Brevet FR2493296A1 — publié le 19820507

La présente invention se rapporte à un procédé destiné à concentrer une lessive alcaline, et dans le- quel une mince couche ou film de lessive, s'écoulant vers le bas contre la face interne d'au moins un tube d'évaporation, est échauffé par un fluide caloporteur s'écoulant de bas en haut contre la face externe dudit tube. Pour concentrer des lessives alcalines,qui se présentent habituellement sous la forme d'une solution à 50% et doivent être concentrées jusqu'à obtenir un bain en fusion pratiquement exempt d'eau, des tempéra- tures relativement élevées sont nécessaires. Il s'est par conséquent avéré particulièrement avantageux d'uti- liser, en guise de fluide caloporteur, une solution sa- line qui est dirigée, par exemple à une température d'en- viron 450'C, vers la partie inférieure de l'enveloppe chauffante entourant le tube d'évaporation et permet d'obtenir à cet endroit une concentration d'environ 99% pour une température d'ébullition de la lessive de 430'C. Lorsque la lessive, par exemple à 50%, est introduite à une température d'environ 1400C dans la partie supérieure de l'évaporateur,et lorsque la solution saline quitte à cet endroit l'enveloppe chauffante à une température d'environ 380'C par exemple, il en résulte une diffé- rence de température de 20'C par exemple entre le fluide en ébullition et la solution saline dans la partie in- férieure du tube d'évaporation, cette différence de température atteignant en revanche 2400C dans la partie supérieure dudit tube. Cette grande différence de tempé- rature entre le fluide caloporteur et la solution alca- line en ébullition dans la partie supérieure du tube entraîne obligatoirement un échauffement très important et il se produit alors localement une déréticulation totale à la surface de l'évaporateur. Il s'agit là d'un phénomène connu ( effet Leidenfrost) lorsque l'échauf- fement dépasse une valeur déterminée sur les surfaces de l'évaporateur. Dans les conditions de fonctionnement mention- nées ci-avant, il se produit un échauffement dépassant 1045 x 106 J/hm2 et, de ce fait, on ne peut empêcher la surface d'évaporation de " tourner à sec " par endroits. De manière connue, pour permettre la concentra- tion de lessives alcalines jusqu'à l'obtention d'un bain de fusion pratiquement exempt d'eau, des tubes d'é- vaporation en nickel pur ou en alliages à forte teneur en nickel se sont avérés résister particulièrement bien à la corrosion. La condition réside cependant dans le fait qu'une mince couche uniforme d'oxyde de nickel puis- se se former sur toutes les surfaces soumises à l'action de la solution. L'expérience a montré que cela est le cas, dans un tube d'évaporation parcouru par une mince couche descendante de lessive, aussi longtemps que cette couche de liquide recouvre uniformément la surface de l'évaporateur. Cependant, les échauffements importants mentionnés ci-dessus et critiques pour la déréticulation de la surface de l'évaporateur entraînent non seulement une destruction du film d'oxyde de nickel, mais, en même temps, imposent des contraintes thermiques intermitten- tes à la paroi du tube d'évaporation. Ces deux phénomè- nes combinés peuvent entraîner une destruction rapide des tubes d'évaporation. La présente invention a par conséquent pour objet un procédé du type précité et un dispositif per- mettant sa mise en oeuvre, l'un et l'autre ne comportant pas les inconvénients susmentionnés. A cet effet, selon les caractéristiques essentielles du procédé de l'inven- tion, pour empêcher des échauffements critiques à la surface de l'évaporateur, la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur est moins grande dans un tronçon chauffant supérieur que dans les tronçons sous-jacents. Selon les caractéristiques essentielles du dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, une étroite enveloppe, chauffant le fluide caloporteur et entourant coaxiale- ment le tube cylindrique d'évaporation, présente un tron- çon supérieur évasé radialement et débouchant dans le raccord de sortie du fluide. Ce tronçon évasé de l'enve- loppe chauffante peut être conique ou cylindrique. On peut également prévoir plusieurs tronçons cylindriques s'élargissant constamment vers le haut, ou bien un tron- çon cylindrique raccordé à une partie conique. Dans tous les cas, cette croissance de diamètre entraîne une dimi- nution de la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur, de sorte que, par un choix approprié de l'importance de l'évasement, il est très simple de maintenir faible la vitesse d'écoulement dans la région supérieure ( dans laquelle règne une grande différence de température en- tre le fluide caloporteur et la lessive alcaline), sans influencer de manière inopportune les rapports exis- tant dans la région inférieure ( dans laquelle ne règnent que de faibles différences de température), de manière à obtenir un échauffement souscritique ( c'est-à-dire n'entraînant aucune déréticulation) en présence de coefficients de transmission de chaleur réduits en consé- quence. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention va à présent être décrit plus en détail en regard du dessin,annexé à titre d'exemples schématiques et nullement limitatifs,et sur lequel: la figure 1 est une coupe longitudinale d'une première forme de réalisation d'un dispositif de concen- tration selon la présente invention; et la figure 2 est une coupe longitudinale partiel- le d'un second exemple de réalisation dudit dispositif. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, deux tubes d'évaporation 1, parcourus par un film descendant de lessive alcaline, font saillie chacun dans un réparti- teur respectif 2 par leur bord supérieur denté la consti- tuant une arête de trop-plein. Les répartiteurs 2 sont raccordés à un conduit commun 3 d'alimentation en lessi- ve alcaline. Il est évident que le dispositif pourrait aussi comporter un seul tube d'évaporation 1, voire plus de deux tubes de ce type. Les tubes 1 sont reliés, par leur région inférieure, à une chambre collectrice commu- ne 4 comportant un entonnoir 4a d'évacuation du bain alcalin concentré en fusion, ainsi qu'un raccord 4b d'évacuation des buées. Chacun des deux tubes cylindriques d'évapora- tion 1 est entouré par une enveloppe chauffante coaxia- le 5. Dans leur région inférieure, les enveloppes 5 communiquent, par l'intermédiaire de tubes de raccorde- ment 6, à un conduit commun 7 d'alimentation en fluide caloporteur circulant dans un dispositif chauffant non représenté, cependant que ces enveloppes 5 sont reliées dans leur région supérieure à un conduit commun de re- tour 9, par l'intermédiaire de tubes de raccordement 8. Le tronçon supérieur 5a de chaque enveloppe chauffante est évasé coniquement par rapport à la région princi- pale cylindrique, relativement étroite, de ladite enveloppe 5. L'évasement 5a de la région supérieure de cha- que enveloppe chauffante 5, tel que décrit ci-dessus, permet de réduire graduellement la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur dans cette région. Ainsi, selon les règles connues de la transmission de chaleur de fluides en écoulement, le coefficient de transmission de chaleur est réduit de manière correspondante de bas en haut contre une paroi, d'o il résulte pour finir un échauffement moindre, ou bien un échauffement sous- critique " malgré la différence de température croissant de bas en haut. Ainsi, il est possible de choisir les dimensions de l'enveloppe 5 en fonction du débit du fluide calopor- teur, de telle sorte qu'aucun échauffement élevé outre mesure ne se produise en un quelconque endroit. Cela est économiquement important, car des matériaux très onéreux doivent être utilisés dans la construction de dispositifs de concentration de lessives alcalines. En outre, il doit être possible de transmettre globalement la plus grande quantité de chaleur possible à la lessive pour chaque m2 de surface chauffée, tout en garantissant en même temps une longue durée de vie. Le dispositif décrit peut atteindre ces objec- tifs lorsqu'une capacité d'évaporation très élevée peut être obtenue dans le tronçon inférieur des tubes 1, bien qu'il ne règne dans cette zone qu'une faible différence de température entre la solution alcaline en ébullition et le fluide caloporteur. A cet effet, l'intervalle séparant chaque tube d'évaporation 1 et l'enveloppe chauffante 5 est maintenu très étroit, de manière que, à cet endroit, la vitesse du fluide calo- porteur soit élevée et que le coefficient de transmis- sion de chaleur soit en conséquence important. Il convient à présent de décrire davantage le dispositif à l'aide d'un exemple concret: ontadmettra que chaque tube d'évaporation 1 présente un diamètre externe de 112 mm, et que l'enveloppe chauffante 5 com- porte un diamètre interne de 127 mm et est élargie dans sa partie supérieure Sa pour atteindre 200 mm. Pour un débit de fluide caloporteur en circulation de 10 m3/h, par exemple, il en résulte une vitesse de 8 m/s dans la partie inférieure de ladite enveloppe 5 et une vitesse minimale de 1,3 m/s dans le tronçon supérieur 5a de cette dernière. En prenant en considération les diffé- rences respectives de température entre le liquide en ébullition et le fluide caloporteur, on obtient, dans les régions inférieure et médiane de l'enveloppe chauf- fante 5, un échauffement moyen de 19 256x104 J/hm2 et, dans son troncon supérieur 5a, un échauffement moyen de 16 849x104 J/hM2,auquel cas on fera observer qu'il n'y a aucun risque de déréticulation lors de la concentra- tion de la lessive alcaline. Il existe en pratique plusieurs autres possibi- lités d'obtenir les effets mentionnés ci-avant. Ces pos- sibilités consistent pour l'essentiel à ajuster commodé- ment les vitesses d'écoulement du fluide caloporteur par une modification de la section de passage de l'enveloppe logeant ce dernier, en influençant ainsi l'échauffement. Pour obtenir le même but, une autre technique plus sophistiquée consiste,non seulement,à réduire de manière appropriée la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur, mais à diminuer en même temps la quantité