Concentration par évaporation
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Concentration par évaporation

La vaporisation des liquides

Un liquide chauffé émet une vapeur qui occupe une partie de la pression de l'atmosphère présente à son contact. A chaque température correspond une pression de vapeur saturante. A la température d'ébullition, la pression de vapeur saturante est égale à la pression régnant au dessus du liquide.
La température d'ébullition est différente d'un liquide à l'autre. Des substances dissoutes modifient la température d'ébullition d'un liquide. Les substances dissoutes peu volatiles (sels, graisses, polymères,.. tendent à augmenter la température d'ébullition du solvant. Plus leur concentration dans le solvant est grande, plus la température d'ébullition sera élevée. L'écart à la température d'ébullition du solvant pur est parfois nommé retard à l'ébullition.
Substance Temp
ébullition
à Patm
[C]
Chaleur
latente
vaporisation
[kWh/kg]
Eau 100
Ethanol
Acétone
Hexane
L'ébullition du liquide provoque une émission continue de vapeur. La vaporisation du liquide requière une certaine quantité d'énergie. C'est la chaleur latente de vaporisation. Elle est exprimée en kcal/kg, kJ/kg, kWh/kg, .... Elle est différente d'un liquide à l'autre; elle est élevée pour l'eau et toutes les substances polaires; elle est plus faible pour les hydrocarbures.
Les solutions qui dégagent une chaleur de dilution significative, requièreront une quantité de chaleur équivalente pour être concentrées par évaporation.


Evaporateur à simple effet

Un fluide chauffant ou toute autre source d'énergie provoque l'ébullition du milieu à concentrer au moyen d'un échangeur de chaleur.

 Evaporateur à simple effet:
Schéma de principe d'un évaporateur à simple effet

Un fluide chauffant provoque l'ébullition du liquide contenu dans le bouilleur. La vapeur émise par le bouilleur est condensée. Le refroidissement du distillat est complété en préchauffant le liquide à concentrer qui alimente le bouilleur.

La vapeur générée (les buées) est évacuée et peut être condensée.
C'est la méthode la plus simple mais aussi la plus consommatrice d'énergie. Elle est généralement réservée aux faibles débits ou aux cas où une source d'énergie peu coûteuse est abondante.

La consommation d'énergie est principalement destinée à chauffer la solution à évaporée. Une simple source de chaleur est suffisante (vapeur, fluide chaud).


Evaporateur à effet multiple

La vapeur issue d'un étage (effet) de concentration est utilisée pour chauffer un autre étage opérant à une pression inférieure au précédent. Des évaporateurs possédant jusqu'à 8 effets sont possibles.

 Evaporateur à double effet et à contre-courant:
Schéma de principe d'un évaporateur à multiple effet

Les bouilleurs sont disposés en cascade. Il sont opérés à différentes pressions. Les fluides chauffants et le liquide à concentrer cheminent à contre courant. Un fluide chauffant provoque l'ébullition du liquide contenu dans le bouilleur opéré à la plus haute pression. La vapeur émise alimente un autre bouilleur opéré à pression plus basse, où elle se condense. La chaleur de condensation libérée provoque l'ébullition du liquide à concentrer. Le refroidissement du distillat est complété en préchauffant le liquide à concentrer qui alimente le bouilleur.

La consommation d'énergie est considérablement réduite puisque par exemple, une tonne de vapeur primaire pourra évaporer environ une tonne d'eau dans un évaporateur simple effet, mais jusqu'à 4 à 5 tonnes dans un évaporateur à 5 effets.

Le nombre d'effets économiquement acceptable dépend du domaine de température de travail disponible. Il est limité:

  • d'une part, par la température du fluide chauffant disponible
  • et d'autre part, par la température minimale d'évaporation possible pour la solution à concentrer
Ce domaine de température doit être réparti entre les différents effets. Plus le nombre d'effet sera important, plus l'approche de température entre fluide chauffant et solution à concentrer sera faible, et plus la surface d'échange des bouilleurs, et donc le coût de l'installtion seront élevés.

La consommation d'énergie est principalement destinée à chauffer la solution à évaporer. Une simple source de chaleur est suffisante (vapeur, fluide chaud).

