de concentration et de vaporisation de substances thermiquement instables sous vide, un vaporisateur pour l'évaporation dans un courant d'air ou de gaz inerte sous pression atmosphérique et un réacteur pour les réactions chimiques exothermiques-rapides en phase liquide. En qualité de caloporteur, on utilise, dans l'évaporateur et dans l'appareil de vaporisation, la vapeur chauffante et, dans le réacteur, un refrigerant, par exemple l'eau. On sait que les appareils de ce type, en fonction du rendement, peuvent être fabriqués à sections multiples. Dans ce cas, un collecteur annulaire 14 (figures 1, 3, 5) est envisagé entre les sections de l'appareil pour l'évacuation du liquide de la surface d'échange de chaleur 4 de la section supérieure. Sous le collecteur annulaire 14 sont situées des rigoles 15 pour le déversement du liquide sur le tambour 6 de la section sous-jacente. Dans l'évaporateur rotatif à film, représenté sur la figure 1, les tambours 6 sont fixés l'aide de bandages et de vis (non représentes sur la figure) sur des anneaux 16 (figure 2), 17 (figure 1) des moyeux respectifs 18, 19 rigidement fixés sur l'arbre 5. Le liquide traiter est amené sur les tambours 6 par un raccord 20. Pour répartir le liquide à traiter sur la surface intérieure des parois ondulées 21 (figure 2) des tambours 6, on utilise un anneau 16 ayant un bord 22 (figure 1) suivant son diamètre intérieur, a la face supérieure de chaque tambour 6. Au-dessus de l'anneau 16 est rigidement fixée sur le corps 1 une virole cylindrique 23 ayant une base dentée 24. A l'intérieVr de la virole 23, sur l'arbre 5 du rotor, est placé un godet 25 ayant à sa base des tubes 26 radialement disposés, servant à répartir le liquide d'admission sur la surface intérieure de la virole cylindrique 23. Sur les parois du godet 25 sont fixées des pales inclinées 27, ayant des arêtes 28 recourbées vers le haut, séparant le liquide à traiter du courant de vapeur.En face des arases 28, au-dessus et au-dessous des pales 27 sont fixés des anneaux respectifs 29 et 30. Entre les anneaux 29 et 30 sont verticalement établis des boucliers 31. Entre les tambours 6 se trouve un séparateur centrifuge 32 (figure 2) comportant des aubes 33 verticalement installées sur le contour pour l'évacuation du liquide séparé sur l'anneau 16 du tambour 6 sous-jacent. Les aubes 33 sont fixées par leurs bouts dans les moyeux 18 et 19 de chaque tambour 6 adjacent et ont une section latérale de forme curviligne. Les aubes 33 (figure 2) ont des aretes extérieures 34 recourbées au dedans. L'anneau 17 du moyeu inférieur 19 recouvre de son extrémite la cavité 35 de chaque tambour 6 par-dessous et l'anneau 16 du moyeu supérieur 18 la cavité 35 de chaque tambour 6 par-dessus et, de cette manière, l'entrée du courant de vapeur dans la cavité 35 des tambours 6 ne peut s'effectuer que par l'espace entre les aubes 33 du séparateur centrifuge 32 de chaque section. La cavité 35 du tambour inférieur 6 est séparée de la cavité annulaire, entre le tambour inférieur 6 et le corps 1, par un obturateur 36. L'obturateur 36 est formé par une virole cylindrique 37 fixée au corps 1 et dans la partie supérieure de laquelle se trouve l'anneau 38 bord 39 sur son diamètre intérieur, combiné avec un anneau inférieur 40 du tambour inférieur 6 ayant un bord 41 sur son diamètre extérieur. Le raccord 42 sert à la sortie du résidu de distillation, et les raccords 43 à l'évacuation de la vapeur secondaire du haut et du bas de l'appareil. L'évaporateur fonctionne de manière suivante. Le liquide à traiter arrive par le raccord 20 dans le godet 25. Quand le rotor est mis en marche, le liquide s'écoule en jets, à partir des tubes radiaux 26 du godet 25, sur la surface intérieure de la virole cylindrique 23, de laquelle il ruisselle régulièrement sous forme de film sur l'anneau 16 du tambour supérieur 6. Ensuite, sous la force centrifuge, le liquide est rejeté de l'anneau 16, sur la surface intérieure du tambour ondulé 6, et reparti sur les saillies des parois