Brevet FR2569130A1 — publié le 19860221

Procédé et dispositif de cristallisation continue, notamment du saccharose. L'invention concerne la cristallisation continue, et principalement la cristallisation du saccharose. La cristallisation continue du saccharose s'opère dans des cristallisateurs-évaporateurs dans lesquels on réalise le grossissement de cristaux, provenant de l'extérieur, ou produits dans le cristalliseur par nucléation controlée. Ces cristaux sont nourris, tout au long de leur parcours, par une liqueur aqueuse sucrée, concentrée mais sous-saturée, que l'on sursature par évaporation à l'intérieur de l'appareil. Lorsque la nucléation n'est pas réalisée dans l'appareil lui-même, on la réalise dans un appareil séparé, et l'on obtient une masse-cuite de "pied", contenant les petits cristaux que l'on va faire grossir dans le cristalliseur continue. On rappelle qu'on appelle "masse-cuite" dans la terminologie sucrière le mélange constitué par les cristaux (phase solide) et l'eau-mère sursaturée qui les entoure (phase liquide). On peut également produire un "pied" avec des cristaux de petite taille que l'on mélange avec une liqueur sursaturée, le mélange étant dénommé "magma". Les cristallisateurs continus sont généralement des réacteurs horizontaux, compartimentés ou non, contenant un échangeur de chaleur, alimenté par de la vapeur, afin de provoquer l'ébullition de la masse-cuite. De tels réacteurs compartimentés sont connus par exemple dans les brevets français n 1581088 et 2154898. Des réacteurs continus non compartimentés sont connus par exemple par les brevets français n 2 144 945 et 2 305 496 au nom du Demandeur. L'ébullition obtenue à basse température grâce au vide (ou plus exactement aux pressions subatmosphériques) régnant dans l'appareil, est nécessaire pour ne pas dégrader les sucres et impuretés organiques qui les accompagnent. Elle permet de concentrer la masse-cuite, diluée par la solution nourricière qui 2 256 9130 est fournie tout au long du parcours. Ainsi l'opération de cristallisation, en sucrerie ou raffinerie, a un double but. Elle permet de séparer le saccharose d'une solution contenant, outre du saccharose, d'autres produits solubles dénommés "impuretés". Cette opération permet d'obtenir des cristaux beaucoup plus purs que la solution qui a servi à les faire grossir, c'est donc une opération de purification. D'autre part, elle permet d'obtenir du saccharose en phase solide, facile à conserver et à conditionner. Pour des raisons techniques et commerciales, il est important de produire des cristaux de taille régulière. Le but de l'invention est d'améliorer les procédés et dispositif de cristallisation continue connus, notamment sous le rapport du rendement de cristallisation, et donc de la production. Pour atteindre ce but, l'invention propose un procédé du type selon lequel on fait progresser le long d'un trajet de traitement dans un réacteur un mélange de cristaux entourés d'eau- mère,on alimente le mélange en liqueur nourricière au fur et à mesure de sa progression dans le réacteur, cette liqueur étant destinée à fournir l'apport nécessaire au grossissement des cristaux, et on provoque l'ébullition du mélange, à l'aide d'une surface de chauffage, en vue d'obtenir la concentration du mélange dilué par la liqueur nourricière. Conformément à l'invention, on intensifie, le long du trajet de traitement, le brassage du mélange de manière à maintenir le taux spécifique de cristallisation sensiblement à une valeur constante optimale sur la plus grande partie du trajet. En effet, comme on l'expliquera plus loin, les recherches et expériences réalisées par le Demandeur ont montré que dans les procédés connus, la progression de la cristallisation s'accompagne d'une augmentation de la viscosité de la masse-cuite freinant le brassage, ce qui conduit en l'absence de tout palliatif, à une évolution défavorable du taux de cristallisation le long du trajet. Selon un aspect original avantageux de l'invention, on intensifie le brassage en modifiant le régime d'ébullition du 3 -o2569130 mélange. On détaillera plus loin les différents moyens particuliers de ce moyen général. Quoique l'ensemble des phénomènes régissant la conduite d'un réacteur de cristallisation soit particulièrement complexe, et que le Demandeur n'entende pas être lié par les considérations scientifiques qu'on va développer, il semble que l'intérêt de l'invention s'explique au moins en partie comme suit. Le taux spécifique de cristallisation T est la quantité de matière (saccharose) déposée, par unité de temps, sur l'unité de surface d'un cristal, Il dépend de quatre facteurs principaux: 1. La pureté de la solution nourricière. Les solutions traitées contiennent toujours des matières minérales ou organiques solubles qui gênent la cristallisation du saccharose. Le taux T baisse avec l'augmentation du pourcentage d'impuretés contenues. 