Brevet FR2533138A1 — publié le 19840323

-1 2533138 La présente invention concerne un procédé d'évaporation d'une solution utilisant une installation d'évaporation par recompression qui se compose d'une ou plusieurs unités d'évaporation et éventuellement également d'un appareil pour la distillation de ladite solution ou d'un autre liquide La présente invention a pour objet d'augmenter la teneur en solides secs pouvant être atteinte lors d'une évaporation par recompression d'une solution jusqu'à une valeur considérablement supérieure à celle qu'il a été possible d'obtenir en pratique jusqu'à maintenant et d'obtenir ce résultat sans augmenter la consommation d'énergie pour ladite évaporation par recompression. La concentration de solutions par évaporation est effectuée in- tensivement dans -diverses industries Par exemple, dans l'industrie chimi- que de la pulpe de bois, il se produit une évaporation de grandes quantités de liqueur résiduelle du processus de digestion La liqueur évaporée est ensuite brûlée dans un four o de la vapeur est produite et à partir duquel les substances chimiques inorganiques existant dans la liqueur sont récu- pérées pour la production de substances chimiques de digestion fraîches A l'heure actuelle, on utilise le plus couramment comme installation d'éva- poration ce qu'on appelle un évaporateur à étages multiples. Ces dernières années, le prix du combustible a augmenté très rapidement et considérablement plus rapidement que le prix de l'électri- cité En conséquence, l'autre type principal d'installation, à savoir l'évaporateur à recompression, est dans de nombreuses applications bien plus économique que l'évaporateur à étages multiples. Dans les deux types principaux précités d'installation d'évapora- tion, la chaleur nécessaire pour la vaporisation du solvant (généralement de l'eau) est transmise à la solution au moyen d'une surface de chauffage. La solution à évaporer s'écoule d'un côté de la surface de chauffage et une vapeur se trouvant à une température de condensation plus élevée que la température de la solution est condensée sur l'autre côté de ladite surface de chauffage. La viscosité d'une solution augmente généralement considérable- ment lorsque la solution est concentrée par évaporation Quand la viscosité de la solution augmente, la transmission de chaleur est réduite de sorte qu'il est nécessaire d'utiliser une plus grande surface de chauffage et/ou une plus grande différence de température entre la vapeur condensée et la solution. En outre, lorsqu'une solution est évaporée jusqu'à une concen- tration élevée, il se produit souvent une précipitation de matière inor- ganique et/ou organique qui se fixe à un degré considérable sur la surface -2 2533138 de chauffage sous la forme d'incrustations, en provoquant ainsi une autre altération de la transmission de chaleur et en rendant nécessaire le net- toyage de l'unité d'évaporation concernée à intervalles réguliers. L'élévation du point d'ébullition d'une solution, c'est-à-dire 1 différence entre la température de la solution en ébullition et la température de condensation de la vapeur produite, augmente également lorsque 1 concentration augmente. En conséquence de ces phénomènes physiques, il se produit une augmentation rapide à la fois des frais d'investissement et des frais d'exploitation, calculés par quantité de solvant évaporé, à mesure que la concentration de la solution à évaporer augmente Il en résulte que la limite économique et pratique de l'évaporation de par exemple une liqueur noire correspond à l'heure actuelle à une concentration finale d'environ % de solides secs, bien que, du point de vue de la combustion et de l'économie de chaleur, il soit souhaitable de pousser l'évaporation bien plus loin L'évaporation d'une liqueur noire au-dessus d'environ 60 % de solides secs nécessite également normalement ce qu'on appelle des unités d'évaporation à circulation forcée qui sont plus coûteuses, à la fois en ce qui concerne les frais d'investissement et les frais d'exploitation, que par exemple des unités Kestner qui peuvent être utilisées pour une évapo- ration jusqu'approximativement 