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 |
|
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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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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 ou à couche mince
Le liquide à évaporé est distribué à la surface d'un cylindre chauffé par double enveloppe.
Un
rotor équipé de racleurs est disposé dans l'axe de l'appareil. Il
réparti et renouvelle continuellement le liquide à la surface du
cylindre chauffé. Comparé à un évaporateur à film tombant, la surface
d'échange est beaucoup plus faible, mais compensée par un échange
thermique amélioré par l'agitation crée par le racleur.
L'appareil peut être vertical (le plus courant) ou horizontal. Il est souvent exploité sous vide.
En fait ces appareils, relativement sophistiqués, ne sont utilisés que
lorsque les techniques plus classiques ne sont pas applicables:
- produits très visqueux
- encrassant
Ils sont particulièrement utiles pour:
- l'élimination de solvant dans une résine
- l'épuisement d'un résidu
Chaque fois que cela est possible, le premier choix se portera sur un
échangeur plus classique: kettle, à film grimpant ou à film tombant, qui
seront toujours moins coûteux.
Une multitude de
variantes de racleurs permettent de s'adapter au mieux au besoin. Le
dimensionnement se fera surtout au moyen d'essais sur un équipement de
test chez un fournisseur.