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~ S~3
Pi~OCEDE ET DISPOSITIF DE CRISTALLISATION EN CONTINU
D'UNE MASSE CUITE
. _
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de
malaxage en continu d'une masse cuite obtenue notamment lors de la
fabrication du sucre, étant entendu que par "sucre" on entend
"saccharose" .
Les procédés d'extraction du sucre font, en général, appel à deux
types d'usines: des usines de fabrication proprement dites (sucre-
ries) et des usines de post-traitement ( raffineries) dans lesquelles
ies sucres sont affinés, filtrés, cristallisés et façonnés.
Les sucreries ont des équipements adaptés à la matière première
utilisée qui est la betterave ou la canne. Ainsi, les sucreries ont un
équipement spécifique alors que les raffineries traitent des sucres
bruts qu'ils soient de canne ou de betterave.
Lorsque la matière première est la betterave on utilise un procédé de
diffusion pour obtenir un jus qui aura recueilli le sucre contenu
dans les betteraves préalablement découpées en fines lanières ou
cossettes .
De manière schématique, les diffuseurs sont des appareils dans les-
quels on fait circuler de l'eau à contre-courant. Les jus obtenus
25 contiennent environ 11 à 12 % d'impuretés rapportés aux matières
sèches .
Un traitement à la chaux suivi d'une carbonatation et d!une sépara-
tion par filtration ou par décantation permet une épuration satisfai-
sante des non-sucres organiques.
Lorsque la matière première est la canne, on opère par broyage et
pression dans des "moulins" pour extraire le jus, rarement par
diffusion. Ne contenant pas les mêmes impuretés que le jus de bet-
terave, le jus de canne subit une épuration différente et l'étape de
carbonatation est supprimée.
Z~S803
Par contre, pour ce qui concerne les étapes de concentration et de
cristal!isation, les opérations nécessaires sont comparables dans les
deux types de sucrerie.
La présente invention concerne plus particulièrement les étapes per-
mettant de cristalliser le sucre et s applique à tous les jus sucrés
quelle que soit la matière première utilisée.
La cristallisation en sucrerie (de canne ou de betterave~ et en raffi-
nerie (de canne ou de betterave) a pour but d extraire sous forme
cristallisée, avec un rendement aussi élevé que possible, le sucre
dissous dans le sirop et de le séparer ainsi des impuretés solubles
qui l accompagnent.
La vitesse de cristallisation dépend principalement des paramètres
liés suivants : sursaturation, viscosité, température, agitation in-
terne, pureté et pH.
Le brevet fransais n 1528738 décrit un procédé de cristallisation de
sirop de sucrerie selon lequel on introduit dans une chaudière à
cuire des jus sucrés concentrés où une fraction du sucre est cristal-
lisée. La masse cuite obtenue est malaxée pendant un certain temps à
une température élevée puis tamisée dans une essoreuse centrifuge
où les cristaux sont séparés de l égout. L égout mère est ensuite
mélangé à des cristaux puis subit un second malaxage afin de pro-
voquer la cristallisation du sucre contenu dans ledit égout.
Dans ce procédé, le fait d opérer à température élevée, ce qui est
nécessaire compte-tenu de ses caractéristiques, ne permet pas d at-
teindre un degré de cristaliisation suffisamment élevé. Par ailleurs,
30 la consommation d énergie est importante.
Le brevet français n 2064277 décrit un procédé d obtention decristaux en continu selon lequel un sirop de sucre, en présence de
germes cristallins, prealablement ajoutés, est concentré sous vide
35 dans un cristalliseur présentant plusieurs compartiments successifs.
S~)3
Ce procédé nécessite une température relativement élevée,
ce qui d'une part, accroit la dépense énergétique, et
d'autre part, diminue le rendement de cristallisation.
Le procédé de cristallisation selon l'invention permet
d'obtenir dès la fin du malaxage de la masse cuite une
quantité de sucre cristallisé beaucoup plus importante
que lors de la mise en oeuvre des procédés connus à ce
jour.
En effet, le procédé vise à abaisser au maximum la tem-
pérature de la masse cuite pour augmenter la cristalli-
sation.
