Chap. 3. ÉVAPORATION. C OPÉRATIONS FONDAMENTALES III C.Tibirna

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1 Chap. 3. ÉVAPORATION Définitions Bilan de masse Bilan d énergie Moyen de chauffage Objectifs des calculs à résoudre Problèmes rencontrés Facteurs d influence Modes d alimentation Évaporation sous vide Méthodes diminuant la consommation d énergie Classification des évaporateurs Annexes à l évaporateur Applications industrielles

2 La vapeur d eau 3.4. Moyen de chauffage Est le milieu chauffant le plus utilisé dans l industrie Est produite par vaporisation de l eau à différentes P et T (tableau 1 chap.3) À P normale, le point d ébullition = 100 C et sa chaleur latente de vaporisation est de 2256,9 kj/kg Elle contient un peu d eau 95 % de vapeur sèche et 5 % d eau Est produite dans des chaudières à vapeur dont l efficacité E est donnée par: E Q Q Q 1 2 = (3.15) 3 Q Q Q = énergie totale de la vapeur = énergie contenue dans le condensat de la chaudière ( tableau 1) = énergie produite par le combustible utilisé ( tableau 2)

3 3.4. Moyen de chauffage Tableau 2. Valeur approximative de la chaleur de combustion des principaux combustibles Combustible Bois Charbon bitumineux Huile no.6 Huile no.2 Chaleur de combustion kj/kg kj/kg kj/l kj/l Propane kj/m 3 Méthane kj/m 3 Gaz naturel kj/m 3

4 Exercice d application 3.6 Combien de vapeur sèche à 95 % à une pression absolue de 7 bars (165,0 C) est nécessaire au chauffage de kg/h de jus de pomme de 20 à 98 C dans un échangeur de chaleur ayant 85 % d efficacité, si le condensat sort à 69,1 C (le jus à un C p = 4,018 kj/kg. C)

5 Exercice d application 3.6 Tableau 1 chapitre 3 q (jus) = 1741,13 kj/s (réelle) q (jus) = 2048,4 kj/s (nécessaire) q = G Q 1 = 2658,7553 kj/kg l v Q 2 = 289,3 kj/kg l v = 2369,455 kj/kg G = 3112,2 kg/h

6 Exercice d application 3.7 Combien de m 3 de gaz naturel sera nécessaire à la production de kg/h de vapeur à 11 bars (184,1 C) dans une chaudière dont l efficacité est de 80 % (on négligera l énergie contenue dans le condensat de la chaudière)?

7 Exercice d application 3.7 Combien de m 3 de gaz naturel sera nécessaire à la production de kg/h de vapeur à 11 bars (184,1 C) dans une chaudière dont l efficacité est de 80 % (on négligera l énergie contenue dans le condensat de la chaudière)? E Q Q Q 1 2 = (3.15) 3 q (vapeur) = 2779,7 x 10 3 kj/h q 3 x E = kj/m 3 D = 93, 2 m 3 /h gaz naturel

8 3.4. Moyen de chauffage Évaporation de 1 kg d eau avec environ 0,3 kg de vapeur d eau de chauffage

9 3.4. Moyen de chauffage On admet généralement qu au-delà de 5 effets le coût de l évaporation ne diminue plus Le nombre optimum d effets varie de 3 à 5

10 3.5. Objectifs de calcul à résoudre Solution de conc. et de T données, alimentant un évaporateur en continu, sous un débit donné objectifs de calcul Le débit de solvant évaporé (capacité et économie) Le débit de concentrat (à teneur fixée à l avance) La puissance thermique horaire dépensée (énergie) La surface de chauffe La consommation de vapeur (économie) Emploi des relations massiques et thermiques établies aux points 3.2 et 3.3 q = K S Θ q = K S T ml (3.15) q = quantité de chaleur qui traverse une surface pendant l' unité de temps ( kcal / h) 2 o K = coefficient global de transmission de chaleur( kcal / h m C) 2 S = surface de chauffe( m ) T ml = chute de température

11 3.5. Objectifs de calcul à résoudre Échange à co-courant

12 3.5. Objectifs de calcul à résoudre Échange à contre-courant

13 3.6. Problèmes rencontrés ❶ Température d ébullition élevée ❷ Production de mousses ❸ Sensibilité à la température ❹ Viscosité élevée ❺ Entartrage ❻ Précipitation de sels ❼ Corrosion 1. Température d ébullition élevée Pour certaines solutions (NaOH, H 2 SO 4 ) - t ébullition beaucoup plus grande que t ébullition H 2 O Il faut utiliser une pression de vapeur de chauffe très élevée (coût élevée de chauffage) Solution: Utiliser une évaporation sous vide 2. Production de mousses Entraînement du liquide avec la vapeur Bulles de vapeur enfermées dans une pelliculé liquide Solutions: 1) ajouts des agents anti-mousse; 2) dimensionnement correct (évaporateur assez large pour avoir une vitesse ascendante de vapeur < vitesse de chute libre du liquide)

