Etapes de concentration par évaporation et de séchage par atomisation Le procédé d évaporation est souvent utilisé pour concentrer des produits ou des coproduits liquides issues de l industrie agro-alimentaire (lait, sérum, vinasses, jus etc.). Il a pour but l élimination partielle du solvant (souvent de l eau) présent initialement dans le produit. La solution concentrée (appelée concentré) devient plus stable (diminution de l activité de l eau), plus homogène et plus visqueuse. Le principe du procédé consiste à envoyer de la vapeur d eau saturée sous vide partiel dans un faisceau tubulaire dans lequel circule le produit. La chaleur nécessaire à la concentration du produit est transmise par condensation de la vapeur de chauffe. Cette opération est sensible à l'encrassement lié à l augmentation de la viscosité du produit ; cela limite donc le niveau de concentration réellement accessible. La stabilisation complète du produit nécessite ensuite une étape de séchage, qui permet d atteindre la teneur en eau souhaitée. C est à cause du coût énergétique très élevé du séchage que ce procédé n est utilisé que lorsque l évapo-concentration reste impuissante pour déshydrater complètement le produit. L obtention de poudre est réalisée en séchage par pulvérisation (appelé aussi séchage par atomisation). Ce mode de séchage consiste à pulvériser un produit liquide concentré (lors de l étape précédente d évapo-concentration) en gouttelettes dans un courant d'air chaud. L'air chaud apporte l'énergie nécessaire à l évaporation et entraine la vapeur d eau qui se forme. Le produit sec est recueilli sous forme de poudre fine. Afin d'obtenir une poudre agglomérée, le bas de la tour de séchage est équipé d'un lit fluidisé statique, puis la poudre est dirigée vers un lit fluidisé vibrant. Les lits fluidisés permettent également de terminer le séchage et de refroidir la poudre. Une bonne synergie de l évapo-concentration et du séchage par atomisation aura pour but de trouver un compromis entre la consommation énergétique et la qualité (ou fonctionnalité) du produit fini. Il y a intérêt à utiliser le maximum possible l évapo-concentration qui consomme moins d énergie sans atteindre une viscosité trop élevée préjudiciable à la pulvérisation du produit (grosses gouttelettes) et générant des problèmes de collage dans la tour d'atomisation (Figure 1). Le lait entre à une température de 4 C. La concentration finale recherchée est de 50% en matière sèche (50 g d'eau/100g de concentré). De façon à minimiser l'encrassement et à préserver la qualité des protéines laitières, l installation fonctionne sous vide partiel de telle sorte que l évaporation ait lieu à 65 C (en raison des protéines thermosensibles). Le fluide chauffant (source de chaleur dans l évaporateur) est de la vapeur fournie sous une pression absolue de 0,31 bar, soit 31 kpa. On sèche ensuite le lait concentré par évaporation sur une tour de séchage par atomisation, pour obtenir une poudre. L air extérieur est à 25 C et à 0,9% d humidité (0,9 kg d eau/ 100 kg d air sec) et est introduit dans la tour de séchage à un débit de
10 000 kg/h. En haut de la tour, cet air est chauffé à 180 C. En sortie du lit vibrant, la poudre est refroidie à 25 C. Alimentation air entrée air sortie Alimentation L0 Purge d'air Vapeur de V0 Ve1 Vapeur émise C1 Condensat de vapeur de L1 air entrée lit fluidié interne Sortie poudre Concentré air entrée lit fluidié externe Figure 1 : Schéma de principe d une unité de concentration par évaporation et séchage par atomisation Déterminez : 1) Le débit massique de poudre produite (en kg/h). 2) Le débit massique d eau à évacuer respectivement au niveau de l'évaporation et du séchage. 3) La teneur en eau de l'air après séchage. 4) Le débit de vapeur chauffante nécessaire pour la concentration, puis la RCE (Rapport de Consommation Energétique en kg vapeur / kg eau éliminée). 5) La quantité de vapeur économisée si on décide de préchauffer le lactosérum jusqu à 65 C avant son entrée dans l évaporateur. 6) Comment abaisser la RCE de 1 à 0,2, voire moins.
Données : Annexe Cpeau = 4,18 kj.kg -1.K -1, Cpmatière sèche = 1,4 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 0,00 2501,4 3 0,7577 12,57 2506,9 6 0,9349 25,20 2512,4 9 1,1477 37,80 2517,9 12 1,4022 50,41 2523,4 15 1,7051 62,99 2528,9 18 2,0640 75,58 2534,4 21 2,487 88,14 2539,9 24 2,985 100,70 2545,4 27 3,567 113,25 2550,8 30 4,246 125,79 2556,3 33 5,034 138,33 2561,7 36 5,947 150,86 2567,1 40 7,834 167,57 2574,3 45 9,593 188,45 2583,2 50 12,349 209,33 2592,1 55 15,758 230,23 2600,9 60 19,940 251,13 2609,6 65 25,03 272,06 2618,3 70 31,19 292,98 2626,8 75 38,58 313,93 2635,3 80 47,39 334,91 2643,7 85 57,83 355,90 2651,9 90 70,14 376,92 2660,1 95 84,55 397,96 2668,1 100 101,35 419,04 2676,1 105 120,82 440,15 2683,8 110 143,27 461,30 2691,5 115 169,06 482,48 2699,0 120 198,53 503,71 2706,3 125 232,1 524,99 2713,5 130 270,1 546,31 2720,5 135 313,0 567,69 2727,3 140 361,3 589,13 2733,9 145 415,4 610,63 2740,3 150 457,8 632,20 2746,5
Concentration par évaporation 1 Concentration par évaporation simple effet Distribution de l alimentation film tombant ECHANGE DE CHALEUR SEPARATEUR 1 kg de vapeur 1 kg d eau extraite vapeur chauffante vapeur extraite
Répartition du liquide d un évaporateur à descendage liquide réparti à la périphérie intérieure de chaque tube mouillage minimum pour fluide non visqueux : 0,3 L.h -1.mm - 1 soit 50 L/h par tube de 50 mm de diamètre Issu documentation GEA-WIEGAND Vapeur et produit dans le même sens vapeur de issue de la chaudière Condensats " propres" retour chaufferie L0 C1 1 produit VE1 L1 2 produit Ballon détente VE2 L2 3 produit L3 VE3 Pompe à vide C2 C3 C4 V 1 condenseur Eau entrée Eau appoint Eau sortie Condensats " sales" Air réchauffé partiellement saturé de vapeur d eau Air aspiré par les ventilateurs Eau purge
Séchage par atomisation Lit fluidisé interne d'une tour de séchage
Installation de séchage de lait (GEA Process Engineering)