Brevet FR2419094A1 — publié le 19791005

La présente invention concerne un type perfectionné d'éva- porateur à couche ou "film" mince. Ce type d'évaporateur est connu, et est utilisé pour différents procédés d'évaporation et/ou la distillation, et en général, pour les réactions en phase liquide. On a en effet développé dans les dernières années la technique des évaporateurs à couche ("film") mince. Ces évaporateurs ont d'ailleurs l'avantage de permettre d'opérer à des températures de travail relativement basses et avec une potentialité très élevée. Cela permet en particulier de ne pas altérer les caractéristiques physiques et chimiques des produits à obtenir. Les évaporateurs à film sont essentiellement formés par un long cylindre vertical, ordinairement en acier inoxydable, chemisé et à plusieurs sections, à l'intérieur duquel tourne à une vitesse très élevée un rotor à plusieurs lobes. Le produit à traiter est introduit en correspondance des trois-quarts environ de la hauteur de l'appareil et est distribué sous la forme d'une couche ou film mince par le rotor, sur la paroi intérieure de l'évaporateur. La dite paroi est maintenue à la température désirée au moyen de vapeur ou autre fluide approprié, circulant dans une chemise extérieure. On peut faire fonctionner l'évaporateur à pression ou sous vide, selon le type du liquide ou de mélange liquide traité, ou selon les conditions de fonctionnement générales choisies pour l'installation dans laquelle l'évaporateur est éventuellement inséré. Malgré d'indubitables avantages, les types connus d'évaporateurs à couche mince ne sont pas, toutefois, dépourvus d'incon- vénients. En premier lieu le système de commande de l'arbre du rotor formé par un système à courroies trapézordales et poulies calées respectivement, sur l'arbre d'un moteur électrique et sur celui du rotor, produit, à cause de la tension des courroies, un moment fléchissant lequel provoque une flexion de l'arbre du rotor et une sollicitation notable des paliers sur lesquels il est supporté. En outre, la flexion de l'arbre du rotor peut provoquer le frottement du dit arbre contre les parois intérieures de l'éva- porateur, ceci portant un grave préjudice à la stabilité de la machine. Un autre inconvénient est dû aux types d'éléments supports ordinairement employés pour le rotor. En effet, généralement, les évaporateurs à couche ou film sont pourvus d'un palier à rouleaux a tonneau, agissant comme l'élément support supérieur pour le rotor, et d'un palier support en graphite, en correspondance de la partie inférieure. Particulièrement dans les types d'évaporateurs de dimension importante, où le rotor atteint une longueur d'une dizaine de mètres, la distance notable entre les éléments supports crée des problèmes délicats. En effet, le rotor est réalisé en tôle soudée qni, au contact du liquide froid et des vapeurs chaudes, subit des déformations qui provoquent un éloignement du dit rotor de l'axe longitudinal idéal et le dit rotor prenant des positions désalignées. Alors que le palier supérieur est oscillant et s'adapte bien à ces désalignements, l'élément support inférieur en graphite, étant rigide, peut être facilement endommagé, et partant il nécessite des substitutions fréquentes. Les ruptures du palier inférieur peuvent aussi être provoquées par des masses d'incrustations sur le rotor, qui provoquent le déséquilibrage du dit rotor. Pour remplacer le palier il est normalement nécessaire de déplacer les conduits d'entrée et de sortie de moyen de réchauffement du fond de l'évaporateur, déplacer les conduits de déchargement du produit concentré (hautbouillants) déplacer le fond de l'évaporateur et, finalelent, remplacer le bloc du palier. Cela naturellement est une opération plutôt compliquée qui demande un temps prolongé d'arrêt de la machine. Ainsi les systèmes connus pour l'alimentation des liquides à traiter présentent des inconvénients notables. La tendance à l'accroissement de la productivité et du rendement des évaporateurs a rendu indispensable l'emploi de l'alimentation à voile, obtenue au moyen d'une goulotte unique, disposée tangentiellement par rapport à la surface intérieure de l'évaporateur, Il est ci-dessous examiné les conséquences de ce système d'alimentation dans les cas les plus communs. Lorsque le produit à traiter a une viscosité élevée, l'ali- mentation par une goulotte unique provoque un engorgement local du produit dans l'intérieur de l'évaporateur et, en particulier, en correspondance de la bouche d'entrée, La bague de distribution du liquide, disposée sur le