Brevet FR3030306A1 — publié le 20160624

L'invention concerne un dispositif malaxeur et d'échange thermique, à marche continue, et trouvera une application particulière comme cristalliseur-refroidisseur. Le domaine de l'invention est celui de la cristallisation du saccharose dans les processus de la sucrerie de canne, de betterave et du raffinage, et en particulier des appareils opérant une cristallisation par refroidissement. Dans ce domaine, les installations de cristallisation comprennent, de manière connue, un appareil de cristallisation à marche continue comprenant typiquement une cuve cloisonnée, mise sous vide, chauffée, en particulier au moyen d'éléments chauffants internes. Cette cuve est alimentée en continue en sirop et d'un magma d'ensemencement présentant des cristaux de sucre. Dans un tel appareil, les opérations de cristallisation s'effectuent par évaporation et concentration du produit sucré, permettant l'obtention d'un produit usuellement nommé « masse cuite » en sortie de l'appareil. Il est par ailleurs connu d'augmenter le rendement de cristallisation en soumettant cette masse cuite à une opération de cristallisation par refroidissement. Un tel état de la technique est enseigné à titre d'exemple par le document FR 2597115 qui comprend, à la figure 1, un appareil de cristallisation à marche continue, repéré 10, opérant une cristallisation par évaporation, suivi d'un malaxeur repéré 12 assurant le refroidissement de la masse cuite. Les malaxeur-refroidisseurs classiquement utilisés pour cette dernière opération comprennent classiquement une cuve cylindrique d'axe vertical, à l'intérieur de laquelle sont prévus des éléments d'échange thermique. Ces éléments d'échange thermique prennent la forme, typiquement, d'un réseau de tubes arrangés en nappes et à l'intérieur desquels circule de l'eau de refroidissement, à contre-courant avec la masse cuite qui s'écoule dans la cuve. Dans un tel dispositif, il est indispensable d'agiter la masse cuite pour optimiser l'échange thermique, ainsi que son écoulement à l'intérieur de la cuve, depuis une entrée et jusqu'à une sortie pour la masse cuite. A la connaissance de la Demanderesse, il est connu deux alternatives distinctes pour agiter la masse cuite dans la cuve. Selon une première méthode, dans un appareil dit « malaxeur vertical à nappes de tubes mobiles », tout ou partie des nappes de tubes est montée sur un support mobile, verticalement, dans la cuve, un actionneur assurant le déplacement du support selon un mouvement de va- et-vient sensiblement vertical. Selon cette méthode, la masse cuite est agitée par les mouvements verticaux de va-et-vient des éléments d'échange thermique. Selon une deuxième méthode dans un appareil dit « malaxeur vertical à nappes de tube fixes », les éléments d'échange thermique, en particulier les nappes de tubes sont fixes dans la cuve : l'agitation est alors créée par un rotor, d'axe sensiblement vertical, entraîné en rotation sur son axe : un tel rotor d'agitation comprend un arbre de rotation, sensiblement vertical guidé en partie basse et en partie haute par l'intermédiaire de paliers. Cet arbre de rotation supporte des pales d'agitation, de longueurs orientées suivant des directions radiales, reparties suivant la hauteur de l'arbre, et disposées respectivement entre les nappes de tubes : dans un tel dispositif, l'agitation de la masse cuite est créée par la rotation du rotor. La structure d'un tel cristalliseur-refroidisseur est décrite en page 6 lignes 16 à 33 du document FR 2 571 280A1 comme comportant une cuve verticale, des éléments d'échange thermique, tels que tubes ou plaques, placés à l'intérieur de la cuve et assurant le refroidissement du produit contenu dans la cuve par circulation d'eau et, des pales fixées sur un arbre vertical entrainé par un moteur et permettant de brasser les produits contenus dans la cuve. Selon les constatations de la Demanderesse, selon ce second principe d'agitation au moyen de pales radiales tournant dans un plan horizontal, la distance entre les pales et les tubes des éléments d'échange thermique est fixe, lors de la rotation du rotor et la composante de la vitesse de circulation de la masse cuite est plus importante près des pales que près des tubes. Pour cette raison et selon l'inventeur, l'échange thermique ne serait pas optimum. Le but de la présente invention est de pallier aux inconvénients précités en proposant un dispositif malaxeur et d'échange thermique, à marche continue, du type comprenant un rotor d'agitation, mais de performance améliorée par rapport à l'état de la technique connu. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Aussi, l'invention concerne un dispositif malaxeur et d'échange thermique, à marche continue, comprenant : - une cuve présentant une entrée et une sortie pour un produit à traiter tel que de la masse cuite, - un ou plusieurs éléments d'échange thermique, interne(s) à la cuve, destinés à être en contact avec le produit, et à l'intérieur desquels est destiné à circuler un fluide, tel qu'un fluide de refroidissement, - un rotor d'agitation, interne à la cuve, comprenant des pales solidaires d'un arbre de rotation, - un moteur, en particulier un motoréducteur, coopérant avec l'arbre de rotation pour entrainer le rotor en rotation sur son axe. Selon l'invention, ledit dispositif présente un système configuré de sorte à permettre le changement d'inclinaison de l'arbre de rotation par rapport à la verticale, lors de la rotation du rotor, comportant : - un système d'articulation entre l'arbre de rotation et une partie fixe solidaire de la cuve, assurant le supportage dudit rotor d'agitation tout en permettant ledit mouvement de rotation du rotor d'agitation sur son axe, mais également, en combinaison, au moins le changement d'inclinaison du rotor d'agitation, - un actionneur coopérant avec l'arbre de rotation du rotor et de manière à commander le changement d'inclinaison. Selon des caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules ou en combinaison : - une unité de contrôle assure la commande dudit actionneur, et est configuré de sorte à engendrer un mouvement pendulaire dudit rotor d'agitation, autour de la verticale, au cours de la rotation dudit rotor d'agitation ; - ledit ou lesdits éléments d'échange thermique s'étendent au niveau des inter-espaces entre les pales dudit rotor d'agitation et comprennent en particulier une nappe de tubes ou conduites, s'étendant périodiquement entre lesdits inter-espaces ; - les positions de ladite entrée et de la sortie de produit dans la cuve, ainsi que le sens de circulation du fluide dans ledit ou lesdits éléments d'échange thermique sont configurés de manière à assurer un échange thermique à contre-courant entre le fluide et le produit ; - le système d'articulation comprend une liaison rotule. En particulier, le système d'articulation comprend un cardan, assurant d'une part, les mouvements combinés de rotation du rotor sur son axe et de changement d'inclinaison, le supportage du rotor, et d'autre part, une transmission de couple entre le moteur et le rotor ; - alternativement le système d'articulation comprend : - un premier pivot entre l'arbre de rotation et un support, autorisant la rotation dudit rotor d'agitation autour de son axe, et par rapport au support, - un deuxième pivot entre le support et une partie fixe de la cuve, d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe du premier pivot et autorisant le changement d'inclinaison dudit rotor. L'invention concerne encore une installation à marche continue pour la cristallisation de 15 jus de sucres et produits analogues comprenant : - un appareil de cristallisation à marche continue comprenant une cuve, des moyens de mises sous vide de la cuve et des éléments chauffants à l'intérieur de la cuve, des moyens d'alimentation de la cuve en sirop, une entrée pour un magma d'ensemencement, et une sortie de masse cuite, 20 - un cristalliseur-refroidisseur comprenant un dispositif selon l'invention, ladite entrée de produit du dispositif étant connectée à ladite sortie de masse cuite de l'appareil de cristallisation à marche continue. L'invention concerne encore un procédé de cristallisation du saccharose comprenant 25 une étape de malaxage et de refroidissement mise en oeuvre dans un dispositif selon l'invention ou encore dans un dispositif appartenant à l'installation selon l'invention dans lequel on procède au refroidissement d'une masse cuite par échange thermique entre la masse cuite et un fluide de refroidissement circulant dans le ou les éléments d'échange thermique et, par le brassage simultané de ladite masse cuite par des 30 mouvements combinés du rotor d'agitation comprenant une rotation dudit rotor d'agitation autour de son axe et un mouvement pendulaire dudit rotor autour de la verticale. Selon un mode de réalisation, le mouvement pendulaire du rotor d'agitation étant un mouvement de fréquence d'oscillation fp et le mouvement de rotation du rotor étant un mouvement de rotation de fréquence fr, on choisit des fréquences fp et fr distinctes et de préférence non multiples entre