Il consiste à faire subir à un sirop de sucre une cuite
continue ou discontinue de façon à obtenir une masse
cuite, à soumettre la masse cuite à une ou plusieurs
étapes de malaxage continu sous vide, à séparer ensui-
te les cristaux de l'eau mère du jet de cristallisa-
tion considéré, notamment par turbinage, et est carac-
térisé en ce qu'une partie au moins de l'eau mère est
recyclée au niveau de la ou des étapes du malaxage
sous vide.
L'invention a également pour objet un dispositif de
malaxage d'une masse cuite, constitué d'un ou plusieurs
malaxeurs comportant des moyens d'entrée et de sortie
de la masse cuite, au moins une prise de vide, et un
moyen d'entrée de l~eau mère relié à une sortie de
l'égout d'essorage d'un dispositif d'essorage~ Le dis-
positif de malaxage selon l'invention est caractérisé
en ce que la sortie de la masse cuite et le moyen
d'entrée d'eau mère sont reliés respectivement à l'en-
trée de la masse cuite et une sortie d'eau mère du
meme dispositif d'essorage.
De préférence, seule la partie dite "égout pauvre" est
recyclée lors des étapes de malaxage sous vide. La
partie dite "égout riche" est reinjectée par exemple
au niveau de la cuite.
Les termes "égouts pauvre et riche" sont définis selon
~.2~ 3
J. DUBOURG Sucreries de betteraves 1952.
De préférence encore, la partie recyclée de l'eau mère
est réchauffée et désémulsionnée avant ledit recyclage.
sien que la viscosité de la masse cuite augmente, l'a-
baissement de température est rendu possible par llauto-
évaporation sous vide, en régime continu, de l'eau con-
tenue dans la masse cuite et par le recyclage de tout
ou partie de l'eau mère, ce qui provoque ainsi une
agitation violente et permanente.
Cette agitation est d'autant plus efficace qu'elle
s~effectue d'une manière régulière sur une épaisseur
faible et uniforme de la-masse cuite.
I~ est avantageux que le malaxage continu sous vide
comporte plusieurs étapes successives. Dans le cas
de deux étapes, la première est conduite sous un vide
compris entre 82,6 kPa et 88,0 kPa, la seconde sous un
vide compris entre 88,0 kPa et 96,0 kPa~
La masse cuite doit présenter une température initiale
d'environ 80C et voir, à l'issue du malaxage continu
sous vide, sa température abaissée à une valeur com-
prise entre 40C et 50C.
La masse cuite cristallisée est ensuite essorée (turbi-
nage) : les cristaux sont séparés de l'eau mère et
l'égout pauvre du jet de cristallisation consideré est
recyclé, en grande partie, au niveau du ou des mala-
xeurs continus sous vide. Les égouts pauvres recyclés
maintiennent une fluidité suffisante pour que la masse
cuite ne se fige pas et que la mobilité des cristaux
permette leur mouvement.
De préférence, les moyens d'entrée de l'égout pauvre
sont constitués d'une ou plusieurs tubulures situées
dans la partie inférieure du cylindre. De préférence,
ces tubulures arrivent tangentiellement au cylindre.
De préférence, leur nombre est compris entre deux et
dix.
Le procédé et le dispositif selon l'invention seront
8~)3
4a
mieux compris grace à la description des figures 1, 2,
3, 4, 5, 6, et grace à un exemple de réalisation.
La Figure 1 présente un flow-sheet d'une variante du
procédé selon laquelle, après une cuite continue, le
malaxage continu sous vide est conduit dans un appa-
reillage constitué d'un seul malaxeur.
La Figure 2 présente un flow-sheet d'une variante pré-
férée du procédé selon laquelle, après une cuite con-
tinue, le malaxage continu sous vide est conduit dans
un appareillage constitué de deux malaxeurs distincts.
La Figure 3 présente le dispositif pour mettre en oeu-
vre le procédé illustré à la figure 1.
58~3
La Figure 4 présente le dispositif pour mettre en oeuvre le procédé
illustré à la figure 2.
