Evaporateurs
Extraction de l’eau La conc entration d’un liquide implique l’extraction d’un solvant, dans la plupart des cas d e l’eau. La concentration se se distingue du séc hage en c e que le prod uit final final - le conc entré - reste reste liquide. Il existe existe plusieurs raisons de conc entrer des liquides alimentaires; par exemple pour : • rédui réduire re le coût coût du séch séchage age • provoquer provoquer une crist cristal alli lisat satio ion n • réduire réduire les les coûts coûts de stocka stockage ge et de tran transpor sportt • réduire réduire l’activi l’activité té de l’eau l’eau pour augmenter augmenter la stabili stabilité té microbiolo microbiologique gique et chimique chimique • récupére récupérerr des soussous-produ produit its s dans des effl effluen uents ts.. La concentration d’un liquide par évaporation sous vide est apparue en 1913. Le procéd é reposait sur un brevet anglais de E.C. Howard, utilisant utilisant un cuiseur sous vide à doub le fond chauffé à la vapeur, avec un condenseur et une p ompe à air. air.
Evaporation Dans l’industrie laitière, laitière, l’évaporation l’évaporation est utilisée pour des opérations de conc entration, par exemp le du lait, du lait écrémé et du sérum. On l’utilise l’utilise également comme étap e préliminaire du séchage. Les produits laitiers destinés à la fabrication de lait en poud re sont habituellement habituellement conc entrés d’une teneur en extrait sec initiale initiale de 9 à 13% à une concentration concentration finale finale de 40 à 50 % d’extrait d’extrait sec total, total, avant avant pompage d u produit dans le système système de séchag e. Dans l’industrie laitière, l’évaporation s’effectue en extrayant l’eau de la solution par ébullition. Ceci exige une amenée de chaleur. Les produits à évaporer sont habituellement sensibles à la chaleur et c ette dernière risque d e les détruire. Pour réduire ce choc thermique, l’évaporation s’effectue sous vide, parfois à des températures ne dépassant pas 40 C. De même, l’évaporateur devra être être conçu d e manière à n’exiger n’exiger que le p lus court temps de séjour possible. La plupart des prod uits peuvent être conc entrés avec de b ons résultats, résultats, pour autant que l’évaporateur soit conç u pour de faibles températures et un temps de séjour réduit. °
Conception de l’évaporateur
Fig. 6.5.1 Principe Principe g énéral de l’évaporation. Une cloison est c hauffée par d e la vapeur brûlante et la vapeur d’eau s’évapore du liquide d e l’autre l’autre côté.
Il faut une grande q uantité d’énergie pour extraire l’eau de la solution solution par éb ullition. ullition. Cette énergie est fournie sous forme de vapeur. Pour Pour réduire la quantité de vapeur nécessaire, l’unité l’unité d’évap oration est habituellement conç ue sous forme d’évaporateur à multiple effet. Deux appareils ou plus fonctionnent à des p ressions ressions se réduisant progressivement et donc à des p oints d’ébullition d’ébullition en diminution progressive. progressive. Dans ce dispositif, la vapeur produite dans l’effet précéd ent peut être utilisée utilisée comme fluide fluide de chauffage d ans l’effet l’effet suivant. Il en résulte que la quantité de vapeur néc essaire essaire est à peu près égale à la quantité d’eau totale totale évaporée divisée par le nombr e d’effets. On utilise actuellement dans l’industrie laitière laitière des évaporateurs atteignant jusqu’à sept effets. effets.
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Il est également possible d’employer l’électricité comme source d’énergie. On utilise utilise alors un c ompresseur ou un ventilateur ventilateur électrique p our recomprimer la vapeur, à la sortie d’un effet, à la p ression ression nécessaire côté c hauffage de l’effet l’effet suivant. Bien que les installations installations d’évaporateurs fonctionnent en général suivant le même principe, elles diffèrent par leurs détails de conc eption. Les tubes c onstituant les les cloisons entre vapeur et p roduit peuvent être horizontaux ou verticaux et la vapeur peut c irculer à l’intérieur l’intérieur ou à l’extérieur l’extérieur des tubes. Dans la p lupart des c as, le produit circule à l’intérieur l’intérieur de tubes verticaux et la vap eur est amenée à l’extérieur. l’extérieur. Les tubes peuvent être remplacés par des p laques, des cassettes ou des lamelles. lamelles.