2. La sursaturation de l'eau-mère. Elle doit être maintenue à sa valeur la plus élevée de la zone "métastable" (o les cristaux grossissent mais o de nouveaux cristaux ne se forment pas), c'est-à-dire le plus près possible de la zone "labile" (o de nouveaux cristaux se forment) mais sans l'atteindre pour ne pas risquer la formation de "faux grains". Le taux T est fonction directe de la sursaturation. 3. La température. Le taux T est fonction directe de la température. Le fait de passer de 70 à 80 C double la valeur de T. Mais il ne faut pas monter au-dessus de 90 C en pratique pour ne pas détruire les produits en fabrication, organiques, donc sensibles à la chaleur. 4. Le brassage de la masse-cuite. Lorsque la masse-cuite est immobile, les molécules de saccharose s'approchent de la surface des cristaux, sur lesquels elles vont se fixer, uniquement par un phénomène de diffusion. Comme l'eau-mère est très visqueuse, ce déplacement est lent et limite le taux T. Un brassage de la masse-cuite permet de mettre, en permanence, en contact des cristaux de nouvelles molécules de saccharose et augmentent la valeur du taux, lequel est presque 4 2569130 proportionnel au brassage. Il y a donc un compromis entre la sursaturation, qui provoque une augmentation de la viscosité et freine le brassage, et ce dernier, pour, à une certaine température, atteindre la valeur optimum du taux de cristallisation. La masse de produit déposé sur un cristal dans le temps est égale au produit de sa surface par le taux de cristallisation. Pour obtenir le meilleur rendement d'un cristalliseur, il faut optimiser le taux et maintenir toujours la plus grande surface de fixation possible, c'est-à-dire le plus de cristaux possible. On pourrait être tenté de remplir le réacteur du plus grand nombre possible de cristaux de très petite taille, ce qui conduit à une plus grande surface qu'avec de gros cristaux peu nombreux. Néanmoins les contraintes commerciales et, dans certains cas techniques, font que la taille finale des cristaux est toujours déterminée et que le grossissement est limité, pour les mêmes raisons à un rapport de taille compris entre 1,4 et 3 (rapport des longueurs de cristal). Un cristalliseur continu bien mené doit donc contenir, au sein de la masse-cuite qu'il contient, le maximum de cristaux, depuis le début jusqu'à la fin du parcours. Le Demandeur a découvert que cette quantité de cristaux, nommée "pourcentage" ou "rendement" en cristaux, de la masse- cuite,provoque une compacité (viscosité) croissante, qui fait que le brassage de la masse-cuite est diminué dans des proportions inacceptables pour maintenir le taux de cristallisation à sa meilleure valeur (à noter qu'en toute fin de parcours on peut et même on doit laisser le rendement en cristaux augmenter au maximum afin d'épuiser autant que possible l'eaumère de la masse-cuite, pour l'opération dite de serrage). Il résulte en effet d'études que la viscosité suit sensiblement une loi logarithmique en fonction de la longueur du trajet dans le réacteur, loi marquée par une forte augmentation de la pente à partir d'une certaine longueur. Inversement, le coefficient de transmission de chaleur subit donc une chute assez I2569130 brutale au même moment. Cette variation, en fonction de la conduite du réacteur peut facilement faire que le coefficient de transmission de chaleur tombe en fin de parcours à 10% voire 1% de ce qu'il est au début. Cette chute du coefficient de transmission de chaleur entraîne, en l'absence de remèdes, la quasi-impossibilité de maintenir le taux de cristallisation à sa valeur optimale, c'est- à-dire à la valeur o