Brevet FR2459951A1 — publié le 19810116

L'invention concerne le séchage par atomisation. Elle a pour objet un procédé de séchage par atomisation avec récupération d'énergie, ainsi qu'une installation convenant à la mise en oeuvre de ce procédé. De nombreuses industries utilisent des installations de séchage par atomisation, pour la production de produits secs pulvérulents, qui peuvent dtre en particulier des produits alimentaires ou des médicaments. Le produit y est admis dans une tour d'atomisation sous forme d'un liquide concentré qui est pulvérisé dans un courant de gaz chaud, généralement de l'air qui passe ensuite à travers un ou plusieurs cyclones où la poudre sèche est séparee de la vapeur. Dans les installations usuelles, on evacue ainsi vers I'extérieur de l'air chaud chargé de vapeur, et il est certain qu'il y a tout intérêt à récupérer les calories disponibles dans cet air usé, avant de l'évacuer, pour préchauffer l'air à l'entrée de la tour d'atomisation. L'invention vise principalement à permettre cette récu pération dans des conditions optimales, par des moyens faciles à mettre en oeuvre et s'adaptant aisément sur toute installation existante. Le procédé de séchage par atomisation selon l'invention consiste essentiellement à pulvériser une solution concentrée de produit dans un courant d'air chauffé, à séparer le produit pulvérulent sec de l'air humide, à faire circuler cet air chaud humide en descendant à travers un échangeur tubulaire vertical à travers lequel circule par ailleurs, en circulation ascendante l'air d'alimentation avant chauffage, l'rechange étant suffisant pour provoquer la condensation de l'eau présente dans l'air humide, à recueillir l'eau ainsi condensée séparément de l'air usé qui est évacué. Conformément à l'invention, une installation conçue pour la mise en oeuvre de ce procédé de séchage par atomisation comprend une tour d'atomisation comportant des moyens de pulvérisation d'une solution concentrée de produit dans un courant d'air chaud, des moyens tels qutau moins un cyclone, pour séparer le produit sec pulvérulent de l'air humide, un échangeur tubulaire vertical où l'air humide, en circulation descendante, cède sa chaleur à l'air d'alimentation de la tour d'atomisation en circulation ascendante, jusqu a condensation de la vapeur d'eau qutil contient, un collecteur séparateur de l'eau condensée dans ltéchangeur, formé en partie basse de l'échangeur, et des moyens d'évacuation séparés pour 11 eau condensée et l'air usé ainsi séché. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'installation peut en outre comporter avantageusement - des moyens pour recycler de l'eau prélevée dudit collecteur en partie basse de ltechangeur vers le sommet de ltéchangeur, et l'injecter dans le circuit d'air chaud humide, - des moyens de prélèvement d'air ambiant au voisinage du sommet de ltéchangeur pour l'introduire en partie basse de celui-ci dans le circuit d'air d'alimentation de la tour d'atomisation, - un circuit d'air de conditionnement comportant des moyens de prélèvement d'air ambiant, des moyens de refroidlssemetde cet air, utilisé ensuite pour entraîner le produit sec sépare de l'air chaud humide, et des moyens pour renvoyer l'air de conditionnement, à travers des filtres de retenue des f i ne s éventuellement entratnes, dans le circuit d'air d'alimentation de la tour d'atomisation, à l'entrez de ltéchangeur, - des moyens pour admettre de lteau prélevée dudit collecteur, en tant quteau de lavage au sommet d'une cheminée verticale d'évacuation de l'air usée. L'invention sera maintenant décrite plus en détails dans le cadre d'un mode de réalisation particulier, nullement limitatif, correspondant à l'installation représentée dans son principe par le schéma de la figure 1 annexée, la figure 2 montrant schématiquement une coupe partielle de détail selon II-II de la figure 1. L'installation sera décrite dans ses différents constituants en même temps que dans son fonctionnement. Elle comporte pour partie des éléments usuels dans toute installation de séchage par atomisation. Ainsi le produit à sécher est introduit sous forme de solution aqueuse concentrée au sommet d'une tour d'atomisation 1 dans laquelle il est pulvérisé. Un courant d'air chaud est également admis au sommet de cette tour, en provenance d'une gaine d'alimentation 2 à travers un échangeur 