elles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - La figure 1 représente schématiquement un malaxeur vertical à nappes mobiles, et tel que connu de l'état de la technique, - La figure 2 représente schématiquement un malaxeur vertical à nappes fixes et tel que connu de l'état de la technique, - La figure 3 représente schématiquement un dispositif malaxeur et d'échange thermique conforme à l'invention, - La figure 4 est un schéma du dispositif de la figure 3, à un instant différent. Nous commençons tout d'abord par décrire l'art antérieur illustré aux figures 1 et 2. La figure 1 illustre l'art antérieur dit « malaxeur vertical à nappes de tubes mobiles ». Un tel appareil permet le refroidissement et le malaxage en continu d'une masse cuite. Cette masse cuite est alimentée au niveau d'un entrée de masse cuite Em, et ressort refroidie au niveau d'un sortie Sm, de masse cuite de la cuve. Le refroidissement s'opère grâce à une nappe de tubes T, interne à la cuve à l'intérieur desquels circule un liquide de refroidissement tel que de l'eau, et en particulier un refroidissement à contre-courant entre le liquide et les produits. Selon cet art antérieur, la nappe de tubes est supportée par un support mobile Sm qui permet l'agitation de la masse cuite par des mouvements de va-et-vient, sensiblement verticaux, tel qu'illustré à la figure 1. La figure 2 illustre l'art antérieur dit « malaxeur vertical à nappes de tube fixes ». Cet art antérieur diffère de celui de la figure 1 par le mode d'agitation. Selon cet art antérieur, la nappe de tubes T est fixe dans la cuve, l'agitation étant obtenu au moyen d'un rotor comportant un arbre de rotation, et des pales, sensiblement radiales. L'invention vise à améliorer un tel dispositif à rotor d'agitation. L'invention est née de la constatation par l'inventeur que, dans un tel malaxeur à rotor, la distance entre les pales et les tubes des éléments d'échange thermique est constante, et la composante horizontale de la vitesse de circulation de la masse cuite est plus importante à proximité des pales qu' à proximité des éléments d'échange. Plus encore l'invention est née de la constatation par l'inventeur qu'il serait possible d'obtenir un transfert thermique plus homogène et plus efficace en faisant varier les gradients des composantes horizontales de la vitesse des produits à proximité des éléments d'échange thermique, au cours de la rotation du rotor d'agitation. Aussi l'invention concerne un dispositif 1 malaxeur et d'échange thermique, à marche continue, comprenant : - une cuve 2 présentant une entrée 20 et une sortie 21 pour un produit à traiter tel que de la masse cuite, - un ou plusieurs éléments d'échange thermique 3, interne(s) à la cuve, destinés à être en contact avec le produit, et à l'intérieur desquels est destiné à circuler un fluide, tel qu'un fluide de refroidissement, - un rotor d'agitation 4, interne à la cuve, comprenant des pales 40 solidaires d'un arbre de rotation 41, - un moteur, en particulier un motoréducteur, coopérant avec l'arbre de rotation pour entrainer le rotor en rotation sur son axe. Selon l'invention, ledit dispositif présente un système configuré de sorte à permettre le changement d'inclinaison de l'arbre de rotation par rapport à la verticale, en service, c'est-à-dire au cours de la rotation du rotor. Un tel système comporte : - un système d'articulation 5 entre l'arbre de rotation 41 et une partie fixe solidaire de la cuve 2, assurant le supportage dudit rotor d'agitation 4 tout en permettant ledit mouvement de rotation du rotor d'agitation 4 sur son axe, mais également, en combinaison, au moins le changement d'inclinaison du rotor d'agitation 4, - un actionneur 6 coopérant avec l'arbre de rotation du rotor et de manière à commander le changement d'inclinaison. Un tel dispositif 1 est illustré schématiquement aux figures 3 et 4. Le rotor 4 comprend ledit arbre de rotation 41 et lesdites pales 40, qui s'étendent notamment selon des directions radiales. Ledit ou lesdits éléments d'échange thermique 3 peuvent s'étendre sur la hauteur de la cuve, au niveau des différents inter-espaces entre les pales dudit rotor d'agitation. Ces éléments d'échange thermique 3 peuvent comprendre en particulier une nappe de tubes ou conduites, s'étendant périodiquement entre lesdits inter-espaces et tel qu'illustré aux figures 3 et 4. Selon un mode de réalisation, les positions de ladite entrée 20 et de la sortie 21 de produit dans la cuve 2, ainsi que le sens de circulation du fluide dans ledit ou lesdits échanges thermiques 3 sont configurés de manière à