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PROCEDE ET APPAREIL EVAPORATOIRES.
La présente invention a pour objet un perfectionnement aux appareils évaporatoires notamment aux appareils de concentration ou de distillation, qui réside essentiellement dans la combinaison d'un appareil évaporatoire classique, en simple ou en multiple effet et de moyens destinés à assurer une détente dynamique sur les pertes calorifiques d'un tel appareil. Selon une forme de réalisation d'un appareil perfectionné selon l'invention, la récupération d'énergie obtenue par cette détente est utilisée par un compresseur mécanique pour la réintégration d'une évaporation du système à un niveau de pression situé en amont de ladite évaporation.
Les appareils évaporatoires, fonctionnant en simple ou en multi- ple effet, ont pour objet d'assurer l'évaporation d'une quantité donnée de liquide, pour des fins de concentration ou de distillation, par la mise en oeuvre de la chaleur de vaporisation d'une quantité convenable de vapeur de chauffage au faisceau de l'échangeur, ou du premier échangeur du système dans le cas d'un appareil à multiple effet. Des récupérations calorifiques partielles peuvent être opérées, par prélèvement d'une partie de la quantité d'éva- poration ainsi produite pour le chauffage des produits en traitement, avant leur admission à l'évaporation.
Au-delà du dernier prélèvement utilisable, la quantité de vapeur restant en circuit, quantité qui est déterminée par les besoins en évaporation, est nécessairement passée à un condenseur.
Ces appareils évaporatoires assurent donc, par rapport à la vapeur initiale de chauffage, une transformation par détente sans travail externe, et l'on peut de ce fait assimiler leur fonctionnement à une détente statique de la vapeur de chauffage, simple ou en cascade de pression, suivant que l'appareil travaille, en simple ou en multiple effet.
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Dans les appareils fonctionnant en multiple effet,ces dégradations successives de la pression initiale s'accompagnent nécessairement de l'évolution correspondante des températures des liquides en circulation. La réduction des coefficients de transmission calorifiques résultant, en principal, de cet abaissement des températures saturantes des vapeurs de chauffage, des températures des liquides en circulation et de l'augmentation simultanée de leur viscosité, entraîne nécessairement une augmentation des écarts de températures saturantes nécessaires aux derniers étages du système. Les détentes statiques successives s'effectuent donc à chutes calorifiques croissantes.
Suivant le procédé qui fait l'objet de l'invention, la quantité de vapeur renvoyée au condenseur de l'appareil et qui représente la perte ca- lorifique du système, fait l'objet d'une détente dynamique par un moteur à vapeur convenable, soit à partir du dernier étage du système, soit même à partir d'un étage intermédiaire. La puissance ainsi récupérée est utilisée pour l'entraînement d'un compresseur mécanique de vapeur, qui assure la revalorisation d'une évaporation du système par élévation de sa pression, à une valeur convenable pour sa réintégration en chauffage à un niveau de pression d'amont.
Dans le cas d'un appareil en multiple effet, le compresseur peut être couplé sur un étage quelconque du système et de préférence sur la ou les caisses d'évaporation les moins chargées, nécessitant l'écart de pression le plus réduit pour cette réintégration.
Dans les appareils de concentration fonctionnant en multiple effet, cette récupération dynamique par détente directe au condenseur pourra opportunément intervenir à partir de tout égage intermédiaire du système, et d'état de pression tel que la quantité d'évaporation finalement obtenue par cette combinaison de détente dynamique et de compression, s'établira à une valeur supérieure à la quantité d'évaporation antérieurement obtenue par la détente statique de la quantité d'évaporation ainsi prélevée à travers les derniers étages du système. Ce résultat pourra être obtenu malgré le rendement de cette transformation à la faveur de la réduction de l'écart de températures saturantes nécessaire pour cette réintégration, par rapport aux chutes calorifiques normalement nécessaires dans les derniers étages du sys- tème.
Un appareil évaporatoire réalisé suivant le procédé de l'invention comportera donc des moyens propres à combiner une détente statique de la vapeur de chauffage dans un appareil évaporatoire classique, en simple ou en multiple effet et une détente dynamique sur les pertes calorifiques du système, utilisée pour la réintégration par compression d'une évaporation à un niveau de pression d'amont. La transformation de vapeur par détente statique normale et la transformation dynamique par détente et compression interviendront donc successivement, chacune dans ses conditions optima. Dans le cas d'un appareillage en multiple effet, la seconde transformation se substituera à la première, une fois atteint l'état de pression et, par conséquent, le niveau de température des liquides en circulation lui conférant une effica- cité plus élevée.
Le procédé ainsi défini est applicable à toutes formes de réalisation des appareils évaporatoires de concentration ou de distillation fonctionnant en simple ou en multiple effet et, pour ces derniers, indépendamment du cycle, continu ou discontinu, de circulation des liquides en concentration.
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant,du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
La figure 1 schématise les conditions d'application du procédé à un appareil évaporatoire de concentration fonctionnant en simple effet.
