Brevet FR2918575A1 — publié le 20090116

La présente invention concerne un appareil de cristallisation du soluté contenu dans une solution à traiter. On admet généralement que les appareils de cristallisation connus sont de trois types. Il s'agit d'abord des appareils de cristallisation dit à circulation forcée qui comprennent une chambre destinée à contenir la solution à traiter et un circuit externe à cette chambre pour amener ladite solution à circuler, sous l'effet d'une pompe de circulation, depuis une sortie située en position basse de ladite chambre jusqu'à une entrée située en position haute de cette dernière, en passant par un échangeur de chaleur pour créer un état de sursaturation au sein de la solution ; ce type d'appareils conduit à des cristaux de taille moyenne (habituellement 250 -400 }gym) avec une dispersion assez large de la granulométrie. Il s'agit ensuite des appareils de cristallisation du type Oslo qui comprennent une chambre destinée à recevoir la solution à traiter et dans laquelle cette solution est amenée à circuler de la partie haute à la partie basse à travers un tube central descendant, avant de remonter dans la chambre autour de ce tube et d'en être extraite, sous une forme relativement claire, c'est-à-dire peu chargée en cristaux, par un circuit externe à la chambre ramenant cette solution à la partie haute de la chambre après passage dans un échangeur de chaleur pour créer un état de sursaturation ; les cristaux obtenus avec ce type d'appareils sont relativement gros (habituellement 1,5 - 2 mm) avec une distribution moyenne de la granulométrie. Il s'agit enfin des appareils de cristallisation dit à chicane et tube d'aspiration (DTB), dans lesquels la solution à traiter est amenée à circuler, sous l'effet d'un agitateur créant un mouvement ascendant, de bas en haut à travers un tube central puis de haut en bas autour de ce tube, avant de parvenir dans une zone calme où la solution est peu chargée en cristaux et d'où cette dernière est extraite, avant d'être réchauffée pour dissoudre les cristaux les plus fins (fines) 2 puis réintroduite à la base de l'appareil ; les cristaux obtenus sont relativement gros (habituellement 1 - 2mm) en raison de l'élimination des fines, mais avec une distribution relativement large en raison de la destruction mécanique des cristaux par l'agitateur ; en outre, la mise en oeuvre de cet agitateur présente divers inconvénients, tels que difficulté de mise en place, problème d'étanchéité, nécessité d'une surveillance pour détecter un éventuel blocage. Comme on l'aura compris, les appareils existants décrits ci-dessus présentent des difficultés de conception et de mise en oeuvre et/ou des insuffisances en termes de granulométrie et de distribution de cette dernière. Le but de la présente invention est de proposer un appareil de cristallisation de conception simple et permettant d'obtenir des cristaux dont la granulométrie peut être réglée à volonté, avec une dispersion étroite de la granulométrie. A cet effet, l'appareil selon l'invention comprend : une première et une deuxième chambres destinées à recevoir ladite solution à traiter, - des moyens pour maintenir au moins une partie de cette solution dans un état de sursaturation pour y induire la formation de particules cristallines du soluté, - des moyens pour assurer une circulation de ladite solution de la première chambre à la deuxième chambre pour maintenir en suspension lesdites particules cristallines, - des moyens pour isoler, au sein de la deuxième chambre, dans au moins une zone calme en communication avec cette dernière, une partie de la solution destinée à être présente dans cette deuxième chambre, un premier circuit pour extraire sélectivement de ladite zone calme, un premier courant de liquide comprenant des particules cristallines de soluté de plus petite dimension et pour recycler ce premier courant dans la première chambre, et - un deuxième circuit pour extraire sélectivement de la deuxième chambre, un deuxième courant de liquide comprenant des 3 particules cristallines de soluté de plus grande dimension, et pour amener ce deuxième courant dans la première chambre, l'extrémité avale du premier circuit débouchant dans le deuxième circuit de manière à ce que les premier et deuxième courants de liquide soient amenés à s'écouler dans le même sens dans ledit deuxième circuit. On comprendra aisément que le deuxième circuit, c'est-à-dire celui suivi par le courant liquide contenant les particules cristallines (cristaux) les plus grosses, ne nécessite pas la mise en oeuvre d'une pompe de circulation puisque ce courant sera entraîné vers la première chambre sous l'effet du premier courant circulant dans le premier circuit. Du fait de l'absence de cette pompe, les gros cristaux ne seront soumis à aucune contrainte mécanique de nature à les réduire en cristaux