ondulées 21 en courants séparés verticaux s'écoulant librement par gravité jusqu'aux orifices 8 situés à hauteur différente du tambour 6.Les écoulements de liquide sont projetés à travers les orifices 8 sur la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1 où ils forment un film descendant, mis en turbulence continuellement par les jets du liquide, se déversant successivement de la surface des troncs de canes 13, suivant les bases arrondies 11 et 12, sur la surface des canes 13 sous-jacents. Une partie de ce liquide s'évapore de la surface d'échange de chaleur 4, tandis que le liquide non évaporé s'écoule dans le collecteur annulaire 14 d'où, par les rigoles 15, il se déverse sur l'anneau 16 du tambour 6 sous-jacent, et le cycle recommence. Le résidu de distillation (ou la solution concentrée) est évacué par le raccord 42, tandis que la vapeur formée lors de l'évaporation, en passant par les séparateurs centrifuges 32 et séparée par les pales 27, est évacuée de l'appareil par les raccords 43.Le liquide, séparé par les aubes 33 du séparateur centrifuge 32, s'accumule dans les plis verticaux des arêtes 34 des aubes 33 et s'écoule sur l'anneau 16 du tambour 6, et le liquide séparé par les pales 27 est rejeté sur la surface du corps 1 et dans l'espace (non représenté sur la figure), entre l'anneau 29 et le corps 1, et ruisselle sur la surface d'échange de chaleur 4 de ce corps 1. Dans le vaporisateur rotatif a film, représenté sur la figure 3, les tambours 6 sont fixés par leurs faces aux anneaux 44 des plateaux destinés à répartir le liquide sur la surface intérieure des parois ondulées 21 des tambours 6 et aux moyeux borgnes 45, rigidement placés sur l'arbre 5. Les tambours 6 sont fixés aux anneaux 44 des plateaux et aux moyeux borgnes 45 l'aide de bandages et de vis (non représentés sur la figure). Le plateau de répartition du liquide à vaporiser est installé sur la face supérieure de chaque tambour 6 et possède un creux, sous forme de capacité cylindrique 46 fixée sur l'arbre 5, les bords de laquelle représentent l'anneau concentrique 44 dont le diamètre intérieur est plus petit que le diamètre intérieur de la capacité cylindrique 46 (figure 4).Grâce a cela, la couche concentrique verticale de liquide, formée sous l'anneau 44, assure un déversement régulier du liquide par-dessus le bord intérieur de l'anneau concentrique 44 suivant son périmètre et une répartition ultérieure du liquide s'effectue sur la surface de l'anneau 44 sous forme de film qui est projeté sur la surface intérieure des parois ondulées 21 du tambour 6. Le raccord 47 sert à alimenter en liquide à vaporiser les tambours 6. Sur les tambours 6, en face des jonctions des grandes bases 11 des cônes 13, sont établis des anneaux horizontaux 48 assurant le contournement de toute la surface d'échange de chaleur 4, par la phase gazeuse (air ou gaz inerte) et la sé#paration du mélange gaz-vapeur.Sous le tambour inférieur 6 est placé un carie 49 (figure 3) dans le but d'une alimentation régulière en air d'un espace annulaire 50, entre la surface extérieure des tambours 6 et la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1. Sur l'arbre 5, au-dessus du tambour supérieur 6, est placée une douille 51 l'aide de laquelle sont fixées les pales inclinées 27 à aretes courbées 28 exécutées comme dans l'évaporateur pour séparer les gouttes de liquide du courant gaz-vapeur. En face des arêtes 28 au-dessus et au-dessous des pales 27, les anneaux 29 et 30 sont fixés. Entre les anneaux 29 et 30 sont verticalement placés les boucliers 31. Les raccords 52, 53 et 54 servent respectivement à évacuer la solution évaporée è l'amenée et à la sortie de l'air. Le vaporisateur rotatif à film fonctionne de la manière suivante. La solution soumise à la vaporisation arrive par le raccord 47 dans la capacité cylindrique 46. Après la-mise en marche du rotor, le liquide, par force centrifuge, monte le long des parois de la capacité 46 en formant une couche concentrique verticale de liquide sous