La Figure 5 est une vue transversale en coupe brisée à plan paral-
lèle d'un malaxeur sous vide illustré à la figure 4.
La Figure 6 est une vue de profil selon A.A du même malaxeur.
Selon les figures 1, 2, 3, 4, une fraction la, 21a du sirop de
sucre 1, 21 est dirigée vers un appareil vertical 2, 22 pour réaliser
le pied de cuite. I l présente un volume de 300 h. I. et comporte un
faisceau, aux tubes supportés par deux plaques de forme tronco-
nique, en pente vers le puits central équipé d'une hélice d'agitation.
Les pieds cie cuite 3, 23 de l'appareil vertical 2, 22 alimentent le
malaxeur à magma 4, 24.
Le malaxeur à magma est une capacité horizontale cylindrique
entièrement fermée, munie d'un agitateur constitué d'une hélice
supportée par un arbre longitudinal tournant à 1 tour/mn et équipée
d'une double enveloppe à circulation d'eau chaude à 301~ permettant
de thermostater l'ensemble: ce malaxeur à magma a seulement un
rôle de stockage-tampon.
Le magma 5, 25 venant du malaxeur 4, 24 et la fraction 1 b, 21 b du
sirop de sucre alimentent i'appareil à cuite continue 6, 26.
L'appareii à cuite continue 6, 26 est composé d'une cuve horizontale
cylindrique, en acier, à l'intérieur de laquelle le chauffage est
assuré par un faisceau de tubes longitudinaux en acier inoxydable,
3~ disposés en nappes. La partie inférieure de la cuve est pourvue
d'une double enveloppe dans laquelle circulent les buées qui ne sont
pas condensées dans le faisceau.
Un certain d~bit de vapeur est injecté à la partie in~érieure de l'ap-
pareil à cuire pour assurer l'agitation de la masse cuite.
L'appareil est divisé en compartiments par des cloisons transversales
et une cloison longitudinale a la base desquelles un orifice permet la
progression de la masse cuite. Le premier compartiment est alimenté
~2~5~303
par le magma, les suivants par la masse cuite provenant du compar-
timent précédent.
Chaque compartiment est également pourvu d'une alimentation en
sirop 1 b, 21 b qui arrose par tubes tournants les parois émergeant de
la masse cuite.
La masse cuite parvenant au dernier compartiment est extraite à sa
base par une pompe à vitesse variable.
La circulation et le débit des fluides dans l'appareil sont contrôlés
par des chalnes de régulation de vide, des pressions de vapeur,
10 d'agitation, de densité et de niveau de masse cuite.
A titre d'indication, ies caractéristiques principales d'un appareil à
cuite continue (construction Fives-Cail-Babcock) sont les suivantes:
Longueur hors tout :9, m
i ongueur intérieure :7,1i m
Lar~3eur hors tout :3,5 m
Hauteur hors tout :4,1 m
Diamètre intérieur de la virole : 3,1 m
Volume occupé par la masse cuite : 32 m3
Surface de chauffe totale : 324 m2
Tubes inox, iongueur : 7, S m
Nombre total de tubes : 464
Timbre du faisceau : 2 bars
Poids à vide : 32 Tonnes
Poids en marche : 77 Tonnes
Nombre de compartiments : 10
Les conditions de fonctionnement de l'appareil décrit ci-dessus sont
les suivantes:
Magma du pied de cuite 3, 23:
Brix : 86 - 88
Pureté : 99, 0 - 99, S
Débit : 6 à 7 tonnes/heure
Teneur en cristaux : 30 à 40 %
Ouverture Moyenne des cristaux : 0, 20 à 0, 25 mm
Liqueur d'alimentation 1b, 21b:
Brix : 68 - 70
Pureté : 99,0 - 99,5
Débit : 26 à 30 tonnes/heure
~P5~3
Masse cuite 7, 27 :
Brix :90 ~ 91
Pureté :99,0 ~ 99,5
Débit :26 à 30 tonnes/heure
Teneur en cristaux :50 à 55 %
Ouverture Moyenne des cristaux:0,5 à 0,6 mm
(Le Brix étant défini comme la valeur du rapport poids
de matières sèches/poids total du sirop).
