Brevet FR2492268A1 — publié le 19820423

La présente invention concerne, en général, un appareil d'évaporation et elle concerne en particulier l'éli- mination de la vapeur, engendrée dans un évaporateur, des gouttelettes de liquide entraînées par cette vapeur. Des évaporateurs sont utilisés dans diverses applications industrielles (par exemple : l'extraction et le traitement des sucres, la fabrication du papier, la production de matières chimiques et l'extraction de substances minérales) pour recueillir ou extraire des constituants inté- ressants de solutions résiduaires par enlèvement de l'eau, sous forme de vapeur, des solutions. Les évaporateurs industriels comprennent typiquement des séparateurs destinés à éliminer les gouttelettes de liquide entrainées dans la vapeur engendrée par le processus d'évaporation. Une étude de divers séparateurs de gouttelettes du type à persiennes peut se trouver dans un article de Il. Chilton intitulé Elimination of Carryover From Packed Towers With Special Reference To Natural Draught Water Coslíng Towers" (Elimination de l'entrainement provenant de tours garnies avec référence spéciale à des tours de refroidissement par eau avec tirage naturel), publié dans Transactions of the Institution of Chemical Engineers, Volume 30, (i952), pages 235-251. Des séparateurs de gouttelettes sont également décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique et notamment dans les brevets N03 070 937, N0 3 338 035, et ND 3 527 030. En pratique, les ailettes utilisées dans l'art antérieur comme séparateurs de gouttelettes pour des évaporateurs industriels ont été disposées en des ensembles de configuration généralement rectangulaire, car les fabricants de séparateurs utilisent des ensembles d'ailettes du genre conçu principalement pour un montage dans des orifices de configuration rectangulaire de conduits d'écoulement d'air dans des circuits de climatisation. Dans l'art antérieur, la distance entre des ailettes adjacentes est généralement constante le long du trajet de l'écoulement de la vapeur dans des séparateurs de gouttelettes destinés à des évaporateurs industriels. La présente invention vise à proposer un évapora teur, comportant bien entendu un dispositif pour engendrer une vapeur dans laquelle des gouttelettes de liquide peuvent être entraînées, ainsi qu'un dôme de collecte de la vapeur, supporté au-dessus du dispositif engendrant la vapeur et destiné à collecter la vapeur et les gouttelettes de liquide entraînées, ce dôme délimitant une sortie que la vapeur emprunte lorsqu'elle quitte l'évaporateur, lequel comporte, selon l'invention, un dispositif perfectionné destiné à se- parer, de la vapeur engendrée dans cet évaporateur, les gouttelettes de liquide qui y sont entrainées. Une caractéristique dan évaporateur selon la présente invention est que le dispositif de séparation des gouttelettes comprend-plusieurs ailettes ondulées et espacées, disposées de façon à former un ensemble creux monté à la sortie de l'évaporateur 5 de façon que la vapeur sortant de l'évaporateur doive passer le long d'un trajet tortueux entre des ailettes adjacentes en se dirigeant de la paroi externe vers la paroi interne de ensemble creux formé par les ailettes. La distance entre des ailettes adjacentes de cet ensemble est telle que des gouttelettes entraînées dans la vapeur heurtent nécessairement les ailettes et sont ainsi séparées de la vapeur lorsque celle-ci quitte l'évaporateur. La présente invention vise également à proposer un séparateur perfectionné à monter à la sortie de la vapeur d'un évaporateur afin d'éliminer, de la vapeur engendrée dans cet évaporateur, les gouttelettes de liquide qui y sont entraînées. Une caractéristique d'un séparateur de gouttelettes selon la présente invention est que plusieurs ailettes ondulées et espacées sont disposées de façon à former ensemble creux à monter a' la sortie d'un évaporateur, la distance entre des ailettes adjacentes étant telle qu'elle empêche la vapeur de traverser directement le séparateur de la paroi externe vers la paroi interne de l'ensemble des ailettes. De cette façon, les gouttelettes de liquide entraînées dans la vapeur doivent heurter les ailettes du séparateur lorsque la vapeur quitte Itévaporateur. Un avantage particulier de la présente invention est qu'un séparateur de gouttelettes selon les principes de cette invention peut être fabriqué à l'aide d'ailettes actuellement disponibles à l'échelle commerciale et destinées à être utilisées comme élément d'épuration et d'élimination des brouillards dans des dispositifs parcourus par un courant d'air, comme un équipement de climatisation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à l'examen de la description détaillée suivante d'un exemple nullement limitatif de forme