rotor plutôt que de faciliter la descente du produit le long des parois chaudes de 11 évaporateur, empêche ltécoulement du dit produit, en provoquant des pertes de charge importantes, lesquelles sont localisées et presque généralement se vérifie par le fait qu'une partie du produit monte vers la bouche de sortie des vapeurs. Dans le cas où, dans les évaporateurs à couche ou-film le remuement ou évaporation d'un petit pourcentage quantitatif de produits.bas-bouillants est nécessaire pour limiter les dimensions des appareils, on employe des débits d'alimentation importants. Dans ce cas, avec les systèmes d'alimentation connus, seulement une partie du produit à traiter peut descendre vers le fond de l'évaporateur, tandis que la partie restante monte vers le haut de l'évaporateur et se décharge à travers la bouche de sortie des vapeurs. Un type d'inconvénient différent se vérifie dans le cas de l'alimentation des produits solides mélangés avec des solvants à basse chaleur d'évaporation, Dans ce cas, les systèmes d'alimentation connus, produisent de tels inconvénients qui fréquemment empêchent l'emploi des évaporateurs à couche ou film mince. En effet, lorsque le produit est introduit dans l'évaporateur, particulièrement si l'évaporateur est sous vide, une évaporation violente du solvant (évaporation à flash) se manifeste qui, en absorbant une grande quantité de chaleur au produit alimenté, provoque la solidification du dit produit, au contact de la surface de l'évaporateur. Ceci entraine le blocage de l'appareil, en raison de la présence d'incrustations sur les parois de l'évaporateur. Un autre inconvénient se manifeste dans le traitement des liquides ayant tendance à former des mousses, pendant l'évaporation, en particulier si l'évaporation est réalisée sous vide. Dans ce cas, tout ltévaporateur a tendance à se remplir de mousse et empêche le liquide entrant de descendre du haut vers le bas. Au contraire le liquide est entrainé par la mousse vers la bouche de sortie des vapeurs, en provoquant une obstruction complete de l'appareil. Un inconvénient ultérieur se vérifie lorsque l'on employe des rotors à palettes dans le traitement des produits ayant une viscosité élevée- ou des produits avec des parties solides en suspension. Ces rotors sont ordinairement formés par un arbre cylindrique pourvu d'une série de bras radiaux, sur lesquels sont articulées les palettes. L'emploi des rotors à palettes est nécessaire pour pouvoir remuer les parties visqueuses ou solides, qui adhérent aux parois chaudes de l'évaporateur. Des portions du produit remuées par les palettes du rotor le long des parois chaudes- tombent sur le fond de ltévaporateur sans avoir subi des échanges thermiques successifs. Cet inconvénient provoque la présence, dans le produit concentré, de quantités de bas#-bouillants, non intéressées par le procédé d'évaporation. Partant le but principal de la présente invention est de réaliser un type perfectionné d'évaporateur à couche ou film, ayant des caractéristiques structurales apte à permettre d > eli- miner les inconvénients ci-dessus mentionnés. Ce but est obtenu par l'évaporateur à couche ou film, selon la présente invention, lequel comprend en combinaison les caractéristiques suivantes a) le système de commande du mouvement du rotor est formé par un arbre de transmission, supporté par une couple de paliers, une extrémité du dit arbre étant reliée au dit rotor, tandis que ltautre extrémité est reliée, au moyen d'une transmission adequat à un moteur électrique apte a fournir le mouvement du dit rotor, b) le sytème d'alimentation de la phase liquide, qui doit être traitée dans l'intérieur de l'évaporateur, est formé par une fente circonférentielle continue prévue dans la paroi intérieure- de l'évaporateur, et la dite fente est alimentée par une pluralité des conduits, se branchant par une bouche d'entrée de la dite phase liquide, c) la bouche de sortie des vapeurs de l'évaporateur est disposée à proximité de l'extrémité inférieure du dit évaporateur, d) le palier du fond apte à supporter le rotor du dit éva- porateur, est logé dans un joint à rotule, e) la bouche de sortie du produit haut-bouillant du fond de l'évaporateur est disposée en correspondance d'une position latérale par rapport à l'axe du dit palier, de manière que le dit palier et ses moyens supports soient directement accessibles de l'extérieur. f) le rotor est formé par un corps central support, ayant une section à lobes, sur la périphérie extérieure de laquelle est fixée une pluralité de palettes distancées entre elles