plus fins, de sorte qu'il est possible d'obtenir des cristaux relativement gros avec une distribution étroite de la granulométrie. Selon un mode de réalisation, la partie d'extrémité avale du premier circuit est disposée sensiblement concentriquement dans le deuxième circuit ; cette disposition conduit à une aspiration et donc à un entraînement du courant comprenant les gros cristaux, avec un minimum de turbulence, ce qui élimine tout risque de destruction de ces gros cristaux. Les moyens pour maintenir la solution dans un état de sursaturation comprennent de préférence un dispositif de réchauffage du premier courant de liquide, disposé sur ledit premier circuit, et une sortie de vapeur, prévue sur la deuxième chambre ; dans ce cas, le dispositif de réchauffage peut comprendre un échangeur de chaleur indirect comprenant un circuit pour un fluide caloporteur et un circuit pour un fluide à réchauffer, ce dernier circuit constituant une partie dudit premier circuit. On notera que lorsque l'appareil selon l'invention est destiné à la cristallisation d'un soluté contenu dans une solution comprenant un mélange qui est le siège d'une réaction 4 exothermique, les moyens pour maintenir la solution dans un état de sursaturation comprennent la chaleur dégagée par cette réaction ; à titre d'exemple d'une telle solution, on peut citer un mélange d'acide sulfurique et d'ammoniac pour l'obtention de sulfate d'ammonium. Avantageusement, les moyens pour assurer la circulation de la solution de la première chambre à la deuxième chambre comprennent une pompe de circulation disposée sur le premier circuit. Comme on le sait, la formation de cristaux du soluté est la conséquence de la désursaturation résultant soit du dépôt de soluté sur des cristaux existants ce qui conduit à des gros cristaux, soit de la formation de nouveaux cristaux de soluté (germes) de faible granulométrie (fines). On comprendra aisément que si l'on désire des gros cristaux de soluté, il convient dans toute la mesure du possible d'éviter la formation des fines ou de les éliminer. Dès lors, selon un mode de réalisation particulier, l'appareil selon l'invention peut comprendre un troisième circuit pour éliminer des particules cristallines d'une granulométrie donnée, de préférence les plus petites parmi les particules cristallines présentes dans le premier courant de liquide ou dans la zone calme ou l'une des zones calmes de la deuxième chambre. Ce troisième circuit peut comprendre un séparateur solide-liquide disposé sur le premier circuit, pour former un troisième courant de liquide contenant lesdites particules cristallines de granulométrie donnée, et des moyens de chauffage de ce troisième courant pour dissoudre lesdites particules cristallines, ce troisième circuit se terminant dans le premier circuit. Selon une variante, ledit troisième circuit prend naissance dans la zone calme ou dans l'une des zones calmes de la deuxième chambre pour en extraire lesdites particules cristallines de granulométrie donnée sous la forme d'un courant de liquide, comprend des moyens de chauffage de ce courant pour dissoudre lesdites particules cristallines et se termine dans le premier circuit. Selon un mode de réalisation, l'appareil selon 5 l'invention est caractérisé en ce que la deuxième chambre comprend une paroi latérale cylindrique sensiblement verticale et est fermée par une paroi d'extrémité supérieure et une paroi d'extrémité inférieure, en ce que la première chambre comprend une partie tubulaire s'étendant sensiblement concentriquement à l'intérieur de la deuxième chambre en traversant la paroi d'extrémité inférieure de cette dernière, et en ce que lesdits moyens pour isoler au moins une partie de la solution dans la deuxième chambre comprennent une cloison qui prend naissance sur la paroi latérale cylindrique de la deuxième chambre le long d'une partie au moins de cette dernière, s'étend sensiblement radialement vers l'intérieur de cette chambre, puis se prolonge en direction de la première chambre sensiblement parallèlement à la partie tubulaire de cette dernière, pour définir ainsi ladite zone calme avec ladite paroi latérale cylindrique. Dans le cadre du mode de réalisation ci-dessus, le deuxième circuit comprend un conduit prenant naissance dans la deuxième chambre au voisinage de la zone où la paroi d'extrémité inférieure de cette deuxième chambre est traversée par la partie tubulaire de la première chambre, ledit deuxième circuit se terminant dans cette dernière ; dans ce même appareil, la première chambre comprend à sa partie basse une zone destinée à recevoir lesdites particules cristallines de plus grande dimension, cette zone étant pourvue d'une sortie pour ces particules. L'invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée en référence à un mode de réalisation particulier donné uniquement à titre