préférée de réalisation, en regard du dessin annexé sur lequel: la fig. 1 est une coupe d'un dôme de collecte de vapeur et de la partie supérieure d'un fourreau logeant les tubes d'un évaporateur selon la présente invention; la fig. 2 est une coupe agrandie, à l'intérieur de la ligne 2-2 de la fig. 1, dwun séparateur de gouttelettes monté à la sortie du dôme de collecte de vapeur d'un évaporateur selon la présente invention; la fig. 3 est une vue en plan,le long de la ligne 3-3 de la fig. 2, du séparateur de gouttelettes de la fig. 2; et la fig. 4 est une vue en plan fragmentaire, a l'intérieur de la ligne 4-4 de la fig. 3, d'une autre configuration des ailettes d'un séparateur de gouttelettes. On voit sur la fig. 1 un dôme 10 de collecte de vapeur monté au-dessus, et communiquant avec, un fourreau 11 logeant des tubes d'un évaporateur vertical équipé de longs tubes.Un grand nombre, typiquement des centaines ou même des milliers, de tubes verticaux peuvent être logés dans le fourreau 11. Le dôme 10 comprend une enveloppe 20, qui délimite une zone 21 d'expansion ou de détente dans laquelle la vapeur chargée de gouttelettes, et qui a été engendrée dans les tubes verticaux, peut se dilater et être collecte, L'enveloppe 20 a, dans la forme préférée de réalisation une configuration généralement cylindrique,mais la configuration de cette enveloppe 20 n'est pas fondamentale pour l'invention. Dans le cas d'un évaporateur de modèle classique équipé de longs tubes verticaux, les extrémités inféricures (non représentées) des tubes logés dans le fourreau Il sont immergées dans une masse de solution résiduaire introduite dans un bac de solution au bas du fourreau 11, et les extrémités supérieures des tubes pénétrent dans la zone 21 d'expansion de la vapeur. Les tubes logés dans le fourreau Il sont chauffés de l'extérieur, par exemple par exposition à de la vapeur d'eau, afin d'aspirer dans les tubes du liquide bouillant provenant du bac situé au bas du fourreau li. Dans un évaporateur à longs tubes verticaux typique, ces tubes peuvent présenter une longueur comprise entre 6,1 et 8,54 mètres et un diamètre compris entre 3,8 et 5,1 centimètres.La surface de transmission de chaleur peut, pour des tubes d'une installation typique, être aussi élevée que 3 716 mètres carrés. En service, le liquide qui monte dans les tubes (désignés collectivement comme étant le faisceau tubulaire) bout à une vitesse toujours croissante à mesure que le liquide s'élève. La vapeur résultante, qui tend à etre chargée de gouttelettes de liquide, est déchargée à grande vitesse dans la zone 21 d'expansion de la vapeur du dôme 10. Le faisceau tubulaire et le bac de solution peuvent être d'un modèle classique et ne sont donc pas représentés sur les figures. On voit sur la fig. 1 et également sur la vue agrandie de la fig 2 qu'une sortie 22 est ménagée au sommet de l1enveloppe 20 pour permettre la sortie de la vapeur provenant de la zone 21 de l'évaporateur. A la sortie 22 est monté un dispositif séparateur 30 comprenant plusieurs ailettes 31, ondulées et espacées, qui sont fixées à un support de forme générale annulaire 32 et sont disposées de manière à former un ensemble creux d'ailettes. Dans la forme préférée de realisatwon, la sortie 22 est circulaire et lten- semble des ailettes 31 présente la configuration d'un cylindre droit. Cependant, dans des applications dans lesquelles une sortie 22 non circulaire serait avantageuse, l'ensemble des ailettes 31 peut, de façon correspondante, être cylindrique mais présenter une configuration autre que celle d'un cylindre droit. Dans la forme préférée de réalisation représen tée sur les figures, les ailettes 31 sont fixées sur le support annulaire 32,afin d'engendrer un ensemble creux en forme de cylindre droit dans lequel les ailettes individuelles 31 sont disposées de façon généralement radiale par rapport à l'axe de l'ensemble cylindrique. Le support annulaire 32 est fixé à la paroi interne de l'enveloppe 20 en un endroit qui entoure la sortie 22,afin de permettre le montage du dispositif séparateur 30 à la sortie 22 de façon que le dispositif 30 s'étende vers le bas et pénétre dans la zone 21 d'expansion de la vapeur. La fixation des ailettes individuelles 31 sur le support 32 et la fixation du support 32 à l'enveloppe 20 peuvent être réalisées de façon classique (par exemple par soudage). On voit sur la vue en plan de la fig. 3 que ensemble cylindrique creux des ailettes 31 du dispositif séparateur 30 comporte une paroi externe 33 et une paroi interne 34, le contour de la paroi externe 33 étant délimité par les extrémités radialement externes des ailettes 31 et le contour de la paroi interne 34 étant délimité par les extrémités radialement internes des ailettes 31. La partie non perforée du support 32 