Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Evapoconcentration, séchage par gaz chaud

EVAPOCONCENTRATION

Les installations de concentration par évapoconcentration sont très utilisées dans les industries, notamment agro-alimentaires ainsi que pour le dessalement d'eau de mer. Le principe consiste à évaporer le produit, le soluté étant le plus souvent non volatil. On réalise ainsi une séparation des deux composants, qui permet d'augmenter la concentration. L'évaporation étant grosse consommatrice de chaleur, il est nécessaire d'optimiser la conception de ces installations si l'on désire obtenir de bonnes performances. Les méthodes d'intégration thermique peuvent trouver un champ d'application intéressant dans ce domaine.

Cycle à simple effet

Dans un cycle évaporatif classique à simple effet (figure ci-dessus), on injecte en 1 le produit à concentrer (soluté + solvant) dans une unité, chauffée par un apport de chaleur quelconque Q (vapeur 4-5). En 3, en bas de l'unité, est extrait le produit concentré, tandis que la vapeur de solvant (buées) sort en 2 et est condensée, son enthalpie étant perdue.

En appelant x la concentration massique en soluté, les équations qui régissent le comportement de cette unité sont les suivantes :

  • conservation du débit total : m1 = m2 + m3

  • conservation du soluté : x1 m1 = x3 m3

  • conservation de l'enthalpie : h1 m1 + Q = h3 m3 + h2 m2

Synoptique d'un évapoconcentrateur dans Thermoptim

La figure ci-dessus montre le synoptique d'un tel évapoconcentrateur modélisé avec Thermoptim. Dans cet exemple, on dispose de 10 kg/s d'un produit (de l'eau salée) contenant 11 % de matière sèche à 1 bar, que l'on désire porter à une concentration de 20 % à 0,7 bar. Il est nécessaire pour cela d'apporter de la chaleur, sous forme de 6,78 kg/s de vapeur d'eau saturée à 12 bars, qui est intégralement condensée.

Cycle à effet multiple

  Dans un cycle à effet multiple (figure ci-dessous), les buées sont condensées au bouilleur d'une seconde unité, opérant en série de la précédente (les différents types d'irréversibilités, par hétérogénéité de température, pertes de charge… obligent à condenser cette vapeur à une pression et donc une température plus faibles). Un concentrateur à effet multiple permet ainsi de valoriser une partie de la vapeur du solvant, et réduit donc la consommation spécifique de l'opération.

Evaporateur triple effet

La figure ci-dessous montre le synoptique obtenu pour un évapoconcentrateur à double effet fonctionnant dans des conditions proches du précédent (la pression du concentré est de 0,6 au lieu de 0,7 bar). Le débit de vapeur vive, qui était égal à 6,7 kg/s pour le système à simple effet, vaut ici 5,65 kg/s), grâce à l'utilisation des buées du premier effet pour assurer une partie de la vaporisation du deuxième.

Dans le premier cas, le rapport (vapeur évaporée)/(vapeur de chauffage) valait 0,66. Dans le second, il vaut 0,8.

Cycle à compression mécanique de vapeur

La figure ci-dessous présente une modification de l'évapoconcentrateur à simple effet présenté dans la fiche-guide sur l'évapoconcentration auquel on a ajouté une compression mécanique de vapeur (les buées) pour assurer la plus grande partie de la fourniture de chaleur. Le débit de vapeur d'appoint est divisé par un facteur supérieur à 3, tandis que la puissance du compresseur n'est que de 200 kW. Le rapport (vapeur évaporée)/(vapeur de chauffage) vaut 2,2.

Retard à l'ébullition

La pression de vapeur saturante d'un mélange (soluté-solvant) diminue selon la loi de Raoult. Il en résulte que, à pression donnée, la température d'ébullition augmente légèrement par rapport à celle du solvant pur. On appelle retard à l'ébullition ou élévation du point d'ébullition cet écart de température DTeb. Physiquement, cela vient de ce que la présence du soluté gêne l'évaporation du solvant, qui ne peut être faite qu'à température plus élevée.

