Brevet FR2594043A1 — publié le 19870814

L'invention concerne un procédé et un appa- reil pour transformer des évaporateurs à longs tubes verticaux en évaporateurs à film tombant. Des évaporateurs à longs tubes verticaux ont été jusqu'à présent largement utilisés, en particu- lier dans l'industrie de la pâte à papier et du papier. Ces évaporateurs comprennent généralement une chambre d'échange de chaleur disposée entre une chambre de fond et une chambre de séparation de la vapeur. La chambre échangeuse de chaleur renferme plusieurs tubes échangeurs de chaleur qui s'étendent verticalement entre des plaques tubulaires supérieure et inférieure. La chambre de fond s'étend au-dessous de la chambre échangeuse de chaleur, en communication de fluide avec les extrémités inférieures des tubes échangeurs de chaleur. La chambre de séparation de vapeur s'étend autour et au-dessus d'une partie supérieure de la cham- bre échangeuse de chaleur, en communication de fluide avec les extrémités supérieures des tubes échangeurs de chaleur. Un liquide d'alimentation à traiter entre dans la chambre de fond par une entrée d'alimentation qui lui est associée et il s'élève en passant dans les tubes échangeurs de chaleur. Une vapeur, telle que la vapeur d'eau, est introduite dans la chambre échangeuse de chaleur par une entrée de vapeur qui lui est associée, de manière qu'au moins une partie du liquide passant dans les tubes échangeurs de chaleur soit vaporisée en s'élevant dans ces tubes. Un mélange de vapeur et de liquide passant par les extrémités supérieures des tubes échangeurs de chaleur est intro- duit dans la chambre de séparation de vapeur o la vapeur est séparée du liquide et est évacuée par une sortie de vapeur associée à une partie supérieure de la chambre, et le liquide est évacué par une sortie de produit associée à une partie inférieure de la chambre. Des évaporateurs à film tombant ont jusqu'à présent été largement utilisés dans des installations dans lesquelles le liquide d'alimentation est sensible à la chaleur ou exige un court temps de séjour, et dans lesquelles de faibles différences de températures existent. Ces évaporateurs possèdent généralement des coefficients de transmission de chaleur élevés. Ils comprennent généralement une chambre échangeuse de chaleur disposée entre une chambre supérieure de distri- bution et une chambre de séparation de vapeur. La cham- bre échangeuse de chaleur est d'une conception similaire à celle de la chambre échangeuse de chaleur telle que décrite précédemment en ce qui concerne l'évaporateur à longs tubes verticaux. La chambre de distribution est- disposée au-dessus de la chambre échangeuse de chaleur, en communication de fluide avec les extrémités supérieures des tubes échangeurs de chaleur disposés dans la chambre échangeuse de chaleur. La chambre de séparation de vapeur s'étend au-dessous de la partie échangeuse de chaleur, en communication de fluide avec les extrémités inférieures des tubes échangeurs de chaleur. Le liquide d'alimentation à traiter entre dans la chambre supérieure de distribution par une entrée d'alimentation qui lui est associée et est diri- gé vers le bas en descendant dans les tubes échangeurs de chaleur sous la forme d'un film tombant vertical. Une vapeur, telle que de la vapeur d'eau, est introduite dans la chambre échangeuse de chaleur en passant par une entrée de vapeur qui lui est associée, ce qui a pour effet de vaporiser au moins une partie du liquide descendant dans les tubes échangeurs de chaleur. Un mélange de vapeur et de liquide sortant par les extré- mités inférieures des tubes échangeurs de chaleur est dirigé vers la chambre de séparation de vapeur dans laquelle la vapeur est séparée du liquide et est évacuée par une sortie de vapeur associée à une partie supé- rieure de la chambre, et le liquide est évacué par une sortie de produit associée A une partie inférieure de la chambre. La tendance la plus récente, dans de nom- breuses industries et en particulier dans l'industrie de la pâte à papier et du papier, est d'utiliser des évaporateurs du type à film tombant. Il était jusqu'à présent nécessaire de ferrailler les évaporateurs exis- tants à longs tubes verticaux et d'acheter des évapora- teurs neufs à film tombant pour la conversion au type d'évaporateur à film tombant. La présente invention concerne en particulier un procédé et un appareil qui permettent cette conversion tout en récupérant une grande partie des équipements existants. Conformément au procédé et à l'appareil selon l'invention, un évaporateur à longs tubes verticaux est transformé en évaporateur à film tombant d'une manière permettant de récupérer la plus grande partie de la structure de l'évaporateur existant à longs tubes verticaux. La chambre de fond de l'évaporateur existant est prolongée de façon à former une