de ce fluide qui prend part à la transmission de chaleur. Il est ainsi possible de réduire la transmission de cha- leur, non seulement par une diminution du coefficient de transmission, mais en plus par un abaissement de la dif- férence de température entre la solution alcaline en ébullition et le fluide caloporteur. Dans ce but, ledit fluide caloporteur peut être refroidi plus rapidement dans le tronçon supérieur le long de son trajet d'écoule- ment dans le tube d'évaporation et, dans ce but, ce n'est plus la quantité totale de fluide caloporteur qui prend part au processus de transmission de chaleur dans ce tronçon. La figure 2 illustre un dispositif de ce type ( seul un tube d'évaporation 1 est illustré, dans un but de simplification). Le tube cylindrique d'évaporation 1 fait saillie par son bord supérieur denté la, tout comme dans le premier exemple de réalisation, dans le réparti- teur 2 raccordé au conduit 3 d'alimentation en lessive alcaline. Ce tube 1 est entouré coaxialement par une en- veloppe 15, cylindrique et relativement étroite. La ré- gion extrême supérieure 15b de cette enveloppe 15 est perforée ( orifices 16) et entourée par un tronçon cy- lindrique i5a évasé radialement. Ce tronçon 15a, qui pourrait également être conique, fait saillie au-delà de la région extrême supérieure perforée 15b et est relié à un tube de raccordement 8 débouchant dans le conduit de retour du fluide caloporteur. La région extrême supé- rieure 15b de l'enveloppe chauffante 15 comporte, sur sa face interne, des zones saillantes ou plots 17 qui, répartis uniformément sur sa circonférence, opposent une résistance à l'écoulement dans l'intervalle sépa- rant ladite région 15b et le tube d'évaporation 1, et garantissent une répartition régulière du fluide calopor- teur tout autour dudit tube 1. Le fluide caloporteur s'écoule dans l'enveloppe cylindrique 15 par l'intermédiaire du tube de raccorde- ment 6. Une partie de ce fluide caloporteur parvient en- suite, par les orifices 16 ménagés dans la partie supé- rieure de l'enveloppe 15, dans le tronçon évasé 15a entourant cette dernière, cependant qu'une faible quan- tité résiduelle de ce fluide caloporteur passe direc- tement en regard du tube d'évaporation 1. Ces deux flux se rejoignent par l'intermédiaire de la région extrême b et ils quittent le dispositif grâce au tube de rac- cordement 8. Là encore, l'évasement du tronçon 15b pro- voque une diminution notoire de la vitesse d'écoulement, cependant que la partie extrême perforée 15b joue le rôle d'une cloison séparatrice qui diminue d'une manière correspondante la quantité du fluide caloporteur pre- nant part à la transmission de chaleur au tube d'éva- poration 1. Cependant, grâce à la présence des plots 17, la répartition uniforme du fluide caloporteur sur la périphérie du tube est maintenue, ce qui entraîne un écoulement en conséquence régulier dudit fluide ca- loporteur et empêche des déformations du tube ou des détériorations. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représenté, sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de concentrer une lessive alcaline, et dans lequel un film de lessive, s'écoulant vers le bas contre la face interne d'au moins un tube d'évaporation, est échauffé par un fluide caloporteur dirigé de bas en haut contre la face externe dudit tube, procédé caractérisé par le fait que, pour empêcher des échauffements critiques de la surface d'évaporation, la vitesse d'écoulement dudit fluide caloporteur dans un tronçon chauffant supérieur est choisie moins grande que dans les tronçons sous-jacents. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que la vitesse d'écoulement est ré- duite continûment dans le tronçon supérieur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la quantité de fluide caloporteur, prenant part à la transmission de chaleur au film de lessive, est réduite dans le tronçon supérieur. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe chauffante (5; 15), entourant coaxialement le tube cylindrique d'évaporation (1) parcouru par un film descendant de lessive, comporte une région infé- rieure cylindrique étroite, reliée à un tube de raccor- dement (6) permettant l'admission de fluide calopor- teur, ainsi qu'un tronçon supérieur (5a; 15a) évasé radialement et débouchant dans un tube de raccordement (8) permettant l'évacuation dudit fluide caloporteur. 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé par le fait que le tronçon évasé (5a; 15a) de l'enveloppe chauffante présente au moins partiellement une forme cylindrique ou conique. 6. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé par le fait que, dans le tronçon évasé (15a) de l'enveloppe chauffante (15),pénètre une région extrême (15b) de ladite enveloppe, qui, percée d'orifices (16), constitue le prolongement de la partie inférieure cy- lindrique de ladite enveloppe chauffante. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé par le fait que la face interne de la région extrême perforée (15b) comporte des plots (17) unifor- mément répartis sur sa périphérie.