La figure 2 schématise les conditions d'application du procédé à un appareil évaporatoire en multiple effet, à circulation continue des li- quides en concentration, du premier au dernier étage du système.
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La figure 3 schématise les conditions d'application du procédé à un appareil évaporatoire à circulation discontinue, assurant la concentra- tion des liquides par évaporation en deux phases, tel l'appareil de concentra- tion des sucreries.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'appa- reil évaporatoire est normalement constitué par une caisse d'évaporation 1 alimentée à son faisceau par la canalisation 2 en vapeur de chauffage d'état de pression convenable et libérant à sa calendre la quantité correspondante d'évaporation., dont la condensation est assurée par un échangeur 3, éventuel- lement alimenté par le liquide en traitement. Des récupérations calorifiques diverses peuvent être opérées, en chauffage des solutions avant évaporation, par les échangeurs convenables, tels les échangeurs 4 fonctionnant sur l'é- vaporation, 5 sur l'eau condensée de la vapeur de chauffage, 6 sur les extrac- tions du liquide concentré.
En tout état de cause, la chaleur totale de l'é- vaporation produite excédera de loin les possibilités de récupération en chauffage des solutions avant leur admission à l'évaporation. Une perte ca- lorifique devra donc être consentie, schématisée à la figure 1 par la déchar- ge 7, après le condenseur réchauffeur 3.
Suivant le procédé qui fait l'objet de l'invention, une partie de l'évaporation produite est détendue par un moteur à vapeur convenable, gé- néralement une turbine à vapeur 8, jusqu'au condenseur réchauffeur 3. L'éner- gie récupérée par cette détente est utilisée par un compresseur mécanique 9, assurant la réintégration au faisceau de chauffage de la caisse d'évaporation de la quantité d'évaporation non détendue par la turbine. Le rapport des quan- tités d'évaporation respectivement détendue et comprimée est celui qui cor- respond à l'équilibre de la caisse d'évaporation et du système mécanique de détente et de compression.
Ce rapport sera, ainsi qu'il sera exposé ci-après, automatiquement défini pour un appareillage mécanique donné, par la pression d'alimentation en vapeur de chauffage du faisceau de la caisse d'évaporation et s'adaptera de ce fait, sans autre réglage, aux variations de cette pression.
Il est visible que, par rapport aux conditions.habituelles, cette récupération et cette réintégration se traduiront par une diminution de la quantité de vapeur de chauffage mise en oeuvre au faisceau de la caisse d'évaporation pour une évaporation donnée. Pour un effet (rapport des quantités respectivement traitées par le compresseur et le moteur de détente) de 4, valeur aisément accessible en conditions normales, la quantité de vapeur de chauffage nécessaire sera ramenée aux environs du 1/5ème et tendra donc vers le minimum indispensable pour compenser les pertes calorifiques normales du système.
Ces dispositions sont identiquement applicables aux appareils de distillation fractionnée constitués, suivant les opportunités de service du cas particulier, par une colonne à distiller classique ou même par une caisse d'évaporation normale. Le chauffage de l'appareil sera assuré par deux éléments, faisceaux ou serpentins distincts, alimentés l'un par la vapeur de chauffage d'appoint, l'autre par la partie des vapeurs émises par l'appareil de distillation traitées par le compresseur et ainsi portées au niveau de pression convenable pour leur réintégration en chauffage de l'appareil. La conduite de l'appareil de distillation sera normalement assurée en fonction de la tension de vapeur des produits soumis à cette distillation, par réglage de l'appoint de vapeur de chauffage approprié à la réalisation de cette pression de l'évaporation produite par l'appareil.
Ce réglage de l'appoint de chauffage pourra être éventuellement assuré automatiquement, en fonction de cette pression de référence, par tous moyens appropriés, généralement quelconques. Les vapeurs des produits distillés seront recueillies, après condensation, respectivement au condenseur réchauffeur desservant la turbine de détente et au faisceau de chauffage desservi par le refoulement du compresseur.
Ces dispositions seront donc généralement applicables à tous appareils de concentration ou de distillation. Au point de vue du bilan ther-
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mique, de tels appareils ainsi constitués, l'efficacité du procédé sera évidemment liée aux possibilités de réintégration calorifiques des calories fournies par la transformation de la vapeur de chauffage. Aucune économie calorifique ne pourra être finalement dégagée si toutes les calories mises en jeu par la formule banale sont effectivement réintégrables aux circuits de chauffage, ce qui sera par exemple le cas des postes de distillation d'eau d'appoint des centrales thermiques.
Toutefois, dans ce cas, l'application du procédé se traduira par la réduction de la quantité de vapeur de chauffage prélevée à un étage de pression convenable du groupe électrogène principal. Le complément pourra donc être prélevé à un étage de pression d'aval de ce groupe électrogène et ainsi soumis à cette détente complémentaire, au bénéfice de la réduction de la consommation spécifique de ce groupe.