Evaporateurs sous vide Les évaporateurs sous vide peuvent être utilisés utilisés lorsqu’un faible deg ré de concentration s’impose ou qu’il n’est traité traité que d e petites quantités de p roduit. Pour la production d e yaourt, par exemple, on utilise utilise l’évaporation l’évaporation p our conc entrer du lait, lait, respectivemen respectivementt de 1,1 à 1,25 fois, fois, ou de 13 à 14,5 ou 16,25 16,25 % de teneur en extrait sec. sec. Simultanément, ce traitement dégaze le p roduit et supp rime les goûts atypiques. Le procéd é d’évap oration sous vide vide est illustré sur la figure figure 6.5.2. Le lait, chauffé à 90 C, pénètre tangentiellement dans la cham bre à vide à vitesse élevée élevée et forme une fine couche tournant à la surface de la p aroi - voir figure figure 6.5.3. Pendant qu’il °
8
Produit 2 1 Vapeur Fluide Fluide d e refroidissement Fluide Fluide de chauffag e
5
3
4
6 7
Fig. 6.5.2 Chaîne de traitement d’un évaporateur sous vide.
1 2 3 4
Vapeur
B ac ac d e la nc nc em em en en t Pompe d’ali d’alimen menta tati tion on Section ection de préchau préchauff ffage/C age/Conden ondenseu seur r Section ection d’aju d’ajust stemen ementt de la tempér températu ature re
5 6 7 8
Section ection de refroi refroidiss dissemen ement/ t/ Condenseur C h am br bre à vid e Pompe de recir recircul culat atio ion n Po m p e à vid e
tourne autour de la p aroi, une partie de l’eau est évaporée et la vap eur est soutirée soutirée vers un conde nseur. nseur. L’air L’air et autres autres gaz non c ondensab les sont extraits extraits du cond enseur par une pompe à vide. Le prod uit perd finalement de sa vitesse et retombe vers le fond, incurvé vers l’intérieur, d’où il est extrait. Une partie du produit est recyclée par une pompe centrifuge vers un échang eur de c haleur, haleur, aux fins d’ajustement de la temp érature, Entrée puis vers la la chamb re à vide vide p our un supplément d’évaporation. Une grande partie du du prod uit doit être recyclée pour atteindre le niveau de concentration désiré. Le débit produit dans la chamb re à vide est de 4 à 5 fois supérieur au déb it d’entrée de l’installation. l’installation.
Evaporateurs à flot tombant Sortie du produit concentré Fig. 6.5.3 Circulation Circulation du p roduit dans une chambre à vide.
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L’évaporateur L’évaporateur à flot tomb ant est le typ e le p lus souvent utilisé utilisé d ans l’industrie laitière. laitière. Dans un évaporateur à flot tombant, le lait est introduit au sommet d’une surface chauffante disposée verticalement et forme une mince p ellicule ellicule q ui coule vers le bas de la surface c hauffante. Cette dernière peut être constituée de tubes ou de p laques en acier inoxydable. Les p laques sont emp ilées les les unes à côté d es autres, formant un ensemble avec le prod uit d’un côté des p laques et la vapeur de l’autre. Si Si l’on utilise utilise des tubes, le lait forme un film à l’intérieur du tube, q ui est entouré de vapeur. Le produit est tout d’abord préchauffé à une température égale ou légèrement
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supérieure à la température d’évap oration - voir figure 6.5.4. En En sortie du préchauffeur, le produit s’écoule vers le système de distribution au sommet de l’évaporateur. l’évaporateur. La c réation d’un vide dans l’évaporateur réduit la température d’évap oration au niveau désiré, inférieur à 100 C.
Entrée du lait 2
Vapeur d e chauffage
°
5
Evaporateur tubulaire
4
La clé de la réussite, avec des évaporateurs à flot tombant, passe par l’obtention d’une répartition uniforme du lait sur la surface chauffante. Il existe existe de nombreuses façons d e l’obtenir. l’obtenir. Dans un évaporateur tubulaire, on peut résoudre le problème comme sur la figure 6.5.5, en utilisant une buse d e forme spéciale (1) qui répartit répartit le produit sur une plaque de distribution (2). Le produit est légèrement surchauffé et se dilate donc dès qu’il sort de la buse. Une partie de l’eau est immédiatement vaporisée et la vapeur force force le p roduit contre l’intérieur l’intérieur des tubes.
Vapeur
6
3
7 1
Condensat
Fig. 6.5.4 Evaporateur à flot tombant à simple effet.