60 % de solides secs. Dans la demande de brevet finlandais N O 51 835, on décrit une installation d'évaporation par recompression pour une solution, dans laquelle le liquide est évaporé en deux étages parmi lesquels le premier étage est équipé d'une unité de recompression afin de comprimer mécanique- ment les vapeurs sortant du premier étage d'évaporation et de renvoyer lesdites vapeurs avec un excès de chaleur, sous la forme d'un agent de chauffage indirect, pour assurer l'évaporation d'une autre partie de solu- tion dans le premier étage, le surplus de vapeur provenant du premier étag E étant utilisé pour l'évaporation de la solution dans le second étage. Cependant, dans une installation d'évaporation par recompression, la vapeur comprimée devient considérablement surchauffée Il est bien connt que, lors de la concentration d'une vapeur surchauffée, la transmission de chaleur est plus lente qu'avec une vapeur saturée si le degré de surchauffe est notable En conséquence, dans des installations d'évaporation par re- compression, la surchauffe de la vapeur est habituellement éliminée en mouillant la vapeur avec du condensat avant qu'elle soit transférée dans l'unité d'évaporation pour une condensation. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients résultant d'une grande viscosité, d'une valeur élevée du point d'ébullition et d'une formation d'incrustations lors de l'évaporation de solutions jusqu'à des hautes concentrations, comme par exemple la liqueur noire. Selon une particularité de l'invention, celle-ci concerne un procédé pour l'évaporation d'une solution en utilisant une installation d'évaporation par recompression se composant d'une ou plusieurs unités d'évaporation et éventuellement également d'un appareil pour la distilla- tion de ladite solution ou d'un autre liquide, le procédé étant caractérisé par le fait que, après évaporation par l'unité d'évaporation, la solution est mélangée avec de la vapeur surchauffée provenant de l'appareil de recompression de manière à chauffer et concentrer davantage ladite solu- tion, et que la solution chauffée et plus concentrée est ensuite séparée de la vapeur. Conformément à l'invention, la solution est concentrée d'abord par évaporation d'une manière connue dans une installation d'évaporation par recompression dans laquelle la chaleur nécessaire pour l'évaporation est fournie à la solution indirectement par une surface de chauffage par l'intermédiaire d'une condensation de vapeur sur la surface de chauffage d'une ou plusieurs unités d'évaporation Cette vapeur se compose de la vapeur qui est principalement formée par évaporation de la solution dans les unités d'évaporation précitées mais sa température et sa pression sont augmentées par compression de manière à obtenir la différence de tempéra- ture nécessaire pour assurer la transmission de chaleur au travers de la surface de chauffage Cependant cette compression provoque une forte surchauffe de la vapeur, c'est-à-dire que sa température augmente consi- dérablement plus que sa température de saturation (température de conden- sation) Plus le rendement du compresseur est faible, plus la différence proportionnelle entre lesdites températures augmente Pour un rendement de %, qui est une valeur normale pour un bon compresseur centrifuge, l'augmentation de température de la vapeur est approximativement de 4,6 fois l'augmentation de la température de saturation de la vapeur Si par exemple de la vapeur saturée à 100 'C est comprimée à un degré tel que sa température de condensation augmente jusqu'à 1240 C, sa température augmente jusqu'à 210 'C. Conformément à la présente invention, cette surchauffe de la vapeur comprimée est utilisée pour l'évaporation finale de la solution qui a été soumise à une pré-évaporation de la manière décrite ci-dessus Cette évaporation est réalisée en mélangeant la solution sous une forme finement divisée avec la vapeur surchauffée et il se produit alors un échange de chaleur et de matière entre la solution et la vapeur A l'équilibre ther- modynamique, la température de la solution est la même que la température -de la vapeur et elle