Brevet FR2593718A1 — publié le 19870807

Evaporateur à film descendant La présente invention a pour objet un appareil d'évaporation dit à film descendant, à descendage ou à flot tombant, du type comportant une pluralité de canaux verticaux, de préférence tubulaires, montés à l'intérieur d'une enveloppe externe avantageusement cylindrique. On connaît depuis fort longtemps des évaporateurs à descendage ou à flot tombant qui comportent traditionnellement un faisceau de tubes verticaux à la partie supérieure desquels on introduit le liquide à évaporer. Celui-ci s'écoule à l'intérieur des tubes, euxmêmes chauffés par de la vapeur qui se condense à l'extérieur des tubes dont la paroi constitue la surface d'échange. Ces évaporateurs sont traditionnellement associés à une chambre de séparation du mélange de liquide et de vapeur extrait à la partie inférieure des tubes, cette chambre de séparation pouvant, selon les cas, être placée soit directement sous le faisceau tubulaire, soit sur le côté de ce dernier auquel elle est reliée par une tuyauterie appropriée. Bien que ces évaporateurs de type classique aient donné toute satisfaction jusqu a présent, ils présentent des difficultés d'utilisation dans la pratique. On constate en particulier qu'il est nécessaire de prévoir des chambres de séparation de grand volume pour obtenir une séparation convenable du liquide concentré et de la vapeur émise. Les tubes dans lesquels circule la solution à concentrer ont tendance à se boucher, ce qui nécessite de prévoir l'arrêt périodique des appareils ou même le remplacement de certains tubes. Enfin, la compression de la vapeur émise nécessite l'installation de compresseurs extérieurs dont l'implantation est parfois mal aisée. La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés et de permettre la réalisation d'un évaporateur à film descendant de conception nouvelle et dans lequel les écoulements respectifs de la vapeur de chauffage et du liquide à évaporer sont inversés par rapport à la conception classique. L'évaporateur à flot tombant selon la présente invention comporte une pluralité de canaux verticaux montés à l'intérieur d'une enveloppe extérieure. Le liquide à concentrer est alimenté de façon à s'écouler à l'extérieur des canaux et un espace central exempt de canaux verticaux formant une cheminée verticale, est prévu à l'intérieur de 11 enveloppe pour collecter la vapeur d'évaporation. Une telle inversion de la circulation du liquide à concentrer à l'extérieur des canaux par exemple à l'extérieur des tubes du faisceau constituant la surface d'échange tandis que la vapeur de chauffage se condense à l'intérieur des tubes, permet d'obtenir une meilleure séparation du liquide concentré de la vapeur émise, en raison du fait que la surface de séparation est égale à la surface d'échange, ce qui n'est pas le cas dans les appareils conventionnels où la séparation est limitée par la section transversale de la chambre de séparation qui est toujours notablement inférieure à la surface d'échange. Par ailleurs, il est facile dans l'évaporateur de l'invention, de régler à volonté l'espacement entre les canaux de préférence tubulaires, en fonction de l'écoulement de la solution à concentrer, ce qui résout le problème du bouchage des tubes rencontré dans les évaporateurs conventionnels. L'évaporateur selon l'invention permet en outre grâce à cette nouvelle conception, de réduire sensiblement l'épaisseur des parois d'échange, c'est-à-dire l'épaisseur des canaux disposés à 1 1intérieur de l'enveloppe. En effet, la pression de la vapeur de chauffage qui est nécessairement supérieure à celle règnant dans la zone d'évaporation s'exerce selon la présente invention de l'intérieur vers l'extérieur des canaux. Dans le cas de canaux tubulaires, cela permet de diminuer sensiblement l'épaisseur requise pour la résistance de la paroi à la différence de pression. La réduction d'épaisseur conduit à une amélioration sensible du coefficient global d'échange thermique. Selon l'invention, un compresseur est avantageusement monté directement à la partie supérieure de la cheminée verticale pour comprimer la vapeur d'évaporation collectée. Cette vapeur peut alors, dans le cas d'un évaporateur à simple effet, être dirigée directement vers l'intérieur des canaux. Une telle disposition du compresseur de vapeur facilite considérablement la construction de l'ensemble de l'installation. Le rouet du compresseur de vapeur aspire la vapeur collectée dans la cheminée centrale pour la restituer à une pression supérieure dans les canaux du faisceau d'évaporation, et celà sans nécessiter de tuyauterie spéciale. Les canaux en particulier tubulaires, sont de préférence maintenus entre une plaque annulaire inférieure sur laquelle ils sont fixés de manière étanche et une plaque annulaire supérieure sur laquelle ils sont fixés en laissant subsister des passages pour le liquide à concentrer qui s'écoule le long de la surface extérieure desdits canaux. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les canaux sont en outre agencés par groupes formant en coupe transversale des quartiers circulaires. Un passage radial exempt de canaux subsiste entre chaque groupe pour améliorer la répartition du liquide à concentrer qui est alimenté au droit de chacun des passages radiaux précités. La portion de l'enveloppe extérieure se trouvant au-dessus de la plaque annulaire supérieure, constitue donc une chambre d'alimentation qui reçoit une pluralité de canalisations d'alimentation, déversant ainsi la solution à concentrer sur toute la surface de la plaque annulaire supérieure, ce qui entraîne une excellente répartition de la solution à concentrer sur les surfaces extérieures des canaux. Dans un mode de réalisation préféré, les canaux sont en outre fixés de manière étanche à leur extrémité supérieure sur une plaque annulaire supplémentaire qui définit, avec la plaque supérieure précitée, la chambre d'alimentation pour le liquide à concentrer. Cette plaque supplémentaire améliore la fixation des canaux et permet en outre de séparer la zone supérieure de l'enveloppe qui se trouve à la pression de la vapeur de chauffage et la chambre d'alimentation du liquide à concentrer qui se trouve à une pression moins importante. Une pluralité de chicanes annulaires peuvent avantageusement etre disposées transversalement sur la hauteur des canaux. Les chicanes sont fixées à l'enveloppe extérieure en laissant un passage pour le liquide à concentrer le long des canaux. Ces chicanes permettent non seulement d'améliorer la fixation des canaux sur la hauteur de l'évaporateur, mais en outre d'ameliorer la répartition du liquide à concentrer sur toute la hauteur des canaux. Dans une variante de l'invention, on peut disposer des plaques de cloisonnement radiales dans la chambre d'alimentation séparant les uns des autres les différents groupes de canaux, et définissant ainsi une pluralité de chambres d'alimentation indépendantes, l'une au moins étant reliée à une canalisation d'alimentation. Le liquide à concentrer pénètre dans les canaux d'un groupe de canaux. Des cloisons radiales correspondantes sont également disposées dans la chambre inférieure de récupération du liquide concentré, de façon à définir également des zones indépendantes, chacune correspondant à l'une des chambres d'alimentation précitées. On prévoit également dans ce mode de réalisation des moyens de recyclage du liquide concentré sur un groupe de canaux vers un autre groupe de canaux.On obtient ainsi plusieurs passages successifs de la solution évaporer sur des zones distinctes de la surface d'échange, le cheminement de la solution à évaporer étant réalisé par les différents cloisonnements, et ce sans qu'il soit nécessaire de prévoir des cloisonnements équivalents sur le circuit de la vapeur d'évaporation comme ce serait le cas dans un évaporateur de type classique. On comprendra mieux l'invention à la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif, illustré par les dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe en élévation d'un évaporateur selon l'invention; la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale agrandie montrant la partie haute d'un tube de l'évaporateur; et la figure 3 est une vue partielle en coupe transversale de dessus de la chambre d'alimentation dans la partie haute de l'évapo- rateur des figures précédentes. Tel qu'il est illustré sur les figures, l'appareil d'évaporation selon l'invention est un évaporateur à film descendant à simple effet à faisceau tubulaire. Il comprend une enveloppe cylindrique verticale 1 à l'intérieur de laquelle sont montés verticalement une pluralité de canaux tubulaires 2 placés entre une plaque annulaire supérieure 3 et une plaque annulaire inférieure 4. Les plaques annulaires 3 et 4 sont