l'annéau 44. En se déversant pardessus le bord intérieur de l'anneau concentrique 44 suivant son périmètre, le liquide se répand régulièrement sur la surface de l'anneau 44 sous forme de film et est ensuite lancé de son arête extérieure sur la surface intérieure des parois ondulées 21 du tambour 6 où il se répartit sur les saillies des parois ondulées 21 en écoulements verticaux séparés et ruisselant librement par gravité jusqu'aux orifices 8 situés à hauteur différente du tambour 6. Les écoulements de liquide à travers les orifices 8 sont projetés sur la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1 où ils forment un film descendant, mis en turbulence continue par les jets de liquide déversés successivement de la surface des troncs de caries 13, sur les bases arrondies ll et 12 et sur la surface des caries sous-jacents 13. Une partie de ce liquide est vaporisée sur la surface d'échange de chaleur 4, et le liquide non vaporisé s'écoule dans le collecteur annulaire 14 d'où, par les rigoles 15, il se déverse sur l'anneau 44 du tambour sous-jacent 6 et le cycle recommence.La solution évaporée est évacuée par un raccord 52 et le courant d'air, amené par un raccord 53, contourne les anneaux horizontaux 48 en contactant toute la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1, se déplace vers le haut et, après les pales 37 du séparateur, est évacué de l'appareil par un raccord 54. Dans le réacteur rotatif å film représenté sur la figure 5, des raccords 55 et 56 servent à amener, sur les tambours 6, divers réactifs. Sur la face supérieure de chaque tambour 6 est fixé un anneau 57 pour répartir l'un des réactifs admis au moyen du raccord 55 sur la surface intérieure des parois ondulées 21 du tambour 6. L'anneau 57 a des rebords 58 (figure 6) sur sa périphérie, avec des entailles verticales 59. Sur le diamètre intérieur de l'anneau 57 est incorporé un carie tronqué 60 servant de rebord intérieur. La partie inférieure du cône tronqué 60 se situe au-dessous de l'anneau 57. Sous l'anneau 57 est placé un plateau pour répartir l'autre réactif admis par le raccord 56 sur la surface intérieure des parois ondulées 21 du tambour 6. Le plateau, placé sur la face supérieure de chaque tambour 6 sous l'anneau 57, possède un creux représentant la capacité cylindrique 46, fixée sur l'arbre 5, les bords de laquelle ont la forme de l'anneau concentrique 44 dont le diamètre intérieur est plus faible que le diamètre intérieur de la capacité cylindrique 46. Il en résulte que la couche verticale concentrique de liquide se formant sous l'anneau 44 assure un déversement régulier du liquide pardessus le bord intérieur de l'anneau concentrique 44 suivant son périmètre et une répartition ultérieure sur la surface de l'anneau 44 sous forme de film qui est rejeté sur la surface intérieure des parois ondulées 21 des tambours 6. L'anneau 44 a, sur sa périphérie, un rebord 61 à entailles verticales 62 disposées en quinconce par rapport aux entailles 59. Les tambours 6 sont fixés par leurs faces sur les anneaux 44 des plateaux et sur les anneaux 63 (figure 5) des moyeux 19 rigidement montés sur l'arbre 5. Les tambours 6 se fixent aux anneaux 44 des plateaux et aux anneaux 63 des moyeux 19 par des bandages et des vis (non représentés sur la figure). Dans ce cas, entre les sections de l'appareil, pour la dérivation du liquide de la surface d'échange de chaleur 4 de la section surplombante, le collecteur annulaire 14 est prévu. Sous chaque collecteur 14 est disposée la rigole 15 pour le déversement et l'amenée du réactif sur le tambour 6 sous-jacent. La rigole 64 sert à l'admission de l'autre réactif. Le raccord 65 sert à l'évacuation du produit fini du réacteur. Sùivant l'invention, dans la cavité 3 de la chemise 2 sont installés les anneaux horizontaux 66 embrassant le corps 1 A l'endroit de la jonction des grandes bases 11 des caries 13. Chaque anneau 66 est pourvu d'un orifice 67 (figure 6), les orifices 67 des anneaux adjacents 66 sont alors décalés l'un par rapport 3 