dépasse la température de condensation de la vapeur à un degré tel que le point d'ébullition de la solution est augmenté après que la solution a été évaporée de cette manière Du fait de la grande zone de contact entre la solution et la vapeur, le mélange se rapproche rapide- ment de l'équilibre thermodynamique Cette évaporation directe s'effectue en conséquence très rapidement de sorte que la solution peut être séparée de la vapeur au bout d'un court temps de contact. Après cette séparation, la surchauffe de la vapeur est un peu supérieure à l'élévation du point d'ébullition de la solution évaporée. Cette surchauffe peut être éliminée d'une manière connue en mouillant la vapeur avec du condensat avant que la vapeur soit transférée dans les unités d'évaporation. Pendant cette évaporation directe, la température et la pression de vapeur de la solution augmentent La solution peut par conséquent subir une évaporation supplémentaire sans addition de chaleur en la faisant passer dans un récipient de détente qui est relié, au moyen d'un tuyau de vapeur, par exemple au tuyau d'aspiration du compresseur. Le procédé conforme à l'invention procure plusieurs avantages 1 Du faitque l'évaporation finale de la solution est effectuée en utilisant de la chaleur transférée directement à partir de vapeur sur- chauffée et par détente ultérieure de la solution, on élimine le problème de l'incrustation sur les surfaces de chauffage Par application du procéd selon l'invention, il est ainsi possible de faire évaporer la solution. jusqu'à une concentration finale supérieure à ce qui serait possible d'obtenir économiquement et pratiquement avec la technologie connue. 2 Du fait que le potentiel de la vapeur surchauffée est utilisé dans l'évaporation finale pour chauffer et vaporiser partiellement le liquide, cette évaporation finale est effectuée sans addition d'énergie supplémentaire Dans la technologie connue, ce potentiel d'évaporation de la solution n'est pas utilisé mais il est perdu lorsque la vapeur sur- chauffée se condense dans les unités d'évaporation ou bien lorsqu'elle est mouillée avec du condensat. 3 L'équipement nécessaire est simple et se compose de a/ une pompe et une tuyère ou un autre agencement pour diviser finement la solution et la mélanger avec la vapeur surchauffée, b/ un cyclone ou un autre dispositif pour reséparer la solution de la vapeur, c/ un récipient de détente pour l'évaporation avec détente de le solution chaude. -5 2533138 La présente invention va être décrite de façon plus détaillée dans la suite en référence au dessin annexé dans lequel: La figure 1 est un diagramme montrant comment la viscosité d'une liqueur résiduelle typique provenant d'une installation de traitement de pulpe sulfatée (appelée liqueur noire) dépend de la teneur en solides secs et de la température de la liqueur de déchet, La figure 2 est un diagramme donnant la relation entre l'éléva- tion du point d'ébullition ( O C) et la teneur en solides secs (%) pour une liqueur noire typique, et La figure 3 est un schéma simplifié du circuit correspondant à l'extrémité de sortie d'une installation d'évaporation par recompression qui a été modifiée pour utiliser le procédé conforme à l'invention. Sur la figure 3, on a désigné par 1 l'unité d'évaporation finale intervenant dans une installation d'évaporation par recompression se com- posant d'une ou plusieurs unités L'unité d'évaporation 1 est pourvue d'un tuyau d'entrée 9 pour la solution et d'un tuyau de sortie 10 pour la solution qui a été évaporée dans l'unité 1 De la chaleur est transmise indirectement à la solution se trouvant dans l'étage d'évaporation 1 au moyen de vapeur 13 provenant de l'appareil de recompression ou d'un étage d'évaporation précédent Le condensat est évacué de l'unité d'évaporation 1 par l'intermédiaire du tuyau 14 La vapeur dégagée de la solution par suite de la transmission indirecte de chaleur est évacuée de l'unité d'évapora- tion i par la canalisation 15. La référence 4 désigne une cuve de stockage de la solution qui a été concentrée, la référence 6 désigne un appareil de recompression pour la compression de la vapeur