3 qui permet de porter l'air à une température pouvant varier de 140 à 2000 C, par exemple, suivant les produits à sécher. Au contact de l'air, chaud, liteau contenue dans le produit à sécher est évaporée. Le produit pulvérulent sec tombe au fond de la tour, d'où il est extrait par l'intermédiaire d'un obturateur rotatif 4, alors que l'air humide, chargé de vapeur d'eau provenant de la solution d'alimentation et de fines, est conduit dans un cyclone 5.Celui-ci complète la séparation entre le produit sec pulvérulent et l'air humide. Les fines tombent au fond du cyclone, d'où elles sont extraites par l'intermédiaire d'un obturateur rotatif 6, tandis que l'air humide est extrait au sommet du cyclone. Un ventilateur 7 assure à ce niveau la circulation de l'air chaud depuis la gaine d'alimentation 2. L'air extrait par le ventilateur 7 est de l'air humide, très légèrement chargé de fines particules de produit. Sa température peut, en général, varier de 70 à 1100 C suivant la température régnante à l'intérieur de la tour d'atomisation et suivant la quantité d'eau évaporée. Plutdt que d'évacuer la chaleur ainsi disponible à l'atmosphère, elle sera récupérée comme il sera décrit plus loin. Le produit pulvérulent sec et chaud recueilli en fond de la tour 1 et du cyclone 5 est entraîne en même temps qu'il est refroidi par de l'air de conditionnement prélevé à I'atmosphère par la gaine 5 et refroidi par un échangeur 9. L'air de conditionnement véhicule le produit jusqu'à un cyclone final 11 qui assure la séparation entre le produit sec, lequel est soutiré au fond du cyclone par l'intermédiaire d'un obturateur rotatif, et l'air de conditionnement qui s'est échauffé et qui est extrait au sommet du cyclone. il y a intérdt à réutiliser cet air dans 11 installation de séchage, après en avoir éliminé les fines particules de produit qu'il entraîne, comme il sera décrit plus loin. La récupération d'énergie dans l'installation décrite s'effectue à deux niveaux : - d'une part par réutilisation de l'air de conditionne~ ment comme air de séchage, et - d'autre part par échange thermique entre l'air chaud humide véhiculé par le ventilateur 7, et l'air de séchage alimentant la tour d'atomisation 1, avant son chauffage par l'échangeur 3, cet échange étant effectué dans des conditions propres à provoquer la condensation complète de la vapeur d'eau présente dans l'air chaud humide. il estXprévu, en outre, de recueillir séparément les condensats qui peuvent & re utilisés comme solution de lavage dans l'installation, et l'air usé qui est évacué à l'atmosphère par une cheminée. A cet effet, l'installation représentée sur la figure comprend - 10- Sur le circuit de l'air chaud humide - un échangeur 12 à faisceau tubulaire vertical dont la longueur correspond à la longueur maximale permise par le bâtiment, - une gaine 10 de raccordement du ventilateur 7 à l'échangeur 12 pour faire circuler l'air chaud humide à l'intérieur des tubes du faisceau, - une cheminée 13 d'évacuation de l'air usé, disposée verticalement à cdté de l'échangeur 12, - un système collecteur séparateur des condensats 14, constitué par deux bacs respectivement en fond de l'échangeur 12 et de la cheminée 13, reliés ensemble par un conduit de raccordement 15, disposé comme le montre la figure 2 pour imposer une circulation tan gentielle de l'air à l'entrée dans le second bac - une structure basse 17 non représentée en détail, sur laquelle repose ltéchangeur 12, - une pompe 16 qui assure l'extraction des conden sats recueillis en fond du bac collecteur 14, sous la cheminée 13. - 20 - Sur le circuit de l'air d'alimentation pour le séchage - un ventilateur 18 pour prélever de l'air ambiant dans la zone supérieure de l'installation, suivi d'une gaine 19 pour ramener l'air prélevé vers la partie basse, - un ventilateur 21 pour assurer la circulation de l'air de conditionnement et l'injecter dans la gaine 19, - un filtre à cassettes(ou à manches disposé sur le circuit d'air de conditionnement en amont du venti lateur 21 pour épurer cet air avant sa réutilisa tion comme air de séchage en retenant les fines de produits secs qu'il peut entraîneur, ce filtre 22 étant muni en fond d'un obturateur rotatif et d'une conduite de raccordement au circuit d'air de conditionnement en amont du cyclone 11, - une chambre à filtres 23 pour parfaire cette épura tion