percées en leur centre d'une large ouverture, de sorte que le faisceau de tubes verticaux 2 laisse subsister un espace central exempt de tubes formant une cheminée verticale 5 qui s'étend sur toute la hauteur de l'évaporateur. Un manchon supérieur 6 est fixé de maniere étanche dans le perçage central de la plaque supérieure 3 de façon à définir avec la calotte supérieure de l'évaporateur, une chambre supérieure annulaire 7. Un compresseur 8 est monté à la partie supérieure de l'enveloppe 1 dans l'axe de cette dernière. Le rouet 9 du compresseur 8 se trouve dans la chambre 7, tandis que le moteur électrique d'entraînement 10 est monté à l'extérieur de l'enveloppe 1. On comprendra qu'il n'est pas indispensable de monter un compresseur dans la partie supérieure de ltevaporateur comme dans l'exemple illustré. Toutefois, il est clair que la disposition particuliere de l'invention permet de faciliter notablement le montage d'un tel compresseur de la vapeur d'évaporation directement à la partie supérieure de l'enveloppe. Le manchon supérieur 6 permet de séparer la partie supérieure de l'enveloppe 4 en une partie centrale à l'intérieur de laquelle s'élève la vapeur d'évaporation avant d'être reprise et comprimée par le rouet du compresseur 9 et la chambre annulaire externe 7 à pression plus élevée qui peut également, en particulier au début du cycle de fonctionnement, recevoir de la vapeur de chauffage supplémentaire par la canalisation 11. Un déflecteur annulaire 12 monté dans la chambre 7 permet de diriger l'écoulement de la vapeur d'évaporation après compression par le rouet du compresseur 9. La vapeur ainsi comprimée, éventuellement additionnée de vapeur de chauffage, pénètre ensuite à l'intérieur des canaux tubulaires verticaux 2. Une chambre circulaire inférieure 15 est également définie à la partie inférieure de l'enveloppe 1 entre le fond de l'enveloppe et la plaque annulaire inférieure 4. Un manchon inférieur 16 est fixé de manière étanche dans le perçage central de la plaque inférieure 4, de façon à définir une partie centrale pour la réception du liquide concentré qui est extrait par la canalisation d'extraction 17 et la chambre inférieure annulaire 15 permettant la récupération de l'eau condensée provenant de la vapeur de chauffage circulant à l'intérieur des canaux tubulaires 2. Cette eau condensée peut être extraite par la canalisation 18. Le liquide à concentrer par évaporation est alimenté par une pluralité de canalisations 19 débouchant dans une chambre d'alimentation 13 située immédiatement au-dessus de la plaque supérieure 3. Le liquide à évaporer passe alors dans les intervalles qui subsistent entre les canaux tubulaires 2 et les orifices multiples de la plaque supérieure 3. Le liquide à évaporer s 'écoule à l'extérieur des canaux tubulaires 2 en descendant le long desdits canaux tubulaires jusqu'à la plaque inférieure 4 sur laquelle les tubes 2 sont fixés de manière étanche. Au cours de sa descente, le liquide à concentrer s'évapore partiellement, la vapeur d'évaporation pouvant alors s'échapper aisément par la cheminée centrale 5. Le liquide concentré est arrête par la plaque inférieure 4 et s'écoule à l'intérieur du manchon 16 en vue de sa récupération. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, une plaque annulaire supplémentaire 20 est montée au-dessus de la plaque annulaire supérieure 3 pour fermer la chambre d'alimentation 13. Les extrémités supérieures des canaux tubulaires 2 sont fixées de manière étanche sur la plaque annulaire supplémentaire 20. On évite ainsi que la pression de la vapeur de chauffage règnant dans la chambre 7 réduise la hauteur du seuil d'écoulement du liquide à concentrer dans la chambre d'alimentation 13. Le montage se complète dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, par une pluralité de chicanes annulaires 21 disposées transversalement à intervalles réguliers sur la hauteur du faisceau tubulaire. Les chicanes 21 sont fixées à l'enveloppe tubulaire 1 et présentent dans leur centre un perçage de même diamètre que celui de la cheminée verticale 5. Les tubes 2 traversent des perforations pratiquées dans les chicanes 21 avec un jeu permettant le passage de l'écoulement du liquide à concentrer à l'extérieur des tubes. Les chicanes 21 permettent à la fois de maintenir ltecartemeut convenable des tubes 2 sur toute la hauteur du faisceau tubulaire, et d'autre