Différents arrangements des évaporateurs sont possibles:

 - à contre-courant
solution à concentrer et vapeur de chauffage circulent en sens inverse. L'étage à la pression la plus élevée est aussi celui qui traite la solution la plus concentrée. Si le fluide chauffant est disponible à une température élevée, cette configuration permet le plus grand nombre d'effet.
- à co-courant
solution à concentrer et vapeur de chauffage circulent dans le même sens. Le transfert de la solution d'un étage à l'autre peut se faire sans pompe. L'étage à la pression la plus élevée traite la solution la moins concentrée. Adapté aux cas où la température du fluide chauffant est faible et/ou on craint une dégradation du concentrat sous l'effet de la chaleur. Le nombre d'effets possible sera limité.
 - en parallèle
la solution à concentrer alimente en parallèle chacun des bouilleurs, tandis que la vapeur de chauffage chemine d'un bouilleur à un autre. Une étagement des pressions est maintenu afin de respecter une approche de température suffisante entre fluide chauffant et solution à concentrer.


Recompression des vapeurs

Alors que dans un évaporateur simple, la chaleur nécessaire pour vaporiser le liquide est apportée par un fluide extérieur, la recompression des vapeurs émises par le bouilleur permet de les réutiliser comme fluide chauffant. En augmentant la pression de la vapeur émise par le bouilleur, on augmente aussi sa température de condensation, favorisant ainsi le transfert de la chaleur cédée dans l'échangeur.
La seule source d'énergie extérieure utilisée est alors celle qui permet d'entrainer le compresseur.

 Evaporateur à compression mécanique des vapeurs:
Schéma de principe d'un évaporateur à compression mécanique des vapeurs

La vapeur émise par le bouilleur est comprimée puis condensée dans l'échangeur servant à porter à ébullition le liquide. Le refroidissement du distillat est complété en préchauffant le liquide à concentrer qui alimente le bouilleur.

La compression peut être faite au moyen:
- d'un éjecteur alimenté en vapeur haute pression (on parle de thermocompression)
- d'un compresseur mécanique (on parle alors de recompression mécanique)

La consommation d'énergie du compresseur dépend:

  • du retard à l'ébullition qui accroit la différence de pression nécessaire entre le bouilleur et le coté chaud de l'échangeur
  • de la surface d'échange consacrée au préchauffage de l'alimentation et au bouilleur
  • du rendement du compresseur
Les compresseurs centrifuges dédiés aux installations de forte capacité offrent un rendement supérieur aux compresseurs volumétriques préférés pour les faibles capacités (jusqu'à 10t/h de distillat).

La consommation d'énergie peut s'établir entre 15 et 100kWh par tonne d'eau évaporée. Cette énergie est essentiellement destinée à entrainer le compresseur. Ce sera donc le plus souvent de l'électricité, plus coûteuse qu'une simple source de chaleur. La consommation équivalente en énergie primaire sera 2,58 fois supérieure.

La thermocompression utilise de la vapeur haute pression (>7 bars) pour entrainer et recomprimer la vapeur émise par l'évaporateur. Cette vapeur motrice est rècupérée en mélange avec la vapeur générée. Contrairement à la compression mécanique, la thermocompression appliquée à un étage d'évaporation conduit à un excès de vapeur. Il est donc souvent avantageux de prévoir un second effet qui pourra efficacement utiliser cet excès de vapeur disponible.

Avec pompe à chaleur

Le concentrateur est à simple effet avec une section servant de bouilleur et une autre servant de condenseur.
 Evaporateur à pompe à chaleur:
Schéma de principe d'un évaporateur à pompe à chaleur