Dans la forme ainsi définie de réalisation d'un tel poste évaporatoire, le régime de fonctionnement du système de détente et de compression résultera, d'une part, de sa loi propre : débits de vapeur comprimée/ écarts de températures saturantes réalisés par le compresseur en fonction des quantités de vapeur détendues par le moteur à vapeur et, d'autre part, de la loi : évaporation/écarts de températures saturantes de la caisse d'évaporation. Un couplage défini et stable du groupe de détente/compression et de la caisse d'évaporation correspondra nécessairement à chaque quantité de vapeur détendue par le moteur à vapeur du système. Ce moteur de détente sera normalement constitué par une turbine à vapeur.
Pour une section totale donnée de tuyères de cette turbine, son débit et, par conséquent, la répartition de l'évaporation entre turbine et compresseur, seront automatiquement définis par la pression à l'admission de cette turbine, c'est-à-dire par la pression même à la calandre de la caisse d'évaporation et varieront avec elle et, par conséquent, avec la pression d'alimentation du faisceau de la caisse d'évaporation. L'ensemble du système évaporatoire ainsi réalisé constituera nécessairement un ensemble autostable, d'état de couplage, à priori défini par la pression initiale de la vapeur de chauffage et automatiquement adapté aux variations d'état des appareillages (par exemple d'encrassement du faisceau de la caisse d'évaporation) comme aux variations des rendements de détente et de compression avec les allures d'exploitation.
L'adaptation du système aux variations recherchées du régime d'exploitation se ramènera donc au réglage de la pression de la vapeur d'alimentation d'appoint du faisceau de la caisse d'évaporation, à l'exclusion de tout réglage sur l'admission de vapeur de la turbine de détente ou sur le refou- lement du compresseur à ce faisceau de la caisse d'évaporation. L'efficacité de cette détente et de cette compression sera ainsi maintenue en permanence à sa valeur optimum.
Ce réglage de la pression de l'appoint de vapeur de chauffage pourra être réalisé manuellement ou par tous moyens automatiques appropriés.
Par exemple, dans un appareil de concentration, le réglage sera assuré par un appareil sensible aux variations du poids spécifique des solutions concentrées par rapport à une valeur de référence. Dans un appareil de distillation tel que les postes de production d'eau distillée, le réglage sera fonction des besoins d'eau distillée, caractérisés par exemple par les variations du niveau par rapport à une valeur de référence dans une bâche-relais. De tels appareillages sont généralement connus et d'une manière générale, tous organes quelconques, sensibles à de telles combinaisons de poids spécifique ou de quantités pourront être utilisés.
Le procédé ainsi décrit est applicable à tous appareils évaporatoires, dont le chauffage initial serait assuré par d'autres moyens que la vapeur basse pression par exemple par résistances électriques, gaz d'échappement de moteurs thermiques, etc.... La caisse d'évaporation sera alors munie du système de chauffage adapté au moyen utilisé et, en outre, d'un faisceau normal,.assurant la condensation de l'évaporation du système comprimée par le compresseur et réintégrée par cette compression. Des moyens équivalents à ceux décrits pourront être appliqués pour le réglage du chauffage initial.
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Dans le mode de réalisation de la figure 2, la partie statique du système, réalisé suivant des dispositions généralement connues, est sup- posée constituée par 5 caisses d'évaporation : 11, 12, 13, 14, 15, avec par exemple prélèvements de fabrication 16,17, 18, 19, sur les quatre premiers étages, le cinquième constituant donc caisse de détente raccordée au vide du condenseur 20. Pour des'raisons de simplification du scnéma, les circuits des jus, des eaux condensées et des auto-évaporations de ces eaux ne sont pas re- présentés, comme correspondant à des conditions connues.
Le moteur à vapeur de détente peut être monté : soit sur la dé- charge du cinquième corps au condenseur, soit, le cas échéant et alors, de préférence, à la sortie de tout étage intermédiaire du système assurant, ain- si qu'il a été exposé et pour les raisons développées, une évaporation par réintégration supérieure à celle précédemment fournie par la détente normale de la quantité ainsi prélevée dans la partie statique du système, à l'aval de ce prélèvement. Le compresseur est couplé sur l'étage du système nécessi- tant l'écart de compression le plus réduit pour la réintégration de la quan- tité de vapeur ainsi comprimée, et autorisant ainsi cette réintégration pour la quantité la plus élevée.
Dans l'exemple schématisé par la figure 2, on admet que cette réintégration par détente dynamique et compression s'avère supérieure à l'é- vaporation statique normale à partir du quatrième corps. Le moteur à vapeur
21 est donc alimenté. par ce quatrième corps, éventuellement en parallèle avec le dernier étage 5, d'évaporation. Le compresseur de vapeur 22 est couplé sur le troisième corps, supposé le moins chargé dans le présent exemple.
Suivant une forme particulière de réalisation, et en vue de donner au procédé sa plus grande efficacité, par réduction de l'écart de réintégration dynamique, le dernier étage de pression du multiple effet pourra être alimenté par les jus les plus dilués entrant à l'évaporation et portés ensuite, par la pompe convenable, au premier étage de pression du système.
