EP0130110A1 - Echangeur de chaleur pour cristallisation continue - Google Patents

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EP0130110A1
EP0130110A1 EP84401242A EP84401242A EP0130110A1 EP 0130110 A1 EP0130110 A1 EP 0130110A1 EP 84401242 A EP84401242 A EP 84401242A EP 84401242 A EP84401242 A EP 84401242A EP 0130110 A1 EP0130110 A1 EP 0130110A1
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EP
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tubes
heat exchanger
tube
steam
exchanger according
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Withdrawn
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EP84401242A
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German (de)
English (en)
Inventor
Raymond Binet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fives Cail Babcock SA
Original Assignee
Fives Cail Babcock SA
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13B—PRODUCTION OF SUCROSE; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • C13B30/00—Crystallisation; Crystallising apparatus; Separating crystals from mother liquors ; Evaporating or boiling sugar juice
    • C13B30/02—Crystallisation; Crystallising apparatus
    • C13B30/022—Continuous processes, apparatus therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend

Definitions

  • the present invention relates to an exchanger for continuous crystallization, for the production of crystals by evaporation of a solution, in particular of sweet juice, heated with steam.
  • the main object of the invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks.
  • a more specific subject of the invention is a heat exchanger for continuous crystallization, for the production of tion of crystals by evaporation of a solution, in particular of sweet juice, heated with steam, characterized in that it comprises a bundle of hairpin tubes divided into groups, each group being constituted by at least one tube, the plane of the or each tube being inclined so that the inlet branch of the steam is at a level higher than that of the outlet branch of the condensed water, said branches being substantially horizontal, in that the groups are superimposed so as to form, along the length of the exchanger, parallel vertical rows, two adjacent rows being separated by a certain interval, and in that the ends of the tubes are fixed in a support plate on the outside of which is provided a vertical partition alternately separating the inlet ports and the outlet ports of the tubes.
  • Said partitioning defines vertically elongated boxes, all the boxes relating to the orifices of the same function communicating with each other.
  • a cover closes all of the boxes, a steam inlet pipe being integral with said cover.
  • Each group advantageously consists of a plurality of tubes, three for example, whose elbows have different bending radii so that they can be arranged one inside the other.
  • the tubes are advantageously fixed to the tube plate by expansion.
  • FIG 1 we see the entire exchanger contained in a ferrule 1 horizontally elongated.
  • the reference 2 designates the heat exchange bundle placed in the lower half of the shell 1 where it is covered by the solution (sweet juice, for example) which reaches level N.
  • This bundle consists of tubes with pins at hair whose ends are fixed in a tubular plate 3.
  • Transversal partitions, such as 4, which support the tubes divide the heat exchanger longitudinally into a plurality of compartments, such as 5, supplied individually with concentrated sweet juice by the pipes, such as 6, 7 and 9.
  • the compartment end containing the bends of the tubes is further supplied, by the pipe 8, with a seed magma essentially constituted by small crystals suspended in supersaturated juice.
  • the reference 10 designates a deflecting plate which obstructs the liquid droplets, while the steam escapes through the outlet 11 connected to a dome 12.
  • the heating steam is introduced along V into the bundle 2 while the condensed steam is discharged along C.
  • the introduced liquid circulates through the bundle 2 by means of a usual baffle system not shown.
  • a mixture of crystals and mother liquor is collected at M, at the base of the end compartment opposite to that containing the elbows of the tubes, which it is easy to separate by centrifugation.
  • each group G taken as an example comprises three tubes 13, 13 ′ and 13 ". These tubes have different bending radii so that they can be arranged one inside the As shown on the right of FIG. 3, the tube 13 has a bending radius greater than that of the tube 13 'and the latter has a bending radius greater than that of the tube 13 ". All these tubes have their horizontal branches, but their planes are inclined so that the inlet branch of the steam is at a level higher than that of the outlet branch of the condensates. This arrangement has the advantage of promoting flow and preventing condensate from stagnating in the loops of the tubes. Indeed these loops ensure the unevenness of the branches and consequently, the inclination of the plane of each tube.
  • the groups such as group G which we have just defined are superimposed so as to form a vertical row RI which extends along the length of the exchanger. According to the width of the latter are arranged rows R identical; two adjacent rows such as RI and R2 are separated by a certain interval d.
  • a row R the height spacings between the branches of the tubes 13, 13 'or 13 "must be determined to leave sufficient space between each of the tubes with the same reference.
  • the inclination of the tubes 13, 13 'and 13 " would preferably be identical.
  • the fact of accommodating a maximum of tubes in the available volume leads to adopt for the 13 "tube the shortest possible bending radius compatible with the diameter and the thickness of this tube.
  • tubes 13 In this case it may be wise to give to these tubes 13 "have a greater inclination than for tubes 13 and 13 '.
  • the tubes 13 and 13 ′ have the same inclination, the tube 13 ′ being surrounded by the tube 13 with the near offset in height.
  • the 13 "tube is much more inclined than the preceding ones which surround it.
  • the 13" tube cannot however be contained in a vertical plane.
  • a cover 14 provided with stiffeners, such as 15, closes the exchanger. This cover allows mounting and possible dismantling in case of tube replacement.
  • a steam box 100 compartmentalized by vertical partitions such as 16, alternately separating the inlet ports and the outlet ports of the tubes. These partitions define alternate steam and condensate chambers, said chambers being vertically elongated. Partitions 16 have the same height as the belt 107 of the steam box 100.
  • FIG. 4 On the right-hand side of FIG. 4 a distinction is made between the steam chambers 101, 103 and 105 as well as the condensate chambers 102, 104 and 106. On the left-hand side of the figure are symmetrical chambers.
  • the only box 106 is a double box common to the two half-widths of the beam.
  • the steam box 100 is closed by a cover 17, the bottom wall 19 of which is fitted with a seal 108 bearing both on the belt 107 and on the edges of the partitions 16.
  • the boxes 101 to 106 are thus isolated from each other.
  • the cover 17 ensures the arrival of steam to the boxes such as 101, 103 and 105 and the exit of the light noncondensables from the boxes such as 102, 104 and 106.
  • the condensate outlet is directly ensured by the pipe 21 provided at the lower part of the belt 107 of the box 100 (see fig. 4 and 7).
  • the cover 17 is provided with a steam inlet pipe 18. Between the inner end of the tube 18 and the bottom wall 19 of the cover which closes the aforementioned boxes, a transverse channel 20 is provided which brings steam to the boxes such as 101, 103 and 105 through orifices, respectively 51, 53, 55 made in said bottom wall 19.
  • This same cover 17 is also provided with the pipes 23 opening at the top point of the boxes such as 102, 104 and 106 and counterparts boxes of the left part of FIG. 4 for the exit of the light noncondensable.
  • the other boxes are delimited at their lower part by an inclined plane.
  • the condensates and the heavy incondensables of the caissons 102 and 104 and of their counterparts on the left of FIG. 4 are brought to the central caisson 106 along this slope via passages 33 and 35 passing through respectively.
  • the boxes 103 and 105 along said inclined plane.
  • the heavy incondensables from all the boxes 102, 104, 106 and their counterparts from the left-hand side of FIG. 4 are finally extracted by the tube 22 provided on the wall 19 of the cover 17.