le long de ltaxe du rotor à l'aide de bagues aptes à les supporter au moyen de connexions à charnière. D'autres caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description suivante en se référant aux dessins annexés dans lesquels Fig. 1 est une coupe longitudinale de l'évaporateur1 Fig. 2 représente une coupe de détail du système de commande du mouvement du rotor, Fig. 3A représente une coupe en plan et Fig. 3B représente une coupe- axiale du système d'alimentation de la phase liquide dans l'intérieur de l'évaporateur, Fig. 4 représente une coupe de la bouche de sortie des vapeurs, Fig. 5 représente une coupe du fond de l'évaporateur, avec le palier support du rotor et la bouche de sortie des produits haut-bouillants1 Fig. 6A représente une vue latérale et Fig. 6B représente une coupe transversale du rotor à palettes. Dans la Fig. l on a indiqué par les lettres A, B, C et D les parties de ltévaporateur représentées en détail dans les Fig. 2, 3, 4 et 5 respectivement. Dans la Fig. 2 on a indiqué respectivement - par 1 le moteur électrique, prévu pour assurer le mouvement du rotor, - par 2 une poulie calée ou reliée sur l'arbre du moteur 1, - par 3 un ensemble des courroies trapézoidales, lesquelles re lient la poulie 2 à une seconde poulie indiquée par 4, - par 5 un arbre de transmission, sur lequel est calée la poulie 4, - par 6 une couple de paliers supports de l'arbre 5, - par 7 l'arbre du rotor, logé dans l'évaporateur, - par 8 un joint élastique, coaxial avec les arbres 5 et 7, le quel relie entre eux cinématiquement les dits arbres, - par 9 le corps du rotor, - par 10 le couvercle et par 21 le corps de l'évaporateur. Comme il est représenté dans la Fig. 2, toutes les poussées générées par la transmission à courroies sont absorbées par le système formé par l'arbre 5 et les paliers 6. partant l'arbre 7 n'est pas soumis à aucun moment fléchissant, généré par le système à courroies. Le joint élastique 8, outre à transmettre le mouvement de 1'arbre 5 à l'arbre 7, a aussi des fonctions de sécurité à Ire, gard de possibles surcharges. En effet, dans le cas où le rotor 9 est soumis, pendant son mouvement, à un effort anormal, les parties faibles du joint 8 se rompent, de manière a interrompre l'effort d'entrai- nement. Sur les Fig. 3A et 3B on a indiqué respectivement - par li la bouche d'entrée de la phase liquide qui doit être traitée dans l'évaporateur, - par 12 deux branches de distribution, lesquelles en embrassant la circonférence extérieure de ltévaporateur recueillent et acheminent la phase liquide provenant de la bouche Il, - par 13 quatre branches de distribution, se branchant sur les deux branches principales 12, - par 14 une chambre de distribution, alimentée par les conduits 13, laquelle se développe le long de toute la circonférence de l'évaporateur et communique avec l'intérieur du dit évapo#-# rateur à travers la fente circonferentielle continue référen- cée 17, - par 15 et 16 deux éléments à bride et contre-bride lesquels, étant distancés entre eux d'une manière convenable détermi nent la fente 17 et la chambre de distribution 14, - par 18 et 19 les tetes de la bride et contre-bride - par 20 l'ensemble d'écrou et boulon, qui serre les dites têtes 18 et 19, - par 22 une partie du corps de l'évaporateur, - par 23 un espace à chemise, prévu pour permettre la circula tion d'un fluide de réchauffement apte (par exemple vapeur) au contact avec les parois de l'évaporateur. Comme il est évident sur la Fig. 3, le fluide provenant de la bouche 11 alimente les conduits 12 et 13 sans mouvement turbulent, sans parcours préférentiels et avec des pertes de charge réduites, parfaitement balancées en correspondance de tous les points du parcours. Ceci permet d'avoirs dans la chambre de distribution, une pression d'entrée égale sur tous les points de la fente circonférentielle 17 et partant d'avoir un mouvement laminaire de descente du produit dans l'évaporateur. Particulièrement dans le cas des fluides ayant une haute viscosité, on obtient une distribution homogène à voile, sur toute la surface intérieure de l'e- vaporateur. Les palettes du rotor ne peuvent pas interférer à coupement sur le produit et, partant, on a une absence absolue de vibrations de la machine, mais les dites palettes du rotor transforment doucement le mouvement de descente verticale du produit en mouvement de descente à spirale. Naturellement est absent l'inconvénient d'entraînement du produit vers le haut contrairement à ce qui se produit dans les systèmes connus. Le mouvement laminaire du fluide alimenté se