La turbine de détente et le compresseur de réintégration seront couplés sur ce dernier étage, suivant les conditions schématisées par la figure 1 pour ce qui concerne les circuits vapeur, le refoulement du compresseur alimentant ainsi le faisceau de chauffage de cet étage, en appoint de la vapeur de chauffage fournie par l'étage d'amont.
Pour les raisons déjà exposées pour le système réalisé en simple effet, l'ensemble de détente et de compression et le poste évaporatoire constitueront nécessairement un système stable, de couplage automatiquement défini par la pression régnant à la calandre de l'étage d'évaporation alimentant le moteur de détente. Les dispositions usuelles de réglage de la charge du poste évaporatoire, par exemple par réglage par 23 de la pression initiale d'alimentation ou par 24 ou son équivalent 24a de la décharge au condenseur, ou tous réglages équivalents, se traduiront nécessairement par'les variations convenables de la pression à 1'étage d'alimentation du moteur de détente.
L'ensemble ainsi formé par le poste évaporatoire et le groupe de détente/compression constituera donc un système de couplage défini et stable, soumis aux réglages généraux du poste évaporatoire et automatiquement adapté à ces réglages; de telle sorte qu'aucun appareillage direct de réglage de l'admission du moteur de détente ou du refoulement du compresseur, ne seront nécessaires et que le groupe de détente/compression fonctionnera ainsi en permanence et pour chaque allure du poste évaporatoire dans ses conditions optima.
L'appareil évaporatoire représenté sur la figure 3 se réfère à un appareil de concentration à circulation discontinue, tel l'appareil de concentration des sucreries. Il se compose d'un appareil évaporatoire statique classique, en simple ou en multiple effet, assurant en circulation continue une certaine concentration, définie dans le cas particulier par l'apparition des phénomènes de cristallisation. La fin de la concentration avec cristallisation est, pour des raisons opératoires, assurée dans des appareils
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d'évaporation dénommés cuites, fonctionnant générale:lent en simple effet, par charges et, par conséquent, par opérations discontinues et successives.
Une telle installation comporte donc plusieurs caisses finales ou cuites que l'on fait fonctionner avec un certain décallage pour amortir les variations de leurs consommations de vapeur de chauffage. Les cuites sont alimentées en vapeur de chauffage de pression convenable et généralement par un prélèvement sur l'appareil évaporatoire. Elles déchargent au condenseur leur évaporation.
La figure 3 schématise les conditions, généralement connues, de réalisation d'un tel ensemble. Le poste évaporatoire est supposé constitué par cinq étages :11, 12, 13,14, 15 avec prélèvements 16, 17, 18, 19 sur les quatre premiers corps, et échappement du dernier au condenseur 20. Dans l'exemple schématisé on admet que l'installation comporte 2 cuites 25 et 26, alimentées en parallèle par le prélèvement 16, et déchargeant normalement leur évaporation au condenseur 20.
Le moteur à vapeur de détente pourra donc être couplé sur l'échappement commun au condenseur du poste évaporatoire et des cuites, la réintégration par compression s'appliquant à l'endroit le plus opportun du poste évaporatoire.
De telles installations traiteront- généralement des liquides de retard à l'ébullition croissant avec la concentration. L'écart nécessaire aux cuites variera également avec leur remplissage. Ces deux éléments jouant simultanément, l'écart faisceau/calandre croîtra avec l'avancement de l'opération, ainsi conduite à pression décroissante à la calandre.
Il sera donc indiqué d'équiper les cuites de deux conduites de vide, bas et poussé, sur lesquelles elles seront successivement couplées, et de limiter la récupération par détente dynamique à l'évaporation d'état de pression le plus élevé. Les pertes directes du système pris dans son ensemble, de toute manière inévitables, s'effectueront donc par le collecteur à vide poussé, en portant ainsi sur les calories d'état de pression les plus dégradé, et par conséquent de valeur énergétique la plus faible. Elles s'établiront donc nécessairement au minimum.
La figure 3 schématise ces conditions d'application. Les cuites 25 et 26 sont successivement couplées sur les conduites bas vide 27 et vide poussé 28, cette dernière directement raccordée au condenseur 20. Le passage successif des cuites sur les deux collecteurs est normalement assuré en fonction de leur état opératoire propre. Le moteur de détente, schématisé par 21, assure la détente dynamique du collecteur bas vide 27 au condenseur 20. Le compresseur de vapeur 22 assure la revalorisation par compression d'une évaporation et sa réintégration en chauffage à l'endroit le plus favorable du poste évaporatoire, ainsi qu'il a été précédemment exposé.
Pour un exemple complet, le schéma admet que le compresseur assure la réintégration d'une partie de l'évaporation bas vide des cuites au poste évaporatoire, par exemple sur les chauffages assurés par le dernier prélèvement; étant pour bonne forme rappelé que cette compression pourra être appliquée à tout étage du poste évaporatoire comme à toute évaporation du système.