l'alimentation en matière à cristalliser est exactement ajustée au potentiel de croissance de la surface des cristaux. L'invention pallie la chute du coefficient de transmission de chaleur par une intensification progressive du brassage le long du trajet, pendant le processus de cristallisation. Cette intensification du brassage se fait de préférence par l'intensification du pouvoir évaporatoire le long du trajet. Dans les appareils connus, le pouvoir évaporatoire est sensiblement constant, par construction, sur le trajet de cristallisation (c'est-àdire à l'exception éventuelle du tout début du parcours ou de l'extrême fin du parcours). Conformément à l'invention, on peut modifier le régime d'ébullition du mélange par plusieurs moyens utilisés seuls ou en combinaison. Selon une première solution, on alimente le mélange par une liqueur nourricière de concentration (Brix) décroissante le long du trajet. La variation de concentration se fait par paliers, correspondant aux compartiments, ou à des groupes de compartiments des appareils compartimentés, et à des zones de longueur constante ou variable pour les appareils non compartimentés. L'inconvénient éventuel de cette solution est le supplément de consommation d'énergie qu'elle entraîne. En effet, on essaie normalement d'alimenter les cristalliseurs avec des solutions aussi concentrées que possible, cette concentration étant réalisée dans des évaporateurs à multiple-effet, économiques 6 2569130 en énergie. Le fait de diluer partiellement ces solutions et de les reconcentrer à nouveau, en simple effet dans le cristalliseur, entraîne un supplément de consommation d'énergie qui est acceptable en sucrerie de cannes o l'on dispose de beaucoup d'énergie gratuite, mais peut devenir indésirable en sucrerie de betteraves et en raffinerie. Selon une seconde solution, on modifie le régime d'ébullition par l'augmentation de l'intensité de chauffage le long du trajet. En conséquence, cette solution consiste à scinder la surface de chauffe totale en un certain nombre d'éléments indépendants dans chacun desquels on envoie le débit de vapeur juste nécessaire pour les compartiments ou zones qu'ils desservent. Il peut y avoir un élément indépendant par compartiment, ou groupe de compartiment pour les appareils compartimentés, ou par zones de longueurs égales ou inégales pour les réacteurs non compartimentés. Cette solution a l'avantage de ne pas entraîner de dépense supplémentaire d'énergie car on peut utiliser une solution nourricière de concentration constante. En revanche, elle peut entraîner un coût de construction plus élevé car la surface de chauffe totale doit être scindée en plusieurs éléments séparés et alimentés individuellement ce qui nécessite des tuyauteries et du matériel de régulation supplémentaires. Selon une troisième solution, jugée la plus avantageuse, on modifie le régime d'ébullition par une augmentation de la surface de chauffe, le long du trajet de cristallisation. Cette solution consiste donc à moduler, par construction, la surface de chauffe, le long du parcours de la masse-cuite, de telle manière que compte-tenu de la variation du coefficient de transmission de chaleur, l'on alimente l'appareil en maintenant sensiblement constant le rendement en cristaux, sur la plus grande partie du parcours de la masse-cuite. Cette modulation se fait pour chaque compartiment ou groupe de compartiments pour les appareils compartimentés et par 7 2 52569130 zones successives ou d'une manière complètement continue dans les appareils non compartimentés. Cette modulation peut être obtenue: - par modification du profil et/ou du nombre des plaques chauffantes si ce sont des éléments de ce type qui constituent 1 'échangeur thermique. - par changement du diamètre des tubes, de la longueur et du nombre des épingles horizontales de chauffage pour certains appareils. - par modification de la hauteur du faisceau tubulaire vertical de chauffage, progressive ou échelonnée. - par modification du pas et/ou du diamètre des tubes qui constituent le faisceau tubulaire (c'est-à-dire une modification de la densité de section de tube). La modulation de la surface de chauffe peut être le résultat de l'une ou de la combinaison de plusieurs de ces mesures. Cette solution, surtout