Sortie du lait concentré
Evaporateur à plaques La distribution dans un évaporateur à flot tombant à plaq ues peut être assurée par deux tubes traversant l’ensemble l’ensemble de p laques. Il existe, existe, pour chaque p laque, côté prod uit, une buse de p ulvérisation ulvérisation (n 1 de la figure 6.5.6) q ui pulvérise le produit en un mince film uniforme uniforme sur toute la la surface de la p laque. Le prod uit entre, entre, dans ce cas, à la température d’évaporation, pour éviter une évaporation-éclair instantanée pend ant la phase de d istribution. istribution. °
Fig. 6.5.5 Partie Partie supérieure d ’un évaporateur à flot tombant. 1 Buse Buse d’al d’alime imenta ntati tion on en produit produit 2 Plaque laque de dist distri ribut butio ion n 3 Vapeur apeur de chau chaufffage fage 4 Tubes ubes coax coaxia iaux ux 5 Orific es 6 Va p e u r 7 Tubes ubes d’éva d’évapor porat atio ion n
Produit Vapeur Fluide Fluide de chauffag e
1
2
Produit Vapeur Fluide Fluide d e refroidissement Fluide Fluide de chauffag e
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Fig. 6.5.6 Evaporateur à cassette à plaques.
1
Tubes de distr distribut ibutio ion n à buses de pulvérisation 2 Sépara éparate teur ur de vape vapeur ur
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L’eau L’eau du minc e film de prod uit s’évapore s’évapore rapid ement lorsque le produit passe sur la surface chauffante. Un séparateur de vapeur à c yclone (2) est monté en sortie sortie de l’évaporateur. l’évaporateur. Il sépare la vapeur d u liquide c oncentré. Le volume de liquide d iminue et le le volume de vap eur augmente à mesure que la séparation s’effectue. s’effectue. Si le le volume de vapeur d épasse l’espace disponible, la vitesse de la vapeur aug mente, entraînant entraînant une perte de c harge p lus élevée. Ceci exige une différence différence d e température supérieure entre entre la vapeur d e chauffage et le prod uit. Pour Pour l’éviter l’éviter,, il faut augmenter l’espace disponib le pour la vap eur à mesure que le volume de vapeur s’accroit. Pour obtenir des cond itions d’évaporation optimales, le film film de p roduit doit avoir à peu près la même épaisseur sur toute la longueur de la surface chauffante. Le volume de liquide disponible diminuant régulièrement à mesure que le produit s’écoule vers le bas de la surface c hauffante, le le périmètre de cette d ernière ernière doit être réduit pour g arder constante l’épaisseur du film. Ces deux cond itions sont sont remplies par la conc eption des p laques de l’évaporateur à flot tombant à cassette illustré illustré sur la figure 6.5.6. Ce système système exclusif permet une évap oration avec des d ifférences ifférences de température très faibles à b asses températures. Le temps d e séjour dans un évaporateur à flot flot tombant est bref par rapp ort aux autres types. L’impact thermique sur le produit dépend de la combinaison de température et de temps de séjour utilisée dans l’évaporateur. L’utilisation d’un évaporateur à flot tombant opérant à basse température constitue un avantage considérable pour la concentration de produits laitiers sensibles au traitement thermique.
Evaporation à multiple effet On utilise habituellement l’évaporation à multiple effet. En théorie, lorsque deux évaporateurs sont raccordés en série, le second fonctionne sous un niveau de vide supérieur (et donc à une temp érature érature inférieure) inférieure) au p remier. remier. La vap eur extraite du 1
7 2
3 A
B
4
C
D E
5
6
Produit Vapeur Fluide Fluide d e refroidissement Fluide Fluide de chauffag e Fig. 6.5.7 Evaporateur à cassette à double effet avec thermocompresseur. 1 Ther hermocom mocompr pres esse seur ur A Premie remierr passage passage du premi premier er eff effet et 2 Premie remierr effet effet d’évapor d’évaporati ation on B Second econd passa passage ge du premie premierr effe effet t 3 Second econd effe effett d’éva d’évapor porat atio ion n C P remie re mier r passage pas sage du second se cond effet ef fet 4 Séparate éparateur ur de vapeur vapeur du premie premierr eff effet et econd passa passage ge du secon second d effet effet 5 Séparate éparateur ur de vapeur vapeur du second second eff effet et D Second E Trois roisiè ième me passage passage du second second effet effet 6 Conde Condens nseu eurr à plaqu plaques es 7 Pré ch ch au auffe ur ur produit d ans le premier effet peut ensuite être utilisée utilisée comme fluide d e chauffage dans le second , qui fonctionne sous un niveau de vide supérieur (à une température inférieure inférieure). ). On peut évaporer 1 kg d’eau d u produit avec un ap port de vap eur primaire primaire d’environ 0,6 kg, même en tenant comp te des p ertes de chaleur. chaleur. On peut ég alement raccord er plusieurs évaporateurs en en série, pour réduire la consommation vapeur. Ceci rend le matériel plus c oûteux et plus c omplexe à utiliser. utiliser. Ce d ispositif exige exige en outre une température plus élevée dans le premier effet et le
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volume total de produit dans le système augmente avec le nombre d’effets. Ceci constitue un inconvénient lors du traitement de p roduits sensibles à la chaleur. chaleur. On utilise utilise cep endant d es évaporateurs atteignant jusqu’à sept effets, dans l’industrie laitière, laitière, pour économiser l’énergie.
