Evaporateurs industriels: types, encrassement et énergie est une référence en matière de maintenance et d'énergie pour les équipements qui concentrent une solution en faisant évaporer le solvant, presque toujours de l'eau, de sorte qu'un produit d'alimentation dilué ressort sous forme d'un produit plus épais, d'une pulpe de cristaux ou d'un résidu quasi-sec.
Les évaporateurs sont au cœur des installations laitières, sucrières, chimiques, papetières, de dessalement et de rejet zéro-liquide, et leur fiabilité est gouvernée par deux éléments: la propreté de la surface d'échange thermique et l'ingéniosité avec laquelle la vapeur est réutilisée pour réduire la consommation de vapeur.
Un évaporateur est un échangeur de chaleur associé à un séparateur vapeur-liquide. De la vapeur vive (ou une vapeur réutilisée) condense d'un côté d'un faisceau tubulaire et libère sa chaleur latente, soit environ 2257 kJ par kilogramme d'eau à la pression atmosphérique.
Cette chaleur fait bouillir le solvant de la liqueur de procédé de l'autre côté. La vapeur est séparée des gouttelettes entraînées et soit évacuée, soit condensée, soit envoyée à l'étape suivante.
Comme les solides dissous élèvent le point d'ébullition (élévation du point d'ébullition), la différence de température disponible diminue à mesure que la liqueur se concentre, d'où l'importance du dimensionnement et de la surveillance de la différence de température motrice (delta T).
La géométrie du corps est choisie principalement en fonction de la sensibilité thermique du produit et de son aptitude à s'encrasser ou à cristalliser.
Ces corps se comportent comme des variantes côté procédé du même faisceau tubulaire que l'on trouve dans tout échangeur à coque et tubes, si bien que les modes de défaillance recoupent largement l'encrassement des échangeurs de chaleur.
| Type d'évaporateur | Mécanisme d'écoulement | Application la plus adaptée | Tendance à l'encrassement |
|---|---|---|---|
| Film tombant | Film gravitaire, faible différence de température (ΔT) | Sensibles à la chaleur, viscosité faible à modérée (produits laitiers, jus) | Modérée ; élevée si des zones sèches se forment |
| Film ascendant | Film soulevé par la vapeur | Produits propres, dilués et de faible viscosité | Faible à modérée |
| Circulation forcée | Pompage, ébullition supprimée | Liquides sujets à l'entartrage, à la cristallisation, ou visqueux | Maîtrisée par la vitesse |
| Hybride film ascendant/tombant | Passage combiné | Large gamme de concentrations dans un même corps | Modérée |
Un évaporateur unique rejette la chaleur latente avec sa vapeur. Les conceptions à effets multiples la récupèrent: la vapeur du premier effet devient le fluide chauffant du deuxième effet fonctionnant à une pression plus basse, et ainsi de suite le long de la chaîne.
Chaque effet ajouté améliore l'économie de vapeur, c'est‑à‑dire les kilogrammes d'eau évaporés par kilogramme de vapeur d'alimentation, bien que jamais parfaitement parce que l'élévation du point d'ébullition réduit la différence de température à chaque étage.
La recompression mécanique de vapeur (MVR) suit une autre voie. Un compresseur élève suffisamment la pression et la température de saturation de la vapeur pour la réutiliser comme vapeur de chauffage dans le même effet, de sorte que le procédé fonctionne à l'électricité pour le compresseur plus une faible quantité de vapeur d'appoint. La recompression thermique de vapeur (TVR) fait la même chose à l'aide d'un éjecteur à vapeur.
| Montage | Économie de vapeur typique (kg vapeur / kg vapeur d'alimentation) | Entrée d'énergie principale |
|---|---|---|
| Effet unique | 0,90 à 0,98 | Vapeur d'alimentation |
| Double effet | 1,7 à 1,9 | Vapeur d'alimentation |
| Triple effet | 2,4 à 2,7 | Vapeur d'alimentation |
| MVR | Équivalent 10 à 30 | Électricité (compresseur) |
Quelle que soit la configuration, les dépôts sur la surface d'échange thermique constituent le problème de fiabilité numéro un.
Des sels à solubilité inverse, tels que le carbonate de calcium et le sulfate de calcium, précipitent à mesure que la surface chauffe et que la liqueur se concentre; les protéines et les sucres forment des croûtes; et les opérations de cristallisation font volontairement croître des solides qui peuvent se déposer là où ils ne sont pas souhaités.
Une couche d'encrassement augmente la résistance thermique, réduit le coefficient d'échange thermique, allonge les temps de lot et pousse la consommation de vapeur à la hausse jusqu'à ce que l'unité ne puisse plus atteindre la concentration produit.
Les contre‑mesures pratiques sont la vitesse (circulation forcée), l'exploitation en dessous du seuil d'entartrage, l'adoucissement ou le dosage d'acide de l'alimentation et, surtout, le nettoyage programmé avant que le dépôt ne se durcisse. La même discipline d'une eau d'alimentation propre et bien traitée qui protège un économiseur de chaudière bénéficie également au côté vapeur d'un évaporateur.
La plupart des évaporateurs modernes sont nettoyés en place (CIP) avec un lavage alcalin pour détacher les organiques suivi d'un lavage acide pour dissoudre les dépôts minéraux, puis un rinçage.
Le déclencheur du CIP devrait être fondé sur des données, pas sur le calendrier: suivez le coefficient global d'échange thermique, le rapport vapeur/alimentation, l'approche de température et le temps pour atteindre le degré Brix ou la concentration cible. Une baisse régulière du coefficient à conditions fixes est le signal de nettoyage.
Un GMAO transforme ces relevés en actions. Les équipes utilisant des déclencheurs de condition de type Réservez une démo Fabrico peuvent générer automatiquement un ordre de travail CIP lorsque le coefficient d'échange thermique franchit un seuil, et regrouper les tâches de lavage alcalin, d'acide et d'inspection des joints sur un même calendrier.
L'alimentation en vapeur mérite la même attention que celle qu'apporte un désaérateur pour l'eau d'alimentation de la chaudière à l'élimination des gaz dissous, car une vapeur humide ou sale encrasse le côté condensant.
Chaque effet perd de la différence de température exploitable à cause de l'élévation du point d'ébullition et des pertes de charge, si bien qu'une chaîne à triple effet livre environ 2,4 à 2,7 plutôt que 3,0. Le préchauffage de l'alimentation et le flash du condensat récupèrent une partie de cette perte.
La MVR est avantageuse lorsque l'électricité est moins chère que la vapeur par unité de chaleur fournie et lorsque l'élévation du point d'ébullition est faible, car le compresseur n'a alors qu'à augmenter la vapeur de quelques degrés. Pour des liqueurs à forte élévation du point d'ébullition, la levée de pression nécessaire est plus importante et réduit l'avantage.
La circulation forcée, parce que la pompe maintient une vitesse de liquide suffisamment élevée pour balayer les tubes et supprimer l'ébullition en surface. C'est le choix standard pour les opérations sujettes à l'entartrage et à la cristallisation, au prix d'une consommation d'énergie de pompage.
Nettoyez en fonction de l'état, pas à intervalle fixe. Suivez la tendance du coefficient d'échange thermique et du temps de lot ; programmez le CIP lorsque la performance baisse d'une marge définie afin que les dépôts soient retirés avant de durcir en tartre nécessitant un nettoyage mécanique ou chimique plus agressif.
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