maintient aussi avec vitesses d'alimentation élevées, de manière à faciliter la descente du dit fluide vers les parties inférieures de l'évaporateur. Les avantages du système d'alimentation représenté dans les Fig. 3 se vérifient égalément dans le cas de l'alimentation des produits solides, mélangés avec solvants à chaleur d'évaporation réduite, particulièrement dans le cas des traitements sous-vide. Avec le système d'alimentation annulaire, le produit vient en contact avec le vide, dans une zone qui embrasse toute la circonférence de l'évaporateur. Le liquide en correspondance de l'entrée est distribué sur une grande surface chaude et ceci permet de rendre au dit liquide la chaleur soustraite par l'évaporation et partant de maintenir tout, le fluide dans l'état liquide, en empêchant des solidifications et incrustations. Dans la Fig. 4 on a indiqué - par 24 la bouche de sortie des vapeurs disposée à proximité de l'extrémité inférieure de l'évaporateur, - par 25 la bouche de sortie des produits haut-bouillants, pré vus sur le fond de l'évaporateur, - par 26 la bouche d'alimentation d'un moyen de réchauffement approprié (par exemple vapeur) qui circule dans une chemise extérieure indiquée par 27. La disposition de la bouche de sortie des vapeurs à proximité du fond de l'évaporateur et non à proximité de la tête, comme dans les types d'évaporateur connus, permet de traiter des produits ayant tendance à former des mousses. En effet, en correspondance de l'entrée sous vide de l'évaporateur, les produits, même formant une mousse, sont poussés vers le bas par le vide, avec le produit en cours de concentration. Au fur et à mesure que le produit se concentre, les mousses sont réabsorbées et de la bouche de sortie 24 sort seulement la vapeur du produit bas-bouillant, tandis que le produit hant- bouillant sort de la bouche 25. De cette manière on évite les inconvénients de la technique connue et on a un fonctionnement régulier de l'installation. La bouche de sortie 24 peut être disposée soit avec l'axe perpendiculaire à la surface de l'évaporateur, soit avec l'axe tangentiel à la dite surface. Dans la Fig. 5 on a indiqué - par 28 l'élément support sphérique, dans lequel est logé le palier 29, - par 30 l'arbre du rotor de ltévaporateur, - par 31 le bloc d'ancrage du dit élément support sphérique 28 et du palier 29, - Par 32 le couvercle du bloc 31, - par 25 la bouche de sortie des produits haut-bouillants. Grâce à l'adoption de l'élément support sphérique, le dit élément support, même dans les conditions d'un désalignement élevé de l'axe du dit arbre 30, s'aligne toujours avec le dit axe. Le palier 29, partant, travaille toujours d'une manière convenable et sa substitution devient nécessaire seulement après une longue période de temps d'usure normale Le palier 29 peut être en graphite ou a aiguilles, ou d'un quelconque type convenable. La durée moyenne d'un palier en graphite est de quatre mille heures environ, celle d'un palier à aiguilles au contraire, est au-dessus des dix huit mille heures. Le choix du palier dépend naturellement du type de produit traité dans l'évaporateur. La Fig. 5 montre comment la bouche de sortie 25 du produit haut-bouillant du fond de l'évaporateur est disposée en correspondance d'une position latérale, par rapport à l'axe -du palier 29 et de l'arbre 30 du rotor. Cela facilite l'entretien et la substitution du dit palier. En effet, le dit palier peut être atteint d'une manière facile en enlevant le couvercle 32, sans que soit nécessaire, comme dans les types d'évaporateurs connus, de démonter les conduits de sortie du produit et de remuer le fond de l'évaporateur. La structure représentée de ltélément support du fond de l'évaporateur permet également une lubrification facile du palier, en insérant au fond du bloc d'ancrage un moyen lubrifiant approprié, naturellement compatible avec les fluides traités dans l'évaporateur. Sur les Fig. 6A et 6B on a indiqué - par 33 le corps central du rotor, ayant une section à lobes, - par 34 à 45 les palettes phériphériques visibles sur le dessin associées au dit rotor, - par 46 à 51 les bagues qui entourent le corps 1 du rotor, et sur lesquelles sont articulées les palettes telles que 34 à 85. Lorsque le rotor tourne, les palettes, par suite de la force centrifuge, sont poussées contre les parois intérieures de l'évaporateur et, en raclant les dites parois, elles étalent le produit à traiter contre les dites parois, de manière à assurer un échange thermique plus efficace. Le produit ou les incrustations, qui en même temps sont enlevées des