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Procédé de concentration d'un liquide, notamment de lait, et installation pour sa mise en #uvre La présente invention a pour objets un procédé de concentration d'un liquide, notamment de lait et une installation pour la mise en #uvre de ce procédé.
De nombreux procédés connus ont été utilisés jusqu'ici pour concentrer du lait, des solutions de gélatine, d'autres produits alimentaires liquides ou d'autres solutions de solides dans des liquides, mais tous présentent des inconvénients. Avec les procédés à film ascendant, les extrémités inférieures des tubes d'évaporation de l'évaporateur sont remplies de liquide,
de sorte que le transfert thermique est inefficace et que c'est seulement à la partie supérieure des tubes qu'un film mobile de liquide est produit et que le transfert thermique est satisfaisant. Les tubes sont très coûteux et doivent être plus longs que ce ne serait nécessaire si un transfert de chaleur satisfaisant était obtenu sur toute leur longueur. La hauteur totale des installations à filin ascendant est considérable et il faut construire des bâtiments spéciaux et très importants pour les loger.
Un troisième inconvénient de ces procédés, le plus important, est d'obliger les installations à retenir un volume considérable de liquide par suite de l'irrigation des fonds des tubes. En effet, pour un débit d'écoulement donné à travers l'installation, le liquide reste dans cette dernière pendant un temps plus long que si l'installation en retenait une plus faible quantité. Le lait en particulier se détériore s'il est chauffé pendant de longues périodes et la protéine se dépose sur les tubes et réduit leur efficacité.
Les procédés utilisant des installations dans lesquelles le liquide se déplace vers le bas sous forme d'un film, sur les surfaces d'une série de tubes évitent certains de ces désavantages mais la hauteur totale des installations est même supérieure à celle des installations à films ascendants d'une puissance comparable.
On a trouvé maintenant qu'en utilisant un évaporateur comportant des tubes présentant des proportions déterminées et en contrôlant l'alimentation du liquide à ces tubes il est possible de produire un écoulement turbulent très satisfaisant dans les tubes de l'évaporateur disposés pratiquement horizontalement. Le liquide bout et un film de liquide se déplace le long des parois du tube.
Dans l'espace compris à l'intérieur des tubes, il s'établit une atmosphère de vapeurs et de gouttelettes en suspension et les conditions d'écoulement sont telles que le film est entraîné continuellement vers l'aval et restauré par le liquide provenant des gouttelettes. Ces conditions assurent un transfert de chaleur particulièrement efficace entre le liquide et les tubes chauffés et ceci sur toute la longueur des tubes.
Le procédé objet de l'invention est caractérisé en ce qu'on introduit le liquide dans une extrémité de tubes d'évaporation chauffés et disposée horizontalement, ces tubes présentant chacun un diamètre intérieur compris entre 1,9 cm et 3,5 cm et une longueur comprise entre 2,44 m et 4,88 m, et en ce qu'on fixe le débit d'alimentation de façon que les tubes ne soient pas engorgés et qu'il se forme sur leurs surfaces intérieures un filin liquide que la vapeur dégagée par évaporation fait avancer vers l'autre extrémité des tubes.
L'invention a aussi pour objet une installation pour la mise en #uvre de ce procédé, notamment pour l'évaporation de produits alimentaires liquides tels que le lait. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comprend un évaporateur dans lequel sont disposés des tubes d'évaporation horizontaux présentant chacun un diamètre intérieur compris entre 1,9 et 3,5 cm et une longueur comprise entre 2,44 et 4,88 m et des moyens disposés à l'extrémité d'entrée des tubes pour introduire le liquide dans chacun de ces derniers.
Le dessin annexé illustre à titre d'exemple, une mise en #uvre du procédé objet de l'invention et représente, également à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'installation pour cette mise en oeuvre
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la fig. 1 est une vue schématique de cette forme d'exécution ; la fig. 2 est une coupe longitudinale, selon II-II de la fig. 3, d'un évaporateur représenté à la fig. 1 ; la fig. 3 est une coupe selon 111-11I de la fig. 2 ; la fig. 4 est une coupe d'un détail représenté à la fig. 2 ;
la fig. 5 est une coupe longitudinale d'un séparateur représenté à la fig. 1, et la fig. 6 est une vue prise dans le sens de la flèche VI de la fig. 5.