assurer un échange thermique à contre-courant entre le fluide de refroidissement et le produit. Le système d'articulation 5 peut comprendre, selon un mode de réalisation : - un premier pivot entre l'arbre de rotation 40 et un support, autorisant la rotation dudit rotor d'agitation 4 autour de son axe, et par rapport au support, - un deuxième pivot entre le support et une partie fixe de la cuve 2, d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe du premier pivot et autorisant le changement d'inclinaison dudit rotor d'agitation 4. Alternativement, le système d'articulation peut encore comprendre une rotule, et en particulier une liaison rotule à doigts tel qu'un cardan. Par exemple, ledit système d'articulation comprend un cardan, assurant d'une part, les mouvements combinés de rotation du rotor 4 sur son axe et de changement d'inclinaison, le supportage du rotor, et d'autre part, une transmission de couple entre le moteur et le rotor. L'actionneur 6 coopère avec l'arbre de rotation du rotor et de manière à commander le changement d'inclinaison au cours de la rotation du rotor d'agitation. Le mouvement de changement d'inclinaison peut être notamment un mouvement pendulaire dudit rotor d'agitation, autour de la verticale. A cet effet, le dispositif peut comprendre une unité de contrôle assurant la commande dudit actionneur 6, et configuré de sorte à engendrer un mouvement pendulaire dudit rotor d'agitation, autour de la verticale. Dans le cas où l'inclinaison du rotor est permise par une simple liaison pivot, le mouvement pendulaire est contenu dans un plan, fixe. Dans le cas où ledit système d'articulation comprend une liaison rotule, et selon un mode de réalisation, il peut être envisagé de faire varier le plan du mouvement pendulaire, par un mécanisme adapté. Un tel dispositif malaxeur et d'échange thermique selon l'invention trouvera une application particulière, dans le domaine du traitement du sucre, pour procéder au refroidissement d'une masse cuite par échange thermique entre la masse cuite et un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, circulant dans le ou les éléments d'échange thermique et, par le brassage simultané de ladite masse cuite par des mouvements combinés du rotor d'agitation 4 comprenant une rotation dudit rotor d'agitation autour de son axe et un mouvement pendulaire dudit rotor autour de la verticale. Le mouvement pendulaire du rotor d'agitation étant un mouvement de fréquence d'oscillation fp et le mouvement de rotation du rotor étant un mouvement de rotation de fréquence fr, on peut choisir, selon une alternative, des fréquences fp et fr distinctes, et de préférence non multiple entre elles. L'invention concerne encore une installation à marche continue pour la cristallisation de jus de sucres et produits analogues, comprenant : - un appareil de cristallisation à marche continue comprenant une cuve, des moyens de mises sous vide de la cuve et des éléments chauffants à l'intérieur de la cuve, des moyens d'alimentation de la cuve en sirop, une entrée pour un magma d'ensemencement, et une sortie de masse cuite, - un cristalliseur-refroidisseur comprenant un dispositif selon l'invention, ladite entrée de produit du dispositif étant connectée à ladite sortie de masse cuite de l'appareil de cristallisation à marche continue. Dans un tel appareil, les opérations de cristallisation s'effectuent par concentration par évaporation du produit sucré, permettant l'obtention d'un produit usuellement nommé « masse cuite » en sortie de l'appareil. Cette masse cuite est ensuite refroidie dans un dispositif selon l'invention, et afin de compléter le rendement de la cristallisation. Naturellement d'autres modes de réalisation auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention tel que défini ci-après. NOMENCLATURE Art antérieur (Figures 1 et 2) : EL, Entrée liquide refroidissement, SL, Sortie liquide refroidissement, Em, Entrée masse cuite, Sm, Sortie masse cuite, T. Tubes, Sm. Support mobile (Figure 1), Ar. Arbre de rotation (Figure 2) Pl. Pales (Figure 2). Invention : 1. Dispositif, 2. Cuve 3. Eléments d'échange thermique, en particulier réseau de tubes, 20. Entrée produit telle que masse cuite, 21. Sortie produit telle que masse cuite, 4. Rotor d'agitation, 41. Pales (Rotor 4), 42. Arbre de rotation (Rotor 4), 5. Système d'articulation, 6. Actionneur, EL,.. Entrée liquide de refroidissement, Su. Sortie liquide de refroidissement. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) malaxeur et d'échange thermique, à marche continue, comprenant : - une cuve (2) présentant une entrée (20) et une sortie (21) pour un produit à traiter tel que de la masse cuite, - un ou plusieurs éléments d'échange thermique (3), interne(s) à la cuve, destinés à être en contact avec le produit, et à l'intérieur desquels est destiné à circuler un fluide, tel qu'un fluide de refroidissement, - un rotor d'agitation (4), interne à la cuve, comprenant des pales (40) solidaires- d'un 10 arbre de rotation (41), - un moteur, en particulier un motoréducteur, coopérant avec l'arbre de rotation pour entrainer le rotor en rotation sur son axe, caractérisé en ce que ledit dispositif présente un système configuré de sorte à permettre le changement d'inclinaison de l'arbre de rotation par rapport à la verticale lors de la 15 rotation du rotor, comportant : - un système d'articulation (5) entre l'arbre de rotation (41) et une partie fixe solidaire de la cuve (2), assurant le supportage dudit rotor d'agitation (4) tout en permettant ledit mouvement de rotation du rotor d'agitation sur son axe, mais également, en combinaison, au moins le changement d'inclinaison du rotor d'agitation (4), 20 - un actionneur (6) coopérant avec l'arbre de rotation du rotor et de manière à commander le changement d'inclinaison. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une unité de contrôle assurant la commande dudit actionneur, et configuré de sorte à engendrer un mouvement 25 pendulaire dudit rotor d'agitation, autour de la verticale, au cours de la rotation dudit rotor d'agitation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système d'articulation comprend une liaison rotule. 30 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le système d'articulation comprend un cardan, assurant d'une part, les mouvements combinés de rotation du rotor sur son axeet de changement d'inclinaison, le supportage du rotor, et d'autre part, une transmission de couple entre le moteur et le rotor. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le système d'articulation comprend : - un premier pivot entre l'arbre de rotation et un support, autorisant la rotation dudit rotor d'agitation autour de son axe, et par rapport au support, - un deuxième pivot entre le support et une partie fixe de la cuve, d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe du premier pivot et autorisant le changement d'inclinaison dudit 10 rotor. 6 .Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit ou lesdits éléments d'échange thermique s'étendent au niveau des inter-espaces entre les pales dudit rotor d'agitation et comprennent en particulier une nappes de tubes ou conduites, s'étendant 15 périodiquement entre lesdits inter-espaces. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les positions de ladite entrée et de la sortie de produit dans la cuve, ainsi que le sens de circulation du fluide dans ledit ou lesdits éléments d'échange thermique sont configurés de manière à assurer 20 un échange thermique à contre-courant entre le fluide et le produit. 8. Installation à marche continue pour la cristallisation de jus de sucres et produits analogues comprenant : - un appareil de cristallisation à marche continue comprenant une cuve, des moyens de 25 mises sous vide de la cuve et des éléments chauffants à l'intérieur de la cuve, des moyens d'alimentation de la cuve en sirop, une entrée pour un magma d'ensemencement, et une sortie de masse cuite, - un cristalliseur-refroidisseur comprenant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, ladite entrée de produit du dispositif étant connectée à ladite sortie de masse cuite 30 de l'appareil de cristallisation à marche continue. 9. Procédé de cristallisation du saccharose dans une installation de la revendication 8 ou comprenant une étape de malaxage et de refroidissement mise en oeuvre dans un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel on procède au refroidissement d'une masse cuite par échange thermique entre la masse cuite et un fluide de refroidissement circulant dans le ou les éléments d'échange thermique et, par le brassage simultané de ladite masse cuite par des mouvements combinés du rotor d'agitation comprenant une rotation dudit rotor d'agitation autour de son axe et un mouvement pendulaire dudit rotor autour de la verticale. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le mouvement pendulaire du rotor d'agitation étant un mouvement de fréquence d'oscillation fp et le mouvement de rotation du rotor étant un mouvement de rotation de fréquence fr, on choisit des fréquences fp et fr distinctes et de préférence non multiples entre elles.