Le bouilleur est  équipé d'un échangeur de chaleur alimenté en fluide chauffant par le refoulement du compresseur d'une pompe à chaleur. Le fluide thermique en  cédant sa chaleur  provoque l'ébullition de la solution à concentrer. Le refroidissement et la condensation du fluide thermique  est complété dans un réfrigérant avant de rejoindre le condenseur du concentrateur où il est vaporisé en absorbant la chaleur des vapeurs émises par le bouilleur. La vapeur du fluide thermique est reprise par le compresseur et le cycle est reproduit.
Le chauffage du bouilleur et le refroidissement du condenseur sont assurés par un même fluide thermique en circulation, condensé dans l'échangeur de chaleur du bouilleur, et vaporisé dans l'échangeur du condenseur. Le fonctionnement est analogue à celui d'un groupe frigorifique à compression.
L'évaporateur fonctionne sous pression réduite (généralement sous vide) afin de minimiser la pression de fonctionnement des circuits de la pompe à chaleur.
La consommation se limite à l'énergie pour faire fonctionner la pompe à chaleur (compresseur de fluide thermique et condenseur).
Dans le cas d'évaporation de solutions aqueuses, la consommation énergétique peut atteindre 150kWh/tonne d'eau évaporée, à une pression opératoire de 45mbars absolu.
L'énergie pour faire fonctionner la pompe à chaleur sera le plus souvent de l'électricité, plus coûteuse qu'une simple source de chaleur. La consommation équivalente en énergie primaire sera 2,58 fois supérieure.

Les bouilleurs 

à échangeur  immergé

 Bouilleur à échangeur immergé:
Schéma de principe d'un bouilleur à thermosiphon

Le liquide à évaporer est porté à ébullition par un échangeur immergé au fond de la capacité. La vapeur, exempte de liquide, s'échappe du sommet de la capacité
La solution à concentrer est contenue dans une capacité généralement horizontale au fond de laquelle est immergé un échangeur le plus souvent tubulaire. La vaporisation se produit à l'extérieur des tubes.
Le niveau de liquide peut être maintenu à une faible hauteur au-dessus des tubes, ce qui autorise de faibles approches de température entre fluide chauffant et solution à concentrer.
Le temps de séjour de la solution à concentrer est généralement long, ce qui ne convient pas pour les substances pouvant se dégrader.
La faible agitation qui règne autour des tubes de l'échangeur les rend sensibles à l'encrassement.

à thermosiphon


 Bouilleur à thermosiphon:
Schéma de principe d'un bouilleur à thermosiphon

Le liquide à évaporer  rempli l'éhangeur en communication. L'échauffement produit des bulles de vapeur qui entrainent le liquide vers le haut, et abaisse la masse volumique apparente du liquide. Ces deux phénomènes induisent un mouvement de circulation du liquide entre le ballon et l'échangeur.

à circulation forcée

 Bouilleur à circulation forcée:
Schéma de principe d'un bouilleur à thermosiphon

Le liquide à évaporer  rempli l'échangeur en communication avec le ballon. La circulation de liquide est assurée par une pompe. Le liquide s'échauffe dans l'échangeur. La formation de vapeur se produit à la fois dans l'échangeur et lors du retour vers le ballon, là ou la pression statique est la plus faible.
L'échangeur de chaleur est extérieur à la capacité contenant le liquide à concentrer. La circulation entre l'échangeur et la capacité est assurée par une pompe.
Adaptés aux services encrassants, pour les liquides visqueux, lorsqu'on craint que la circulation naturelle soit contrariée, ou lorsqu'on recherche un transfert thermique maximum.
Peu efficace lorsque l'approche de température entre le fluide chauffant et la solution à concentrer est faible. La forte perte de charge générée par le débit de circulation élevé, combiné à la pression statique due à la hauteur de liquide, limite l'ébulition dans l'échangeur.

à film tombant

 Echangeur à film tombant:
Schéma de principe d'un bouilleur à film tombant

Le liquide à évaporer est distribué au sommet des tubes et s'écoule le long de ceux-ci, à l'intérieur, sans jamais les remplir totalement. La vapeur produite chemine également vers le bas du tube jusqu'à l'extrémité inférieur qui débouche sur une capacité permettant de séparer liquide et vapeur.
L'échangeur de chaleur est de type tubulaire, disposé verticalement. Le liquide à évaporer est distribué au sommet des tubes et s'écoule le long de ceux-ci, à l'intérieur, sans jamais les remplir totalement. La vapeur produite chemine également vers le bas du tube jusqu'à l'extrémité inférieur qui débouche sur une capacité permettant de séparer liquide et vapeur.
Les tubes n'étant jamais pleins, la pression statique appliquée au liquide est constante le long du tube, et n'affecte donc pas sa température d'ébullition. Ce type d'échangeur autorise une approche de température la plus faible entre fluide chauffant et liquide à évaporer.

à film raclé


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