De la même manière, dans le cas d'application du procédé aux cuites de raffineries, le refoulement du compresseur pourra alimenter, soit le faisceau même de chauffage de ces cuites, soit les étages de chauffage des produits en traitement avant leur entrée à l'évaporation, et alors à partir du niveau de pression le plus réduit acceptant cette réintégration, par une compression éventuellement étagée, limitant chacun des rapports successifs de compression à la valeur nécessaire pour la réintégration de la quantité correspondante d'évaporation soumise au procédé.
Chaque cuite pourra être munie de sa turbine de détente propre.
Dans le cas d'emploi d'une turbine de détente commune à plusieurs cuites et plus généralement à plusieurs caisses d'évaporation d'état de pression éven- tuellement différent, il sera indiqué d'attribuer à chaque caisse son propre secteur de tuyères d'admission de la turbine de détente, par cloisonnement convenable du fond d'admission de cette turbine. Chacune des sections du fond
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d'admission correspondant à un secteur de tuyères sera munie de sa tubulure de raccordement à la caisse correspondante. La détente dynamique de l'évapo- ration de chaque caisse sera alors assurée à partir de sa propre pression in- dépendamment de l'état opératoire et, par conséquent, de pression des autres.
Cette détente sera donc assurée en permanence dans les conditions les plus favorables, en fixant ainsi en permanence aux valeurs les plus élevées les réintégrations par compression.
Le procédé de l'invention, dans ses différentes formes d'appli- cation, pourra être combiné avec toutes formes d'application de la compres- sion mécanique de vapeur à un appareil évaporatoire par la détente de la vapeur vive avant son utilisation en chauffage et plus spécialement avec les procédés déjà décrits par le demandeur dans son brevet belge n 463.703.
Un appareil évaporatoire utilisant ces différents moyens combinera donc : - une récupération énergétique par détente de la vapeur vive jusqu'au niveau initial de pression, c'est-à-dire de température de chauffage, acceptable pour les liquides en traitement, l'énergie libérée par cette détente étant utilisée pour réintégration par compression dynamique d'une partie de l'évaporation de l'étage de tête du poste à son faisceau de chauffage, - une détente statique, à travers un appareil évaporatoire classique, en simple ou en multiple effet, - une détente dynamique sur les pertes calorifiques de l'appareil évaporatoire, réalisée ainsi qu'il vient d'être exposé, et utilisée pour assurer par compression mécanique la réintégration d'une évaporation dégradée à l'étage le plus opportun du système statique.
Un tel appareillage combinera donc des détentes successives, dynamique, statique, dynamique de la vapeur de chauffage dans les conditions propres à leur plus grande efficacité.
Il va de soi que des modifications peuvent être apportées tant au procédé qu'à l'appareil qui viennent d'être décrits notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention.
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EVAPORATORY PROCESS AND APPARATUS.
The object of the present invention is to improve evaporative devices, in particular for concentration or distillation devices, which essentially resides in the combination of a conventional evaporating device, in single or multiple effect, and means intended to ensure dynamic expansion on the heat losses of such a device. According to one embodiment of an improved device according to the invention, the energy recovery obtained by this expansion is used by a mechanical compressor for the reintegration of an evaporation of the system at a pressure level located upstream of said evaporation. .
The purpose of evaporative devices, operating in single or multiple effect, is to ensure the evaporation of a given quantity of liquid, for concentration or distillation purposes, by the use of the heat of vaporization. a suitable quantity of heating vapor to the bundle of the exchanger, or of the first exchanger of the system in the case of a multiple-effect device. Partial heat recoveries can be carried out, by removing part of the quantity of evaporation thus produced for heating the products being treated, before their admission to evaporation.
Beyond the last usable sample, the quantity of steam remaining in the circuit, a quantity which is determined by the evaporation requirements, is necessarily passed to a condenser.
These evaporative devices therefore ensure, compared to the initial heating steam, a transformation by expansion without external work, and one can therefore assimilate their operation to a static expansion of the heating vapor, simple or in a pressure cascade. , depending on whether the device is working, in single or multiple effect.
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In devices operating in multiple effect, these successive degradations of the initial pressure are necessarily accompanied by the corresponding change in the temperatures of the circulating liquids. The reduction in heat transmission coefficients resulting, mainly, from this lowering of the saturated temperatures of the heating vapors, the temperatures of the circulating liquids and the simultaneous increase in their viscosity, necessarily leads to an increase in the saturation temperature differences necessary for last floors of the system. The successive static expansions therefore take place at increasing calorific drops.
According to the process which is the object of the invention, the quantity of steam returned to the condenser of the apparatus and which represents the heat loss of the system, is the subject of a dynamic expansion by a suitable steam engine. , either from the last floor of the system, or even from an intermediate floor. The power thus recovered is used for driving a mechanical steam compressor, which ensures the revaluation of an evaporation of the system by raising its pressure, to a value suitable for its reintegration in heating at a pressure level of upstream.
In the case of a multiple-effect device, the compressor can be coupled to any stage of the system and preferably to the least loaded evaporation box (s), requiring the smallest pressure difference for this reintegration.