dans sa dernière variante, est très facile à réaliser et concrétise le but recherché sans provoquer de surcoût dû à du matériel supplémentaire. Le rapport surface de chauffe sur volume de masse-cuite doit donc être une fonction croissante du temps de parcours de la masse-cuite au sein du réacteur. L'augmentation de ce rapport entre le début de parcours de cristallisation et la fin peut être dans une proportion de 1 à 3. Le chauffage peut être encore augmenté dans la toute dernière étape pour le serrage de la masse- cuite. Enfin, afin d'améliorer le coefficient de transmission de chaleur lorsque l'on travaille des produits de forte compacité, il peut être intéressant de favoriser le brassage en installant des appareils mécaniques destinés à forcer la circulation de la masse- cuiteà travers les éléments chauffants et augmenter ainsi l'efficacité de l'échange thermique. Les appareils utilisés peuvent être des pompes ou des hélices installées à l'extérieur, ou de préférence à l'intérieur 8 r2 69130 de l'appareil. La puissance utilisée par ces circulateurs est compensée par l'économie de surface de chauffe qu'elle entraîne. L'invention concerne également un appareil de cristallisation en continu, du type compartimenté ou non, destiné à la mise en oeuvre du procédé de cristallisation présenté ci- dessus. L'appareil de l'invention comporte des moyens d'intensification du brassage du mélange, le long du trajet de la masse-cuite. Ces moyens qui avantageusement commandent le régime d'ébullition du mélange peuvent comprendre, individuellement ou en combinaison: - des moyens de chauffage à surface croissante le long du trajet, - des moyens de chauffage à intensité croissante le long du trajet, - des moyens d'alimentation en liqueur nourricière de concentration décroissante le long du trajet, - des agitateurs mécaniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe radiale verticale I-I d'un réacteur circulaire de l'invention, la figure 2 est une coupe brisée II-II du réacteur de la figure 1. On a représenté sur les dessins un réacteur continu circulaire non compartimenté. Le principe de base d'un tel réacteur est celui qui a été développé dans le document FR-A-2305496 auquel on se reportera. Cependant, alors que la description du document précité concerne plus particulièrement -mais non exclusivement- un réacteur rectiligne, on a trouvé préférable pour des raisons d'encombrement et de construction d'adopter un réacteur 9 d256913O circulaire. Le pied ou magma y entre par l'entrée 1, parcourt d'abord le circuit continu externe Cl, dans le sens des flèches 2, jusqu'à la cloison radiale 3; la masse- cuite passe par le déversoir 4 dans le circuit continu interne C2 qu'elle parcourt dans le sens des flèches 5, jusqu'à rencontrer à nouveau la cloison radiale 3 et passer par le déversoir 6 dans le compartiment central C3. La masse-cuite s'en échappe par le déversoir 12. Les circuits et le compartiment central sont délimités par une virole extérieure 7, des viroles intérieures 8 et 9, des fonds coniques 10 et des couvercles coniques 11. Les faisceaux tubulaires de chauffage sont formés par des parois doubles isolantes 13, les plaques porte-tubes 14 et les tubes 15 dont seuls quelques uns sont représentés. La vapeur de chauffage entre dans les faisceaux par les arrivées 16, et les condensats s'échappent par les sorties 17. Conformément au document précité FR-A-2 305 496, des chicanes radiales 18 et des déflecteurs ou chapeaux coniques 19 sont prévus pour empêcher les perturbations liées à une ébullition désordonnée de la masse-cuite. Les vapeurs circulent au dessus des compartiments (pouvant passer du compartiment C3 aux compartiments C2-Cl par des ouvertures 20 prévues dans la virole 9) puis s'échappent par la sortie 21 vers un condenseur barométrique 23. L'alimentation des circuits Cl et C2 en liqueur nourricière est réalisée à là base des faisceaux tubulaires au moyen des collecteurs 24 et 25, des tubes doseurs 26, des canalisations 27 et des robinets d'isolement 28. Il est prévu une canalisation tous les 6 , soit 30 canalisations pour le circuit Cl et 30 canalisations pour le circuit C2. Le compartiment C3 comporte un circulateur mécanique 29 de masse-cuite. Pour la mise en oeuvre de la modulation