Brevet FR2443863A1 — publié le 19800711

La présente invention se rapporte aux appareils évaporateurs et a notamment pour objet un appareil évaporateur pouvant être utilisé en particulier pour la concentration par évaporation de liqueurs cristallisables d'aluminates utilisées dans la production de l'alumine. Parmi les appareils de ce genre utilisés jusqu'a ce jour, les plus couramment employés sont ceux à circulation forcée, dans lesquels la liqueur est amenée au moyen d'une pompe, par l'intermédiaire d'un dispositif distributeur, aux extrémités supérieures de tubes réchauffeurs, et s'écoule le long des parois desdits tubes, dans lesquels se produit son ébullition. Cependant, de tels appareils ne peuvent bien fonctionner qu'avec des liqueurs de viscosité modérée et ne déposant pas de sels. En pratique, au fur et à mesure de ltepuisement de gisements de bauxites à basse teneur en composants à base de carbonate de sodium, on est conduit à utiliser des bauxites de qualité inférieure qui forment des liqueurs à haute teneur en carbonate de sodium. Lorsque, dans les appareils considérés, sont traitées ces liqueurs a haute teneur en carbonate de sodium, leur rendement diminue considérable ment par suite de ltobstruction prématurée des tubes réchauffeurs. De plus, ces appareils étant équipés d'un dispositif distributeur et de pompes de circulation, leur structure est relativement compliquée. On connais, d'autre part, des appareils évaporateurs à circulation naturelle de la liqueur, dans lesquels l'ébullition de la liqueur s'opère dans des tubes réchauffeurs. Dans ces appareils, de même que dans les précédents, les tubes réchauffeurs se trouvent rapidement obstrués par le carbonate de sodium et les sulfates, ce qui réduit notablement le coefficient de transmission de chaleur et nécessite des lavages fréquents de l'appareil. Les appareils à circulation naturelle ne peuvent fonctionner avec dépôt de carbonate de sodium qu'en présence de grandes différences utiles de température (15 à 250C), ce qui ne permet pas de réutiliser à plusieurs reprises la vapeur de chauffe. D'autre part, une diminution de la différence utile de température influe défavorablement sur la circulation. On a perfectionné les appareils évaporateurs à circulation naturelle en créant des appareils à zone d'ébullition déportée, comportant une chambre de réchauffage à tubes disposée entre des chambres à pulpe supérieure et et inférieure, et une chambre d'ébullition déportée placée dans la chambre à pulpe supérieure, au-dessus des tubes réchauffeurs. L'un des appareils de ce genre (voir le brevet japonnais NO 46-4961) comporte des chambres à pulpe supérieure et inférieure, entre lesquelles est disposée une chambre de réchauffage délimitée par des plaques à tubes supérieure et inférieure dans lesquelles sont fixés, par leurs extrémités ouvertes, des tubes réchauffeurs verticaux destinés au chauffage de la solution à évaporer circulant dans lesdits tubes, une chambre d'ébullition montée sur ladite plaque à tubes supérieure, dans la partie centrale de celle-ci, au-dessus des tubes réchauffeurs, et formée par deux raccords évasés reliés entre eux par leurs extrémités rétrécies, en formant de cette façon une partie rétrécie de la chambre d'ébullition, une conduite pour l'admission de la solution à évaporer, des tubulures destinées, respectivement, à admettre un agent de chauffe dans la chambre de réchauffage et à en évacuer, sous forme de condensat et de gaz non condensables, l'agent de chauffe usé. La circulation de la pulpe dans de tels appareils est assurée soit au moyen d'un tube de circulation, soit à l'aide d'une pompe à hélice disposée dans la chambre à pulpe inférieure, sous les tubes réchauffeurs centraux. Toutefois, ces appareils présentent le même inconvénient que les précédents, consistant en ce qu'ils ne peuvent fonctionner d'une façon stable qu'en présence de grandes différences utiles de température (15 à 250C). Dans la technologie actuellement appliquée pour la concentration par évaporation de solutions cristallisables d'aluminates, de tels appareils, appelés appareils de production, font partie debatteriesd1évaporation à unités ou blocs multiples (à effet multiple) comprenant un appareil de production et plusieurs