sur l'air ambiant additionné de l'air de con ditionnement réutilisé, entre la gaine 19 et le raccordement en bas de l'enveloppe 24 de l'échan geur 12, l'air d'alimentation circulant dans cet échangeur à l'extérieur des tubes, - une gaine de raccordement 25 entre l'enveloppe 24 de ltéchangeur en partie haute de celui-ci, et l'échangeur 3 assurant le chauffage final de l'air d'alimentation. L'échangeur 12 est auto-portant et formé d'un faisceau tubulaire, par exemple en acier inoxydable. Il reçoit à contrecourant l'air chaud humide qui descent à l'intérieur des tubes en se refroidissant alors que l'air ambiant mélangé à l'air de conditionnement épuré monte à ltextérieur des tubes en se réchauffant, l'air chaud étant chargé de fines particules de produit séché. Dans l'esprit de récupération de calories l'air ambiant est prélevé à ltendroit où il est le plus chaud, c'està-dire tout en haut du bâtiment; en effet, la différence de température entre le niveau 0 et le dessous de la toiture du bâtiment peut être supérieure à 150 C, surtout en été. Le faisceau tubulaire est le plus long possible (jusqu'au dessous de la toiture) afin de permettre une condensation maximum de la vapeur d'eau contenue dans l'air chaud sur la moitié supérieure et un temps maximum d'échange et de dissolution des particules par les condensats dans la moitié inférieure. A la base du faisceau l'air refroidi et les condensats sont dirigés vers le séparateur 14. L'air en est évacué par la cheminée 13, alors que le liquide est stocké dans la partie basse du séparateur qui fait fonction de bac de récupération.Le mouvement de rotation de l'air dans le séparateur donne un mouvement de rotation au liquide, ce qui permet une dissolution maximum des particules de produit. Les condensats sont extraits par la pompe 16; une quantité réglable est recyclée et pulvérisée en amont du séparateur afin de pouvoir obtenir à volonté un lavage maximum de l'air, alors que le reste est réintroduit dans la channe de fabrication ou stocké pour pouvoir être traité séparément. Le séparateur est équipé d'un "niveau haut" et d'un "niveau bas" pouvant être utilisés à des fins diverses, telles que signalisation, commande automatique de la pompe d'extraction, etc... Le filtre 22 permet d'épurer au maximum l'air de conditionnement après son utilisation pour le conditionnement et avant sa réutilisation pour le séchage. La chambre à filtres 23 permet de filtrer la totalité d'air de séchage avant son entrée dans l'échangeur. L'air de séchage, après avoir été préchauffé dans l'échan- geur est dirigé vers l'appareil de chauffage final (échangeur 3) avant d'erre introduit dans la tour de séchage. Les circuits annexes alimentés par la pompe 16 permettent deux types de lavage. Une conduite 26 permet de prélever au moins une partie des condensats extraits par la pompe 16 pour les renvoyer, par l'intermédiaire d'une vanne trois voies 27, soit au sommet de l'échangeur 12, au-dessus de la plaque tubulaire supérieure, soit au sommet de la cheminée 13. Une conduite en dérivation 28, munie d'une vanne 2, débouche par un diffuseur en bas de l'échangeur 12, sous la plaque tubulaire inférieure. Un lavage à l'eau claire, utilisant les condensats, peut être effectué pendant le fonctionnement de l'installation. Ce lavage utilise les conduites 26 et 2a. On manoeuvre les vannes de manière à diriger la quantité d'eau souhaitable vers la boule de lavage située à l'extrémité supérieure de l'échangeur. L'excédent des condensats extraits est renvoyé en permanence dans le séparateur par la conduite 28. Lorsque l'installation est à l'arrêt, le lavage peut être effectué au moyen d'un agent chimique, dont la solution est préparée dans le bac collecteur 14. Les vannes peuvent entre réglées de manière à pouvoir laver simultanément l'échangeur et sa partie inférieure d'une part, la cheminée et le bac collecteur d'autre part. La conception de l'installation qui a été décrite permet de modifier facilement les installations existantes pour les adapter à la mise en oeuvre de l'invention comme il apparaîtra ci-après. Pour l'industrie alimentaire, par exemple, toutes les parties en contact avec les particules de produit sont en acier inoxydable y compris la cheminée. Seule l'enveloppe extérieure du faisceau peut être en acier doux galvanisé ou peint. Du fait de sa très grande longueur