d'illustration et représenté sur le dessin annexé dans lequel : 6 la figure 1 est une coupe verticale schématique de l'appareil de cristallisation, et la figure 2 est une coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1. Les figures susvisées montrent un appareil de cristallisation qui comprend une chambre supérieure 1 surmontant une chambre inférieure 2. La chambre supérieure 1 comprend une partie inférieure tronconique 3 dont la grande base supérieure est raccordée à une paroi cylindrique verticale 4 fermée à son extrémité supérieure par une surface d'extrémité supérieure 5 pourvue d'une sortie de vapeur 5a. La chambre inférieure 2 comprend pour sa part une paroi latérale sensiblement verticale et cylindrique 6 se terminant à sa base par une partie tronconique 7 dont la petite base inférieure est prolongée vers le bas par une partie cylindrique 8 fermée à sa partie inférieure et pourvue, au voisinage de cette fermeture, d'une sortie 9 de liquide fortement chargé en gros cristaux. La surface 6 est raccordée à sa partie supérieure à la petite base de la partie tronconique 3, avant de se prolonger par une surface tronconique 6a dont la petite base se termine par un tube vertical 10 disposé sensiblement concentriquement à l'intérieur de la chambre 1. La hauteur de ce tube 10 est choisie pour que son extrémité supérieure soit située à quelque distance au-dessous du niveau de la solution destinée à être traitée dans l'appareil. Par ailleurs, une cloison cylindrique 11 est disposée concentriquement dans la chambre 1 et autour du tube 10 ; cette cloison 11 est raccordée par son bord périphérique supérieur 12 à la paroi latérale 4 par une surface inclinée montante 13. On notera que le bord périphérique inférieur 14 de la cloison 11 est à une distance suffisante de l'extrémité inférieure de la chambre 1 pour que la zone 15 définie entre 7 ladite cloison 11, la paroi latérale 4 et la surface inclinée 13 soit une zone calme non perturbée par les turbulences existant à l'extérieur de cette même zone 15. La paroi latérale 4 est pourvue, au niveau de la zone 15, d'une sortie du liquide 16 raccordée à l'aspiration 17 d'une pompe 18 dont le refoulement 19 communique avec l'entrée du circuit de fluide à réchauffer d'un échangeur de chaleur indirect 20, dont le circuit de fluide colporteur (vapeur d'eau par exemple) comprend une arrivée 21 et une sortie 22. La sortie du circuit de fluide réchauffé de l'échangeur 20, est raccordée à une tubulure 23 destinée à ramener le fluide réchauffé issu de l'échangeur 20 dans la chambre 2. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la partie tronconique 3 est pourvue d'une sortie 24 communiquant avec l'intérieur de la chambre 2 par un conduit 25. La tubulure 23 débouche dans le conduit 25 de manière à ce que son extrémité avale 26 soit disposée concentriquement dans ce conduit 25 et que l'écoulement du fluide dans ce dernier se fasse vers la chambre 2. L'appareil ainsi décrit est complété par une arrivée 27 de solution à traiter, celle-ci étant située en amont de l'échangeur 20. Le fonctionnement de cet appareil est comme suit. La solution à traiter, c'est-à-dire celle dont on souhaite cristalliser le soluté, est introduite dans l'appareil par l'arrivée 27 pour atteindre le niveau désiré dans la chambre 1, la pompe 18 étant en fonctionnement ; la concentration en soluté de cette solution dépendra bien entendu de la nature du soluté et est choisie pour que ladite solution soit proche de la saturation. Bien entendu, le niveau dans la chambre 1 est maintenant sensiblement constant pendant toute la durée des opérations de cristallisation en réglant par exemple le débit de solution fraîche amenée par l'arrivée 27 ou en extrayant de la liqueur mère en un point quelconque de l'installation. 8 L'échangeur de chaleur 20 est pour sa part mis en fonctionnement dès que le niveau est atteint. Cet échangeur est réglé pour évaporer suffisamment de liquide afin d'atteindre la sursaturation d'une partie au moins de la solution ; lorsque ceci est approprié, cette évaporation peut être facilitée en reliant la sortie de vapeur 5a à une source de vide. Dans ces conditions, il y a formation de germes ou, si de petits cristaux sont déjà présents dans la solution, grossissement de ces derniers. La vitesse d'écoulement dans les chambres 1 et 2 est réglée, au moyen de la pompe 18 qui est de préférence à débit variable, pour que les cristaux et germes formés soient maintenu en suspension et que seuls les germes et les cristaux ayant une granulométrie égale ou inférieure à une valeur seuil soient amenés jusqu'à la sortie 16 à partir de laquelle ils sont évacués de la zone 15. En fait, dans cette zone, les particules cristallines se répartissent selon un gradient de la granulométrie, les particules les plus fines étant situées dans la partie la plus haute. Le liquide