appareils fonctionnant sans dépôt de phase solide (de cristaux de carbonate de sodium). La diminution de la différence utile de température dans un appareil de production faisant partie d'une batterie de ce type permettrait d'augmenter le nombre de cycles de réutilisation de la vapeur et d'obtenir ainsi un gain économique important. Toutefois, comme on l'a déjà dit plus haut, une telle diminution de la différence utile de température a une influence désavantageuse sur la circulation de la solution, dont les conséquences indésirables ont déjà été soulignées dans ce qui précède. Compte tenu des inconvénients énumérés des appareils connus, l'invention vise un appareil d'évaporation comportant une chambre d'ébullition de conception perfectionnée et des dispositifs dans lesquels l'énergie de la liqueur surchauffée admise et de la vapeur de chauffe usée serait utilisée de façon à assurer une circulation la plus active possible de la liqueur à évaporer dans l'appareil. Ce problème est résolu à l'aide d'un appareil évaporateur comportant une chambre à pulpe supérieure et une chambre à pulpe inférieure, entre lesquelles est située une chambre de réchauffage formée de plaques à tubes supérieure et inférieure dans lesquelles sont fixés par leurs extrémités ouvertes des tubes réchauffeurs verticaux destinés au chauffage d'une solution à évaporer circulant dans ces derniers, une chambre d'ébullition montée sur ladite plaque à tubes silpérieure, dans sa partie centrale, au-dessus des tubes réchauffeurs, et formée de deux raccords évasés reliés entre eux par leurs extrémités rétrécies, en formant ainsi une partie rétrécie de la chambre d'ébullition, un tube d'admission de la solution à évaporer, des tubulures destinées, respectivéaent, à amener un agent de chauffe dans la chambre de réchauffage et à en évacuer, sous forme de condensat et de gaz non condensables, l'agent de chauffe usé, ledit appareil étant caractérisé, suivant l'invention, en ce que dans la partie rétrécie de la chambre d'ébullition est introduite une extrémité du tube d'admission de la solution à évaporer, et qu'à cette extrémité du tube est monté un dispositif divisant en jets l'écoulement de la solution admise. Il est préférable d'exécuter ledit dispositif de division de l'ecoule- ment de liqueur sous forme d'un ajutage monté sur l'extrémité de la conduite et comportant des buses orientées de bas en haut. L'introduction, dans la zone rétrécie de la chambre d'ébullition, de jets ascendants de liqueur surchauffée admise permet d'obtenir un effet d'éjection qui assure une circulation plus efficace de la pulpe dans l'appareil. Un tel mode de réalisation de l'invention est avantageux surtout dans le cas où l'appareil de production faisant partie de la batterie d'évaporation est branché dans celle-ci en tant que deuxième ou troisième unité ou bloc, et où, pour intensifier la circulation de la pulpe dans ledit bloc, il suffit d'utiliser l'énergie de la liqueur surchauffée qui, avec une telle disposition des appareils, arrive dans ledit bloc à une température plus élevée. Mais si l'on utilise une batterie d'évaporation travaillant à contre-courant et dans laquelle,par conséquent, l'appareil de production constitue la première unité suivant le sens d'écoulement de la vapeur, et par conséquent, la dernière unité suivant le sens d'écoulement de la liqueur cette dernière ne sera plus surchauffée à son arrivée dans l'appareil et ne pourra donc pas contribuer à l'intensification de la circulation de la pulpe. Dans ce cas il convient, pour assurer cette intensification, d'utiliser l'énergie de l'agent de chauffe usé, c'est-à-dire celle de la vapeur d'évaporation spontanée du condensat et celle des gaz non condensables qui sont évacués de la chambre de réchauffage de l'appareil de production. Dans le mode de réalisation de l'invention prévoyant l'utilisation de l'énergie dudit agent de chauffe usé, il est utile, en vue d'intensifier la circulation de la liqueur à évaporer, d'employer une chambre d'ébullition dont la zone rétrécie comporte des perforations, d'entourer cette zone perforée d'un bottier annulaire fermé et d'amener dans ce bottier, par l'intermédiaire d'un conduit, la vapeur d'évaporation Spontanée du condensat et les gaz non condensables évacués de la chambre de réchauffage. En entrant dans la zone rétrécie de la chambre d'ébullition par lesdites perforations, ces vapeurs et ces gaz produisent un effet d'éjection entratnant une augmentation de la pression de circulation dans l'appareil évaporateur. Par ailleurs, l'introduction de la vapeur dans la chambre suivant sa périphérie à travers les perforations favorise une distribution plus uniforme de la vapeur dans le volume de la zone d'ébullition. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante de divers modes de réalisations non limitatifs illustrés par les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de l'appareil évaporateur suivant l'invention; - la figure 2 représente une vue en coupe suivant II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif de division en jets de l'écoulement de liqueur (à échelle agrandie); - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'appareil évaporateur (vue en coupe longitudinale); - la figure 5 représente une vue en coupe partielle d'un dispositif pour l'introduction de l'agent de chauffe dans la chambre d'ébullition (à échelle agrandie). L'appareil évaporateur proposé, représenté sur la figure l, comprend une chambre de réchauffage 1 dans laquelle sont disposés des tubes réchauffeurs 2 dont les bouts supérieurs sont fixés dans une plaque à tubes perforée 3, et les bouts inférieurs, dans une plaque à tubes perforée 4. A la partie supérieure du corps de la chambre de réchauffage 1 sont montées une tubulure 5 pour l'admission dans cette chambre d'un agent de chauffe (vapeur d'eau par exemple), et une tubulure 6 pour l'évacuation des gaz non condensables hors de cette chambre. Il est aussi prévu, à la partie inférieure du corps de la chambre de réchauffage 1, une tubulure 7 pour l'évacuation du condensat. Au-dessus des tubes réchauffeurs 2, sur la plaque perforée 3, se trouve une chambre d'ébullition 8 formée par deux raccords évasés 9 reliés entre eux par leurs extrémités rétrécies: Comme indiqué plus haut, le mode préféré de réalisation de l'invention prévoit l'utilisation de raccords 9 en forme de troncs de pyramide hexaèdres, En effet, comme on peut le voir sur la figure 2, une telle configuration de la chambre d'ébullition 8 est la plus rationnelle, car, lorsque celle-ci est placée sur la plaque à tubes supérieure.3, la configuration de son bout inférieur s'accorde bien avec la disposition, elle aussi hexaèdre, des extrémités des tubes réchauffeurs 2. Il va de soi, toutefois, que la chambre d'ébullition 8 peut être constituée de troncs de pyramide polyèdres à nombre quelconque de faces latérales (variante non représentée),ou bien de troncs de cône (non représentés).Il est prévu une conduite 10 pour l'introduction de la liqueur surchauffée dans la chambre d'ébullition 8, ladite conduite 10 passant à travers la chambre de réchauffage 1 et se terminant dans la zone rétrécie de ladite chambre d'ébullition. L'extrémité élargie de la conduite 10, introduite dans la chambre d'ébullition 8, porte un dispositif 11 destiné à diviser en jets l'écoulement de liqueur admise, et constitué d'un ajutage 12 à buses 13 orientées de bas en haut suivant l'axe de l'appareil. L'ajutage 12, comme indiqué sur la figure 3, peut être exécuté sous la forme d'un disque comportant le long de sa périphérie des ouvertures dont le diamètre et le nombre sont choisis de façon que la vitesse d'écoulement de la solution soit suffisante pour une utilisation maximale de la différence de pression dans l'appareil. La chambre d'ébullition 8 (figure 1) est montée dans la partie inférieure d'une chambre à pulpe supérieure 14, dont la partie supérieure sert de séparateur de vapeur et est pourvue d'une tubulure 15 pour l'évacuation de la vapeur se dégageant de la solution à évaporer. Une tubulure 16 pour l'évacuation de la pulpe est montée sur la surface latérale du corps de la chambre à pulpe supérieure 14, approximativement au niveau de l'extrémité supérieure de la chambre d'ébullition 8. Pour permettre les réparations en rapport avec le remplacement des tubes réchauffeurs 2, la chambre d'ébullition est placée librement sur la plaque à tubes supérieure et est fixée au moyen de haubans ou analogues 17 à la surface latérale intérieure de la chambre à