In concentration devices operating in multiple effect, this dynamic recovery by direct expansion at the condenser may conveniently occur from any intermediate level of the system, and from a pressure state such as the amount of evaporation finally obtained by this combination of expansion. dynamic and compression, will be established at a value greater than the quantity of evaporation previously obtained by the static expansion of the quantity of evaporation thus taken through the last stages of the system. This result will be able to be obtained despite the efficiency of this transformation thanks to the reduction in the difference in saturation temperatures necessary for this reintegration, compared to the calorific drops normally required in the last stages of the system.
An evaporative device produced according to the method of the invention will therefore include means suitable for combining a static expansion of the heating vapor in a conventional evaporating device, in single or multiple effect, and a dynamic expansion on the heat losses of the system, used for the reintegration by compression of an evaporation at an upstream pressure level. The transformation of vapor by normal static expansion and the dynamic transformation by expansion and compression will therefore take place successively, each under its optimum conditions. In the case of a multiple-effect device, the second transformation will replace the first, once the state of pressure has been reached and, consequently, the temperature level of the circulating liquids giving it a higher efficiency.
The method thus defined is applicable to all embodiments of evaporative concentration or distillation apparatus operating in single or multiple effect and, for the latter, independently of the continuous or discontinuous cycle of circulation of the concentrated liquids.
The following description, with reference to the appended drawing given by way of nonlimiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the text and from the drawing being, of course, part of said invention.
FIG. 1 shows schematically the conditions of application of the process to an evaporative concentration apparatus operating in single effect.
FIG. 2 shows schematically the conditions of application of the process to a multiple effect evaporative apparatus, with continuous circulation of liquids in concentration, from the first to the last stage of the system.
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FIG. 3 shows diagrammatically the conditions of application of the process to an evaporative apparatus with discontinuous circulation, ensuring the concentration of liquids by evaporation in two phases, such as the apparatus for concentrating sweets.
In the embodiment shown in FIG. 1, the evaporative apparatus is normally constituted by an evaporation box 1 supplied to its bundle by pipe 2 with heating vapor of a suitable pressure state and releasing at its schedule the corresponding quantity of evaporation, the condensation of which is ensured by an exchanger 3, optionally supplied with the liquid being treated. Various heat recoveries can be carried out, by heating the solutions before evaporation, by suitable exchangers, such as exchangers 4 operating on the evaporation, 5 on the condensed water of the heating vapor, 6 on the extractions. concentrated liquid.
In any event, the total heat of the evaporation produced will far exceed the possibilities of recovering the solutions by heating before their admission to evaporation. A heat loss must therefore be allowed, shown schematically in figure 1 by the discharge 7, after the reheater condenser 3.
According to the process which is the object of the invention, part of the evaporation produced is expanded by a suitable steam engine, generally a steam turbine 8, up to the reheating condenser 3. The energy recovered by this expansion is used by a mechanical compressor 9, ensuring the reintegration into the heating bundle of the evaporation box of the amount of evaporation not expanded by the turbine. The ratio of the amounts of evaporation relaxed and compressed respectively is that which corresponds to the equilibrium of the evaporation box and of the mechanical expansion and compression system.
This ratio will be, as will be explained below, automatically defined for a given mechanical device, by the heating vapor supply pressure of the bundle of the evaporation box and will therefore adapt without further adjustment, to variations in this pressure.
It is visible that, compared to the usual conditions, this recovery and this reintegration will result in a reduction in the quantity of heating vapor used in the bundle of the evaporation box for a given evaporation. For an effect (ratio of the quantities treated by the compressor and the expansion motor respectively) of 4, a value easily accessible under normal conditions, the quantity of heating vapor required will be reduced to around 1 / 5th and will therefore tend towards the essential minimum. to compensate for the normal heat losses of the system.
These provisions are identically applicable to fractional distillation apparatus made up, depending on the service opportunities of the particular case, by a conventional distillation column or even by a normal evaporation box. The appliance will be heated by two separate elements, bundles or coils, one supplied by the auxiliary heating steam, the other by the part of the vapors emitted by the distillation appliance treated by the compressor and thus brought to the appropriate pressure level for their reintegration into heating the apparatus. The operation of the distillation apparatus will normally be ensured as a function of the vapor pressure of the products subjected to this distillation, by adjusting the additional heating vapor suitable for achieving this pressure of the evaporation produced by the apparatus.
This adjustment of the additional heating can possibly be ensured automatically, as a function of this reference pressure, by any appropriate means, generally of any kind. The vapors of the distilled products will be collected, after condensation, respectively at the reheater condenser serving the expansion turbine and at the heating bundle served by the compressor discharge.
These provisions will therefore generally be applicable to all concentration or distillation apparatus. From the point of view of the thermal balance
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mique, with such devices thus constituted, the efficiency of the process will obviously be linked to the possibilities of calorific reintegration of the calories supplied by the transformation of the heating steam. No calorific savings can ultimately be achieved if all the calories brought into play by the ordinary formula can effectively be reintegrated into the heating circuits, which will be the case, for example, for the make-up water distillation stations of thermal power plants.
