Brevet FR2510420A1 — publié le 19830204

- 1 La présente invention concerne les évaporateurs à flot descendant utilisés, en particulier, pour la concen- tration par évaporation de liquides sensibles à la chaleur, par exemple des jus sucrés, et dans lesquels le liquide à concentrer s'écoule en couche mince sur la surface inté- rieure des tubes verticaux d'un faisceau chauffés extérieu- rement par de la vapeur. Dans les appareils de ce type, il est essentiel que le liquide à concentrer soit réparti uniformément en- tre tous les tubes du faisceau C'est pourquoi de nombreux dispositifs de répartition du liquide ont été étudiés et proposés Les dispositifs connus comportant soit une pla- que perforée disposée au-dessus de la plaque tubulaire du faisceau, soit des moyens placés à l'entrée des tubes pour réduire à une faible valeur la section de passage offerte au liquide Ces dispositifs ne sont plus efficaces lorsque le liquide contient des solides en suspension car ceuxci obstruent rapidement les trous de la plaque ou les passa- ges à section réduite à l'entrée des tubes. On a également proposé d'effectuer une division par étapes du flot de liquide au moyen d'un grand nombre d'auges superposées, le liquide débordant des auges supé- rieures dans les auges placées au-dessous et tombant fina- lement des auges inférieures sur la plaque tubulaire Cet- te solution ne convient pas pour le traitement de produits incrustants, car il se forme sur les bords des auges des dépôts qui créent des passages préférentiels et rendent le dispositif inefficace. Par ailleurs, il est nécessaire, pour un bon fonc- tionnement de l'évaporateur, que le débit de liquide s'écou- lant dans chaque tube soit compris entre deux limites cor- respondant à un mouillage optimal du tube Généralement, le débit d'alimentation est insuffisant et une solution clas- sique consiste à effectuer un recyclage du produit sortant. Cette solution présente deux inconvénients: elle provo- que une dispersion importante des temps de séjour des di- verses fractions du produit dans l'évaporateur avec des -2- conséquences néfastes sur la qualité de certains produits sensibles à la chaleur et une diminution du coefficient d'échange thermique du fait de l'élévation de la concentra- tion du produit en circulation qui est proche de la concen- tration de sortie. Le but de la présente invention est d'améliorer les performances des évaporateurs de ce type en réalisant une meilleure répartition du liquide entre tous les tubes et en augmentant, sans recyclage, le débit de liquide s'é- coulant dans chaque tube de façon à obtenir un mouillage optimal du tube. Suivant une première caractéristique de l'inven- tion, on utilise en combinaison avec un dispositif de ré- partition du liquide sur la plaque tubulaire supérieure des chapeaux placés au-dessus des tubes, à l'écart de leur extrémité supérieure pour empêcher le liquide de tomber dans la partie centrale des tubes. Les chapeaux peuvent être montés à l'extrémité supérieure de pièces dont la partie inférieure est intro- duite dans les tubes et dont la partie supérieure repose sur l'extrémité des tubes ou sur la plaque tubulaire Ces pièces peuvent être constituées par des profilés à trois ailes ou plus, au moins une des ailes comportant dans sa partie supérieure un épaulement par l'intermédiaire duquel la pièce repose sur l'extrémité du tube ou sur la plaque tubulaire A leur extrémité inférieure, les ailes sont tail- lées en biseau de manière que leurs bords libres se pro- longent vers le bas au-delà de la partie centrale du pro- filé La face supérieure du chapeau peut être munie de rai- nures radiales régulièrement disposées autour de son cen- tre pour réaliser une répartition uniforme du liquide sur toute sa périphérie Les profilés et les chapeaux peuvent être assemblés, par collage ou soudage, ou réalisés en une seule pièce par moulage; ils peuvent être en métal ou en matière plastique. Le dispositif de répartition sera avantageusement formé d'au moins une nappe de barres horizontales, écar- tées les unes des autres, chaque barre étant disposée au- -3- dessus d'une rangée de tubes du faisceau Plusieurs nappes de barres superposées peuvent être prévues avec des orien- tations différentes pour les barres, au moins celles de la nappe inférieure étant disposées comme indiqué ci-dessus. Ces barres peuvent être constituées par des tu- bes ou par des cornières disposées avec l'arête vers le haut. Selon une autre caractéristiquede l'invention, les espaces au-dessus de la plaque tubulaire supérieure et au-dessous de la plaque tubulaire inférieure sont divisés par des cloisons radiales, chaque cloison