de la surface de chauffe chacun des circuits Cl et C2 est divisé en six secteurs consécutifs de 600. Le nombre des tubes 15 varie dans les 2 secteurs, conformément à l'invention. Par exemple, pour un réacteur de 6, 75m de diamètre, il est prévu dans les 6 premiers secteurs toriques du premier circuit (diamètre interne 5240mm et externe 6280mm) 57,67,77,83, 88,92 tubes de 1Ocm de diamètre; le pas des tubes va naturellement en décroissant avec les secteurs. Pour les six secteurs suivants du circuit C2 (diamètre interne 3820mm, et externe 5240mm) on a respectivement 92,98,104,104,108, 108 tubes de même diamètre. Le faisceau du compartiment central (tore de diamètre interne 1200 mm et externe 2996mm) compte 331 tubes de même diamètre. A la modulation de la surface de chauffe, on a combiné la différence de concentration de la liqueur nourricière puisque, comme le montre la figure 1, le collecteur 25 est alimenté en liqueur nourricière diluée par rapport au collecteur 24. Naturellement, cette concentration décroissante peut se faire secteur par secteur, ou par groupe de secteurs. Les faisceaux tubulaires peuvent aussi être compartimentés par des cloisons radiales 30, correspondant ou non aux secteurs toriques précédemment définit et alimentés sélectivement en vapeur de manière à moduler l'intensité du chauffage. 1 2 5 6 9 130 REVENDICATIONS 1. Procédé de cristallisation continue, selon lequel on fait progresser le long d'un trajet de traitement (Cl,C2) dans un réacteur un mélange de cristaux entourés d'eau-mère, on alimente os05 le mélange en liqueur nourricière au fur et à mesure de sa progression dans le réacteur, cette liqueur étant destinée à fournir l'apport nécessaire au grossissement des cristaux, et on provoque l'ébullition du mélange, à l'aide d'une surface de chauffage, en vue d'obtenir la concentration du mélange dilué par la liqueur nourricière, caractérisé en ce qu'on intensifie, le long du trajet de traitement (Cl,C2), le brassage du mélange de manière à maintenir le taux spécifique de cristallisation sensiblement à une valeur constante optimale sur la plus grande partie du trajet (Cl,C2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on intensifie le brassage en modifiant le régime d'ébullition du mélange. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on modifie ledit régime par une augmentation de la surface de chauffage (15), le long du trajet (Cl,C2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on modifie ledit régime par une augmentation de l'intensité de chauffage, le long du trajet (Cl,C2). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on modifie ledit régime en alimentant le mélange avec une liqueur de concentration décroissante, le long du trajet (Cl,C2). 6. Dispositif de cristallisation continue du type comprenant un réacteur définissant un trajet de traitement (Cl,C2) pour un mélange de cristaux entourés d'eau-mère, des moyens (24- 28)d'alimentation du mélange en liqueur nourricière disposés le long du trajet (Cl,C2) une surface de chauffage (15) destinée à provoquer l'ébullition du mélange, caractérisé en ce qu'il comprend, disposés le long du trajet 12 2569130 (Cl,C2), des moyens d'intensification du brassage du mélange, de manière à maintenir le taux spécifique de cristallisation sensiblement à une valeur constante optimale sur la plus grande partie du trajet (Cl,C2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'intensification comportent des agitateurs mécaniques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'intensification agissent sur le régime d'ébullition du mélange. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par la surface de chauffe (15) prévue croissante le long du trajet (C1,C2). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface de chauffe est constituée de faisceaux de tubes (15) de densité croissante le long du trajet (C1,C2). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des moyens destinés à augmenter l'intensité du chauffage le long du trajet (Cl,C2). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des moyens destinés à alimenter le mélange avec une liqueur de concentration décroissante, le long du trajet (Cl,C2). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le réacteur est circulaire.