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Abstract

Echangeur de chaleur pour cristallisation continue, en vue de la production de cristaux par évaporation d'une solution, notamment de jus sucré, chauffée à la vapeur d'eau. En vue de simplifier la fabrication et l'exploitation de l'échangeur, so faisceau d'échange (2) est constitué par des tubes en épingles à cheveux (13) répartis par groupes (G) et par rangées verticales (R), le plan de chaque tube étant incliné de telle sorte que la branche d'entrée de vapeur soit à un niveau supérieur à celui de la branche de sortie de l'eau condensée, lesdites branches étant sensiblement horizontales, et les extrémités desdits tubes étant fixées dans une plaque tubulaire (3).

Description

  • La présente invention concerne un échangeur pour cristallisation continue, en vue de la production de cristaux par évaporation d'une solution, notamment de jus sucré, chauffée à la vapeur d'eau.
  • Jusqu'à présent on faisait surtout appel à des échangeurs à faisceaux tubulaires dont les tubes rectilignes étaient montés à leurs extrémités dans deux plaques tubulaires. Ces tubes traversent de nombreuses cloisons qui contrarient leur libre dilatation.
  • Cette technique présente de sérieux inconvénients. Il est nécessaire de prévoir le montage des tubes avec des alésages extrêmement précis recevant chacun une bague métallique ou de toute autre matière résistant au milieu, munie au moins d'un joint torique côté plaque et d'un joint torique côté tube. Le nombre généralement considérable de bagues et de joints rend la fabrication particulièrement compliquée et coûteuse. Par ailleurs, la présence de résidus sucrés dans les gorges des bagues d'étanchéité actuelles peut provoquer des phénomènes de corrosion. Non seulement les tubes ne sont plus libres de se dilater, mais encore leur extraction devient difficile et des problèmes d'étanchéité peuvent apparaître.
  • L'invention a surtout pour but d'éliminer les inconvénients susmentionnés.
  • Elle consiste essentiellement à faire appel à des tubes en épingles à cheveux dont les extrémités sont fixées sur une plaque tubulaire par simple dudgeonnage, par exemple, et qui ne posent aucun problème au point de vue dilatation.
  • L'invention a plus précisément pour objet un échangeur de chaleur pour cristallisation continue, en vue de la production de cristaux par évaporation d'une solution, notamment de jus sucré, chauffée à la vapeur d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau de tubes en épingles à cheveux répartis par groupes, chaque groupe étant constitué par au moins un tube, le plan du ou de chaque tube étant incliné de telle sorte que la branche d'entrée de la vapeur soit à un niveau supérieur à celui de la branche de sortie de l'eau condensée, lesdites branches étant sensiblement horizontales, en ce que les groupes sont superposés de manière à former, suivant la longueur de l'échangeur, des rangées verticales parallèles, deux rangées voisines étant séparées par un certain intervalle, et en ce que les extrémités des tubes sont fixées dans une plaque tutulaire du côté extérieur de laquelle il est prévu un cloisonnement vertical séparant alternativement les orifices d'entrée et les orifices de sortie des tubes.
  • Ledit cloisonnement définit des caissons verticalement allongés, tous les caissons afférents aux orifices d'une même fonction communiquant entre eux.
  • Un couvercle ferme l'ensemble des caissons, une tubulure d'entrée de vapeur étant solidaire dudit couvercle.
  • Des cloisons supportant les tubes divisent longitudinalement l'échangeur en une pluralité de compartiments alimentés individuellement en solution, le compartiment contenant les coudes des tubes étant en outre alimenté en magma d'ensemencement, et le compartiment contigû à la plaque tubulaire étant le compartiment de sortie d'un mélange de cristaux et de liqueur-mère.
  • Chaque groupe est constitué avantageusement par une pluralité de tubes, trois par exemple, dont les coudes ont des rayons de cintrage différents de manière à pouvoir être aménagés les uns à l'intérieur des autres.
  • Les tubes sont avantageusement fixés sur la plaque tubulaire par dudgeonnage.
