L'évaporation

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I. Introduction - généralités.

Liquide → vapeur.

On n’élimine pas totalement le liquide : le produit final est encore à l’état liquide.

Applications :

La concentration des solutions augmente la proportion de matière sèche. Exemple des sucreries, laiteries et production de concentré de tomates.

Réduction de la masse (volume) d’un produit.

Remarques :

Différent du séchage et de la distillation.

Paramètres importants :

- le taux de transfert qui peut être atteint lors de l’échange ;

- la quantité de chaleur requise pour éliminer chaque kilogramme d’eau ;

- la température maximum que le produit peut supporter ;

- la pression de travail ;

- les changements dans le produit lors de l'évaporation.

Objectif : optimisation de la température d'évaporation et du temps de séjour du produit dans l’appareil.

Fonctions :

Échange de chaleur : pour éliminer la quantité d’eau en excès.

La séparation des deux phases, de la vapeur du liquide encore présent.

Les évaporateurs :

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Évaporateur simple effet.

Majoritairement constitué d’un échangeur de chaleur sans contact. Permet de transférer la chaleur entre le produit et le fluide caloporteur (vapeur à faible pression). La vapeur ne change pas de température, elle va juste fournir sa chaleur latente, la vapeur primaire devient des condensats. La surface d'échange va permettre de séparer le liquide de la vapeur primaire.

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Évaporation de la vapeur secondaire par un évaporateur (séparateur, effet).

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Utilisation de vapeur secondaire en tant que vapeur primaire. Mais il faut diminuer la pression dans l'échangeur suivant pour utiliser les vapeurs, pour que le produit soit moins chaud.

Facteurs influençant l'évaporation.

- les caractéristiques du produit liquide, qui auront un effet important sur les performances dans le processus d'évaporation ;

- la propreté de la surface d’échange de l'évaporateur, pouvant provoquer une diminution de la qualité des échanges thermiques ;

- les liquides ne doivent pas écumer car cela veut dire perte de produit.

Relation entre la pression et la température P=f(T) :

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II. Calculs de l'évaporateur.

II.1 Évaporateur simple effet.

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Alimentée (rouge) par une vapeur primaire avec une T donnée, elle donne des condensats avec la même température (T1).

Le dispositif présent est appelé un séparateur. Le produit qui au départ est dilué avec une partie en matière sèche. Il ne se déplace pas par le même faisceau que la vapeur primaire. Il va donner de la vapeur secondaire et du produit concentré (perte d’eau sous forme de vapeur), d’où xd<xp.

On doit faire :

- Bilan matière du produit :

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- Bilan matière de l'évaporateur :

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- Conservation de la matière sèche

MS augmente, mais la masse ne change pas

Évolution de MS :[pic 9]

- Bilan thermique :

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Il faut faire attention à la température (d'où le entre parenthèses des températures) de détermination des enthalpies.

Puissance totale apportée par le produit dilué + puissance apportée dans l'évaporateur par la vapeur primaire = puissance vapeur secondaire + produit concentré + condensat.

Dans le cas du produit dilué ou concentré, les enthalpies seront calculées avec la chaleur spécifique du produit.

Par contre, il faut utiliser la table des enthalpies pour déterminer les enthalpies.

- Balance thermique :

À l’équilibre, on a l’égalité des flux dans l’échangeur : le flux fourni par l’échangeur est égal au flux gagné par le produit à concentrer.

On va donc écrire ces deux flux :

• le flux fourni par l’échangeur, par la vapeur primaire = flux de l’échangeur utilisable ;

C’est sa chaleur latente qu’elle cède en changeant d’état, chaleur massique (J/kg de produit), il faut multiplier par le débit massique de la vapeur primaire pour obtenir la totalité de flux fourni par la vapeur primaire.

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Il y a un gradient de température entre la vapeur primaire et la température de l'échangeur.

• Le flux utilisé par le produit : le produit arrive avec une température Td dans une espace plus chaud.

Le produit va utiliser de l’énergie pour arriver à cette température T1, qui est la température d’évaporation. Il y aura donc un changement d’état de la vapeur secondaire. Ici, on va chercher sa chaleur latente à T1 (elle cède sa chaleur), on multiplie par le débit massique.

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Balance thermique : on n’est pas obligé de connaître les caractéristiques du produit à concentrer.

- Flux :

Grâce au coefficient de transfert de l’appareil.

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- Steam economy :

Rapport du débit massique des vapeurs produites (secondaires) divisé par le débit massique des vapeurs utilisées (primaires).

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Quand un appareil fonctionne bien, la valeur doit être proche de 1.

On doit pouvoir enlever 1 kg de produit par kg de vapeurs utilisées.

- Préservation de la qualité du produit :

1. Faible temps de séjour du produit dans l’évaporateur. Le temps de séjour dépend de la capacité évaporatoire spécifique (capacité évaporatoire sur la surface d'échange). 1/S * 1/l * dQ/dt | Flux = h*(Ts-T1) : donc soit on augmente T1, soit on augmente h. On préfère une amélioration h : c’est un investissement de départ, alors que l’utilisation d’une pompe à vide pour augmenter T1 se produit tout le temps.

Donc le temps de séjour est le plus court si la capacité évaporatoire est la plus élevée.

1. La température moyenne du produit doit être modérée.

II.2 Évaporateur multiple effet.

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T1>T2>T3 grâce à la mise sous-vide.

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