La masse cuite 7, 27 est dirigée vers un dispositif de
malaxage continu sous vide 8, 28.
Selon une variante de l'invention - Figures 1 et 3 -,
ce dispositif est constitué d'un malaxeur 8 comprenant
une enveloppe horizontale 9 hermétique, calorifugée,
munie d'un arbre longitudinal 10 supportant une hélice
11 et séparée en deux compartiments 12, 13, par une
paroi étanche 14, laquelle est équipée dans la partie
basse d'un orifice 15 permettant le transfert de la
masse cuite d'un compartiment d'entrée au compartiment
de sortie, chaque compartiment étant pourvu d'une tubu-
lure 35 permettant une liaison avec un source de vide.
Le compartiment d'entrée et le compartiment de sortie
sont respectivement pourvus de tubulures d'entrée 16a
et de sortie 16b de la masse cuite, ces tubulures
étant de aible section et situées dans la partie basse
de chaque compartiment.
A titre d'exemple le premier compartiment est soumis
à un vide de 82,2 kPa, le second à un vide de 89,4 kPa~
L'arrivée et le départ de la masse cuite se font par la
partie basse du malaxeur à l~aide, respectivement, d'une
pompe volumétrique à vitesse variable - qui peut être
la pompe d'extraction de la cuite continue 6 - et d'une
pompe volumétrique à vitesse variable d'extraction.
Au fur et à musure du grossissement des cristaux, la
EluidiEication de la masse cuite est réalisée avec
l'égout pauvre 18 obtenu lors de l~essorage de la masse
cuite cristallisée (étape de centrifugation 40 permet-
tant d'isoler le sucre cristallisé 41).
-
`` ~L2~ 03
Cet égout pauvre arrive dans le bas de chacun des compartiments
12, 13 par trois tubulures tangentielles 19 dont les débits sont
régulés .
Selon une variante préférée de l'invention - Figures 2, 4, 5, 6 - les
deux étapes successives de malaxage sont conduites dans deux
malaxeurs continus 28, 29 sous vide, à un seul compartiment, et
montés en série.
10 La masse cuite cristallisée 27 sortant du premier malaxeur continu
sous vide 28 est dirigée sur le second malaxeur 29.
Chaque malaxeur 28, 29 est constitué d'un cylindre hori70ntal 30
muni d'un mouvement intérieur de faible puissance, raclant les parois
15 et empêchant ainsi les concrétions de sucre. I l comporte également
des tubulures d'entrée 31a et de sortie 31b de la masse cuite, de
faible section et situées dans sa partie inférieure. Le niveau de
masse cuite est maintenu sensiblement dans le plan diamétral, de
facon à présenter le maximum de surface à l'évaporation.
20 La partie dite "égouts pauvres" 39, issue de la masse cuite après
essorage 40, préalablement réchauffée 112 et désémulsionnée ~3, est
injectée 211a, 211b, dans les malaxeurs 28, 29 en quatre points par
des arrivées horizontales 32 réparties selon la génératrice inférieure
33. La partie dite "égout riche" 44 est recyclée avec la fraction 21 b.
Chaque malaxeur 28, 29, constitue un étage mis sous un vide déter-
miné, lequel correspond à la température de masse cuite recherchée.
La progression du vide par étage permet d'abaisser la limite infé-
rieure de tempéra-ture tout en évitant la formation spontanée de
"faux-grains" .
30 L'ensemble est alimenté en continu par une pompe volumétrique 34 à
vitesse variable à partir de la sortie d'une cuite continue ou d'un
malaxeur de coulée d'une cuite discontinue.
Chaque étage est raccordé 35 à une centrale de vide profond 37, le
vide étant réglé au moyen d'une vanne automatique 36.
~S803
Après un temps de séjour de 90 minutes, la masse cuite
refroidie est extraite en continu par une p~mpe volu-
métrique 38 à vitesse variable.
Les vitesses des pompes à masse cuite sont ~ilotées
par des régulateurs de niveau.
Les vides sont régulés par des vannes automatiques
sur consignes affichées.