Thermocompression La vapeur extraite du produit peut être comprimée et utilisée comme fluide de chauffage. Cec i améliore améliore le rendement thermique d e l’évaporateur. l’évaporateur. On utilise à cette fin un thermocomp resseur. resseur. La figure 6.5.7 montre un évaporateur à double effet équipé d’un thermocompresseur, pour l’évaporation du lait. Une partie de la vapeur issue du séparateur de vapeur est amenée au thermocomp resseur, resseur, auquel est raccordée d e la vapeur haute p ression (600 à 1 000 kPa). Le comp resseur utilise utilise la pression élevée de la vap eur pour augm enter l’énergie l’énergie cinétique et la vapeur est éjectée à vitesse élevée par la buse. Ceci mélange la vapeur haute pression et celle du produit et comp rime le mélange à une p ression ression supérieure. Un évaporateur à simple effet avec avec thermocomp resseur est est aussi économique qu’un évap orateur à double effet sans thermocompresseur. L’utilisation de la thermocompression conjointement à des évaporateurs à multiple effet optimise le rendement thermiq ue. Le lait est pompé dans un bac de lancement vers le pasteurisateur, où la température est amenée à la température d’éb ullition ullition du premier effet. Le lait poursuit sa route jusqu’au premier effet (2) de l’évaporateur, qui est sous un vide correspond ant à une température d’ébullition de 60 C. L’eau s’évapore et le lait est concentré lorsque le mince film de lait passe entre les plaques. Le concentré est séparé de la vapeur dans le cyclone (4) et pompé dans le second effet (3). (3). Dans cet effet, le vide est plus poussé, c orrespondant à une temp érature érature de 50 C. Après un supp lément d’évaporation dans le second effet, le concentré est séparé séparé de la vapeur dans le cyclone (5) et pompé hors du système, en passant par le préchauffeur (7). L’injection de vapeur haute pression dans le thermocom presseur (1) augmente la pression de la vapeur extraite extraite du p roduit dans le second effet. Le mélange vap eur du p roduit/vapeur sous pression est alors alors utilisé utilisé comme fluide d e chauffage d ans le premier effet (2). °
°
Efficacité de l’évaporation Un évaporateur à flot tombant à d eux effets avec avec thermoc ompresseur exige environ 0,25 kg d e vapeur pour évap orer 1 kg d’eau, et un évaporateur à cinq effets environ environ 0,20 kg de vapeur. vapeur. Sans thermocompresseur, thermocompresseur, il leur faudrait respectivement à p eu près 0,60 et 0,40 kg d e vapeur. De la nécessité d’une réduc tion de la consommation sont nés des évap orateurs à p lus de six effets. effets. La température d’éb ullition ullition maximale côté produit est habituellement habituellement de 70 C dans le premier effet et de 40 C d ans le dernier. Une différence de température de 40 à 70 C permet de disposer de 30 C pour le dimensionnement de l’installation. Plus le nombre d’effets sera élevé et plus la différence de température sera faible dans chaq ue effet. La différence de température est également perdue sous forme de perte de charge et d’augmentation du point d’ébullition. Leur somme, dans une unité à multiple effet, effet, peut correspond re à une différence différence d e température de 5 à 15 C. Ceci exige des surfaces d ’échange thermique p lus importantes et des investissements investissements supérieurs. Des surfaces d’échang e thermique plus importantes imposent imposent d e plus grandes contraintes au matériel matériel pour répartir efficacement le liquide sur les surfaces. Une longueur acc rue des surfaces d’échang e thermique ajoute un autre autre élément négatif : il faut plus longtemps au produit pour franchir la surface d’échange thermique, ce q ui allonge son temps d e séjour dans l’évaporateur. l’évaporateur. Un évaporateur à sept effets avec thermocomp resseur permet d’évaporer 12 kg d’eau avec 1 kg d e vapeur. vapeur. La consommation de vapeur spécifique est donc d e 0,08. Des caractéristiques du p roduit comme la viscosité et la la résistance résistance à la c haleur déterminent jusqu’à quel point peut être poussé le processus de c oncentration. Les conc entrations entrations maximales de lait écrémé et d e lait entier peuvent respectivement atteindre 48 et 52%. °
Un évaporateur à cinq effets avec thermoco mpresseur exige environ environ 0,20 kg de vapeur pour évaporer 1kg d’eau.