inférieure se trouvant dans un même plan vertical qu'une cloison supé- rieure, de façon à former dans l'évaporateur plusieurs sec- tions pouvant fonctionner indépendamment l'une de l'autre, et chaque section comporte son propre dispositif de répar- tition constitué comme décrit ci-dessus Avantageusement, les cloisons seront parallèles aux directions d'alignement des tubes du faisceau et les barres des différentes nappes seront parallèles aux cloisons Selon un mode de réalisa- tion préféré, les barres des dispositifs de répartition des différentes sections sont supportées par une virole cylin- drique reposant sur la plaque tubulaire supérieure et par les cloisons qui sont fixées à ladite virole et à un pilier central, cet ensemble constituant une unité amovible et remplaçable. De préférence, la tubulure d'alimentation de cha- que section comporte plusieurs branches, et plusieurs dé- flecteurs coniques, espacés verticalement les uns des au- tres et percés d'une ouverture en leur centre sont dispo- sés sous chaque branche, le diamètre extérieur et le dia- mètre de l'ouverture centrale de chaque déflecteur dimi- nuant du déflecteur supérieur au déflecteur inférieur. Un séparateur à action centrifuge peut être pla- cé dans la calandre constituant la partie inférieure de l'évaporateur pour séparer les gouttelettes de liquide de la vapeur produite Ce séparateur peut être formé de deux viroles concentriques délimitant le long de la paroi de -4- la calandre deux passages circulaires concentriques ayant une étendue angulaire supérieure à 270 , le passage inté- rieur communiquant avec l'espace central de la calandre par au moins une ouverture percée dans la virole intérieure et débouchant à une extrémité du passage extérieur et une tuyauterie de sortie de vapeur étant raccordée à l'autre extrémité du passage extérieur. La description qui suit se réfère aux dessins l'accompagnant qui montrent, à titre d'exemple non limita- tif, un mode de réalisation de l'invention et sur les- quels: La figure l est une coupe verticale d'un évapo- rateur réalisé conformément à l'invention; La figure 2 est une vue de dessus, sans couver- cle, de l'évaporateur de la figure 1, certains éléments du dispositif de répartition de liquide n'ayant pas été repré- sentés pour rendre la figure plus claire; - La figure 3 est une coupe suivant C-C de l'évapo- rateur de la figure 1. La figure 4 est une vue en élévation de l'une des pièces placées dans la partie supérieure des tubes de l'éva- porateur, le tube et la plaque tubulaire étant représentés en coupe La figure 5 est une vue de dessus de la pièce re- présentée sur la figure 4; La figure 6 est une vue en élévation d-'une pièce - pouvant être introduite dans la partie supérieure des tubes de l'évaporateur, à la place de la pièce de la figure 4 et La figure 7 est une vue suivant F de la pièce de la figure 6. L'évaporateur représenté sur les figures I à 3 est constitué par un faisceau de tubes verticaux 10 dont les extrémités sont fixées dans des trous de deux plaques tubu- laires 12 et 14 et une enveloppe 16 entourant le faisceau de tubes est fixée de manière étanche sur les bords des plaques tubulaires pour former avec celles-ci une chambre -5- de vapeur Le faisceau comporte un grand nombre de tubes espacés les uns des autres *t disposés de telle sorte qu'ils soient alignés suivant trois directions à 120 ; un seul tube a été représenté sur la figure 1 pour que celle- ci soit plus claire. Sur la plaque tubulaire supérieure 12 est sou- dée une virole cylindrique 18 dont le bord supérieur est muni d'une bride sur laquelle est fixé, au moyen de vis ou de boulons, un couvercle 20 Un dispositif de répartition du liquide est placé à l'intérieur de l'espace délimité par la plaque tubulaire 12, la virole 18 et le couvercle 20; il comporte un châssis reposant sur la plaque tubulaire 12 et constitué par une virole 22 dont le diamètre est légère- ment inférieur à celui de la virole 18, un pilier central 24 et trois cloisons radiales 26 reliant le pilier et la virole et faisant entre elles des angles de 1200 Ce châs- sis est disposé de telle sorte que les trois cloisons soient parallèles aux trois directions d'alignement des tubes 10. Le pilier 24 porte un anneau permettant le démontage du dis- positif, pour nettoyage ou réparation, au moyen d'un appa- reil de levage, et éventuellement son remplacement par un dispositif de secours. Les cloisons délimitent, à l'intérieur de la vi- role 22, trois compartiments identiques comportant le mê- me équipement Cet équipement est constitué par trois nap- pes superposées de tubes horizontaux 28 Dans chaque nappe, les tubes 28 sont