  • L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit, faite en regard des dessins annexés, concernant une forme particulière de réalisation donnée à titre d'exemple non-limitatif.
    • La figure 1 représente de façon schématique l'ensemble de l'échangeur de chaleur.
    • La figure 2 est une vue en bout du faisceau d'échange, côté coudes des tubes, son couvercle étant supposé enlevé sur la partie droite de la figure.
    • La figure 3 en est une vue partielle en plan.
    • La figure 4 en est une vue en bout, côté extrémité des tubes, son couvercle étant supposé enlevé.
    • La figure 5 est une vue de face du couvercle.
    • La figure 6 est une coupe axiale dudit couvercle.
    • La figure 7 est une vue en coupe axiale du caisson de sortie d'eau condensée et du gaz incondensable.
  • Sur la figure 1, on voit l'ensemble de l'échangeur contenu dans une virole 1 horizontalement allongée. Le repère 2 désigne le faisceau d'échange de chaleur disposé dans la moitié inférieure de la virole 1 où il est recouvert par la solution (jus sucré , par exemple) qui atteint le niveau N. Ce faisceau est constitué par des tubes en épingles à cheveux dont les extrémités sont fixées dans une plaque tubulaire 3. L'agencement des tubes du faisceau 2 sera décrit plus explicitement par la suite. Des cloisons transversales, telles que 4, qui supportent les tubes, divisent longitudinalement l'échangeur en une pluralité de compartiments, tels que 5, alimentés individuellement en jus sucré concentré par les tuyauteries, telles que 6, 7 et 9. Le compartiment d'extrémité contenant les coudes des tubes est alimenté en outre, par la tuyauterie 8 en un magma d'ensemencement essentiellement constitué par des petits cristaux en suspension dans du jus sursaturé.
  • Le repère 10 désigne une tole déflectrice qui fait obstacle aux gouttelettes liquides, tandis que la vapeur s'échappe par la sortie 11 branchée sur un dôme 12.
  • La vapeur de chauffage est introduite suivant V dans le faisceau 2 tandis que la vapeur condensée est évacuée suivant C. Le liquide introduit circule à travers le faisceau 2 grâce à un système de chicanes usuel non représenté. A la sortie, on recueille en M,à la base du compartiment d'extrémité opposé à celui contenant les coudes des tubes, un mélange de cristaux et de liqueur-mère qu'il est facile de séparer par centrifugation.
  • Sur les figures 2 à 7, on a représenté en détail, à plus grande échelle, la structure du faisceau d'échange 2 et ses organes annexes.
  • Ce faisceau est constitué par un ensemble de tubes en épingles à cheveux répartis par groupes. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 2, chaque groupe G pris en exemple, comprend trois tubes 13, 13' et 13". Ces tubes ont des rayons de cintrage différents de manière à pouvoir être aménagés les uns à l'intérieur des autres. Comme représenté à droite de la figure 3, le tube 13 a un rayon de cintrage supérieur à celui du tube 13' et celui-ci un rayon de cintrage supérieur à celui du tube 13". Tous ces tubes ont leurs branches horizontales, mais leurs plans sont inclinés de telle sorte que la branche d'entrée de la vapeur soit à un niveau supérieur à celui de la branche de sortie des condensats. Cette disposition présente l'avantage de favoriser l'écoulement et d'éviter que les condensats ne viennent stagner dans les boucles des tubes. En effet ces boucles assurent le dénivellement des branches et par suite, l'inclinaison du plan de chaque tube.
  • Les groupes tels que le groupe G que l'on vient de définir sont superposés de manière à former une rangée verticale RI qui s'étend suivant la longueur de l'échangeur. Suivant la largeur de ce dernier sont aménagées des rangées R identiques ; deux rangées voisines telles que RI et R2 sont séparées par un certain intervalle d. Dans une rangée R, les écartements en hauteur entre les branches des tubes 13, 13' ou 13" doivent être déterminés pour laisser l'espace suffisant entre chacun des tubes d'un même repère. En principe l'inclinaison des tubes 13, 13' et 13" serait de préférence identique. Le fait de loger un maximum de tubes dans le volume disponible conduit à adopter pour le tube 13" le rayon de cintrage le plus court possible compatible avec le diamètre et l'épaisseur de ce tube. Dans ce cas il peut être judicieux de donner à ces tubes 13" une inclinaison plus importante que pour les tubes 13 et 13'. Dans l'exemple choisi les tubes 13 et 13' ont la même inclinaison, le tube 13' étant entouré par le tube 13 au décalage près en hauteur. Le tube 13" est nettement plus incliné que les précédents qui l'entourent. Le tube 13" ne saurait toutefois être contenu dans un plan vertical.