provenant de l'étage d'évaporation finale 1 et éventuellement également d'autres unités d'évaporation Normalement l'ap- pareil de recompression 6 est de type "mécanique", par exemple un compres- seur centrifuge ou bien plusieurs compresseurs centrifuges reliés en série, mais il peut également être de type "thermique", c'est-à-dire un éjecteur ou plusieurs éjecteurs reliés en série, le fluide d'entraînement étant constitué par de la vapeur à pression élevée. A la différence des unités d'évaporation par recompression de types connus, la solution concentrée qui est évacuée de l'unité d'évapo- ration finale 1 par l'intermédiaire de la canalisation 10 n'est pas trans- férée directement dans la cuve de stockage-4 Le liquide passant dans la canalisation 10 est au contraire d'abord amené jusqu'à une tuyère 7 o il est finement divisé et mélangé avec la vapeur comprimée surchauffée pro- venant de l'appareil de recompression 6, qui est relié -au moyen d'une canalisation 16 avec la tuyère 7, et ensuite le mélange est canalisé par -6 2533138 l'intermédiaire du tuyau 17 de la tuyère 7 jusqu'à un cyclone 2 pour la reséparation de la solution plus concentrée par rapport à la vapeur re- froidie qui est transférée par l'intermédiaire d'une canalisation 18 jusqu'à une ou plusieurs unités d'évaporation, par exemple l'unité d'éva- poration 1 par l'intermédiaire du tuyau 13 Le liquide plus concentré est transféré depuis le cyclone 2, par l'intermédiaire d'un tuyau 11, jusqu'à un récipient de détente 3 en vue d'une évaporation par détente de la solution concentrée chaude, qui est finalement canalisée par l'intermé- diaire du tuyau 12 jusqu'à la cuve de stockage 4 La vapeur dégagée au cours de l'évaporation par détente dans le récipient de détente 3 est évacuée par l'intermédiaire d'un tuyau 20, qui est relié directement ou indirectement au tuyau d'aspiration 8 de l'appareil de recompression. Exemple Le degré d'augmentation de la concentration finale jusqu'à laquelle on peut faire évaporer une solution par utilisation de l'inven- tion, par comparaison à la technologie connue, est fonction d'un certain nombre de facteurs comme par exemple le type de solution, les concentra- tions initiale et finale de la solution, ainsi que le raccordement et les dimensions de l'installation d'évaporation par recompression. La liqueur noire provenant d'une installation de traitement de pulpe sulfatée est soumise à évaporation depuis une concentration initiale de 15 % jusqu'à une concentration de 65 % par transmission indirecte de cha- leur dans les unités d'évaporation d'une installation de recompression Or pourrait ensuite faire évaporer finalement la liqueur noire à 65 % jusqu'à 75 % avec l'installation représentée sur la figure 3 par transmission directe de chaleur provenant de la vapeur recomprimée et surchauffée Poux une installation de traitement de pulpe sulfatée produisant 1 000 tonnes c pulpe par jour, l'économie d'énergie réalisée avec ce procédé serait de 210 000 GJ p a, qui est équivalente à environ 7, 2 millions F/an sur la base d'un prix de combustible de 1 400 F/t. -7 2533138 REVENDICATIONS 1 Procédé pour l'évaporation d'une solution en utilisant une installation d'évaporation par recompression se composant d'une ou plu- sieurs unités d'évaporation ( 1) et éventuellement également d'un appareil pour la distillation de ladite solution ou d'un autre liquide, caractérisé par le fait que, après évaporation dans l'unité d'évaporation ( 1), la solution ( 10) est mélangée ( 7) avec-de la vapeur surchauffée ( 16) provenant de l'appareil de recompression ( 6) de manière 'à chauffer et concentrer davantage ladite solution et que la solution chauffée et plus concentrée ( 11) est ensuite séparée ( 2) de la vapeur ( 18). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la solution chauffée et séparée ( 11) est soumise à une vaporisation par détente ( 3) pour provoquer une évaporation supplémentaire - 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la vapeur ( 20) obtenue par vaporisation par détente ( 3) de la solution ( 11) est recomprimée ( 6) et est refroidie ( 7) avec du liquide évaporé ( 10).