However, in this case, the application of the method will result in the reduction of the quantity of heating vapor taken from a suitable pressure stage of the main generator set. The remainder can therefore be taken from a downstream pressure stage of this generator set and thus subjected to this additional expansion, for the benefit of reducing the specific consumption of this group.
In the embodiment thus defined for such an evaporative station, the operating regime of the expansion and compression system will result, on the one hand, from its own law: compressed vapor flow rates / saturation temperature differences produced by the compressor as a function of the quantities of steam expanded by the steam engine and, on the other hand, of the law: evaporation / saturating temperature differences of the evaporation box. A defined and stable coupling of the expansion / compression unit and the evaporator box will necessarily correspond to each quantity of steam released by the steam engine of the system. This expansion engine will normally consist of a steam turbine.
For a given total section of nozzles of this turbine, its flow rate and, consequently, the distribution of the evaporation between turbine and compressor, will be automatically defined by the pressure at the inlet of this turbine, that is to say by the pressure itself at the shell of the evaporator box and will vary with it and, consequently, with the supply pressure of the beam of the evaporator box. The entire evaporative system thus produced will necessarily constitute a self-stabilizing unit, in a coupling state, a priori defined by the initial pressure of the heating steam and automatically adapted to variations in the state of the equipment (for example of clogging of the beam of the evaporation box) as well as to variations in expansion and compression efficiency with operating speeds.
Adapting the system to the desired variations in the operating regime will therefore be reduced to adjusting the pressure of the make-up steam supply to the evaporator box bundle, to the exclusion of any adjustment on the intake. from the expansion turbine or from the compressor discharge to this evaporator box bundle. The efficiency of this expansion and of this compression will thus be permanently maintained at its optimum value.
This adjustment of the pressure of the additional heating steam can be carried out manually or by any suitable automatic means.
For example, in a concentration apparatus, the adjustment will be ensured by an apparatus sensitive to variations in the specific weight of the concentrated solutions with respect to a reference value. In a distillation apparatus such as stations for the production of distilled water, the setting will depend on the needs of distilled water, characterized for example by variations in the level with respect to a reference value in a relay tank. Such devices are generally known and in general, any organs whatsoever, sensitive to such combinations of specific weight or amounts may be used.
The process thus described is applicable to all evaporative devices, the initial heating of which would be provided by means other than low pressure steam, for example by electrical resistances, exhaust gases from thermal engines, etc. evaporation will then be provided with the heating system adapted to the means used and, in addition, with a normal beam, ensuring the condensation of the evaporation of the system compressed by the compressor and reintegrated by this compression. Means equivalent to those described may be applied for the adjustment of the initial heating.
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In the embodiment of FIG. 2, the static part of the system, produced according to generally known arrangements, is assumed to consist of 5 evaporation boxes: 11, 12, 13, 14, 15, for example with samples of manufacture 16, 17, 18, 19, on the first four stages, the fifth thus constituting an expansion box connected to the vacuum of the condenser 20. For reasons of simplification of the scnéma, the circuits of juices, condensed water and auto- Evaporations of these waters are not shown, as corresponding to known conditions.
The expansion steam engine can be mounted: either on the discharge of the fifth body to the condenser, or, if necessary and then, preferably, at the outlet of any intermediate stage of the system ensuring, thus that it was exposed and for the reasons developed, an evaporation by reintegration greater than that previously provided by the normal expansion of the quantity thus withdrawn in the static part of the system, downstream of this withdrawal. The compressor is coupled to the stage of the system requiring the smallest compression deviation for the reintegration of the quantity of vapor thus compressed, and thus allowing this reintegration for the highest quantity.
In the example shown schematically in FIG. 2, it is assumed that this reintegration by dynamic expansion and compression proves to be greater than the normal static vaporization from the fourth body. The steam engine
21 is therefore supplied. by this fourth body, possibly in parallel with the last stage 5, of evaporation. The vapor compressor 22 is coupled to the third body, assumed to be the least loaded in the present example.
According to a particular embodiment, and in order to give the process its greatest efficiency, by reducing the dynamic reintegration gap, the last pressure stage of the multiple effect could be supplied with the most diluted juices entering the process. evaporation and then carried, by the suitable pump, to the first pressure stage of the system.
The expansion turbine and the reintegration compressor will be coupled to this last stage, according to the conditions shown diagrammatically in Figure 1 for the steam circuits, the discharge from the compressor thus supplying the heating bundle of this stage, in addition to the heating steam supplied by the upstream stage.
For the reasons already explained for the system produced in single effect, the expansion and compression assembly and the evaporator station will necessarily constitute a stable system, coupling automatically defined by the pressure prevailing at the shell of the evaporation stage feeding the trigger motor. The usual arrangements for adjusting the charge of the evaporator station, for example by adjusting the initial supply pressure by 23 or by 24 or its equivalent 24a of the discharge to the condenser, or any equivalent adjustments, will necessarily result in the variations. pressure at the supply stage of the expansion motor.
The assembly thus formed by the evaporator station and the expansion / compression unit will therefore constitute a defined and stable coupling system, subject to the general settings of the evaporator station and automatically adapted to these settings; in such a way that no direct adjustment equipment for the admission of the expansion engine or the discharge of the compressor, will be necessary and that the expansion / compression unit will thus operate permanently and for each stage of the evaporator station in its optimum conditions. .