parallèles entre eux et écartés les uns des autres, et chaque tube est disposé exactement au-des- sus d'une rangée de tubes 10, les orientations des tubes des trois nappes étant différentes et correspondant aux trois directions d'alignement des tubes 10. Les tubes 28 sont supportés par des fers plats percés de trous qui sont fixés sur la virole 22 et les cloi- sons 26 de telle sorte que les nappes soient verticalement espacées A la place des tubes, on pourrait utiliser des barres ayant une section appropriée; on pourrait notam- ment utiliser des cornières disposées avec leur arête vers le haut. -6- Sur la figure 1, on a représenté les tubes 28 d'un seul compartiment et sur la figure 2 on n'a montré qu'une partie des tubes 28 équipant l'un des compartiments, l'équipement des deux autres compartiments n'ayant pas été représenté. Pour chaque compartiment, on a prévu une tubulu- re d'alimentation à quatre branches 30 portée par le cou- vercle 20; une seule tubulure a été représentée sur les figures 1 et 2 pour rendre le dessin plus clair Chaque sec- tion de l'évaporateur délimitée par les trois plans verti- caux contenant les cloisons 26 peut ainsi être alimentée sé- par 6 ment Sous chaque branche de la tubulure 30 on a placé une série de déflecteurs coniques 32 superposés et percés d'une ouverture centrale, le diamètre des déflecteurs et de l'ouverture centrale diminuant du déflecteur supérieur au déflecteur inférieur Les déflecteurs 32 permettent de distribuer le liquide sur les tubes de la nappe supérieure. Par capillarité, le liquide s'étale sur toute la longueur des tubes puis tombe sur les tubes de la nappe intermédiai- re o le même phénomène se reproduit; il tombe ensuite sur les tubes de la nappe inférieure et enfin sur la plaque tu- bulaire Etant donné qu'au dessus de chaque rangée de tubes et sur toute sa longueur se trouve un tube 28, le liqui- de sera réparti sur toute la plaque tubulaire, entre les rangées de tubes Il faut noter que seule la disposition des tubes 28 de la nappe inférieure parallèlement aux ran- gées de tubes 10 et au-dessus de celles-ci est importante les autres nappes n'ont pour but que de distribuer le li- quide sur les tubes de la nappe inférieure et leurs tubes pourraient être orientés différemment On pourrait aussi ne prévoir que deux nappes ou ne conserver que la nappe infé- rieure si le dispositif de distribution associé aux tubulu- res d'alimentation est assez efficace. Bien que les tubes 28 de la nappe inférieure soient disposés au-dessus des rangées de tubes 10, il pour- rait arriver que des filets liquides tombent dans la partie centrale de ces derniers, ce qu'il faut éviter Pour cela, -7 - on a disposé dans chaque tube, à son extrémité supérieure, une pièce 34 munie d'un chapeau qui protège l'entrée du tu- be Dans le mode-de réalisation des figures 4 et 5, cette pièce est constituée par un profilé à section en T 36 sur lequel le chapeau 38 est fixé par des points de soudure. Une aile du profilé est découpée de façon à former, à son extrémité supérieure, un épaulement 40 par lequel la pièce repose sur l'extrémité du tube La pièce pourrait égale- ment reposer sur la plaque tubulaire si le tube affleurait la face supérieure de la plaque Les 3 ailes du profilé. sont taillées en biseau, à leur extrémité inférieure, com- me montré sur la figure 4, de telle sorte que le liquide s'écoulant sur ces ailes soit dirigé vers la surface inté- rieure du tube Dans ce mode de réalisation, le chapeau 38 est plat et a un diamètre approximativement égal au diamè- tre extérieur du tube 10; il pourrait être bombé et avoir un diamètre légèrement supérieur à celui du tube. Les figures 6 et 7 montrent une autre forme de réalisation d'une pièce 34 Cette pièce est réalisée en ma- tière plastique moulée; elle comporte trois ailes dispo- sées à 1200 et des rainures radiales 42 sont prévues sur la face supérieure du chapeau pour assurer une meilleure répartition, sur toute sa périphérie, du liquide qu'il re- çoit. Etant donné que les chapeaux sont nettement écar- tés de l'extrémité des tubes 10 et que la section de la par- tie des pièces introduites dans les tubes est faible par rap- port à la section des tubes, il n'y a pas de risque d'obs- truction de l'entrée des tubes par les impuretés que peut contenir le liquide à concentrer. Une calandre 44 est fixée sous la plaque tubulaire inférieure 14 Elle est divisée en trois compartiments par des cloisons 45 disposées à 120 dans les mêmes plans ver- ticaux que les cloisons 26; chaque compartiment comporte à sa base un orifice de sortie 47. Un dispositif de séparation des gouttelettes en- traînées par la vapeur est disposé