14 3.6. Problèmes rencontrés 3. Sensibilité à la température Décomposition de produits organiques (nourriture, produits pharmaceutiques) Éviter un trop long temps de contact (solution paroi chaud de la chambre de chauffe) Solutions: 1) évaporateur avec agitation ou à 2) circulation forcée (pour réduire le temps de contact), 3) évaporation sous vide 4. Viscosité élevée À cause de la concentration - écoulement du produit difficile Empêche la séparation de la vapeur Influence l homogénéité de la solution (surconcentration sur la paroi chauffante) Solutions: 1) élever la température si le produit est insensible à la température; 2) utiliser des appareils rotatifs et un racloir éliminant le produit visqueux

15 3.6. Problèmes rencontrés 5. Entartrage Dépôts de sels sur les surface d échange diminue l efficacité de l échange CaSO 4, Na 2 SO 4 anhydre, Na 2 CO 3 Solution: nettoyage à l acide 6. Précipitations de sels (cristallisation) Provoqué par un effluent chargé en sels ou une sursaturation de la solution évaporée Dépôts (pas du tarte) agitation insuffisante Solution: circulation forcée de la solution ou extraction des concentrats 7. Corrosion Dépend du choix du matériau de l évaporateur Présence d acides, des gaz très toxiques pourront se former (HCl, HF) La présence de certains sels (chlorures ou fluorures), même à ph neutre, ont une agressivité vis à vis l acier inoxydable Matériau de construction envisagé: fonte, titane, céramiques

16 3.7. Facteurs d influence La nature et la concentration de la solution à évaporer La viscosité et les dépôts La chute de température I) La nature et la concentration de la solution à évaporer 1) produits de grande valeur marchande si la proportion de liquide à évaporer est faible, l incidence du coût de la concen. sur le prix de revient est généralement minime Le choix de l appareil est guidé essentiellement par le souci de ne pas porter atteinte à la qualité des produits simples cuves à P atm ou sous vide Relation temps-température Pour les produits altérables à chaud, la tendance moderne est souvent de réduire la durée plutôt que la température Tendance très nette dans le cas de multiples effets

17 3.7. Facteurs d influence I) La nature et la concentration de la solution à évaporer 2) produits à faible valeur marchande si la proportion de liquide à évaporer est grande, l incidence du coût de la concen. sur le prix de revient est grand Le choix de l appareil est guidé vers l économie appareils à multiple effets Le nombre d effets déterminé par : T maximum et minimum admissibles et par la chute de température à prévoir entre effets II) La viscosité et les dépôts Utilisation des systèmes spéciaux pour évaporer des liquides visqueux ou qui donnent lieu à des incrustations importantes Simplification de l appareil pour rendre le nettoyage aisé Dans les cas très graves - appareils rotatifs + racloir éliminant le dépôt en cours même de concentration

18 3.7. Facteurs d influence III) Chute de température La température d ébullition du L est variable dans la masse et difficile à définir T L a) Varie en fonction de la distance à la paroi; b) dépend de la hauteur moyenne de la colonne de solution et de la densité de la solution élévation hydrostatique On peut connaître la T standard Chute de température envisagée : 2 7 ºC habituellement

19 3.8. Modes d alimentation Dans l industrie, la majorité des évaporateurs sont continus Le mode continu + plus d un effet - succession d unités pour concentrer de plus en plus Alimentation en parallèle (contre-courant) ou plus souvent en série (co-courant) Avantages: a) opérer à basse température pour le liquide le plus concentré (visqueux) pour lequel une détérioration par suite de surchauffe locale est le plus à craindre; b) permet de limiter le nombre de pompes, la circulation se réalisant par aspiration

20 3.8. Modes d alimentation Alimentation en parallèle (contre-courant) utilisé lorsque le produit concentré est trop visqueux à la température de l appareil à pression minimum pour permettre l obtention d un coefficient global de transmission de chaleur acceptable on l utilise surtout pour la concentration de produits non altérables à chaud, telles par exemples des lessives caustiques Ce mode de circulation complique fortement l installation Le liquide concentré quitte l appareillage à la température maximum, ce qui peutêtre un avantage ou un inconvénient suivant les cas

21 3.8. Modes d alimentation Nombre d effets ❶ La température maximum que peut supporter le liquide nature du liquide ; relation étroite temps- température on augmente T en diminuant le tempsappareils à grimpage ou à film tombant permettent d obtenir Tmax ❷ La température d ébullition dans le dernier effet fonction de P, hauteur de la couche de liquide et élévation hydrostatique quantité grande de vapeur - nécessité de disposer de conduites de très grand diamètre, pour éviter les pertes de charge ❸ La chute totale de température dépend de plusieurs facteurs: 1) allure d évaporation choisie, 2) surface de chauffage, 3) coefficient de transmission de chaleur, 4) élévation ébullioscopique, 5) perte de charge dans les conduites; 6) hauteur de la colonne de liquide rarement en dessous 5 C par effet