L'installation qui va être décrite est à simple effet et est destinée à évaporer du lait. Elle pourrait être à effet multiple et pourrait aussi servir à évaporer d'autres produits alimentaires liquides comme des solutions de gélatine, ou toute autre solution d'un solide dans un liquide.
Le lait est amené depuis une cuve non représentée à travers une vanne d'arrêt 1 (fig. 1) et de là à travers un tuyau 2 et dans un compteur comprenant un plateau à orifice 3 et des .manomètres 4 et 5 qui indiquent la chute de pression à travers l'orifice. A partir du compteur, le lait passe à travers un tuyau 6 dans l'entrée d'une pompe d'alimentation rotative 7 qui l'envoie à travers un tuyau 8 dans un dispositif de préchauffage 9.
A partir du dispositif 9, le lait passe à travers un tuyau 10 équipé d'un manomètre 11 vers une vanne de commande principale 12 qui règle le débit du lait s'écoulant dans l'installation. Depuis la vanne 12, le lait s'écoule à travers un tuyau 13 dans les tubes d'un second dispositif de préchauffage 14. Le lait quitte ce dispositif par un tuyau 15 et s'écoule vers la chambre d'entrée d'un évaporateur 16. Le tuyau 15 est muni d'un nouveau compteur 17' comprenant un plateau à orifice et deux manomètres pour mesurer la chute de pression à travers l'orifice.
Depuis la chambre d'entrée de l'évaporateur 16, le lait est injecté dans les tubes de l'évaporateur, et il est évaporé dans ces tubes. La vapeur et le lait liquide concentré passent depuis ces tubes dans un séparateur 17 qui sera décrit en détail plus loin.
A ce stade, les trajets de la vapeur et du lait liquide concentré divergent. La vapeur passe d'une extrémité du séparateur 17 à travers un tuyau 18 vers l'entrée 19 d'un compresseur 20 constitué par une pompe rotative de Roots entraînée par un moteur électrique 20a. La vapeur comprimée et chauffée par cette compression est lancée dans un tuyau 21 et dans une enveloppe du second dispositif de préchauffage 14 d'où elle passe à travers des tuyaux 22 et 23 dans la chemise de chauffage de l'évaporateur 16.
La vapeur, qui est évidemment à une pression subatmosphérique, est condensée dans l'évaporateur 16 et le liquide condensé quitte l'évaporateur par un tuyau 24 équipé d'un niveau en verre 25 et d'une soupape de retenue 26. A partir du tuyau 24, une partie du liquide condensé passe à travers un tuyau 27 et de là à travers le premier dispositif de préchauffage 9 et à travers un tuyau 28 vers le côté aspiration d'une pompe 29 pour le condensat, tandis que la partie restante du condensat atteint directement l'aspiration de la pompe 29 à travers un tuyau 30.
La proportion du condensat passant à travers le dispositif de préchauffage 9 et du condensai passant à travers le tuyau de dérivation 30 pour produire le préchauffage requis du lait à l'entrée de l'installation est réglée par des vannes de commande 31 et 32 dans les tuyaux 28 et 30 respectivement. La pompe 29 envoie le condensat à travers un tuyau 33 équipé d'un manomètre 34 vers des trompes à vide 35 montées en parallèle. Les trompes 35 envoient le con- densat dans une cuve 36 d'où l'excès d'eau est rejeté par un tuyau de sortie 37 équipé d'une vanne 38.