sous la plaque tubulaire 8- 14, dans la calandre 44 Ce dispositif est constitué par deux viroles 46 et 48 délimitant entre elles et avec la pa- roi de la calandre deux passages circulaires 50 et 52 con- centriques dont l'étendue angulaire est comprise entre 270 et 3600 Ces deux passages sont fermés à leur partie supé- rieure par un toit annulaire incliné 54 et à leur base par un système de chicanes 56 permettant l'écoulement vers l'in- térieur de la calandre du liquide séparé recueilli dans les passages 50 et 52. Deux des compartiments délimités par les cloisons 26 communiquent avec le passage intérieur 50 par des ouver- tures de grande section 58 et 60 prévues dans la virole 46. La vapeur produite dans les sections de l'évaporateur cor- respondant à ces compartiments pénètre dans le passage 50 à travers ces ouvertures et s'écoule, comme indiqué par les flèches sur la figure 3, jusqu'à l'entrée du passage 52 o elle se mélange à la vapeur provenant du troisième compar- timent à travers une ouverture 62 de la virole 46 Le débit total de vapeur s'écoule alors dans le passage extérieur 52, jusqu'à l'orifice de sortie de vapeur 64 Pendant le trajet de la vapeur dans les passages 50 et 52, les gouttelettes de liquide sont séparées de la vapeur par la force centrifu- ge et se déposent respectivement sur la virole 48 et sur la paroi 44 de la calandre d'o elles s'écoulent vers le bas, par gravité, jusque dans la calandre, à travers les chicanes 56. Le bord supérieur des ouvertures 58, 60 et 62 et leur côté vertical opposé à la cloison 45 adjacente sont bordés par des gouttières 66 qui dévient le liquide tombant du toit 54 et évitent la formation, devant les ouvertures, d'un rideau de liquide que la vapeur devrait traverser. Les trois sections de l'évaporateur sont reliées en série et traversées successivement par le liquide à con- centrer; les liaisons entre les différentes sections sont réalisées par des moyens classiques, par exemple au moyen de pompes centrifuges Cette solution permet, pour un débit donné de liquide, d'obtenir un meilleur mouillage des tu- bes 10, sans avoir à effectuer une recirculation et d'avoir -9 - ainsi un temps de séjour pratiquement identique pour toute particule du liquide On obtient dans chaque section de l'é- vaporateur une concentration moyenne du liquide à concentrer plus faible que celle rencontrée dans un appareil fonction- nant avec recirculation d'o il résulte une amélioration du coefficient d'échange thermique de chaque section et, par conséquent, de l'évaporateur, une diminution des colorations et une atténuation sensible des détériorations dans le cas de produits thermosensibles. La vapeur de chauffage est introduite dans la cham- bre de vapeur par l'orifice 68; en se condensant elle cède de la chaleur au liquide s'écoulant sur la surface intérieure des tubes 10 La vapeur est efficacement répartie sur toute la section du faisceau de tubes par une virole intérieure 70 qui assure de plus la protection des tubes 10 placés en face de l'orifice 68 Des sorties d'eau condensée et d'inconden- sables lourds sont prévues à la partie inférieure de l'enve- loppe 16 Des sorties de vapeur sont prévues à la partie su- périeure de l'enveloppe pour le cas ou on veut réaliser un balayage du faisceau en admettant de la vapeur en excès ce balayage permet d'éliminer les incondensables légers. Le liquide et la vapeur produite s'écoulent de haut en bas le long des tubes 10 jusque dans la calandre 44 le liquide tombe au fond de la calandre, dans un des compar- timents, d'o il est extrait par une pompe pour être renvoyé dans la section suivante de l'évaporateur ou à un autre sta- de de fabrication tandis que la vapeur traverse le disposi- tif de séparation et est evacuée par l'orifice 64. Bien que l'évaporateur décrit ci-dessus comporte trois sections reliées en série, ce nombre n'est évidemment pas limitatif et est choisi, dans chaque cas, pour obtenir un mouillage optimal des tubes Si le débit d'alimentation est suffisant, l'évaporateur sera utilisé de façon classi- que avec passage unique du produit à concentrer. De nombreuses modifications, dont certaines ont été exposées ci-dessus, peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et par l'emploi de moyens techniques - 6 quivalents, il est bien entendu qu'elles entrent toutes dans le cadre de l'invention. 11 - R E V E N D I C A T I O N S 1 Evaporateur à flot descendant comportant un faisceau de tubes verticaux dont les extrémités sont fix 6 es à des plaques tubulaires supérieure et inférieure caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison un dispositif de ré- partition du liquide sur la plaque tubulaire supérieure et des chapeaux placés au-dessus des tubes du faisceau, à l'6 cart de leur extrémité sup 6 rieure, pour empêcher le liquide à concentrer de tomber dans la partie centrale des tubes. 