Brevet FR2657629A1 — publié le 19910802

La présente invention concerne un dispositif de réchauffage en continu des solutions aqueuses utilisées dans les installations de fabrication des pâtes à papier. On connaît de nombreux procédés de fabrication des pâtes à papier, généralement classés en procédés mécaniques, chimico-mécaniques, mi-chimiques et chimiques. Tous ces procédés, et surtout les procédés des deux dernières catégories, utilisent un certain nombre de solutions aqueuses dont les principales sont désignées sous les termes de "liqueur blanche" (solution aqueuse d'hydroxyde de sodium et de sulfure de sodium), "liqueur verte" (solution aqueuse de carbonate de sodium et de sulfure de sodium) et "liqueur noire" (solution aqueuse contenant les réactifs de cuisson et les produits de dégradation du bois). Ces liqueurs sont utilisées à différentes températures, ce qui nécessite leur chauffage. La figure 1 illustre ainsi, à titre d'exemple, le circuit général d'une installation de fabrication de pâtes kraft. Après traitement à la vapeur en 1, le bois est cuit dans un ou plusieurs lessiveurs 2 en présence de liqueur blanche. En sortie de cuisson, on sépare en 3 la pâte à papier des produits de réaction de la cuisson par une opération de lavage, qui donne comme sous-produit une liqueur noire. Cette liqueur noire est collectée en 4 puis concentrée par évaporation en 5 ; elle est ensuite brûlée dans une chaudière 7 qui produit un salin fondu qui, après dissolution (donnant une liqueur verte) et caustification en 8 redonnera la liqueur blanche utilisée en 2 pour l'étape de cuisson. Dans ce cas particulier donné en exemple, comme dans de nombreux autres processus, il est nécessaire de chauffer les liqueurs à plusieurs stades, désignés V1 à V7 sur la figure 1. Le plus souvent, les besoins en chauffage de ces différentes liqueurs sont satisfaits par injection de vapeur vive produite par les chaudières de l'usine. Ce mode de chauffage (chauffage direct) présente cependant l'inconvénient d'une dilution de la liqueur par la vapeur injectée et entraîne une baisse du rendement, donc de l'efficacité énergétique du recyclage des liqueurs dans le processus. Une autre technique (chauffage indirect) consiste à faire circuler la liqueur dans un échangeur de chaleur dont une surface est en contact avec le circuit de liqueur. Le chauffage indirect ne présente pas l'inconvénient précité de la dilution de la liqueur, mais il nécessite en revanche une installation complexe et des lavages fréquents des échangeurs en raison de la nature particulièrement encrassante et entartrante des liqueurs, notamment des liqueurs noires. L'un des buts de la présente invention est de proposer un dispositif de chauffage des solutions aqueuses utilisées dans la fabrication des pâtes à papier qui pallie ces différents inconvénients, en assurant un chauffage uniforme et sans dilution des liqueurs, et qui ne produise aucun encrassement, entartrage ou corrosion des circuits de l'installation. Le dispositif de l'invention est utilisable de façon très large pour le chauffage de toutes les solutions aqueuses rencontrées dans les processus de fabrication des pâtes à papier, dès lors que ces solutions présentent la propriété de permettre une conduction ionique suffisante pour y faire circuler un courant qui permettra leur chauffage dans la masse par effet Joule, comme on l'expliquera plus bas. Parmi les sels minéraux dissous qui permettent la conduction ionique, et que l'on rencontre dans les liqueurs de ces différents processus, on trouve généralement l'hydroxyde de sodium NaOH, le sulfure de sodium Na2S, le carbonate de sodium Na2CO3, ainsi que des traces d'autres sels tels que le sulfate de sodium Na2SO4, le thiosulfate de sodium Na2S203, ou même Na2SO3, NaHS, etc., ce qui rend les liqueurs aptes à être chauffées par conduction ionique. On notera à cet égard que l'invention n'est aucunement limitée au chauffage des liqueurs des procédés de fabrication de pâtes kraft, encore moins au chauffage des seules liqueurs noires, mais qu'elle peut être bien au contraire appliquée à une très grande variété de processus de fabrication de pâte à papier. À cet effet, le dispositif de l'invention comprend : une enceinte définissant un volume fermé relié au circuit de l'installation par une conduite d'entrée recevant de ce circuit la solution à réchauffer et par une conduite de sortie délivrant au circuit la solution réchauffée ; au moins une paire d'électrodes, disposées en deux emplacements opposés de l'enceinte et présentant au moins une surface en contact avec la solution introduite dans l'enceinte ; et des moyens pour appliquer une tension aux bornes de cette paire d'électrodes, de manière à provoquer dans la solution le passage par conduction ionique d'un courant produisant par effet Joule le réchauffement de cette solution dans la masse. Très avantageusement, l'enceinte a une forme sensiblement parallélépipédique allongée, les deux conduites aboutissant aux deux faces de plus petite section de ce parallélépipède et les électrodes étant des électrodes sensiblement planes s'étendant sur les faces étroites allongées de celui-ci. De préférence, les électrodes sont des électrodes creuses parcourues par un fluide de refroidissement amené par une conduite reliée au volume interne de l'électrode creuse ; pour l'une au moins des électrodes, cette conduite est alors avantageusement une conduite métallique formant borne électrique de raccordement. 