  • Les extrémités des tubes 13, 13' et 13" sont fixées dans la plaque tubulaire 3, comme cela est plus particulièrement visible sur les figures 3 et 4. Cette fixation est avantageusement assurée par dudgeonnage.
  • A l'extrémité du faisceau 2, côté coudes, un couvercle 14 muni de raidisseurs, tels que 15, ferme l'échangeur. Ce couvercle permet le montage et d'éventuels démontages en cas de remplacement de tubes.
  • A l'extrémité opposée est prévue une boite vapeur 100 compartimentée par des cloisons verticales telles que 16, séparant alternativement les orifices d'entrée et les orifices de sortie des tubes. Ces cloisons définissent des caissons alternés de vapeur et de condensats, lesdits caissons étant verticalement allongés. Les cloisons 16 ont la même hauteur que la ceinture 107 de la boite vapeur 100.
  • Sur la partie droite de la figure 4 on distingue les caissons de vapeur 101, 103 et 105 ainsi que les caissons de condensats 102, 104 et 106. Sur la partie gauche de la figure sont représentés des caissons symétriques. Le seul caisson 106 est un caisson double commun aux deux demi-largeurs du faisceau. Comme représenté en détail sur les figures 5 et 6, la boite vapeur 100 est fermée par un couvercle 17 dont la paroi de fond 19 est équipée d'un joint 108 portant à la fois sur la ceinture 107 et sur les bords des cloisons 16. Les caissons 101 à 106 sont ainsi isolés les uns des autres. Le couvercle 17 assure l'arrivée de vapeur aux caissons tels que 101, 103 et 105 et la sortie des incondensables légers des caissons tels que 102, 104 et 106. La sortie des condensats est par contre directement assurée par la tubulure 21 prévue à la partie inférieure de la ceinture 107 de la boite 100 (voir fig. 4 et 7). Le couvercle 17 est muni d'une tubulure 18 d'entrée de vapeur. Entre l'extrémité intérieure de la tubulure 18 et la paroi de fond 19 du couvercle qui ferme les caissons précités, est prévu un canal transversal 20 qui amène la vapeur aux caissons tels que 101, 103 et 105 à travers des orifices, respectivement 51, 53, 55 pratiqués dans ladite paroi de fond 19. Ce même couvercle 17 est également muni des tubulures 23 débouchant en point haut des caissons tels que 102, 104 et 106 et des caissons homologues de la partie gauche de la figure 4 pour la sortie des incondensables légers.
  • A l'exception du caisson central 106, dont la base est plane, les autres caissons sont délimités à leur partie inférieure par un plan incliné. Les condensats et les incondensables lourds des caissons 102 et 104 et de leurs homologues de la partie gauche de la figure 4 sont amenés au caisson central 106 suivant cette pente par l'intermédiaire de passages 33 et 35 traversant respectivement les caissons 103 et 105 le long dudit plan incliné. Les incondensables lourds de l'ensemble des caissons 102, 104, 106 et de leurs homologues de la partie gauche de la figure 4 sont finalement extraits par la tubulure 22 prévue sur la paroi 19 du couvercle 17.
  • Bien que l'invention ait été décrite en référence à une forme particulière de réalisation, il va de soi qu'elle ne lui est en rien limitée et que des modifications peuvent lui être apportées sans sortir de son domaine. En particulier rien ne s'oppose à ce qu'une rangée R soit constituée de groupes composés de 2 seuls tubes 13" et 13' et même à la limite du seul tube 13".
  • On pourra notamment remplacer l'un quelconque des moyens décrits par un moyen techniquement équivalent. L'invention couvre donc, outre l'exemple représenté, ses différentes variantes d'exécution possibles dans les limites définies par les revendications.