Les trompes créent un vide dans le séparateur 17 à travers un tuyau 39 et dans trois zones de l'évaporateur 16 à travers des tuyaux 40, 41 et 42 pour éliminer l'air depuis ces zones et maintenir le vide voulu dans les espaces entourant les tubes. Pour maintenir une alimentation d'eau suffisante aux trompes 35, un tuyau 43 de remise en circulation conduit de la cuve 36 dans le tuyau d'entrée 28 de la pompe 29. Le tuyau 43 peut être connecté aussi par des tuyaux 44 et 45 à des cuves de détergents 46 et 47, respectivement. Les tuyaux 44 et 45 sont équipés de vannes et celles-ci ne sont ouvertes que lorsque l'installation est arrêtée en vue du lavage de tous les tuyaux et de toutes les pièces qui la composent pour éliminer le lait concentré adhérant à leurs surfaces.
Un autre tuyau 48 communique avec le tuyau de sortie 33 de la pompe 29 et fournit de l'eau à un gicleur 49 disposé dans l'entrée de vapeur du compresseur 20. Ce gicleur réduit la surchauffe qui se produirait autrement dans la vapeur comprimée par suite du rendement isen- tropique relativement bas du compresseur 20.
Le moteur électrique 20a qui entraîne le compresseur 20 est équipé de dispositifs électriques de sécurité qui comprennent un interrupteur de coupure 50 qui fonctionne si l'alimentation d'eau au gicleur 49 cesse, et des interrupteurs 51 et 52 qui fonctionnent si la pression ou la température dans le tuyau d'entrée 21 devient excessive. Les interrupteurs 50, 51, 52 commandent un interrupteur 53 de coupure du moteur qui est connecté au moteur par un interrupteur de surcharge 54. Le moteur est alimenté à travers un organe de démarrage 55.
Le lait liquide concentré est drainé dans un collecteur, décrit plus loin, du séparateur 17 et passe de là à travers un tuyau 56 équipé d'un voyant en verre 57 et d'une soupape de retenue 58, vers une pompe d'extraction 59 qui envoie le lait à travers une vanne de commande 60 vers un orifice de sortie 61. Cet orifice 61 est équipé d'un compteur 62. La pompe d'extraction 59 comporte un autre tuyau d'entrée 63 au moyen duquel elle est connectée aux cuves de détergent 46 et 47 pour permettre son nettoyage quand l'installation est arrêtée.
Un certain nombre d'autres tuyaux de dérivation et de connexions croisées permettent la circulation du lait et de la vapeur à travers des circuits fermés quand l'installation est mise en marche initialement et avant que des conditions stables soient établies.
Au lieu de conduire la vapeur du séparateur 17 à travers le tuyau 18 au compresseur 20, la vapeur peut passer à travers un tuyau 18' connecté soit directement à un condenseur si l'installation est à simple effet, soit à la chemise de vapeur de l'évaporateur d'un second étage si l'installation est à effet multiple. Dans ce cas, l'évaporateur est chauffé par une source de vapeur vive à travers un tuyau 21' au lieu de recevoir la vapeur du compresseur 20 à travers le tuyau 21. La vapeur vive dans le tuyau 21' peut être mélangée avec un peu de la vapeur d'échappement passant à travers le tuyau 18' et avec de la vapeur provenant du dernier étage d'une installation à effet multiple.
Cette méthode de chauffage de l'installation est bien connue et n'est pas décrite ici.
L'évaporateur 16 (fig. 2 et 3) comprend- un coffret tubulaire 80 formant une chemise de vapeur dans la-
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quelle sont montés cinq tubes 81 à 85. Chacun de ces tubes a une longueur de 3,05 m, un diamètre extérieur de 3,18 cm et une épaisseur No 18, donnant un diamètre intérieur de 2,95 cm. Ces tubes sont supportés à leurs extrémités par des plateaux 86 et 87 et sensiblement au milieu de leur longueur par un troisième plateau 88. Le plateau 88 comporte quatre lobes qui entourent les tuyaux 81 à 84 et les espaces entre ces lobes permettent à la vapeur de s'écouler à travers la chemise tubulaire 80 avec aussi peu d'obstruction que possible. Le plateau 88 est maintenu en place sur la longueur de la chemise 80 par des tiges 89 et 90 qui le relient au plateau 86.