clair, c'est-à-dire relativement peu chargée en particules fines, issu de la sortie 16 est ensuite amenée sous l'effet de la pompe 18 dans l'échangeur 20 où il est porté à une température appropriée avant d'être introduit dans la chambre 1 via les organes 23, 25 et 26. Au cours de leur déplacement dans la chambre 1, le tube 10, la chambre 2 et la zone 15, puis retour vers la chambre 1, les germes et les particules cristallines grossissent et effectuent ce cycle jusqu'à atteindre une taille suffisante à partir de laquelle les grosses particules cristallines ainsi formées se rassemblent à la base de la demande 2 à partir de laquelle elles sont évacuées par la sortie 24 vers la chambre 1 sous l'effet d'aspiration/d'entraînement du liquide s'écoulant dans l'extrémité avale 26 du tube 23. 9 Il est à noter que les dimensions relatives des conduits 23, 24, 26 sont telles que les cristaux puissent être évacués sans encombre de la chambre 1. Etant donné que ces grosses particules cristallines ne sont soumises à aucune contrainte mécanique, elles ne subissent aucune rupture/désintégration et se rassemblent entières dans la partie cylindrique 8 d'où elles sont extraites par la sortie 9. Selon une autre caractéristique de l'invention, si l'on désire des particules cristallines de granulométrie encore plus élevée, on prévoit un séparateur solide-liquide 28 entre la sortie 16 et l'aspiration 17 de la pompe 18. La fraction de liquide la plus faiblement chargée en particules cristallines suit son parcours jusqu'à la pompe 18. Quant à la fraction du liquide la plus fortement chargée en particules cristallines (représentant habituellement environ 1/10 à 1/15 du liquide entrant dans le séparateur), elle est amenée via une pompe de circulation 29 dans un échangeur de chaleur 30 où elle est portée à une température suffisante pour dissoudre lesdites particules cristallines, avant d'être ramenée par le conduit 31 dans le tubulure 23. Dans ces conditions, lors de la désursaturation, le soluté se dépose non pas sur les cristaux les plus fins (fines), mais sur des particules cristallines plus grosses, ce 25 qui conduit à l'obtention finale de gros cristaux. Selon une variante, le séparateur 28 est omis et l'aspiration de la pompe 29 est directement reliée à la zone calme 15, de préférence à distance de la sortie 16. Selon une autre variante, il serait possible de prévoir 30 au moins un autre circuit externe aux chambres 1 et2, de même structure que le circuit 16-17-18-19-20-23-26 mais prenant naissance en un autre point de la zone calme 15 et se terminant dans un circuit identique au circuit 24-25 qui prend lui-même naissance à la base de la chambre 2 à distance de la sortie 24. 35 Les avantages de la présente invention sont multiples : 5 10 15 20 30 10 possibilité d'obtenir une distribution étroite de la granulométrie des cristaux, possibilité de modifier à volonté la taille des cristaux en jouant sur l'élimination des fines, l'absence d'une telle élimination conduisant à des cristaux plus petits que ceux obtenus par élimination des fines, en cas de formation de blocs de soluté sur la surface interne de la paroi latérale cylindrique 4 de la chambre supérieure 1, ces blocs lorsqu'ils se détachent ne peuvent tomber dans la partie cylindrique 8 inférieure de la chambre inférieure 1 et bloquer l'extraction des cristaux, la technologie selon l'invention est utilisable pour petites et grandes capacités, facilité d'extrapolation à partir d'essais pilotes, car la circulation du liquide et des particules cristallines est quasi-linéaire en l'absence d'agitateur (comme dans le cas du DTB), possibilité d'utiliser l'appareil soit comme un cristalliseur à circulation forcée (non destruction des fines), soit comme un cristalliseur du type DTB (avec destruction des fines) avec obtention de cristaux de grande taille, l'appareil peut être utilisé comme un réacteurcristalliseur (cas où la solution est un mélange réactionnel dont le produit doit être cirstallisé), comme un séparateur-cristalliseur (cas où une purification est recherchée) ou comme un simple cristalliseur (cas où un soluté est recherché sous la forme de cristaux). 