The evaporative apparatus shown in FIG. 3 refers to a discontinuous circulation concentration apparatus, such as the candy concentration apparatus. It is made up of a classic static evaporator, in single or multiple effect, ensuring a certain concentration in continuous circulation, defined in the particular case by the appearance of crystallization phenomena. The end of the concentration with crystallization is, for operational reasons, ensured in devices
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of evaporation called cooked, functioning general: slow in simple effect, by loads and, consequently, by discontinuous and successive operations.
Such an installation therefore comprises several final or cooked boxes which are made to operate with a certain offset in order to damp the variations in their heating steam consumption. The pipes are supplied with heating steam of suitable pressure and generally by a sample from the evaporator. They discharge their evaporation to the condenser.
FIG. 3 shows schematically the conditions, generally known, for producing such an assembly. The evaporative station is assumed to be made up of five stages: 11, 12, 13,14, 15 with samples 16, 17, 18, 19 on the first four bodies, and exhaust from the last to the condenser 20. In the example shown schematically it is assumed that the installation comprises 2 fired pipes 25 and 26, supplied in parallel by the sample 16, and normally discharging their evaporation to the condenser 20.
The expansion steam engine can therefore be coupled to the exhaust common to the condenser of the evaporator station and the boilers, reintegration by compression applying to the most appropriate place of the evaporator station.
Such plants will generally handle liquids of increasing boiling retardation with concentration. The gap required for bakes will also vary with their filling. These two elements acting simultaneously, the beam / grille gap will increase with the progress of the operation, thus driving at decreasing pressure to the grille.
It will therefore be advisable to equip the fired pipes with two vacuum pipes, low and high, to which they will be successively coupled, and to limit the recovery by dynamic expansion to the evaporation of the highest pressure state. The direct losses of the system taken as a whole, in any case inevitable, will therefore be carried out by the high vacuum manifold, thus bearing on the calories of the most degraded pressure state, and consequently of the lowest energy value. . They will therefore necessarily be at a minimum.
FIG. 3 shows these application conditions schematically. The pipes 25 and 26 are successively coupled to the low vacuum 27 and high vacuum 28 conduits, the latter directly connected to the condenser 20. The successive passage of the pipes on the two manifolds is normally ensured according to their specific operating state. The expansion motor, shown diagrammatically by 21, ensures the dynamic expansion of the low vacuum manifold 27 to the condenser 20. The vapor compressor 22 ensures the revaluation by compression of an evaporation and its reintegration in heating at the most favorable location of the station. evaporative, as has been previously explained.
For a complete example, the diagram admits that the compressor ensures the reintegration of part of the low vacuum evaporation of the fired at the evaporative station, for example on the heaters provided by the last sample; it being for good form recalled that this compression can be applied to any stage of the evaporating station as to any evaporation of the system.
In the same way, in the case of application of the process to refinery stacks, the discharge from the compressor can supply either the heating bundle of these stoves itself, or the heating stages of the products undergoing treatment before they enter the tank. evaporation, and then from the lowest pressure level accepting this reintegration, by optionally stepped compression, each of the successive compression ratios limiting to the value necessary for the reintegration of the corresponding quantity of evaporation subjected to the process.
Each fired can be fitted with its own expansion turbine.
In the case of use of an expansion turbine common to several fires and more generally to several evaporation boxes of possibly different pressure states, it will be advisable to assign to each box its own sector of nozzles d. 'admission of the expansion turbine, by suitable partitioning of the inlet bottom of this turbine. Each of the bottom sections
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inlet corresponding to a nozzle sector will be fitted with its connection pipe to the corresponding box. The dynamic expansion of the evaporation of each box will then be ensured from its own pressure independently of the operating state and, consequently, of the pressure of the others.
This expansion will therefore be permanently ensured under the most favorable conditions, thus permanently setting the reintegrations by compression at the highest values.
The process of the invention, in its various forms of application, can be combined with all forms of application of mechanical vapor compression to an evaporative apparatus by the expansion of live vapor before its use for heating. and more especially with the processes already described by the applicant in his Belgian patent No. 463,703.
An evaporative device using these different means will therefore combine: - energy recovery by expansion of the live steam to the initial pressure level, that is to say the heating temperature, acceptable for the liquids in treatment, energy released by this expansion being used for reintegration by dynamic compression of part of the evaporation from the head stage of the station to its heating bundle, - static expansion, through a conventional evaporator, in single or multiple effect, - a dynamic expansion on the heat losses of the evaporative device, carried out as just described, and used to ensure, by mechanical compression, the reintegration of degraded evaporation at the most appropriate stage of the system static.
Such an apparatus will therefore combine successive dynamic, static and dynamic expansions of the heating steam under the conditions specific to their greatest efficiency.
It goes without saying that modifications can be made both to the method and to the apparatus which have just been described, in particular by substituting equivalent technical means, without going beyond the scope of the present invention.