Le plateau 86 est fixé directement à l'extrémité de la chemise 80 qu'il ferme et il constitue une bride au moyen de laquelle l'évaporateur est fixé au séparateur 17.
Le plateau 87 ferme l'autre extrémité de la chemise 80 et il est fixé par des vis 91 et 92 à un plateau gicleur 93 représenté en détail à la fig. 4. Il présente pour chaque tube évaporateur 81 à 85 un trou borgne 94 dans une de ses faces, un trou borgne 95 dans son autre face et un trou incliné 96 s'étendant entre les deux trous borgnes. Le plateau 93 est enfermé dans un capuchon d'extrémité 97 de même diamètre que la chemise 80 et formant une chambre d'entrée pour le lait à traiter. Une bride 98 est soudée au capuchon 97 et fixée au plateau 87 par des pinces 99 dont une est visible à la fig. 2. Le joint entre la bride 98 et le plateau 87 est rendu étanche par un anneau de caoutchouc 100.
Le lait est amené dans l'évaporateur par le tuyau 15 qui est connecté à un raccord d'entrée 101 soudé axiale- ment au capuchon 97. La chambre formée à l'intérieur du capuchon 97 est remplie de lait et ce dernier est alors projeté à travers les trous inclinés 96 ; quand il passe dans les trous borgnes 95, il se produit une projection du lait contre les parois inférieures des tubes 81 à 85.
Les diamètres des trous 96 sont tels que chacun laisse passer approximativement 1,36 kg de lait par minute avec une différence de pression de part et d'autre du plateau d'environ 0,35 kg/cm2. L'inclinaison des trous 96 sur les axes des tubes 81 à 85 et le fait que ces trous débouchent dans des trous plus grands du côté aval du plateau 93 sont la cause de la projection du lait à l'intérieur des tubes 81 à 85 quand le lait bout. Une projection éruptive se produit à l'entrée des tubes 81 à 85.
Le courant de liquide pénétrant dans le tube commence à s'évaporer, cette évaporation ainsi que le giclage produit par l'impact du jet sur la paroi provoquent la formation d'une couche de liquide sur la paroi. Celle-ci se déplace le long du tube sous l'effet de la vapeur passant à travers le tube en raison de la différence de pression existant entre les deux extrémités du tube. La couche se déplaçant le long du tube, elle est étalée sous forme d'un mince film sur la paroi du tube.
La chemise tubulaire 80 présente deux orifices d'entrée 102 et 103 pour la vapeur qui sont connectés respectivement aux tuyaux 23 et 22. Au fond de la chemise 80, près du plateau 87, est monté un tuyau de sortie 104 du condense, ce tuyau étant relié à la partie supérieure du niveau de verre 25. Trois orifices 105, 106 et 107 sont espacés le long de la chemise 80 et sont reliés aux tuyaux d'extraction 40-42. Un quatrième orifice 108 est destiné à recevoir un manomètre.
Les orifices d'entrée de vapeur 102 et 103 sont proches de l'extrémité droite de la chemise 80 (fig. 1) qui est l'extrémité d'entrée du lait dans la chemise de l'évaporateur, et les orifices 105 à 107 de sortie de l'air sont espacés sur toute la longueur de cette chemise. Dans une variante, la connexion pour la vapeur de chauffage pourrait être située près de l'extrémité d'entrée du lait dans la chemise de l'évapo)rateur et les orifices de sortie d'air pourraient être tous situés près de l'autre extrémité de la chemise.
Le séparateur 17 (fig. 5 et 6) comprend une enveloppe cylindrique 109 avec une section tronconique 110 à son extrémité de droite en regardant la fig. 5. Au fond de l'enveloppe 109 est monté un collecteur de liquide 111 d'où part un tuyau 112 comportant une bride pour sa fixation au voyant de verre 57. L'extrémité gauche de l'enveloppe 109 (fig. 5) est fermée par un couvercle 113 monté sur des charnières 114 et 115 (fig. 6) et maintenu fermé quand l'installation fonctionne par une poignée de verrouillage 116. L'enveloppe 109 comporte une bride 117 et le couvercle 113 une bride 118, ces deux bride sétant fixées l'une à l'autre quand le couvercle est fermé, un anneau de caoutchouc 119 assurant l'étanchéité.