part d'améliorer la répartition du liquide à concentrer sur la surface extérieure des tubes. En se reportant à la vue agrandie de la figure 2, on comprendra mieux le montage des canaux tubulaires dans la zone supérieure de l'évaporateur. Sur cette figure, où les pièces identiques portent les mêmes références, on voit que le tube 2 est fixé de manière étanche, par exemple par soudure, dans une perforation de la plaque annulaire 20 qui délimite la chambre d'alimentation 13. Par contre, le tube 2 est fixé de manière non étanche dans une perforation de la plaque annulaire supérieure 3 en laissant subsister un passage pour l'écoulement du liquide à évaporer le long de la surface externe du tube 2. Pour obtenir un tel résultat, le tube 2 peut être avantageusement muni à l'endroit de son passage à travers la plaque 3 d'ailettes radiales 22 définissant entre elles des passages de déversement du liquide et prenant appui sur la plaque 3.Pour plus de précisions sur une structure particulièrement adaptée à la réalisation d'une telle fixation non étanche des tubes 2, on pourra se référer à la demande de brevet français 2 353 035 (Commissariat à l'Energie Atomique). Comme on peut le constater également sur la figure 2, le tube 2 traverse avec un certain jeu un orifice 21a pratiqué dans la chicane transversale 21. Le diamètre de l'orifice 21a est choisi de façon précise, définissant ainsi l'épaisseur du film désirée pour I'écou- lement de liquide à concentrer à la surface extérieure des tubes. De cette manière, les chicanes permettent de mieux répartir le liquide à concentrer de manière égale sur la surface extérieure de l'ensemble des tubes 2 formant le faisceau tubulaire vertical. Si en effet, le film de liquide à concentrer est trop important sur l'un des tubes 2f la premiere chicane 21 rencontrée provoque une diminution de l'epais- seur du film de liquide sur ce tube 2. Le liquide en excès arrêté par la chicane 21 peut s'écouler le long d'un autre tube 2 sur lequel le film de liquide serait insuffisant. Comme on peut le voir sur la figure 3, les canaux tubulaires 2 sont agencés par groupes selon des zones en quartiers circulaires. Sur la figure 3 qui est une vue partielle, on peut noter la présence de trois groupes de tubes 23a, 23b et 23c. Chaque groupe de tubes est séparé des groupes de tubes adjacents par un passage radial tel que 25, 26, exempt de canaux tubulaires 2 et subsistant entre chaque groupe. Le liquide à concentrer est alimenté par une pluralité de canalisations 19 montées radialement en alignement avec les passages radiaux tels que les passages 25 et 26. De cette manière, la répartition du liquide à concentrer est améliorée pour chaque groupe de canaux tubulaires 2. L'évaporateur illustré sur les figures fonctionne de la manière suivante le liquide à concentrer alimenté par les différentes canalisations 19 se répartit sur la plaque annulaire supérieure 3 dans la chambre d'alimentation 13 et s'écoule à l'extérieur des tubes 2 sur toute la hauteur de l'évaporateur. La répartition du liquide est améliorée au passage de chaque chicane transversale 21. La vapeur de chauffe initialement introduite par la canalisation li pénètre à l'intérieur de chacun des canaux 2 par leur orifice supérieur fixé de manière étanche sur la plaque supplémentaire 20. t'échange de chaleur se fait par toute la surface des tubes et la vapeur d'évaporation provenant du liquide à concentrer, illustrée par les flèches en traits interrompus 27 de la figure 1, s'échappe par la cheminée centrale 5 et remonte en direction du rouet de com- presseur 9 situé à la partie supérieure de la chambre supérieure 7. On notera que dans une réalisation pratique, le diamètre de la cheminée centrale 5 peut etre compris avantageusement entre 30 et 40% du diamètre de l'enveloppe cylindrique externe 1. La vapeur d'évaporation collective provenant de la cheminée centrale 5 est comprimée par le rouet du compresseur 9 jusqu'à la pression de la vapeur de chauffage. Après compression, la vapeur pénètre à nouveau à l'intérieur des tubes 2 après que son trajet le long de la paroi externe de la chambre 7 ait été défini par le déflecteur 12. Le liquide concentré se trouvant à la surface externe des tubes 2 est arrêté par la plaque annulaire inférieure 4 et peut être recueilli à l'intérieur du manchon 16. L'eau condensée provenant de la vapeur de chauffage circulant à l'intérieur