chambre de vaporisation instantanée située entre la chambre échangeuse de chaleur et la chambre de fond et destinée à recevoir directement le liquide d'alimentation par l'entrée d'alimentation existante. Une colonne montante de vapeur est prévue, cette colonne ayant une première extrémité en communication de fluide avec la chambre de vaporisation et une seconde extrémité en communica- tion de fluide avec la chambre de séparation de la vapeur, afin de faire passer la vapeur de la chambre de vaporisation dans la chambre de séparation de la vapeur. Un conduit de recyclage est prévu, ce conduit ayant une première extrémité en communication de fluide avec la chambre de fond et une seconde extrémité en communication de fluide avec une partie supérieure de la chambre échangeuse de chaleur. Des moyens de recyclage, tels qu'une pompe de recyclage, sont destinés à écouler le liquide de la chambre de fond par le con- duit de recyclage et à le distribuer sur les extrémités supérieures des tubes échangeurs de chaleur. Une chambre de distribution est avantageusement prévue au-dessus des tubes échangeurs de chaleur pour répartir de façon égale un film de liquide descendant dans le tube. La o10 chambre de distribution est avantageusement équipée de plusieurs buses de pulvérisation en communication de fluide avec la seconde extrémité du conduit de recy- clage. Pour faciliter la transformation et élever au maximum le nombre de tubes échangeurs de chaleur dans la chambre échangeuse de chaleur, la colonne montante de vapeur et le conduit de recyclage sont disposes à l'extérieur de la chambre échangeuse de chaleur. La sortie de produit associée à la chambre de séparation de la vapeur est fermée et une nouvelle sortie de pro- duit est prévue en communication de fluide avec la chambre de fond. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue schématique, avec coupe longitudinale, d'un évaporateur classique à longs tubes verticaux du type auquel l'invention s'applique pour le convertir en évaporateur à film tombant; et la figure 2 est une élévation schématique, avec coupe longitudinale, de l'évaporateur de la figure 1 après qu'il a été transformé en évaporateur à film tombant conformément à l'invention. En référence à la figure 1, celle-ci illus- tre, indiqué globalement en 10, un appareil évapora- rateur classique à longs tubes verticaux. L'évaporateur comprend une cuve verticale 12 qui définit une cham- bre de fond 14, une chambre échangeuse de chaleur 16 et une chambre 18 de séparation de vapeur. La chambre échangeuse de chaleur 16 comporte plusieurs tubes verticaux espacés 20 d'échange de cha- leur qui s'étendent entre des plaques tubulaires supé- rieure 22 et inférieure 24. Les extrémités supérieures des tubes 20 sont en communication de fluide avec la chambre 18 de séparation de vapeur par des ouvertures correspondantes formées dans la plaque tubulaire 22, et les extrémités inférieures des tubes 20 sont en communication de fluide avec la chambre de fond 14 par des ouvertures correspondantes formées dans la plaque tubulaire 24. Une vapeur, telle que de la vapeur d'eau, est convenablement introduite dans la chambre échangeuse de chaleur 16 en passant par une entrée 26 de vapeur. La chambre de fond 14 est séparée de la chambre échangeuse de chaleur 16 par une plaque tubu- laire 24 et est en communication de fluide avec les extrémités inférieures des tubes 20. Un liquide d'ali- mentation est introduit dans la chambre de fond 14 par une entrée 28 d'alimentation et s'élève dans les tubes 20 en échangeant de la chaleur avec la vapeur d'eau se trouvant à l'intérieur de la chambre échan- geuse de chaleur 16. La vapeur d'eau qui se condense dans la chambre 16 en est convenablement évacuée par une conduite de sortie (non représentée). La chambre 18 de séparation de la vapeur est disposée autour d'une partie supérieure de la cham- bre échangeuse de chaleur 16 et s'élève à partir de celle-ci. La chambre 18 est généralement formée de façon à définir une partie inférieure 30 de réception du produit entourant la partie supérieure de la chambre 16, une partie intermédiaire 32 de séparation et une partie supérieure 34 de réception de vapeur. Une plaque déflectrice centrale 35 est généralement disposée dans la partie 32, en face des extrémités supérieures des tubes 20, afin d'arrêter les gouttelettes de liquide non évaporées s'élevant des tubes 20 afin d'atténuer l'entraînement de ces gouttelettes par la vapeur s'éle- vant dans la partie 32. Un séparateur 36 d'entrainement, de conception bien connue,, est généralement prévu en travers d'une portion supérieure de la partie 32 pour faciliter encore la séparation du liquide non évaporé de la vapeur montante. Le liquide non évaporé est recueilli dans la partie 30 et en est évacué par une sortie 38 de produit. La vapeur est recueillie dans