Etape de stérilisation du lait

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1 Etape de stérilisation du lait L'objectif de cette opération est de stériliser le lait écrémé de façon continue en le portant de 4 C à 130 C pendant 10 s. 0/ Déterminer le débit de lait écrémé à stériliser. 1/ Dans un premier temps, on utilise un échangeur tubulaire à tubes cylindriques concentriques pour réaliser cette opération. Le lait s écoule dans la conduite interne de diamètre 2,5 cm. Le fluide chaud utilisé dans l espace annulaire entre les conduites interne et externe est de la vapeur saturante pouvant être produite à 140 C (à 3,6 bar) (Figure 1). Vapeur saturante Lait en écoulement Figure 1. Schéma de l'échangeur tubulaire Quels sont les modes élémentaires de transfert permettant un transfert d énergie depuis la vapeur saturante vers le fluide en écoulement? Quels sont les facteurs influençant ces modes de transfert et comment peut-on formaliser la puissance transférée entre la vapeur saturante et le fluide en écoulement? 1a/ En supposant un fonctionnement de l appareil en régime permanent, écrivez un bilan enthalpique sur une tranche de fluide à la distance x de l entrée de l échangeur. 1b/ Calculez la longueur d échangeur nécessaire pour porter le fluide de 4 C à 130 C en utilisant de la vapeur à 140 C en considérant que le coefficient de transfert global entre le lait et la vapeur vaut 2000 W.m - ².K -1. 1c/ Quel est le débit de vapeur nécessaire pour réaliser cette opération? UC3 «Transformation», Génie des Procédés -

2 1d/ Discuter ces résultats avec le cas d'un chauffage avec l'eau chaude sous pression à 140 C, dans deux configurations : co-courant et contre-courant. Vous utiliserez la relation des échangeurs (cf annexe). 2/ Afin de minimiser la consommation de vapeur, il semble intéressant de préchauffer le lait avant de terminer son chauffage par utilisation de vapeur. Une idée serait d utiliser le lait chaud stérilisé à 130 C pour préchauffer le lait froid entrant à 4 C. L échangeur utilisé porte alors le nom de récupérateur (hglob= 1000 W.m - ².K -1 ). Le chauffeur (échangeur pour terminer le chauffage du lait et le porter à 130 C) utilise de la vapeur saturante à 140 C comme fluide chaud (hglob= 2000 W.m - ².K -1 ). Le refroidisseur (échangeur pour refroidir le lait à 4 C avant conditionnement) utilise quant à lui de l eau refroidie à 2 C comme fluide froid (hglob= 1000 W.m - ².K -1 ). Au final, l installation complète se compose de 3 échangeurs tubulaires (fonctionnant à contre-courant) et d un appareil appelé chambreur permettant de maintenir le débit de lait pendant une dizaine de secondes à 130 C pour le stériliser (Figure 2). Ts Refroidisseur Te=2 C T6=4 C T4 T5 Chambreur T1=4 C Récupérateur T2 Tv=140 C Chauffeur T3=130 C Tc Figure 2. Schéma de la ligne de stérilisation On décide de travailler avec un débit d eau refroidie de 2000 L/h. Le débit de vapeur saturante peut être fixé à une valeur comprise entre 20 et 160 kg/h. 2a/ Sur cette installation, identifiez les facteurs de conception et variables de conduite de l installation influençant ses performances énergétiques. 2b/ En argumentant votre choix, déterminez le débit de vapeur permettant de minimiser la surface d échange totale des trois échangeurs de cette installation? On vous propose pour répondre à cette question de remplir le tableau préparé sur la page suivante. UC3 «Transformation», Génie des Procédés -

3 2c/ Discutez le réalisme de la solution retenue et les améliorations à apporter à cette solution Débit vapeur (kg/h) Puissance (kw) Chauffeur Récupérateur Refroidisseur S tot ΔTml ( C) Surface Puissance (kw) ΔTml ( C) Surface Q (kw) ΔTml ( C) Surface Taux récupération 1 1 Le taux de récupération est par définition la puissance mise en œuvre au récupérateur divisée par la puissance totale nécessaire pour chauffer le lait de 4 à 130 C. UC3 «Transformation», Génie des Procédés -

4 Données : Annexe Cplait écrémé= 3,93 kj.kg -1.K -1 Les condensats sortent à leur température de condensation. Propriétés de la vapeur saturante Adapté de Singh, R.P. & Heldman, D.R. (2009). Introduction to Food Engineering Fourth Edition. Academic Press : Burlington, MA, USA Température ( C) Pression de vapeur (kpa) Enthalpie massique (kj/kg) Liquide Vapeur 0,01 0,6113 0, ,4 3 0, , ,9 6 0, , ,4 9 1, , ,9 12 1, , ,4 15 1, , ,9 18 2, , ,4 21 2,487 88, ,9 24 2, , ,4 27 3, , ,8 30 4, , ,3 33 5, , ,7 36 5, , ,1 40 7, , ,3 45 9, , , , , , , , , , , , ,03 272, , ,19 292, , ,58 313, , ,39 334, , ,83 355, , ,14 376, , ,55 397, , ,35 419, , ,82 440, , ,27 461, , ,06 482, , ,53 503, , ,1 524, , ,1 546, , ,0 567, , ,3 589, , ,4 610, , ,8 632, ,5

5 ELEMENTS DE COURS : Dimensionnement échangeurs (valable en co- et contre-courant) Puissance gagnée par le fluide froid = = puissance perdue par le fluide chaud = = puissance échangée entre les deux fluides (comptée positivement) =h Ln avec hglob le coefficient de transfert global entre les deux fluides (W/m 2.K) et A la surface totale d échange dans l appareil

6 ILLUSTRATIONS : Technologie échangeurs Echangeurs tubulaires Multi-tubulaire Mono-tubulaire Echangeurs à plaques Documentation Alfa Laval : Alfa Laval - Technologie des plaques. Consulté le 9 mars <

7 ILLUSTRATIONS : Installation industrielle de stérilisation du lait Lait cru Homogénéisation Traitements thermiques Lait UHT Stockage Conditionnement