35 Revendications 1. Appareil de cristallisation du soluté contenu dans une solution à traiter caractérisé en ce qu'il comprend : - une première (2) et une deuxième (1) chambres destinées à recevoir ladite solution à traiter, des moyens (20) pour maintenir au moins une partie de cette solution dans un état de sursaturation pour y induire la formation de particules cristallines du soluté, - des moyens pour assurer une circulation de ladite solution de la première chambre à la deuxième chambre pour maintenir en suspension lesdites particules cristallines, - des moyens (11, 13) pour isoler, au sein de la deuxième chambre, dans au moins une zone calme (15) en communication avec cette dernière, une partie de la solution destinée à être présente dans cette deuxième chambre, - un premier circuit (16, 17, 18, 19, 20, 23, 26, 25) pour extraire sélectivement de ladite zone calme, un premier courant de liquide comprenant des particules cristallines de soluté de plus petite dimension et pour recycler ce premier courant dans la première chambre, et un deuxième circuit (24, 25) pour extraire sélectivement de la deuxième chambre, un deuxième courant de liquide comprenant des particules cristallines de soluté de plus grande dimension, et pour amener ce deuxième courant dans la première chambre, l'extrémité avale (26) du premier circuit débouchant dans le deuxième circuit de manière à ce que les premier et deuxième courants de liquide soient amenés à s'écouler dans le même sens dans ledit deuxième circuit. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'extrémité avale (26) du premier circuit est disposée sensiblement concentriquement dans le deuxième circuit. 12 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir la solution dans un état de sursaturation comprennent un dispositif de réchauffage du premier courant de liquide, disposé sur ledit premier circuit, et une sortie de vapeur (5a), prévue sur la deuxième chambre. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de réchauffage comprend un échangeur de chaleur indirect (20) comprenant un circuit pour un fluide caloporteur (21, 22) et un circuit pour un fluide à réchauffer, ce dernier circuit constituant une partie dudit premier circuit. 5. Appareil selon la revendication 3, pour la cristallisation d'un soluté contenu dans une solution comprenant un mélange qui est le siège d'une réaction exothermique, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir la solution dans un état de sursaturation comprennent la chaleur dégagée par cette réaction. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens pour assurer la circulation de la solution de la première chambre à la deuxième chambre comprennent une pompe de circulation (18) disposée sur le premier circuit. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième circuit pour éliminer des particules cristallines d'une granulométrie donnée, de préférence les plus petites, parmi les particules cristallines présentes dans le premier courant de liquide ou dans la zone calme ou l'une des zones calmes de la deuxième chambre.35 13 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit troisième circuit comprend un séparateur solide-liquide (28) disposé sur le premier circuit, pour former un troisième courant de liquide contenant lesdites particules cristallines de granulométrie donnée, et des moyens de chauffage (30) de ce troisième courant pour dissoudre lesdites particules cristallines, ce troisième circuit se terminant dans le premier circuit. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit troisième circuit prend naissance dans la zone calme ou dans l'une des zones calmes de la deuxième chambre pour en extraire lesdites particules cristallines de granulométrie donnée sous la forme d'un courant de liquide, comprend des moyens de chauffage de ce courant pour dissoudre lesdites particules cristallines et se termine dans le premier circuit. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la deuxième chambre (1) comprend une paroi latérale cylindrique sensiblement verticale (4) et est fermée par une paroi d'extrémité supérieure (5) et une paroi d'extrémité inférieure (6a), en ce que la première chambre (2) comprend une partie tubulaire (10) s'étendant sensiblement concentriquement à l'intérieur de la deuxième chambre en traversant la paroi d'extrémité inférieure (6a) de cette dernière, et en ce que lesdits moyens pour isoler au moins une partie de la solution dans la deuxième chambre comprennent une cloison (11, 13) qui prend naissance sur la paroi latérale cylindrique (4) de la deuxième chambre le long d'une partie au moins de cette dernière, s'étend sensiblement radialement vers l'intérieur de cette chambre, puis se prolonge en direction de la première chambre sensiblement parallèlement à la partie tubulaire (10) de cette dernière, pour définir ainsi ladite zone calme avec ladite paroi latérale cylindrique.35 14 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le deuxième circuit comprend un conduit (24, 25) prenant naissance dans la deuxième chambre (1) au voisinage de la zone où la paroi d'extrémité inférieure (6a) de cette deuxième chambre est traversée par la partie tubulaire (10) de la première chambre (2), ledit deuxième circuit se terminant dans cette dernière. 12. Appareil selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la première chambre comprend à sa partie basse une zone (8) destinée à recevoir lesdites particules cristallines de plus grande dimension, cette zone étant pourvue d'une sortie (9) pour ces particules.