la partie 34 et en est évacuée par une sortie 40 de vapeur. En référence à la figure 2, l'évaporateur à longs tubes verticaux de la figure 1 est représenté tel que transformé en évaporateur 10' à film tombant, conformément à l'invention. Pour faciliter la descrip- tion du procédé et de l'appareil selon l'invention, les éléments de structure de l'appareil montrés sur les figures 1 et 2, qui restent communs, sont désignés par les mêmes références numériques suivies d'un signe prime sur la figure 2. La cuve 12' est sensiblement identique à la cuve 12 telle que décrite cidessus en regard de la figure 1, à l'exception dufait quel'extrémité infé- rieure de la chambre de fond 14 estprolongéede façon à définir une chambre de fond 14' et une chambre 42 de vaporisation instantanée. La chambre 42 est disposée entre la chambre de fond 14' et la chambre échangeuse de chaleur 16'. L'entrée 28' d'alimentation est en communication de fluide avec la chambre 42 de vapori- sation instantanée et elle y introduit le liquide à traiter. Une colonne montante 44 de vapeur est prévue et s'étend entre la chambre 42de vaporisation instantanée et la chambre 18' de séparation de vapeur. La colonne 44 présente une première extrémité 46 qui communique avec la chambre 42 de vaporisation par une ouverture 48 formée dans la paroi extérieure decette chambre,et une seconde extrémité 50 qui communique avec la chambre 18' de séparation de la vapeur par une ouverture 52 formée dans la paroi extérieure de cette chambre. Ainsi au'il apparaîtra ci-après de façon plus évidente, la vapeur qui est formée dans la chambre 42 est dirigée par la colonne 44 de façon à pénétrer dans la chambre 18'. La seconde extrémité 50 communique avantageusement avec la chambre 18' d'une manière telle que la vapeur passant par cette extrémité traverse horizontalement une portion inférieure de la partie 32' de la chambre 18' afin d'éviter un réentrainement des gouttelettes liquides dans la vapeur montant dans la partie 32'. De plus, conformément à l'invention, la colonne 44 est avantageusement disposée à l'extérieur de la chambre échangeuse de chaleur 16' afin de faciliter le proces- sus de transformation et, surtout, de maximiser le nombre de tubes échangeurs de chaleur 20' pouvant être placés dans la chambre échangeuse de chaleur 16'. Un conduit 54 de recyclage est prévu et s'étend entre la chambre de fond 14' et la chambre échangeuse de chaleur 16'. Le conduit 54 comporte une première extrémité 56 qui communique avec la chambre de fond 14' par une ouverture 58 formée dans une partie du fond de cette chambree, et une seconde extrémité qui communique avec une partie supérieure de la chambre échangeuse de chaleur 16'. Le conduit 54 est équipé de moyens de recyclage, tels qu'un ensemble 61 à pompe de recyclage, interposés dans ce conduit afin de prélever du liquide de la chambre de fond 14' pour le distribuer sur les extrémités supérieures des tubes échangeurs de chaleur 20', d'une manière qui sera plus complètement décrite ci-dessous. Pour les mêmes raisons qu'en ce qui concerne la colonne 44, le conduit 54 est avantageusement disposé à l'extérieur de l'échangeur de chaleur 16'. Pour faciliter la distribution égale d'un film tombant de liquide dans les tubes échangeurs de cha]leur 20, la plaque déflectrice 35 est supprimée et une chambre 62 de distribution est prévue au-dessus de la plaque tubulaire 22'. La seconde extrémité 60 du conduit 54 passe dans une ouverture de la partie supérieure de la chambre 62 et communique avec une rampe 64 de distribution dans laquelle plusieurs buses 66 de pulvérisation sont formées afin de répartir uni- formément le liquide sur. la plaque tubulaire 22'. On achève la transformation de l'évaporateur en évaporateur 10' à film tombant en fermant ou supprimant la sortie 38 de produit et en ménageant une sortie 68 de produit communiquant avec une partie inférieure de la chambre de fond 14'. Comme précédemment, un conduit 70 de vidange est placé en communication avec une portion inférieure de la partie 30' afin d'éli- miner le liquide s'y accumulant. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit du fonctionne- ment de l'évaporateur 10'. Un liquide d'alimentation à traiter est introduit dans la chambre 42 de vaporisa- tion instantanée en passant par l'entrée 28' d'alimen- tation. Le liquide d'alimentation entrant dans la cham- bre 42 est mis en contact avec le liquide et la vapeur tombant des tubes 20' afin qu'une partie du liquide d'entrée soit immédiatement vaporisée. La vapeur s'élève dans la chambre 42 et est introduite, par la colonne montante 44 de vapeur, dans la chambre 18' de séparation de vapeur. La vapeur entrant dans la chambre 18' tra- verse horizontalement une portion inférieure de la partie 32' afin d'utiliser la surface maximale de la partie 32' et de limiter ainsi