pulpe supérieure 14, cette dernière étant amovible. Dans la chambre à pulpe inférieure 18, sous la plaque à tubes inférieure 4, est disposé un bourrelet ou saillie analogue 19 enveloppant les bouts inférieurs des tubes réchauffeurs 2 centraux, dont les bouts supérieurs sont embrassés par la chambre d'ébulition 8. Le bourrelet 19 est destiné à favoriser la stabilisation de la circulation de la liqueur à évaporer. Pendant le fonctionnement, la liqueur surchauffée entrant dans l'appareil de production suivant la flèche A (figure 1), par exemple à partir d'un appareil voisin faisant partie de la batterie d'évaporation (non représenté) et fonctionnant sous une pression et à une température plus élevées, passe par la conduite 10 et pénètre, sous forme de jets quittant les buses 13 de l'ajutage 12, dans la zone d'ébullition située dans la partie rétrécie de la chambre d'ébullition 8, la liqueur étant alors éjectée par le mélange vapeur-liquide, alors que la vapeur dégagée par la liqueur surchauffée, en perdant de sa vitesse, accroît la saturation de la zone d'ébullition suivant sa hauteur et sa section et augmente en même temps la pression de circulation. En pratique, l'arrivée de la liqueur surchauffée à partir de l'appareil évaporateur voisin fonctionnant à un niveau de pression plus élevé (différence de pression de 1 à 1,5 atm), augmente dans une proportion de 25 à 30% la quantité de vapeur produite. L'effet d'éjection du à l'introduction énergique de la solution surchauffée supprime le retard de l'entrée en ébullition de la masse de solution en circulation (retard qui a lieu dans les appareils évaporateurs classiques), et ce, grâce à la turbulence qui intervient dans la zone d'ébullition et au dégagement de vapeur, cette dernière jouant le rôle d'une amorce du processus. Ce phénomène contribue également à un accroissement de la pression de circulation du fait de l'augmentation de la hauteur de la zone d'ébullition. La turbulence intense de l'écoulement, obtenu dans l'appareil décrit, aboutit à une diminution rapide de la sursaturation excessive (qui a lieu dans les appareils connus) de la solution en carbonate de sodium et en sulfates. De plus, il se forme, dans la pulpe, de plus gros cristaux de carbonate de sodium, ce qui simplifie la suite du processus technologique grâce à la réduction des aires requises pour l'épaississement et la filtration du carbonate de sodium. L'élimination de la sursaturation de la liqueur est additionnellement favorisée par le maintien de la pulpe dans la chambre à pulpe supérieure 14, après laquelle la pulpe retourne dans la zone d'ébullition en passant par les tubes réchauffeurs 2 périphériques situés en dehors de la zone d'ébullition, la chambre à pulpe inférieure 18 et les tubes réchauffeurs 2 centraux. L'introduction énergique de la solution surchauffée dans la zone de rétrécissement de la chambre d'ébullition 8 remplit en même temps une fonction importante de stabilisation du sens de circulation, en contraignant la liqueur à circuler toujours dans le sens requis. La figure 4 représente un appareil évaporateur suivant l'invention, dans lequel on utilise, en plus, l'énergie de l'agent de chauffe usé. La partie rétrécie de la chambre d'ébullition 8 comporte des perforations 20 et est entourée d'un bottier annulaire fermé 21 fixé à la chambre d'ébullition 8, par exemple par soudage, comme le montre la figure 5. Au bottier 21 est raccordée une tubulure 22 reliée par l'intermédiaire d'un conduit à vapeur 23 à la tubulure 6 évacuant de la chambre de réchauffage 1 les gaz non condensables, ainsi qu'à un dispositif 24 d'évaporation spontanée du condensat.L'extrémité supérieure du conduit à vapeur 23 est située à un niveau supérieur à celui de la pulpe se trouvant dans la chambre à pulpe supérieure 14 et ce, pour empêcher la pulpe de pénétrer dans le condensat, Entre le dispositif 24 d'évaporation spontanée du condensat et la tubulure 7 d'évacuation du condensat est monté un dispositif 25 de transmission sélective du condensat. Comme il a été indiqué plus haut, il est avantageux d'utiliser l'énergie de l'agent de chauffe usé dans le cas où l'appareil fait partie d'une batterie d'évaporation fonctionnant à contre-courant, c'est-à-dire quand il est branché dans celle-ci