le faisceau tubulaire ne peut pas être transporté par route, il y a donc lieu de le construire sur place et en place; pour cela l'ordre de montage est le suivant 1 - la partie basse et le séparateur 2 - les tronçons de la cheminée. Ces tronçons ont une longueur de 3 à 4 m afin de faciliter leur fabrication, leur transport et leur manutention pendant le montage; ils sont fixés entre eux par brides 3 - la plaque tubulaire inférieure du faisceau 4 - les tronçons de l'enveloppe du faisceau, ces tronçons sont également en longueur de 3 à 4 m et fixés entre eux par brides 5 - la plaque tubulaire supérieure 6 - la transformation de raccordement à la gaine d'air chaud; cette transformation servant de cage de sécurité au personnel montant le faisceau tubulaire 7 - le faisceau tubulaire : ce faisceau est formé de tubes de longueur telle qu'ils restent dans les longueurs'standard" de fabrication et qu'en plus ils soient facilement manipulables afin de pouvoir les souder bout à bout à partir du dessus de la plaque tubulaire supérieure pour les introduire au fur et à me sure à l'intérieur de ltenveloppe jusqutà ce qu'ils atteignent les trous de la plaque tubulaire inférieure 8 - le filtre à cassettes (ou à manches) 9 - les gaines de raccordement aux ventilateurs et la chambre à filtres La récupération d'énergie avec condensation dans l'installation selon l'invention présente en particulier les avantages suivants : 1 - Le fait de condenser la vapeur présente dans l'air humide assure que toute la chaleur latente de vaporisation soit extraite, donc que l'échange de récupération soit maximum. 2 - Les condensats, avec l'effet mécanique de ventilation permettent un autonettoyage du faisceau pendant le fonctionnement, ce qui permet d'avoir un rendement toujours maximum et constant de l'échangeur. 3 - L'adjonction d'un filtre à cassettes (ou à manches) permet une récupération maximum des fines. 4 - De plus, l'air de conditionnement, après avoir traversé le filtre, est quasi totalement épuré. il peut donc être utilisé en air de séchage ce qui a pour conséquence I - Economie d'énergie car cet air n'est plus extrait par le ventilateur d'extraction II- Une deuxième économie d'énergie car pour un meme débit d'air de séchage le débit du ventilateur d'air ambiant est moindre III- Une augmentation de la capacité de séchage de l'instal lation lorsque cet air a été désydraté dans un groupe de conditionnement (batterie de refroidissement) car son pouvoir d'évaporation est plus grand IV- La température de l'air sortant du ventilateur d'ex traction est plus élevée de 8 à 10 C, ce qui permet une plus grande récupération de calories V - La possibilité d'augmenter la capacité de séchage des installations existantes si lton fait travailler le cyclone et le ventilateur d'extraction au même débit d'air qu'avant l'adjonction du filtre 5 - Le problème de pollution de l'atmosphère est considérablement réduit ainsi que le bruit extérieur. 6 - L'air sortant du ventilateur d'extraction transportant un minimum de particules de produit, ces particules seront dissoutes dans les condensats et récupérées, ce qui peut représenter jusqu'à 0,5 % de la production, et parfois plus. Par ailleurs, la récupération de ce produit n'est pas tributaire du fonctionnement d'un autre appareil (concentrateur par exemple). 7 - Le fait de le construire en place diminue considérablement les coûts de transport (Pas de convoi exceptionnel et d'engin de manutention). De plus, il est facilement logeable dans un endroit d'accès difficile, et parfois impossible pour des grues, et ceci sans avoir à démolir un morceau de bâtiment ou de toiture. B - Pour des raisons de commodité d'implantation, il n'y a aucun empêchement technique à ce qutil soit situé à l'extérieur d'un bâtiment. 9 - Il n'est pas nécessaire, dans le cas d'installations existantes de changer le ventilateur d'extraction ni son moteur. 10 - Sa conception et sa simplicité sont telles qu'il peut être.facilement réalisé par le service "Entretien Travaux tjeufs" du futur utilisateur ou par une entreprise locale ou la collaboration des deux, ce qui diminue considérablement les coûts d'investissement tout en donnant de bonnes garanties de fonctionnement. 11 - Enfin et surtout, il permet une importante économie de combustible qui peut atteindre des valeurs de l'ordre de 40 h en hiver. 