Le débit d'introduction d'égout sur chaque étage est
réglé proportionnellement au débit de masse cuite et
corrigé sur le dernier étage en fonction du Brix de
sortie.
Exemple 1 :
Les caractéristiques d'un dispositif de malaxage con-
tinu sous vide formé de deux malaxeurs continus sous
vide distincts sont les suivantes :
Dimensionnement des malaxeurs Premier Second
20 Longueur hors tout 7,25 m 8,04 m
Longueur intérieure 5,95 m 6,15 m
Hauteur hors tout 3,0 m 4,65 m
Diamètre intérieur de la virole 2,4 m 2,90 m
Volume total 250 hl 373 hl
Volume utile 160 hl 200 hl
Poids à vide ~,3 t 12,9 t
Puissance du moteur du mouvement 2,2 kW 4 kW
Station de vide : 3
Pompe à vide de 1000 m /h sous 96,0 kPa, avec
une puissance installée de 40 kW.
Conditions de fonctionnement sur un premier jet de
raffiné :
Vide :
.
Premier étage : 85,3 kpa
Deuxième étage : 95,3 l~a
Températures de la masse cuite :
entrée premier étage : 82DC
sortie premier étage : 60C
sortie deuxième étage : 40C
,~
33
1 0
Caractéristiques de la masse cui te entrante:
Brix : 90,72
Debit : 16,23 Tonnes/heure
Cristaux : 48,68 %/masse cuite
53,66 ~/matières sèches
Caractéristiques de la masse cuite sortante:
Brix : 86,76
Débit : 26,24 Tonnes/heure
Cristaux : 49,60 %/masse cuite
57,17 %/matières sèches
Débits d'égouts recyclés : 11,0~ Tonnes/heure
Dimensions des cristaux:
Entrée ouverturè moyenne : 0,50 mm
coefficient de variation : 30
Sortie ouverture moyenne : 0,60 mm
coefficient de variation : 27
Poids de cristaux:
Entrée : 7,90 Tonnes/heure
Sortie : 13,01 Tonnes/ heure
Grossissement : 1,65
Par rapport à un procédé classique comportant des cuites chauffées à
la vapeur, le procédé selon l'invention permet d'économiser environ
60 % de la consommation de vapeur.
Dans l'exemple décrit, on observe un grossissement important des
25 cristaux, dépassant 60 % pour un premier jet de raffiné.
La différence essentielle entre le malaxeur sous vide continu et
30 les autres types de cristalliseur est que le refroidissement ne se fait
pas par échange avec un fluide mais par auto-évaporation. La conti-
nuit~ de l'opération favorise 1a régularité du produit fini obtenue par
le maintien de la valeur de tous les paramètres des cha~nes de
régulation .
Le "flash" qui se produit aux arrivées de masse cuite et de l'égout
prealablement réchauffé et désémulsionné crée un régime turbulent
qui facilite les transferts de matière du fluide vers le cristal. l e fait
de réchauffer l'égout - ce qui apporte des calories au système -
entratne une cristallisation supplémentaire par auto-évaporati~n de
cet égout.
Selon les conditions de fonctionnement de l'installation de malaxage
continu sous vide, le coefficient de grossissement des cristaux est
compris entre 1,30 et 1,80. Le procédé de cristallisation selon l'in-
vention peut être qualifié de "procédé de cristallisation à froid":
il supprime tout phénomène de recoloration de la masse cuite, ré-
duisant de ce fait la quantité d'eau nécessaire lors de l'étape de
clairsage, opération qui s'accompagne toujours d'une redissolution
des cristaux de sucre.
15 Ainsi, le procéde et le dispositif de cristallisation d'un sirop de
sucre selon l'inventson permettent de pousser l'extraction à un
niveau jamais atteint, quelle que soit la technique utilisée. En outre,
ils ajoutent au malaxage tous les avantages d'un travail en continu, à
savoir: régularité de marche - donc meilleure qualité du produit
obtenu -, réduction des dimensions du matériel, simplification des
chaînes de contrôle et d'automatisation, amélioration très sensible du
compte d'exploitation de l'atelier.