Claims (7)

1. Echangeur de chaleur pour cristallisation continue, en vue de la production de cristaux par évaporation d'une solution, notamment de jus sucré, chauffée à la vapeur d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau (2) de tubes en épingles à cheveux répartis par groupes (G), chaque groupe étant constitué par au moins un tube (13), le plan du ou de chaque tube étant incliné de telle sorte que la branche d'entrée de la vapeur soit à un niveau supérieur à celui de la branche de sortie de l'eau condensée, lesdites branches étant sensiblement horizontales, en ce que les groupes (G) sont superposés de manière à former, suivant la longueur de l'échangeur, des rangées (R) verticales et parallèles, deux rangées voisines (Rl, R2) étant séparées par un certain intervalle (d), et en ce que les extrémités des tubes (13) sont fixées dans une plaque tubulaire (3) du côté extérieur de laquelle il est prévu un cloisonnement vertical (16) séparant alternativement les orifices d'entrée et les orifices de sortie des tubes (13).
2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cloisonnement définit des caissons verticalement allongés-(101, 102, 103, 104, 105, 106), tous les caissons afférents aux orifices d'une même fonction communiquant entre eux.
3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé par un couvercle (17) fermant l'ensemble desdits caissons, une tubulure d'entrée de vapeur (18) étant solidaire dudit couvercle.
4. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des cloisons (4) supportant les tubes (13) divisent longitudinalement ledit échangeur en une pluralité de compartiments (5) alimentés individuellement en solution, le compartiment contenant les coudes des tubes (13) étant en outre alimenté en magma d'ensemencement, et le compartiment (5) contigu à la plaque tubulaire (3) étant le compartiment de sortie d'un mélange de cristaux et de liqueur-mère.
5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque groupe (G) est constitué par une pluralité de tubes (13, 13', 13") dont les coudes ont des rayons de cintrage différents de manière à pouvoir être aménagés les uns à l'intérieur des autres.
6. Echangeur de chaleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que dans chaque groupe (G) le tube (13")dont le coude a le plus petit rayon de cintrage présente une inclinaison plus importante que celle du ou des autres tubes (13, 13').
7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes (13) sont fixés sur la plaque tubulaire (3) par dudgeonnage.
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