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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.