couvre l'extrémité supérieure de ensemble d'ailettes 31, et l'intérieur creux de cet ensemble est aligné sur l'ouverture du support 32 et aussi sur la sortie 22 du dôme. De préférence, l'ouverture du support 32 présente approximativement le même diamètre que l'intérieur creux de l'ensemble des ailettes 31. Le dispositif séparateur 30 comporte également un élément d'obturation ou fond 40 fixé à l'extrémité inférieure de chacune des ailettes 31 pour recouvrir l'extrémité inférieure de cet ensemble. Le support 32 disposé au sommet de l'ensemble des ailettes et l'élément d'obturation 40 disposé au bas de l'ensemble des ailettes empêchent la vapeur de quitter la zone 21 en suivant un trajet quelconque autre que celui situé entre des ailettes adjacentes 31 pour aller de la paroi externe 33 vers la paroi interne 34 et parvenir à l'intérieur du dispositif séparateur creux 30. il n'est pas nécessaire que l'ensemble des ailettes 31 soit exactement cylindrique . Dans des applia- tions particulières, i' peut s'avérer avantageux que les dimensions d'une ou plusieurs des ailettes 31 soient dif férentes de celles des autres ailettes, afin que l'ensemble creux puisse présenter une saillie ou un renfoncement à sa paroi externe 33 et/ou à sa paroi interne 34 et présenter ainsi un aspect global non cylindrique. Dans certaines applications, il peut s'avérer avantageux que la paroi externe 33 ou la paroi interne 34, ou bien a la fois les parois externe 33 et interne 34, de ensemble des ailettes 31 pre- sente(nt) une configuration tronconique.Dans de telles applications, cependant1 l'ensemble des ailettes serait néanmoins monté à la sortie 22 de façon que la vapeur ne puisse sortir de la zone 21 qu'en passant entre des ailettes adjacentes 31 pour se diriger de la paroi externe 33 vers la paroi interne 34. Chaque ailette 31 est ondulée dans un sens parallèle à l'axe cylindrique de l'ensemble. Les ailettes ondulées, disponibles dans le commerce et destinées à servir d'éléments d'épuration et d'élimination des brouillards dans des appareillages de climatisation, conviennent tout à fait bien pour la confection du dispositif 30 de séparation de gouttelettes selon la présente invention. La distance entre les ailettes adjacentes 31 est telle qu'elle empeche un passage direct de la vapeur entre des ailettes adjacentes, de sorte que des gouttelettes éventuellement entrainées dans la vapeur passant entre des ailettes adjacentes 31 doivent nécessairement heurter l'une des ailettes lorsque la vapeur traverse le dispositif séparateur 30. Dans la forme préférée de réalisation, la distance séparant des ailettes adjacentes 31 le long d'un rayon quelconque entre la paroi externe 33 et la paroi interne 34 est sensiblement la même pour deux ailettes adjacentes quelconques de l'ensemble. L'ondulation des ailettes 31 peut avantageusement être sinusoidale et présenter un pas et une amplitude constants, bien que le dispositif séparateur puisse comporter des ailettes présentant un pas et/ou une amplitude variant radialement, à la condition qu'un passage direct de la vapeur entre les ailettes adjacentes soit empêché. Les ailettes 31 sont de configuration sensiblement identique. Comme représenté sur la figure 3, chaque ailette 31 présente des segments incurvés situés entre des crêtes alternées d'amplitude maximale et minimale de façon à présenter une configuration sinusoidale globale. Il n'est cependant pas nécessaire pour l'invention que les ailettes ondulées 31 présentent une configuration sinusoidale. Les ailettes 31 peuvent,au contraire, avoir une forme de chevron, comme représenté sur la fig. 4, et se situer encore dans le cadre de l'invention. Dans la forme de réalisation représentée sur la fig. 4, chaque ailette présente une série de segments plats, deux segments plats adjacents quelconques étant réunis par une zone de liaison un peu arrondie. Il n'est cependant pas nécessaire que les zones de liaison de segments plats adjacents soient arrondies; elles pourraient être très aigües. Avec la disposition en cylindre droit des ailettes 31 dans la forme préférée de réalisation représentée sur les figures, la distance entre des ailettes adjacentes diminue dans le sens centripète radial de la paroi externe 33 vers la paroi interne 34. Donc, selon le principe du théorème de Bernoulli, la vitesse de la vapeur (V + G) traversant le dispositif séparateur 30 augmente lorsque cette vapeur se dirige de la paroi externe 33 vers la paroi interne 34.Cette augmentation de la vitesse d'écoulement de la vapeur dans le dispositif séparateur 30 s'est avérée augmenter l'efficacité avec laquelle les gouttelettes heurtant les ailettes 31 sont séparées de la vapeur, pourvu que la vitesse d'écoulement de la vapeur ne soit pas assez grande pour que la vapeur puisse en