ee ia pro evapoconcentration

ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 1 - 15/06/2006

DABEE Département Industrie et Agriculture

L'EVAPO-CONCENTRATION

Sommaire :

APPROCHE ENERGETIQUE DESCRIPTION TECHNIQUE D'UN EVAPO-CONCENTRATEUR APPLICATIONS INDUSTRIELLES DEFINITIONS


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. En fonction de la nature et de la quantité de salinité de la solution à concentrer, l’enrichissement du concentrat peut conduire à dépasser la limite de saturation et provoquer l’apparition d’une phase solide cristallisée : il s’agit alors d’une étape de cristallisation.

Plus théoriquement, l'évapo-concentration, est une opération unitaire de séparation de deux constituants liquides par passage d’un de ces composants de l’état liquide à l’état de vapeur.

1- APPROCHE ENERGETIQUE

L’évapo-concentration nécessite un apport thermique important, d’une part pour amener la solution à la température d’ébullition, puis 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.

1-1- Conception des unités

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.

Le fonctionnement sous vide s’impose également pour la conception 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.

Il est aussi possible d’installer un système presque équivalent : la Pompe à Chaleur. Ce générateur simultané de chaleur et de froid peut servir à la fois sur l’échangeur primaire et sur le condenseur. Cette solution n’est cependant utilisable que pour des très basses températures (20°c ou moins). Il est surtout intéressant pour les faibles capacités car le volume spécifique des buées devient très important à basse température, ce qui augmente la taille des équipements. Par contre, quand elle est adaptée, la Pompe à Chaleur est une solution particulièrement compacte et énergétiquement optimale.

En cas de disponibilité de vapeur haute pression, les buées peuvent être partiellement comprimées par thermocompression sur des éjecteurs. Cette solution nécessite l’utilisation de vapeur nécessairement haute pression mais en moindre quantité car elle ne permet qu’une réutilisation partielle des buées. Elle a l’avantage d’être simple, peu coûteuse et tellement plus rentable que d’installer une vanne de réduction de pression en amont de l’échangeur.

Dispositif technique

PRINCIPE de l’amélioration énergétique

Avantages (+) / Inconvénients (-)

en FONCTIONNEMENT

Avantages (+) / Inconvénients (-)

en INVESTISSEMENT

Évaporation sous vide

Diminution du besoin énergétique de montée en température et de vaporisation

(+) Pas de haute température (-) Maintien du vide

(-) Système de vide (-) Augmentation taille des équipements

Unité en multiple-effet (voir le schéma 1 ci-dessous)

Division des besoins énergétiques par le nombre d’effet

(+) Souplesse d’adaptabilité à des différences de régimes (-) Conduite de plusieurs étages de concentration (-) Augmentation des consommations annexes

(-) Multiplication des équipements par le nombre d’effets

Compression mécanique de vapeur (voir le schéma 2 ci-dessous)

Réduction du besoin en vapeur primaire à une quantité d’appoint Utilisation d’énergie électrique

(+) Quasi autonomie par rapport à la centrale vapeur (-) Qualité des buées à l’entrée du compresseur (problème de corrosion) (-) Conduite du compresseur

(-) Compresseur (+) Suppression du système de condensation

Thermo-compression (voir le schéma 3 ci-dessous)

Diminution de la quantité de vapeur primaire haute pression grâce à la compression partielle des buées

(+) Facilité conduite thermocompresseur

(-) Thermo-éjecteur (+) Diminution taille du condenseur

Principales caractéristiques des différentes conceptions énergétiques d’unités de concentration


SCHEMA 1 - Exemple de triple-effet

Schéma de principe d’une unité d’évapo-concentration Exemple de « Circulation forcée »

SCHEMA 2 - Exemple de Compression Mécanique de Vapeur

Schéma de principe d’une unité d’évapo-concentration Exemple de « Circulation forcée »


SCHEMA 3 - Exemple de thermocompression

Schéma de principe d’une unité d’évapo-concentration

Exemple de « Circulation forcée »


1-2- Optimisation du fonctionnement

Une autre optimisation énergétique réside dans l’amélioration des conditions de 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.

Toute action préventive sur l’encrassement est donc la bienvenue. Il faut ainsi 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.


2- 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.

SCHEMA 4 - 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.