°
°
°
°
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Si du conc entré à teneur en extrait extrait sec p lus élevée s’impose, s’impose, l’évaporateur devra avoir un effet de finition (épaississant).
Compression mécanique de la vapeur A la différence différence d u thermocomp resseur, resseur, un système de comp ression ression mécanique d e la vapeur soutire toute toute la vapeur d e l’évaporateur et la comprime avant de la ramener à ce dernier. dernier. L’augmentation L’augmentation d e p ression ression est assurée p ar l’énergie mécaniq ue entraînant le le comp resseur. resseur. Aucune énerg ie thermique n’est fournie à l’évaporateur (excep té la vapeur d e pasteurisation dans le premier effet). effet). Il n’y a pas d e vapeur excéd entaire entaire à c omprimer. omprimer. Dans la comp ression ression mécaniq ue de la vap eur, eur, tout le volume volume d e vapeur circule dans l’installation. l’installation. Ceci permet un niveau de récupération de chaleur élevé. La figure 6.5.8 illustre illustre une installation installation à triple effet à comp ression ression méc anique d e la vapeur. vapeur. La vapeur c omprimée est ramenée d u comp resseur (3) (3) au premier effet (4), pour c hauffer le produit. La vap eur extraite du p remier effet effet est alors utilisée utilisée pour chauffer le second effet, la vapeur amenant le produit à ébullition dans le second effet pour c hauffer le troisième troisième etc. Le comp resseur augmente la pression de la vapeur d e 20 à 32 kPa, faisant faisant passer la température de condensation de 60 à 71 C. Une température de condensation de 71 C ne suffit pas à p asteuriser asteuriser le produit dans le p remier effet. effet. On monte donc un thermocomp resseur (1) avant avant le premier effet, pour élever la température de cond ensation au niveau désiré. Après sép aration de la vap eur dans le troisième troisième effet, la vapeur poursuit sa route jusq u’à un p etit co nd ense ur, où est extra it le surp lus de la vap eur injec tée. Le cond enseur contrôle également la répartition de chaleur d ans l’évaporateur. l’évaporateur. La comp ression mécaniq ue de la vapeur permet d’évaporer 100 à 125 kg d’eau avec 1 kW. kW. L’utilisat L’utilisation ion d’un évaporateur à triple effet avec comp ression ression méc anique de la vapeur peut réduire de moitié les coûts d’exploitation, par rapport à une installation installation à sep t effets avec thermocomp resseur. resseur. Des ventilateurs à haute vitesse constituent une autre forme de compression mécanique. On les utilise de manière identique aux compresseurs de vapeur thermiques, ou lorsque l’augmentation de température requise ne dépasse pas quelques degrés. °
°
Injection de condensat
4 3
6
5
1
7
2
1
8
9
Produit concentré
Alimentation en produit Fig. 6.5.8 Evaporateur à triple triple effet avec comp ression ression mécaniq ue de la vap eur Produit Vapeur Condensat Fluide Fluide de chauffag e
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Ther hermoco mocompr mpres esse seur ur Po m p e à vid e Compre Compress sseu eurr de vapeur vapeur mécani mécanique que Pre mi mie r e ffffe t D eu eu xi xiè me me ef effe t
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Trois roisiè ième me effe effet t Sépara éparate teur ur de vape vapeur ur Réchau échauff ffeu eurr de produi produit t Conde Condens nseu eurr à plaqu plaques es
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