Évaporations

Les systèmes d'évaporation

Évaporation simple Effet

On appelle évaporateur simple effet (par opposition à évaporateur multiple-effet), un évaporateur dans lequel la vapeur (de solvant) générée n'est pas réutilisée. Cette vapeur peut être soit rejetée à l'atmosphère, soit condensée (condenseur à eau de refroidissement ou condenseur à mélange), soit subir un autre traitement.

Le moyen de chauffage est en général de la vapeur d'eau (appelée vapeur de chauffe, à ne pas confondre avec la vapeur de solvant), qui se condense dans une double enveloppe, un serpentin ou un échangeur en fournissant ainsi sa chaleur latente de vaporisation.

Bilan matière

  • : vapeur totalement condensée et pertes = 0

  • : Conservation de la matière et pertes = 0

  • : conservation de la matière sèche et pertes = 0

  • «   » représente un débit

Bilan énergétique

  • Coté vapeur :

  • Coté solution :

Calcul des enthalpies

  • est la température de référence pour le calcul des enthalpies

  • (élévation ébullioscopique négligeable)

Equation de bilan thermique

Énergie de condensation utilisée pour:

  • Porter la solution à ébullition

  • Vaporiser le solvant à raison de

  • Si > on a une partie de la vapeur qui est produite par flash évaporation

Économie de l'évaporation

Si = et on aura alors , 1kg de vapeur vaporise 1kg d'eau

Schéma de principe d'un évaporateur simple effet
  • évaporateur : Te

  • alimentation : ma' Ha' Ta' xa

  • concentrât : ms Hs xs

  • vapeur produite : mve' Hve

  • vapeur de chauffe : mvc' Hvc' Tvc' Pvc

  • condensat de vapeur primaire : mc Hc

Évaporateur multiple effet

On appelle évaporateur multiple-effet un ensemble d'évaporateurs dans lesquels la vapeur (de solvant) générée dans un évaporateur (i) est réutilisée comme vapeur de chauffage dans l'évaporateur suivant (i+1). Seul le premier évaporateur est chauffé à l'aide de vapeur vive (primaire). Ce principe de fonctionnement est obtenu en décalant les pressions de chacun des évaporateurs, de façon à obtenir dans l'évaporateur (i) une vapeur se condensant à une température supérieure à la température d'ébullition de l'évaporateur (i+1) (de 1 à 20°C par exemple).

Ainsi, avec 1kg de vapeur vive, on peut générer +/-1kg de vapeur (de solvant) dans le premier effet, lui-même générant +/-1kg de vapeur (de solvant) dans le deuxième effet, et ainsi de suite jusqu'au dernier effet, en général sous vide. Dans une évaporation à n effets, 1 kg de vapeur de chauffe peut ainsi évaporer +/-n kg de vapeur d'évaporation. En pratique, le débit évaporé par évaporateur est plus faible.

L'économie d'une installation d'évaporation multiple effet est le rapport (V1+V2+...+Vn)/G, avec G débit de vapeur de chauffe.

L'intérêt d'un multiple effet est donc d'économiser de la vapeur de chauffe, avec en contrepartie, une augmentation importante des frais d'investissement, lesquels sont à peu près proportionnels au nombre d'effet.

Il est donc nécessaire de faire un choix judicieux du nombre d'effets pour harmoniser l'économie de vapeur avec les dépenses d'investissements.

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.

Schéma de principe d'un évaporateur à multiples effets
Coût énergétique des évaporateurs à multiples effets

Évaporation triple effet à co-courant

Évaporateur 1er effet à gauche (pression et température la plus élevée)

Évaporateur 3ème effet à droite (pression et température la plus faible, éventuellement sous vide)

Solution la plus concentrée sortant de l'évaporateur à la plus basse température minimise le risque de dégradation pour les produits thermosensibles peut générer des problèmes si le concentrat est visqueux à faible température.

Évaporation triple effet à contre-courant

Évaporateur 1er effet à droite (pression et température la plus élevée)

Évaporateur 3ème effet à gauche (pression et température la plus faible, éventuellement sous vide)

Solution la plus concentrée sortant de l'évaporateur à la température la plus élevée

Risque de dégradation pour les produits thermosensibles avantageux dans le cas où le concentrat est visqueux à faible température

Nécessité d'une pompe de reprise des concentrats de chaque évaporateur vers le suivant, à pression plus élevée

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