en tant que première unité suivant le sens d'écoulement de la vapeur. Dans ce cas, l'agent usé, sous forme de vapeur d'évaporation spontanée du condensat fournie par le dispositif 24 d'évaporation spontanée, ainsi que de gaz non condensables provenant des tubulures, est amené, par l'intermédiaire du boîtier distributeur annulaire fermé 21, dans la chambre d'ébullition 8 à travers les perforations 20. En traversant la couche de pulpe en ébullition, ce mélange gaz-vapeur augmente la pression de circulation et par conséquent la circulation de la pulpe. Les essais qui ont été effectués ont en outre montré que le volume de la chambre d'ébullition 8 s'enrichit désavantageusement en vapeur vers le centre de l'écoulement, aussi la distribution de la vapeur à travers les parois de la chambre d'ébullition 8 autour de sa section minimale assure, en combinaison avec l'effet d'éjection, une distribution plus régulière de la vapeur dans le volume de la zone d'ébullition. Il ressort de ce qui précède, que l'appareil évaporateur objet de la présente invention, peut être avantageusement employé en ta#t que partie constitutive de différents types de batteries à effet multiple, fonctionnant à courant direct, à contre-courant ou suivant un principe combiné. Il est de même évident que, bien que le mode de réalisation de l'appareil représenté sur la figure 4 soit utilisé le plus avantageusement dans une batterie d'évaporation fonctionnant à contre-courant, il peut aussi bien être employé dans tout autre type de batterie. En ce qui concerne la conception même de l'appareil évaporateur, on conçoit qu'elle peut assumer, suivant le cas, toute forme voulue. C'est ainsi que, par exemple, le séparateur de vapeur peut être fabriqué d'une seule pièce avec la chambre à pulpe supérieure, ou bien être conçu comme un dispositif distinct se fixant à cette chambre au moyen de brides ou de toute autre façon appropriée. Divers éléments, tels que le bourrelet ou saillie analogue délimitant la zone centrale des bouts inférieurs des tubes réchauffeurs, peuvent être prévus ou non dans l'appareil évaporateur décrit. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu a titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Appareil pour la concentration de solution par évaporation, notamment de liqueurs ou solutions d'aluminates, du type comportant une chambre à pulpe supérieure et une chambre à pulpe inférieure entre lesquelles est disposée une chambre de réchauffage délimitée par une plaque à tubes supérieure et une plaque à tubes inférieure dans lesquelles sont fixées les extrémités ouvertes de tubes réchauffeurs verticaux servant à réchauffer la liqueur à évaporer circulant dans lesdits tubes, une chambre d'ébullition montée sur la partie centrale de ladite plaque à tubes supérieure, au-dessus desdits tubes réchauffeurs, et formée par deux raccord évasés réunis entre eux par leurs bouts rétrécis et formant ainsi une zone rétrécie de ladite chambre d'ébullition, une conduite pour l'introduction de la liqueur à évaporer, une tubulure pour amener un agent de chauffe dans ladite chambre de réchauffage et une tubulure pour évacuer de celle-ci l'agent de chauffe usé sous forme de condensat et de gaz non condensables, caractérisé en ce que dans la zone rétrécie de la chambre d'ébullition est introduit le bout de la conduite d'amenée de la liqueur à évaporer et que sur ce même bout de ladite conduite est monté un dispositif destiné à diviser en jets l'écoulement de liqueur admise. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif destiné à diviser en jets la liqueur admise est réalisé sous la forme d'un ajutage à buses monté au bout de ladite conduite d'amenée de la liqueur à évaporer, ledit bout de ladite conduite étant évasé. 3. Appareil suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la zone rétrécie de la chambre d'ébullition comporte, dans sa partie adjacente au dispositif de division en jets de l'écoulement de liqueur à évaporer, des perforations disposées suivant sa périphérie, et est entourée extérieurement d'un boîtier en forme d'anneau fermé qui est relié par l'intermédiaire d'un conduit de vapeur à un dispositif d'évaporation spontanée du condensat et à ladite tubulure d'évacuation de gaz non condensables.