l'autre. Dans la cavité 3, dans le sens de la circulation du réfrigérant (caloporteur) et devant chaque orifice 67 est installée une cloison verticale 68. La surface intérieure de la chemise 2, l'anneau 66 et la surface d'échange de chaleur extérieure 4 du corps 1 forment une cavité annulaire séparée 69 (figure 5) qui sert à diriger (selon les pointillés) le courant de caloporteur en mouvement circulaire et graduel de la cavité inférieure vers la cavité supérieure adjacente. le réacteur rotatif à film fonctionne de manière suivante. On amene les réactifs séparément par raccords 55 et 56 dans le tambour 6. Par le raccord 55, sur l'anneau rotatif 57, on admet l'un des réactifs qui est réparti sur sa surface sous forme de film et, a travers les entailles 59 dans le rebord 58, est projeté sur la surface intérieure des parois ondulées 21 du tambour 6 où il se répartit sur les saillies des parois ondulées 21 en écoulements verticaux séparés. Par le raccord 56, on amène dans la capacité cylindrique 46 un autre réactif. Sous la force centrifuge, le liquide monte le long des parois de la capacité 46 en formant une couche concentrique verticale de liquide sous l'anneau 44. En se déversant pardessus le bord intérieur de l'anneau concentrique 44 selon son périmètre, il se répand uniformément sur sa surface sous forme de film et est ensuite lancé de son arbre extérieure, a travers les entailles 62 du rebord 61, sur la surface intérieure des parois ondulées 21 du tambour 6 où il se répartit sur les saillies des parois ondulées 21 adjacentes aux parois ondulées Z1 destinées au premier réactif. Les écoulements du premier et du second réactif ruissellent par gravité jusqu'aux orifices 8, sans se mélanger, et sont ensuite projetés sur la surface d'échange de chaleur 4. Ainsi, le mélangeage des réactifs est directement réalisé sur la surface d'échange de chaleur 4, ce qui permet d'exclure une probabilité même minime de surchauffage dans le cas de réactions exothermiques. Sur la surface d'échange de chaleur, les écoulements des réactifs forment un film descendant, mis en turbulence permanente par les jets de liquide, ruisselant successivement de la surface des troncs de caries 13, par les bases arrondies 11, 12, sur la surface des cônes sous-jacents 13. Le liquide, ayant passé la première section, s'accumule dans le collecteur annulaire 14 d'où, par les rigoles 15, il arrive sur l'anneau 57 du tambour 6 sous-jacent et, comme dans la première section, il est a nouveau réparti sur la surface d'échange de chaleur 4 du corps 1. Dans la deuxième section, comme dans toutes les sections suivantes, une admission supplémentaire est prévue de l'un des réactifs par la rigole 64. Le produit de réaction est évacué de l'appareil par le raccord 65. REVENDICATIONS 1 - Appareil rotatif à film d'échanges de chaleur et de masse comprenant un corps vertical, installé dans une chemise délimitant une cavité pour la circulation du caloporteur et possédant une surface d'échange de chaleur et un arbre de rotor, abrité dans le corps et portant des tambours creux parois ondulées pourvues d'orifices pour la sortie du liquide traité sur la surface d'échange de chaleur du corps, cet appareil étant caractérisé en ce que la surface d'échange du corps est formée par des troncs de canes, d'orientation opposée, reliés en série et assemblés par leurs bases qui sont exécutées arrondies. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bases des caries joints forment un demi-cercle en coupe axiale. 3 - Appareil rotatif å film, caractérisé en ce qu'il comprend des anneaux horizontaux, entourant le corps b l'endroit de la jonction des grandes bases des caries, avec un orifice pratiqué dans chacun de ces anneaux et en direction du mouvement du caloporteur, devant chaque orifice, successivement décalés l'un par rapport å l'autre, étant fixée une cloison verticale gr8ce å laquelle le sens du courant de caloporteur dans la cavité de la chemise est réalisé en circuit graduellement du bas vers le haut.