  On peut démontrer que DTeb est donné par la loi suivante :

DTeb = i x Keb / r   

  • i est le coefficient de van't Hoff du soluté, représentatif du nombre de particules élémentaires (ions…) formés dans la solution ;

  • x est la concentration massique en soluté

  • r est la masse volumique du solvant ;

  • Keb est la constante ébullioscopique du solvant pur.

La loi précédente indique que le retard à l'ébullition est proportionnel à x. En pratique, si l'on peut supposer que r et Keb sont constants, hypothèse valable pour un petit intervalle de température, il suffit de connaître quelques valeurs de ce retard à l'ébullition pour l'identifier sous la forme suivante

DTeb = K x

Un exemple de modèle d'un corps externe présentant un retard à l'ébullition est fourni dans la modélothèque. Les modélisations des figures ci-dessus ont été effectuées en tenant compte du retard à l'ébullition.

SECHAGE PAR GAZ CHAUD

Nous avons présenté ci-dessus les installations de concentration par évapoconcentration. Le séchage par gaz chaud consiste à évaporer le produit en augmentant l'humidité absolue d'un gaz qui est mis en contact avec lui. On réalise ainsi aussi une séparation des du solvant et du soluté qui permet d'augmenter la concentration.

Le gaz chaud doit être assez propre pour pouvoir être mis en contact direct avec le produit à concentrer. C'est généralement de l'air ou bien des gaz d'échappement de turbine à gaz.

Un modèle particulièrement simple permet de se faire une idée du fonctionnement d'une telle installation : il se contente d'établir les bilans massiques et énergétiques, en supposant d'une part que la fraction du débit de produit qui est extraite est connue, et d'autre part que seul le gaz chaud fournit l'enthalpie correspondant à l'eau évaporée, les pertes thermiques du composant étant prises en compte comme un pourcentage de cette valeur. Les débits des deux flux entrants sont imposés par les conditions en amont du composant et non pas recalculés. Si le débit de gaz (ici de l'air) est insuffisant pour que son refroidissement jusqu'à la saturation permette d'évaporer l'eau mise en jeu, un message avertit l'utilisateur.

  • 1. Le modèle que l'on peut retenir est le suivant : les seuls paramètres sont la fraction du débit de produit évaporé et le pourcentage de pertes ;

  • 2. on commence par calculer l'humidité absolue du gaz entrant, et on détermine le débit-masse de gaz sec à partir de celui du gaz humide ;

  • 3. l'humidité absolue w en sortie est déterminée, et on itère sur la température de l'air en sortie, ce qui permet de calculer son enthalpie spécifique. Lorsque la variation d'enthalpie spécifique de l'air est égale à celle nécessaire pour évaporer l'eau, la recherche a abouti (on néglige ici la variation de chaleur sensible de l'eau mise en jeu) ;

  • 4. la composition du gaz humide en sortie est modifiée ;

  • 5. les valeurs en aval du nœud sont mises à jour.

Un tel composant peut être facilement implémenté dans Thermoptim sous forme de classe externe, en utilisant les fonctions de calcul des propriétés humides qui sont présentées dans cette page.

Schéma du composant "dryer"

La figure ci-dessus montre le schéma Thermoptim d'un tel dispositif : un débit de 15 kg/s d'air chaud à 120 °C et très sec (e < 0,6 %) est mis en contact avec un flux de produit de 1 kg/s à 10 °C. 40 % de l'eau contenue dans le produit s'évapore, chargeant en humidité l'air qui se refroidit. En sortie du composant, l'état thermodynamique de l'air est donné figure ci-dessous : température de 50,7 °C, humidité relative de 40,7 %.

Cet air peut ensuite être éventuellement refroidi et condensé, puis recyclé si nécessaire.

Ecran du point de sortie

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