La Boule De Concentration Genie Industriel Iaa Free Fr

LA BOULE DE CONCENTRATION
Richard MATHIEU
BTS IAA
L’évapo-concentration est principalement utilisée pour concentrer une solution aqueuse.
L’apport de chaleur au moyen d’un échangeur de chaleur provoque l’ébullition de cette solution. La
vapeur générée est évacuée puis condensée. L’eau ou le solvant est le constituant qui est vaporisé.
Le concentrat ou le soluté est le constituant qui se concentre dans la solution.
APPROCHE ENERGETIQUE
L’évapo-concentration nécessite un apport thermique important,.
pour amener la solution à la température d’ébullition,
pour assurer le transfert de phase.
La majorité des installations utilise de la vapeur comme fluide énergétique.
On obtient donc des consommations spécifiques théoriques de l’ordre de 800 à 1 000 kWh par
tonne d’eau évaporée. A cela, se rajoutent les consommations énergétiques nécessaires à la
condensation des buées et au fonctionnement des équipements auxiliaires (pompes…).
C’est donc une opération unitaire à fort coût énergétique. Toute optimisation énergétique passe
principalement par une diminution des consommations en source chaude (vapeur primaire) et en
source froide (eau de refroidissement pour la condensation). Cependant, il ne faut pas oublier les
postes énergétiques annexes
Il faut rechercher la conception industrielle qui assure le meilleur compromis entre coût énergétique
et coût d’investissement sans oublier les spécifications techniques sur les produits traités
•
Des actions peuvent être menées sur les niveaux de température de l’opération de
concentration :
le fonctionnement sous vide est souvent envisagée pour réduire les consommations
énergétiques liées à la mise en température. Il permet également d’utiliser de la vapeur basse
pression moins coûteuse que de la vapeur moyenne ou haute pression. Le fonctionnement
sous vide permet de diminuer la dégradation thermique des produits et d’en limiter le dépôt
sur les parois.
d’installation en multiple-effet . Les buées produites sur un effet d’évaporation servent de
vapeur de chauffe pour l’effet suivant qui fonctionne alors à une pression plus faible. La
consommation énergétique « primaire » est proportionnellement réduite en fonction du
nombre d’effets installés. Une tonne de vapeur primaire permettra d’évaporer 1 tonne d’eau
sur un simple effet, mais 3 tonnes d’eau sur un triple-effet. Dans cette configuration, il est
aisé de récupérer des calories sur les condensats par détente dans l’échangeur de l’effet
suivant. On récupère ainsi la totalité des condensats à la température la plus faible. Par
contre il y a démultiplication des équipements et des consommations annexes associées
(pompes…).
Les buées produites peuvent être mécaniquement comprimées permettant leur réutilisation
sur l’échangeur comme « vapeur primaire », c’est de la compression mécanique de vapeur
(CMV). Ce système est énergétiquement très performant puisqu’il ne nécessite que l’apport
de la différence d’enthalpie entre les buées produites et la vapeur nécessaire sur l’échangeur
de chaleur. Cela suppose l’installation d’un compresseur mécanique type soufflante ou
compresseur centrifuge en fonction des quantités et du taux de compression requis. Hormis
pour le démarrage et l’appoint, le vecteur énergétique principal devient de l’électricité.
OPTIMISATION DU FONCTIONNEMENT
Le principal facteur de dégradation du rendement est l’encrassement des surfaces d’échange.
Celui-ci induit une diminution du coefficient d’échange. Pour un même transfert thermique, il faut
alors utiliser une vapeur plus chaude. L’encrassement peut ainsi être très pénalisant. Il devient
nécessaire d’y remédier par des phases de lavage qui dégradent la production, et qui supposent des
étapes de redémarrage souvent coûteuses en énergie (réchauffage de la solution à traiter). Une
conduite sous vide permet de limiter la formation de dépôts due à la dégradation thermique des
produits. Par contre, dans ce cas, il faudra s’assurer d’une bonne tenue au vide de l’unité en
installant des systèmes d’étanchéité ad hoc (joints, soudure…). Une purge efficace des
incondensables est également indispensable car en s’accumulant ils diminuent la surface d’échange
au niveau des échangeurs
Action préventive sur l’encrassement :
s’assurer de vitesses correctes dans les échangeurs pour éviter les dépôts. L’impact
énergétique se retrouvera également au niveau de la consommation électrique des pompes
en évitant l’augmentation des pertes de charge.
En parallèle, une vitesse significative accroît la turbulence à la surface d’échange et
favorise le transfert thermique. Une bonne circulation assure également un transfert
uniforme au niveau de la vaporisation.
Le phénomène du moussage, s’il n’est pas ou mal maîtrisé, peut engendrer des dysfonctionnements
néfastes vis à vis des performances de séparation. Le moussage peut être à l’origine d‘encrassement,
mais également d’entraînements de particules liquides avec les buées ce qui nuit à la séparation et
donc à l’efficacité énergétique. C’est donc un paramètre qu’il faut dès la conception mettre en
évidence. Des solutions existent au niveau des équipements : augmenter la hauteur de la phase
vapeur dans l’évaporateur, installer un dévésiculeur ou séparateur de gouttelettes, prévoir
l’adjonction d’anti-mousse….
Il est clair que la conception énergétique d’une unité d’évapo-concentration doit se faire
globalement de la définition du schéma opératoire aux spécifications de chaque équipement.
DESCRIPTION TECHNIQUE D’UN EVAPO-CONCENTRATEUR
Il existe de multiples conceptions d’évaporateurs. Le choix de la technologie dépend
essentiellement des caractéristiques du produit à traiter : salinité, taux de concentration requis…
L'évaporation nécessite 3 dispositifs techniques couplés qui forme la « boucle d’évaporation » :
le corps d’évaporation où a lieu la séparation liquide/vapeur ;
la zone d’apport thermique souvent réalisé dans un échangeur de chaleur situé, soit dans
l’évaporateur, soit sur une boucle de circulation externe
la circulation du soluté pour assurer le transfert thermique et l’évaporation.
Schéma de principe d’une unité d’évapo-concentration
Exemple de «Circulation forcée»
C’est la conception couplée de ces trois dispositifs (corps d’évaporation – échangeur – circulation)
et leurs paramètres de dimensionnement qui déterminent le type d’évaporateurs.
BILANS
Le principe des bilans thermique ou massique se retrouve dans la formule très simple:
Quantité entrante = Quantité sortante + Pertes ou gain
BILAN THERMIQUE
Les échanges de chaleur entre le fluide caloporteur (vapeur) et le fluide à évaporé font intervenir :
Chaleur latente de vaporisation , chaleur latente de condensation , chaleur sensible
BILAN MASSIQUE
La quantité d'eau du à la condensation de la vapeur: Condensat primaire
La quantité d'eau évaporée = Condensat secondaire
La quantité de liquide restant dans la boule = concentrat
APPLICATIONS INDUSTRIELLES
De très nombreuses fabrications industrielles passent par une ou plusieurs étapes d’évaporation. On
peut citer de façon non exhaustive les principaux secteurs industriels concernés :
- Industrie agro-alimentaire : sucrerie – laiterie ;
- Industrie papetière ;
- Industrie chimique : chlore - soude – engrais…
- Industrie pharmaceutique : extraits…
- Dépollution des eaux résiduaires ;
Les installations de grande capacité évaporatoire fonctionnent en continu (sucrerie, chimie des
engrais…). Des unités à fonctionnement semi-continu ou batch sont plus indiquées pour des
installations de taille réduite ou fonctionnant par campagne de produits (chimie fine).