22 3.8. Modes d alimentation Pour les liquides altérables par chauffage 3 ou 4 effets, exceptionnellement 5 La consommation de vapeur chauffante diminue avec le nombre d effets N de façon proportionnelle G N effets = G 1effet N (3.18) G G N effets 1effet = débit massique de vapeur chauffante pour N effets ( kg / s) = débit massique de vapeur chauffante calculé N = nombre d' effets pour 1effet ( kg / s)

23 Exercice d application 3.8 Du jus de pomme à 4 C et 5 % de solides est concentré jusqu à 25 % dans un évaporateur à simple effet à un débit de kg/h. La température d ébullition du jus est de 65 C. La vapeur chauffante est fournie à 110 C et à la sortie, la vapeur condensée est à 65 C. La vapeur d eau évaporée sort à 65 C. Calculer la consommation de vapeur chauffante, l efficacité de l évaporation et la surface d échange si le coefficient global de transfert de chaleur K = W/m 2. C. Si on considère l utilisation d un évaporateur triple effet, calculez la consommation de vapeur chauffante et comparez-la avec celle obtenue pour l évaporateur simple effet.

24 3.9. Évaporation sous vide Est appliquée aux produits qui ne peuvent pas supporter la T ébullition sous Patm à cause de leur thermo sensibilité Montage: cuve d évaporation + par un dispositif condenseur et producteur de vide Cuve d évaporation: forme ovoïde, le chauffage s effectue par double fond; surface de chauffe très limitée pour un encombrement donné; son seul avantage est l incontestable facilité du nettoyage

25 3.9. Évaporation sous vide Caissons d évaporation chauffés par faisceau tubulaire Le faisceau est formé de tubes verticaux chauffés extérieurement par la vapeur Permet un nettoyage plus aisé de la surface d échange Dans le cas d évaporation de liquides très propres, ne pouvant donner lieu à aucune incrustation, on admet le fluide chauffant à l intérieur des tubes et les liquides à évaporer à l extérieur Nécessité d interrompre le faisceau, soit à la périphérie, soit vers le centre de façon à permettre une circulation rationnelle du liquide

26 3.9. Évaporation sous vide Pour les appareils modernes - le faisceau tubulaire est séparé de la cuve contenant le liquide Avantages: 1) rendre les tubes très aisément accessibles pour le nettoyage ou l entretien; 2) obtenir une circulation rapide et rationnelle des produits La proportion du liquide vaporisé augmente au fur et à mesure que le produit monte dans les tubes et cela non seulement par suite de l apport calorifique mais également à cause de la diminution de pression provoquant l ébullition du liquide surchauffé les tubes ont un diamètre le plus souvent compris entre 0,03 et 0,05 m (la hauteur 80 fois plus grande K élevé)

27 3.9. Évaporation sous vide Les appareils ovoïdes ou à faisceau intérieur opèrent généralement en discontinu le liquide est admis dans l appareil jusqu à un niveau déterminé au fur et à mesure de l évaporation, on introduit du liquide frais de façon à maintenir ce niveau lorsque la concentration désirée est obtenue on interrompt le chauffage, on coupe le vide et on vidange.

28 Exercice défi Dans une usine, on propose de récupérer l acétone utilisée comme solvant dans un procédé d extraction, par évaporation dans un courant d azote. Ce dernier entre dans l évaporateur à une température de 30 C contenant déjà, provenant d un cycle précédent, une quantité de vapeur d acétone telle que son point de rosée est 10 C; il sort à 25 C avec un point de rosée de 20 C. La pression totale est constante à 750 mm Hg. Les pressions de vapeur de l acétone à 10 et 20 C sont respectivement 116 et 185 mm Hg. Calculer la composition du courant de mélange gazeux à son entrée et à sa sortie de l évaporateur : a) en % en volume d acétone; b) en moles acétone/moles azote.

29 Exercice défi Dans une usine, on propose de récupérer l acétone utilisée comme solvant dans un procédé d extraction, par évaporation dans un courant d azote. Ce dernier entre dans l évaporateur à une température de 30 C contenant déjà, provenant d un cycle précédent, une quantité de vapeur d acétone telle que son point de rosée est 10 C; il sort à 25 C avec un point de rosée de 20 C. La pression totale est constante à 750 mm Hg. Les pressions de vapeur de l acétone à 10 et 20 C sont respectivement 116 et 185 mm Hg. Calculer la composition du courant de mélange gazeux à son entrée et à sa sortie de l évaporateur : a) en % en volume d acétone; b) en moles acétone/moles azote. a) Entrée = 15,5 %; Sortie = 24,7%; b) entrée = 0,183; sortie = 0,328