Le couvercle 113 présente une fenêtre circulaire 120 qui est maintenue en place par un anneau fileté 121.
Le plateau 86 à l'extrémité gauche de la chemise 80 de l'évaporateur 16 est fixé à une bride 122 d'un tuyau d'entrée conique 123 (fig. 6). Le tuyau 123 s'étend dans l'enveloppe 109 en direction tangentielle.
La sortie de la vapeur hors du séparateur se fait à travers la petite extrémité de la section tronconique 110 et à travers un tuyau 124 dont un prolongement 125 s'étend vers le haut et vers l'intérieur à travers le plan de la fig. 5. Ce prolongement du tuyau 124 forme une développante qui absorbe l'énergie rotationnelle de la vapeur à travers le tuyau 124. La vapeur s'écoule dans le séparateur à travers le tuyau 123 et sa vitesse augmente quand la section droite du tuyau 123 diminue. La vapeur passe ensuite avec un mouvement circulaire autour de la partie extérieure de l'enveloppe 109 et sa vitesse angulaire est augmentée pendant qu'elle se déplace selon une trajectoire hélicoïdale de diamètre décroissant le long de la section tronconique 110.
Ce mouvement rotationnel de la vapeur projette toutes les gouttelettes qu'elle contient vers l'extérieur, ces gouttelettes étant drainées vers l'extérieur dans le collecteur 111 et retirées par le tuyau 112. Une petite quantité de liquide sous forme de gouttelettes peut rester emprisonnée dans la vapeur qui s'écoule à travers 1e tuyau 124, ces gouttelettes étant déposées puisque la vitesse rotationnelle de la vapeur est détruite. La vitesse d'écoulement à travers le tuyau 124 est si élevée que le liquide peut ne pas pouvoir revenir en arrière dans le séparateur contre le courant de vapeur.
Pour permettre ce retour, une gouttière semi-circulaire inversée 126 est disposée sur le fond du tuyau 124 et s'étend sur l'extrémité gauche du tuyau 124 et le long de sa face inférieure (fig. 5). Ce liquide peut s'écouler goutte à goutte sur le fond de la tuyère où aucun écoulement de vapeur ne peut l'en empêcher. La gouttière 126 est maintenue en place grâce à sa forme qui lui permet d'être serrée sur l'extrémité du tuyau 124 tout en pouvant être facilement retirée pour le nettoyage.
Le diamèrre intérieur de l'enveloppe cylindrique 109 est tel que si toute la vapeur passant à travers l'enveloppe se déplaçait dans une direction parallèle à son axe, la vitesse de la vapeur ne serait pas supérieure à 3,66 m/s à une pression absolue de 0,35 kg/cm2 et pas supérieure à 9,15 m/s à une pression absolue de 0,105 kg/cm2 pour de la, vapeur saturée, et au prorata pour d'autres pressions et pour d'autres vapeurs de densités différentes. L'enveloppe 109 doit présenter une
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longueur au moins égale au diamètre de la chemise 80 de l'évaporateur qui se décharge dans cette enveloppe.
Un rapport de 3,5 : 1 entre cette longueur et ce diamètre permet de traiter un liquide tel que le lait qui forme une mousse considérable. L'angle entre les surfaces coniques de la section 110 et l'axe horizontal est de 150, c'est-à-dire que l'angle au sommet de la section conique est de 300. Le diamètre du tuyau 124 est approximativement égal au tiers de celui de l'enveloppe 109 et sa forme de développante diminue la chute de pression à la sortie du séparateur.
La fenôtre 120 dans le couvercle 113 permet le contrôle visuel de l'écoulement à travers le séparateur pendant le fonctionnement de l'évaporateur.
Pendant son passage à travers les tubes 81 à 85 de l'évaporateur 16, le lait produit approximativement de 0,34 à 0,57 kg de vapeur par minute dans chaque tube.