Voici un tableau listant quelques équipements constituant une unité de concentration :

Type de concentrateur Circulation Transfert thermique

« à circulation forcée » (Voir le schéma 4 ci-dessus)

Pompe de circulation

- Échangeur tubulaire horizontal ou vertical - Échangeur à plaques (déconseillé en cas de cristallisation ou de produits incrustants)

« à film tombant » (Voir le schéma 5 ci-dessous)

« descendage » Échangeur tubulaire vertical

« à grimpage » (Voir le schéma 6 ci-dessous)

par thermosiphon Échangeur tubulaire vertical

Principales configurations d’une « boucle » d’évapoconcentration

SCHEMA 5 - Exemple de film-tombant


http://www.ademe.fr/entreprises/energie/procedes/ftech/evapoS1.htm

http://www.ademe.fr/entreprises/energie/procedes/ftech/evapoS1.htm


SCHEMA 6 - Exemple de film-grimpant


La technologie des échangeurs et la circulation associée sont des éléments-clés dans l’efficacité thermique du système. L’efficacité du transfert thermique est dépendante de la conception des échangeurs, les coefficients d’échange allant de 2 000 à 8 000 W/(m².K) et de la vitesse de circulation à la surface d’échange (phénomène de turbulence).

Il faut rajouter également le système de condensation des buées qui peut être : - un simple condenseur, - l’échangeur thermique de l’effet suivant (conception en multiple-effet ), - l’échangeur thermique « de la boucle » (conception en CMV ).

3- 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).

D’autres installations utilisent du chauffage par double-enveloppe, par thermo-plongeur… Ce sont souvent des unités batch ou de faible capacité.

DEFINITIONS

Salinité Quantité de sels contenus dans la solution.

Saturation Concentration en sel à partir de laquelle on assiste à la précipitation de ces sels.

Cristallisation Précipitation des sels dont la concentration dans la phase liquide a atteint la limite de saturation

Fonctionnement sous vide Mise sous conditions de pression inférieure à la pression atmosphérique permettant d’obtenir l’ébullition des solutions à des températures plus basses. Le vide doit être maintenu en continu par des équipements comme pompe à vide, éjecteurs…

Multiple-effet Unité d’évaporation composée de plusieurs corps d’évaporation où les buées issues du premier effet servent d’apport thermique sur l’effet suivant.

CMV Compression Mécanique de Vapeur : système basé sur la recompression totale des buées produites avant d’être réutilisées sur l’échangeur de chaleur. Cette recompression est assurée par un moteur électrique.

Pompe à chaleur Système travaillant à très basse température utilisant l’ammoniaque ou un fréon comme fluide thermique. Celui-ci se condense dans l’échangeur; puis liquide, il est détendu et vaporisé en assurant la condensation des buées produites dans l’évaporateur. Il est ensuite recomprimé pour être à nouveau utilisé sur l’échangeur.

Volume spécifique Volume des buées par unités de masse. Plus la température est basse, plus le volume spécifique augmente.

Thermocompression La thermocompression, ou éjecto-compression, est basée sur l’utilisation de la chaleur de détente d’une vapeur haute pression pour recomprimer une partie des buées évaporées et générer une vapeur de pression « intermédiaire ».

Encrassement L’encrassement des équipements est un phénomène prépondérant dans la réduction des performances de ces installations. Au niveau énergétique, l’encrassement favorise la diminution des coefficients de transfert de chaleur et engendre une augmentation de la température du fluide chaud et donc des consommations énergétiques. Il peut également impacter la qualité des produits, l’accroissement de la température du fluide chaud peut être particulièrement préjudiciable dans le cas où les produits sont thermosensibles. L’encrassement peut être détecté grâce à l’augmentation des pertes de charge dans les conduites, les échangeurs. La réduction des transferts thermiques dans les échangeurs est également un moyen de détection. Des méthodes optiques peuvent être utilisées pour détecter l’encrassement sur les surfaces. Même si l’encrassement est un réel problème, il peut être contrôlé et son traitement doit être planifié.


Selon la topologie des équipements, deux types de méthodes sont possibles pour y remédier : un traitement mécanique ou un traitement chimique, les deux pouvant être associées. Dans les cas d’un lavage chimique, l’utilisation de solutions acides ou basiques génère des effluents qu’il faudra traiter.

Fonctionnement sous vide Mise sous conditions de pression inférieure à la pression atmosphérique permettant d’obtenir l’ébullition des solutions à des températures plus basses. Le vide doit être maintenu en continu par des équipements comme pompe à vide, éjecteurs…

Purge des incondensables Opération nécessaire pour maintenir un niveau de vide dans l’unité. Les incondensables proviennent d’entrée par les joints, les brides etc.. ou sont introduits dans la solution d’alimentation.

Moussage Phénomène dû à des modifications de la tension superficielle du liquide et qui provoque la formation de vapeur sous forme de bulles discontinues enrobées de liquide.

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