parois, sont reçues par les lobes, qui forment le corps central du rotor et les dits lobes sont repoussés sur les parois chaudes de l'évaporateur. De cette manière, des portions même très petites du produit peuvent tomber sur le fond de l'évaporateur après un ou plusieurs contacts avec la paroi chaude de l'évaporateur et après un procédé d'évaporation des produits bas-bouillants. L'application de la couronne à lobes dans les rotors à palettes permet, en outre, de donner une stabilité mécanique plus grande à l'évaporateur de manière à éviter les phénomènes de la flexion du rotor, L'équilibrage, aussi bien statique que dynamique, est très simple et permet le fonctionnement à vitesses de rotation très élevées, avec un accroissement de la turbulence du produit et un grand accroissement du coefficient d'échange thermique, Dans la réalisation pratique de l'invention on peut employer une quelconque combinaison désirée de toutes ou partie des caractéristiques structurales ci-dessus, décrites, selon les buts et les avantages que l'on désire obtenir. Les dimensions et les matéraiux de construction peuvent être d'un quelconque type approprié en fonction des emplois pour lesquels l'évaporateur est prévu. REVENDICATIONS 1. Evaporateur à couche ou "film" mince, formé par un corps tubulaire, dans lequel tourne un rotor ayant le même axe que le corps tubulaire, ce dernier étant pourvu de moyens d'alimentation et de déchargement des produits et étant associé à un moteur apte à assurer le mouvement du rotor, le dit évaporateur étant caractérisé par la combinaison a) d'un dispositif de commande du mouvement du rotor comportant un arbre de transmission, supporté par une couple de paliers, une extrémité du dit arbre étant reliée au dit rotor, tandis que l'autre extrémité est reliée, au moyen d'une transmission appropriée à un moteur électrique apte à fournir le mouvement du dit rotor, b) d'un dispositif d'alimentation de la phase liquide, qui doit être traitée dans l'intérieur de l'évaporateur, formé par une fente circonférentielle continue, prévue dans la paroi inte- rieure de l'évaporateur, et la dite fente étant alimentée par une pluralité de conduits se branchant par une bouche d'entrée de la dite phase liquide, c) d'une bouche de sortie des vapeurs de l'évaporateur disposée à proximité de l'extrémité inférieure du dit évaporateur, d) d'un palier du fond, apte à supporter le rotor du dit évaporateur, logé dans un joint à rotule, e) d'une bouche de sortie du produit haut-bouillant du fond de ltévaporateur disposée en correspondance d'une position laté rale par rapport a l'axe du dit palier, de manière à rendre le dit palier et ses moyens supports directement accessibles de l'ex- térieur, f) d'un rotor formé par un corps central support, ayant une section à lobes, sur la périphérie extérieure de laquelle sont fixées, distancées entre elles le long de l'axe du rotor, des bagues aptes à supporter, au moyen de connexions à charnière, une pluralité de palettes. 2. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion entre le dit arbre de transmission et le dit rotor est réalisée au moyen d'un joint élastique. 3. Evaporateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la dite fente circonférentielle est formée ou définie par une couple comprenant une bride et une contrebride, distancées entre elles d'une manière appropriée et qui re lient deux segments différents du dit corps tubulaire. 4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dite couple bride-contre-bride définit, en outre, une chambre de distribution du fluide se développant le long de toute la circonférence de l'évaporateur, laquelle communique avec l'intérieur du dit évaporateur, au moyen de la dite fente circonférentielle. 5. Evaporateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dite chambre de distribution est alimentée par une pluralité des conduits, disposés symétriquement par rapport à ltaxe vertical du dit évaporateur. 6. Evaporateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les dits conduits débouchent dans deux branches de dis tribu- tion lesquelles, en entourant la circonférence extérieure du dit évaporateur, recueillent et acheminent la phase liquide, qui vient d'une bouche singulière d'alimentation de produits a in- troduire dans le dit évaporateur. 7. Evaporateur selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le dit palier du fond et le joint à rotule dans lequel le dit palier est logé sont solidaires d'un bloc d'ancrage pourvu de moyens aptes a permettre l'alimentation d'un lubrifiant approprié.