des tubes 2, est récu pérée dans la chambre 15. L'évaporateur illustré sur les figures est un appareil à simple effet. On comprendra qu'il serait extrêmement facile d'installer plusieurs appareils d'évaporation en série pour constituer une installation d'évaporation à multiple effet, la vapeur d'évaporation extraite de la cheminée centrale du premier évaporateur étant introduite dans la zone annulaire de la chambre supérieure de l'évapora- teur suivant qui fonctionne à une pression inférieure comme dans toutes les installations d'évaporation à multiple effet. Les canaux de passage à l'extérieur desquels s'écoule le liquide à concentrer peuvent être de types variés. On utilise avantageusement des tubes qui peuvent être des tubes métalliques lisses à ailettes ou encore des tubes cannelés. On peut également utiliser, dans une réalisation préférée, des tubes en matière plastique mince. Dans une variante, il est également possible de prévoir des cloisons radiales disposées verticalement dans la chambre supérieure 7, ainsi que des cloisons radiales disposées verticalement dans des positions correspondantes dans la chambre inférieure 15. Une telle cloison de séparation placée dans le passage radial 26 est représentee à titre d'exemple sur la figure 3 en traits mixtes et référencée 26a. Elle permet d'isoler le groupe de tubes 23c alimentés par la canalisation 19 du groupe de tubes 23b alimenté par une autre canalisation. L'évaporateur se trouve ainsi divisé en plusieurs zones indépendantes, permettant de définir plusieurs passages pour le liquide à évaporer au moyen d'une tuyauterie appropriée reliant certaines canalisations 19 à certaines autres canalisations d'alimentation 19. REVENDICATIONS 1. Evaporateur à film descendant comportant une pluralité de canaux verticaux (2) montés à 1V intérieur d'une enveloppe extérieure (1), caractérisé par le fait que le liquide à concentrer est alimenté de façon à s'écouler à l'extérieur des canaux (2), et qu'un espace central exempt de canaux verticaux formant une cheminée verticale (5) est prévu à l'intérieur de l'enveloppe pour collecter la vapeur d'évaporation. 2. Evaporateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un compresseur (9) est monté dans l'évaporateur, à la partie supérieure de la cheminée (5) pour comprimer la vapeur d'évaporation collectée. 3. Evaporateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les canaux (2) sont maintenus entre une plaque annulaire inférieure (4) sur laquelle ils sont fixés de manière étanche, et une plaque annulaire supérieure (3) sur laquelle ils sont fixés en laissant subsister des passages pour le liquide à concentrer. 4. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les canaux (2) sont agencés par groupes (23a, 23b, 23c) selon des portions de quartier circulaire, un passage radial exempt de canaux (25, 26) subsistant entre chaque groupe pour améliorer la répartition du liquide à concentrer alimenté au droit de chaque passage radial. 5. Evaporateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les canaux (2) sont en outre fixés de manière étanche à leur extrémité supérieure dans une plaque annulaire supplémentaire (20) définissant avec la plaque supérieure précitée (3) une chambre d'alimentation (13) pour le liquide à concentrer. 6. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de chicanes annulaires (21) disposées transversalement sur la hauteur des canaux et fixées à l'enveloppe extérieure (1) en laissant un passage pour le liquide à concentrer le long des canaux (2). 7. Evaporateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte des plaques de cloisonnement radiales (26a) séparant les groupes de canaux dans la chambre d'alimentation (13) et dans la chambre inférieure (15) de récupération du liquide concentré, #des moyens de recyclage étant prévus pour le liquide concentré sur un groupe de canaux vers un autre groupe de canaux. 8. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les canaux sont des tubes verticaux. 9. Evaporateuroselon la revendication 8, caractérisé par le fait que les tubes sont réalisés en matière plastique mince. 10. Evaporateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un manchon supérieur (6) est monté dans la partie haute de la cheminée (5), tandis qu'un manchon inférieur (16) est monté à la partie inférieure pour définir une chambre de récupération du liquide concentré.