s'écoulant rapidement décoller des surfaces des ailettes 31 le liquide ayant cessé d'être entraîné et entraîner à nouveau ainsi le liquide sous forme de gouttelettes dans la vapeur. Lorsque les conditions sont correctement choisies, on obtient à l'intérieur du dispositif 30 une vapeur épurée V. Pour un dispositif séparateur 30 en forme de cylindre droit, la différence entre la vitesse de la vapeur à la paroi interne 34 et sa vitesse a la paroi externe 33 est déterminée par le rapport entre le diamètre externe et le diamètre interne de l'ensemble des ailettes. Ainsi, par un choix approprié des longueurs radiales interne et externe des ailettes 31, on peut régler l'augmentation de la vitesse de la vapeur traversant le dispositif séparateur 30 afin d'éviter que le liquide ne soit décollé des surfaces des ailettes. Le liquide qui se dépose sur les surfaces des ailettes 31 par suite du choc des gouttelettes sur les ailettes s'écoule vers le bas le long des ailettes 31 et se rassemble sur le fond 40. On voit sur les figures que le fond 40 est horizontal. Cependant, dans des applications particulières, le couvercle 40 pourrait être incliné afin de faciliter la concentration du liquide rassemblé sur lui. Un tube 50 de vidange peut avantageusement communiquer avec le fond 40 pour enlever le liquide collecté et le mener à l'extérieur de l'enveloppe 20. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'évaporateur et au séparateur de gouttelettes décrits et représentés. REVENDIÇATIONS 1. Evaporateur comprenant un dispositif pour engendrer une vapeur dans laquelle des gouttelettes de liquide peuvent être entraînées, ainsi qu'un dôme (10), supporté au-dessus du dispositif engendrant la vapeur et destiné à collecter cette vapeur et les gouttelettes liquides entraînées, ce dôme (10) délimitant une sortie (22) empruntée par la vapeur lorsqu'elle sort de ltévaporateur, cet évaporateur étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (30) de séparation de gouttelettes comportant un support (32) délimitant une ouverture et qui est fixé au dôme (10) de collecte de vapeur de façon que l'ouverture du support (32) soit alignée avec la sortie (22) de ce dôme (10), plusieurs ailettes (31) ondulées, fixées au support (32) et espacées l'une de l'autre de façon à former un ensemble d'ailettes ayant une configuration creuse, chaque ailette présentant un premier bord et un second bord et une paroi externe (33) de cet ensemble d'ailettes étant délimitée par les premiers bords de ces ailettes (31) et une paroi interne (34) de cet ensemble d'ailettes étant délimitée par les seconds bords de ces ailettes (31), la distance entre des ailettes adjacentes de cet ensemble permettant d'éviter un passage direct de la vapeur entre des ailettes (31) adjacentes pour passer de la paroi externe (33) vers la paroi interne (34); et un élément droburation ou fond (40) fixé à chacune des ailettes (31), la configuration du fond (40) et du support (32) étant telle que la vapeur ne puisse quitter l'évaporateur qu'en suivant un trajet tortueux entre des ailettes (31) adjacentes pour se diriger de la paroi externe (33) vers la paroi interne (34), de façon que les gouttelettes liquides entraînées dans la vapeur heurtent ces ailettes (31). 2. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif séparateur (30) est monté à l'intérieur du dôme (10). 3. Evaporateur selon la revendication 1,carac térise en ce que l'ensemble d'ailettes (31) a une configuration généralement creuse de cylindre droit. 4. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support perforé (32) est une structure annulaire fixée autour de la sortie (22) du dôme (10) de collecte de vapeur. 5. Evaporateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ailettes ondulées (31) font saillie de la structure du support annulaire (32) vers le dôme (10). 6. Evaporateur selon la revendication l, caractérisé en ce que la distance entre des ailettes adjacentes (31) est, le long de la paroi externe (33), sensiblement la même pour deux ailettes adjacentes (31) quelconques. 7. Evaporateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance entre des ailettes adjacentes (31) est, le long de la paroi interne (34), sensiblement la même pour deux ailettes adjacentes (31) quelconques. 8. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distance entre des ailettes (31) adjacentes est, le long d'un rayon quelconque entre les parois externe (33) et interne (34), sensiblement la même pour deux ailettes (31) adjacentes quelconques. 9. Evaporateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les ailettes (31) ont une configuration sensiblement identique. 10. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ailettes (pl) sont ondulées dans un sens parallèle à l'axe de l'ensemble cylindrique.