le réentraînement des gouttelettes de liquide dans la vapeur montante. Le liquide d'alimentation non vaporisé provenant de la chambre 42 descend dansla chambre de fond 14' avec le liquide sortant des extrémités inférieures des tubes '. La vapeur s'élève dans la partie 32' à travers le séparateur d'entraînement 36' pour pénétrer dans la partie 34' d'o elle est évacuée par la sortie 40' de vapeur. Tout liquide qui se forme dans la chambre 18' descend dans la partie 30' et en est évacué par la sortie 70. Le liquide qui est recueilli dans la chambre de fond 14' passe de cette dernière, par le conduit de recyclage 54, dans la rampe 64 disposée dans la chambre 62 de distribution. Le liquide recyclé est réparti uniformément sur le dessus de la plaque tubu- laire 22 au moyen des buses 66 de pulvérisation et descend dans les tubes échangeurs de chaleur 20' en formant un film tombant. Le film tombant de liquide, descendant dans les tubes 20', est chauffé et est vapo- risé par la vapeur d'eau qui est introduite dans la chambre échangeuse de chaleur 16' en passant par l'en- trée 26' La vapeur et tout liquide non vaporisé sortent des extrémités inférieures des tubes 20' et pénètrent dans la chambre 42 de vaporisation instantanée. Le liquide produit est évacué de la chambre de fond 14' en passant par la sortie 68 de produit. Ainsi qu'il est évident à l'homme de l'art, des commandes appropriées sont nécessaires pour régler les débits d'écoulement dans les divers conduits et par les diverses sorties de l'installation afin de maximiser le rendement de l'installation suivant les propriétés du liquide à traiter. Pour élever au maximum ce rendement, la présente invention prévoit qu'il peut être souhaitable d'utiliser plusieurs colonnes montantes 44 de vapeur et plusieurs conduits 54 de recyclage. Ainsi qu'il ressort de la description pré- cédente, l'invention propose un procédé et un appareil pour transformer un évaporateur existant à longs tubes verticaux en évaporateur à film tombant d'une manière permettant de récupérer une grande partie de la struc- ture existante. En outre, conformément à l'invention, il n'est pas nécessaire de modifier la chambre échan- geuse de chaleur et les tubes échangeurs de chaleur qu'elle renferme. Il n'est donc pas nécessaire de dimi- nuer l'aire des surfaces d'échange de chaleur des tubes échangeurs de chaleur ou de procéder à de difficiles opérations de fabrication, soit à l'intérieur de la chambre échangeuse de chaleur, soit sur les plaques tubulaires supérieure et inférieure. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil dé- crits et représentés sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Procédé pour transformer un évaporateur (10) à longs tubes verticaux en un évaporateur (10') à film tombant, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) à utiliser un évaporateur à longs tubes verticaux comportant, (i) une chambre échangeuse de chaleur (16) à l'intérieur de laquelle sont disposés plusieurs tubes échangeurs de chaleur (20) s'étendant verticalement entre une plaque tubulaire supérieure (22) et une plaque tubulaire inférieure (24), la chambre échangeuse de chaleur comportant une entrée (26) de vapeur par laquelle de la vapeur peut y péné- trer; (ii) une chambre de fond (14) s'étendant au-dessous de la chambre échangeuse de chaleur et communiquant avec les extrémités inférieures des tubes échan- geurs de chaleur, la chambre de fond ayant une entrée (28) d'alimentation par laquelle un liquide d'alimentation peut y pénétrer et monter dans les tubes échangeurs de chaleur; (iii) une chambre (18) de séparation de vapeur disposée autour et au-dessus d'une partie supérieure de la chambre échan- geuse de chaleur, en communication avec lesextrémités supérieures des tubes échangeurs de chaleur, la chambre de séparation de vapeur ayant une sortie (40) de vapeur associée à une partie supérieure (34) de cette chambre et une sortie (38) de produit associée à une partie inférieure (30) de ladite chambre; (b) à prolonger la chambre de fond afin de former, entre cette dernière et la chambre échangeuse de chaleur, une chambre (42) de vaporisation instan- tanée destinée à recevoir directement le liquide d'ali- mentation arrivant par ladite entrée d'alimentation; (c) à utiliser une colonne montante (44) de vapeur dont une première extrémité (46) communique avec la chambre de vaporisation instantanée et dont une seconde extrémité (50) communique avec la chambre de séparation de vapeur afin que cette colonne fasse passer la vapeur de la chambre de vaporisation instan- tanée dans la chambre de séparation de vapeur; (d) à utiliser un conduit (54) de recyclage dont une première extrémité (56) communique avec la chambre de fond et dont une seconde extrémité (60) communique avec une partie supérieure de la chambre échangeuse de chaleur, le conduit de recyclage compor- tant des moyens (61) de recyclage destinés à faire écouler un liquide de la chambre de fond et à le dis- tribuer sur les extrémités supérieures des tubes échan- geurs de chaleur; et (e) à fermer la sortie (38) de produit associée à la chambre de séparation de vapeur et à utiliser une sortie (68) de produit en communication avec la chambre de fond. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la colonne montante de vapeur est extérieure à la chambre échangeuse de chaleur. 3. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le conduit de recyclage est extérieur à la chambre échangeuse de chaleur. 4. Procédé sedlon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il consiste en outre à utiliser des buses de pulvérisation (66) en communication avec la seconde extrémité du conduit de recyclage afin de dis- tribuer le liquide sur la plaque tubulaire supérieure. 5. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il consiste en outre à utiliser une chambre (62) de distribution du liquide au-dessus de la plaque tubulaire supérieure, dans la chambre de séparation de vapeur, qui communique avec la seconde extrémité du conduit de recyclage. 6. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de recyclage comprennent une pompe de recyclage. 7. Evaporateur à film tombant, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre échangeuse de chaleur (16') dans laquelle sont disposés plusieurs tubes échan- geurs de chaleur (20') qui s'étendent verticalement entre une plaque tubulaire supérieure (22') et une plaque tubulaire inférieure (24'), la chambre échangeuse de chaleur ayant une entrée (26') de vapeur par laquelle de la vapeur peut y pénétrer, une chambre (18') de séparation de vapeur disposée au-dessus de la chambre échangeuse de chaleur et ayant une sortie (40') de vapeur associée à une partie supérieure (34') de cette chambre (18'), une chambre (42) de vaporisation instan- tanée disposée immédiatement au-dessous de la plaque tubulaire inférieure, en communication de fluide avec les tubes échangeurs de chaleur, la chambre de vaporisa- tion instantanée ayant une entrée (28') d'alimentation par laquelle un liquide d'alimentation peut y pénétrer, une chambre de fond (14') disposée au-dessous de la chambre de vaporisation instantanée et en communication de fluide avec elle, une colonne montante (44) de vapeur disposée à l'extérieur de la chambre échangeuse de chaleur et ayant une première extrémité (46) en communi- cation de fluide avec la chambre de vaporisation instan- tanée et une seconde extrémité (50) en communication de fluide avec la chambre de séparation de vapeur afin que la vapeur formée dans ladite chambre de vaporisation instantanée puisse y passer et pénétrer dans la chambre de séparation de vapeur, et un conduit (54) de recyclage disposé à l'extérieur de la chambre échangeuse de cha- leur et ayant une première extrémité (56} en communica- tion de fluide avec la chambre de fond et une seconde extrémité (60) en communication de fluide avec une chambre (62) de distribution placée immédiatement au- dessus de la plaque tubulaire supérieure, en communica- tion de fluide avec les tubes échangeurs de chaleur, le conduit de recyclage comportant des moyens (61) de recyclage destinés à faire circuler un liquide à partir de la chambre de fond, dans ce conduit pour l'amener dans la chambre de distribution et le faire descendre dans les tubes échangeurs de chaleur. 8. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des buses de pulvérisation (66) associées à la seconde extrémité du conduit de recyclage afin de distribuer le liquide dans la chambre de distribution. 9. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de recyclage compren- nent une pompe de recyclage montée dans le conduit de recyclage. 10. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde extrémité de la colonne montante de vapeur dirige la vapeur la parcou- rant horizontalement à travers la partie inférieure (32') de la chambre de séparation de vapeur. 11. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première extrémité de la colonne montante de vapeur communique avec la chambre de vaporisation instantanée par une ouverture (48) formée dans une paroi extérieure de cette chambre, et en ce que la seconde extrémité de la colonne montante de vapeur communique avec la chambre de séparation de vapeur par une ouverture (52) formée dans une paroi extérieure de cette chambre. 12. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de séparation de vapeur comporte une partie inférieure (30') qui s'étend autour d'une partie supérieure de la chambre échangeuse de chaleur. 13. Evaporateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de séparation de vapeur comporte une partie supérieure renfermant un séparateur (36') d'entraînement.