2 Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chapeaux sont mont 6 S à l'extrémité supérieure de pièces dont la partie inférieure est introduite dans les tubes du faisceau et dont la partie supérieure repose sur l'extr 6 mité des tubes ou sur la plaque tubulaire supé- rieure. 3 Evaporateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les pièces munies deschapeaux sont constituées par des profilés à trois ailes ou plus, au moins une des ai- les comportant dans sa partie supérieure un épaulement par l'intermédiaire duquel elle repose sur l'extrémité du tube ou sur la plaque tubulaire supérieure. 4 Evaporateur selon la revendication 3, caract 6 risé en ce que l'extrémité inf 6 rieure des ailes des profilés sont taillées en biseau, le bord des ailes se terminant plus bas que la partie centrale du profile. Evaporateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le profilé et le chapeau sont en métal et le chapeau est fixé par soudure sur l'extrémité supérieure du profilé. 6 Evaporateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le profilé et le chapeau sont réalisés en une seu- le pièce par moulage. 7 Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face supérieure du chapeau est munie de rainures radiales régulièrement disposées autour de son centre. 12 - 8 Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de ré- partition est constitué par au moins une nappe de barres horizontales, écartées les unes des autres, chaque barre étant disposée au-dessus d'une rangée de tubes du fais- ceau. 9 Evaporateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de répartition est constitué par plu- sieurs nappes superposées de barres horizontales, les barres de chaque nappe étant parallèles entre elles et l'orientation des barres de chaque nappe étant diffé- rente de celle des autres nappes. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les espaces au-des- sus de la plaque tubulaire supérieure et au-dessous de la plaque tubulaire inférieure sont divisés par des cloi- sons radiales, chaque cloison inférieure se trouvant dans le même plan vertical qu'une cloison supérieure de façon à former dans l'évaporateur plusieurs sections pouvant fonctionner indépendamment l'une de l'autre et chaque section comporte son propre dispositif de répartition. 11 Evaporateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les dites cloisons radiales sont parallèles aux di- rections d'alignement des tubes du faisceau et le dis- positif de répartition de chaque section de l'évapora- teur est constitué par plusieurs nappes superposées de barres horizontales, les barres de chaque nappe étant parallèles à l'une des cloisons et l'orientation des barres de chaque nappe étant différente de celles des autres nappes. 12 Evaporateur selon la revendication 8, 9-ou 11, caracté- risé en ce que les barres sont supportées par une viro- le cylindrique reposant sur la plaque tubulaire supé- rieure et en ce que cet ensemble constitue une unité remplaçable. 13 Evaporateur selon la revendication 8, 9, Il ou 12, ca- ractérisé en ce que les barres sont constituées par des tubes. 13 - 14 Evaporateur selon la revendication 8, 9, 11 ou 12, ca- ractéris 6 en ce que les barres sont constitu 6 es par des cornières disposées avec leur arête vers le haut. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caract 6 ris 6 en ce que le dispositif de ré- partition comporte en outre une tubulure d'alimentation à plusieurs branches et en ce que plusieurs déflecteurs coniques, espacés verticalement les uns des autres et percés d'une ouverture en leur centre, sont disposes sous chaque branche, le diamètre extérieur et le dia- mètre de l'ouverture centrale de chaque déflecteur di- minuant du déflecteur supérieur au déflecteur infé- rieur. 16 Evaporateur selon l'une quelconque des revendications préc 6 dentes, caractérisé en ce qu'il comporte un sé- parateur à action centrifuge placé dans une calandre constituant la partie inférieure de l'évaporateur, et formé de deux viroles concentriques délimitant le long de la paroi de la calandre, deux passages circulaires concentriques ayant une étendue angulaire supérieure A 270 , le passage intérieur communiquant avec l'es- pace central de la calandre par au moins une ouvertu- re percée dans la virole intérieure et débouchant à une extrémité du passage extérieur et une tuyauterie de sortie de vapeur étant raccordée à l'autre extré- mité du passage ext 6 rieur.