0 On va maintenant donner un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, illustre de façon schématique un procédé de préparation d'une pâte kraft pour lequel l'invention peut être avantageusement mise en oeuvre. La figure 2 est une vue en coupe, selon II-II de la figure 3, d'un dispositif de chauffage selon l'invention. La figure 3 est une vue en coupe, selon III-III de la figure 2, de ce même dispositif. L'idée-mère de l'invention consiste, comme on l'a exposé plus haut, à faire circuler la liqueur à chauffer dans une enceinte en matière isolante (placée à l'intérieur d'une enceinte métallique reliée à la terre) équipée d'électrodes alimentées en courant (indifféremment alternatif ou continu), ce courant traversant la liqueur qui s'échauffe par l'effet Joule consécutif à la conduction ionique dans la masse du liquide. Cette manière de procéder permet un chauffage rapide et uniforme dans l'ensemble de la masse de liqueur. D'autre part, l'installation étant, comme on va le voir, très compacte, les pertes thermiques sont très faibles, ce qui assure un rendement très élevé. Enfin, il n'y a aucune dilution de la liqueur et, comme le chauffage s'effectue dans la masse, il n'y a pas de risques d'encrassement ni d'entartrage dus à la présence d'une paroi chaude, comme cela serait le cas avec un échangeur de chaleur classique. Plus précisément, le dispositif de chauffage se compose d'un corps tubulaire parallélépipédique aplati 10 en matériau électriquement isolant, comportant deux électrodes planes 20, 20' et fermé à chacune de ses extrémités par un couvercle 30, également en matériau électriquement isolant (sur la figure 2, on n'a représenté que la moitié du dispositif, qui est symétrique par rapport au plan médian transversal P). Le corps tubulaire 10 est formé de quatre plaques soudées pour former un parallélépipède rectangle et, à chaque extrémité, d'une bride 11 munie de trous 12 pour permettre la fixation des couvercles 30. Chacune des électrodes 20, 20' a, en coupe transversale, une forme rectangulaire creuse et comporte une partie métallique électriquement active 21, tournée vers le volume intérieur du corps, en contact direct avec le liquide qui circulera dans celui-ci, et une chambre de refroidissement 22 permettant d'éviter un échauffement local trop important risquant de créer un entartrage par effet de paroi chaude. Les électrodes 20, 20' sont de préférence disposées sur les deux faces diamétralement opposés allongées et étroites du corps 10, afin d'optimiser le chauffage en fonction de la géométrie du dispositif. De préférence, l'électrode est enrobée de matière isolante, sauf sur sa partie électriquement active 21. Deux tubes 23, disposés à chacune des extrémités de l'électrode, servent d'entrée et de sortie d'eau de refroidissement ; l'un de ces tubes sert en même temps de bornes d'alimentation électrique de l'électrode. Les électrodes sont alimentées électriquement en courant continu ou alternatif, par exemple en courant alternatif monophasé dont on ajuste la tension au moyen d'un transformateur ou d'un autotransformateur. Enfin, les couvercles 30 en matériau isolant comportent un épaulement 31 muni de trous 32 homologues des trous 12 de la bride 11 du corps, pour permettre la fixation à ce dernier. On prévoit par ailleurs des trous pour permettre le passage des tubes 23 d'entrée ou de sortie d'eau de refroidissement des électrodes. Ces trous se terminent par un lamage taraudé 33 permettant de placer des presse-étoupes assurant l'étanchéité à ce niveau. Enfin, le couvercle comporte une ouverture 34 donnant sur le volume intérieur du corps 10 par l'intermédiaire de deux faces inclinées 35 formant diffuseur ; l'ouverture 34 est taraudée de manière à permettre le raccordement au réseau d'alimentation (tube métallique raccordé sur le circuit de terre) en produit à réchauffer. On a effectué avec cette installation un essai de longue durée de chauffage d'une liqueur noire concentrée provenant de la fabrication d'une pâte kraft. Cette liqueur était une liqueur noire concentrée à 65 % de matière dissoute provenant d'une usine de fabrication de pâte kraft ; sa température d'entrée était de 900 C, avec un débit de 500 l/h. On a utilisé un dispositif de chauffage tel que celui illustré figure 2 et 3, avec des électrodes en acier inoxydables de nuance 304L, alimentées par une tension alternative 50Hz/50 V et produisant une densité de courant dans la masse de liqueur de 0,7 A/cm2, permettant d'obtenir une température de sortie de 1200 C, température utilisée pour l'injection dans les chaudières de récupération. Aucun encrassement ou entartrage des électrodes n'a été observé après 50 heures, ni aucun phénomène de corrosion. REVENDICATIONS 1. Un dispositif de réchauffage en continu des solutions aqueuses utilisées dans les installations de fabrication des pâtes à papier, notamment pour le réchauffage des liqueurs noires, caractérisé en ce qu'il comprend - une enceinte (10, 30) définissant un volume fermé relié au circuit de l'installation par une conduite d'entrée (34) recevant de ce circuit la solution à réchauffer et par une conduite de sortie délivrant au circuit la solution réchauffée, - au moins une paire d'électrodes (20, 20'), disposées en deux emplacements opposés de 1 l'enceinte et présentant au moins une surface (21) en contact avec la solution introduite dans l'enceinte, et - des moyens pour appliquer une tension aux bornes de cette paire d'électrodes, de manière à provoquer dans la solution le passage par conduction ionique d'un courant produisant par effet Joule le réchauffement de cette solution dans la masse. 2. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel l'enceinte a une forme sensiblement parallélépipédique allongée, les deux conduites aboutissant aux deux faces de plus petite section de ce parallélépipède et les électrodes étant des électrodes sensiblement planes s'étendant sur les faces allongées étroites de celui-ci. 3. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel les électrodes sont des électrodes creuses parcourues par un fluide de refroidissement amené par une conduite (23) reliée au volume interne de l'électrode creuse. 4. Le dispositif de la revendication 3, dans lequel ladite conduite (23) de l'une au moins des électrodes est une conduite métallique formant borne électrique de raccordement.