12 - En outre, l'échangeur est remarquable par la rapidité avec laquelle il peut entre mis en service du fait qu'il est constitué de tubes de longueur et diamètre standard dont la disponibilité est fréquente, et la modification d'une installation existante peut s'effectuer au fur et à mesure de la fabrication et de la livraison des différents éléments à ajouter, sans arrêter l'installation. 13 - La surface d'échange et les vitesses d'air chaud et froid peuvent être déterminées de façon à ce que l'air froid soit préchauffé jusqu'à une température maximum, cette température étant inférieure de 14 C environ à celle de l'air chaud au moment où il entre dans ltéchangeur. 14 - Du point de vue de la consommation électrique, on remarquera que si l'échangeur crée une perte de charge, l'équivalent électrique nécessaire à vaincre cette perte de charge est largement compensée par le gain d'énergie dd à la suppression de l'air de conditionnement au niveau du ventilateur d'extraction et à son recyclage au niveau de l'air de séchage. La consommation électrique de la pompe d'extraction (qui est très minime) est aussi compensée par ce gain. 15 - L'apport d'un liquide (eau ou produit) n'est pas nécessaire pour récupérer les fines, ce qui rend le fonctionnement très autonome. 16 - Les condensats de récupération peuvent etre stockés avant d'être traités séparément, ce qui évite une éventuelle contamination du produit noble s'il était recyclé en continu dans la chaîne de fabrication. Les avantages de détail indiqués sont ceux du mode de réalisation particulier considéré, mais il reste entendu que l'invention n'est pas limitée à cet exemple, et qu'elle s'étend à toute installation présentant ses caractéristiques essentielles ou des variantes éouivalentes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de séchage par atomisation avec récupération d'énergie caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à pulvériser une solution concentrée de produit dans un courant d'air chauffé, à séparer le produit pulvérulent sec de l'air humide, à faire circuler cet air chaud humide en descendant à travers un échangeur tubulaire vertical à travers lequel circule par ailleurs, en circulation ascendante l'air d'alimentation avant chauffage, l'échange étant suffisant pour provoquer la condensation de l'eau présente dans l'air humide, à recueillir l'eau ainsi condensée séparément de l'air usé qui est évacué. 2 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé de séchage par atomisation selon la revendication 1, caractérisée en ce quelle comprend une tour d'atomisation comportant des moyens de pulvérisation d'une solution concentrée de produit dans un courant d'air chaud, des moyens tels qu'au moins un cyclone, pour séparer le produit sec pulvérulent de l'air humide, un échangeur tubulaire vertical où l'air humide, en circulation descendante, cède sa chaleur à l'air d'alimentation de la tour d'atomisation, en circulation ascendante, jusqu'à condensation de la vapeur d'eau qu'il contient, un collecteur séparateur de l'eau condensée dans l'échangeur, formé en partie basse de l'é- changeur, et des moyens d'évacuation séparés pour l'eau condensée et l'air usé ainsi séché. 3 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour recycler de liteau prélevée dudit collecteur en partie basse de l'échangeur vers le sommet de ltéchangeur, et l'injecter dans le circuit d'air chaud humide. 4 - - Installation selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de prélèvement d'air ambiant au voisinage du sommet de ltéchangeur pour l'introduire en partie basse de celui-ci dans le circuit d'air d'alimentation de la tour d'atomisation. 5 - Installation selon l'une quelconoue des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit d'air de conditionnement comportant des moyens de prélèvement d'air ambiant, des moyens de refroidissement de cet air, utilisé ensuite pour entraîner le produit sec séparé de l'air chaud humide, et des moyens pour renvoyer l'air de conditionnement, à travers des filtres de retenue des fines éventuellement entraînées dans le circuit d'air d'alimentation de la tour d'atomisation, à l'en- trée de l'échangeur. 6 - Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour admettre de l'eau prélevée dudit collecteur, en tant qu'veau de lavage au sommet d'une cheminée verticale d'évacuation de l'air usé.