Fondamentaux de l’évaporation sous vide

Définition

L’évaporation sous vide est une opération qui consiste à concentrer une dissolution en éliminant du solvant par ébullition. Dans ce cas, elle s’effectue à une pression inférieure à l’atmosphère. Ainsi, la température d’ébullition est substantiellement inférieure à celle correspondant à la pression atmosphérique, ce qui conduit à une importante économie énergétique.

L’évaporation sous vide suppose une avancée importante dans le traitement des effluents liquides, ce qui permet de traiter des effluents de manière efficace, propre, sûre et compacte, ce qui n’est pas viable avec des techniques physiques chimiques.

Certains avantages et possibilités présentés par l’évaporation sous vide:

• Réduction drastique du volume de déchet liquide (ce qui permet une économie dans la gestion des déchets).
• Concentration de déchets corrosifs ou incrustants
• Réutilisation de l’eau récupérée
• Mise en place d’un système d’écoulement zéro

Facteurs dont dépend la vitesse d’évaporation

• Différence de température entre l’agent chauffant et le liquide à évaporer

  La température d’ébullition du liquide à évaporer augmente à mesure qu’il se concentre. Cependant, en fonctionnant en conditions de vide, la différence entre l’agent chauffant et le liquide à évaporer augmente, car la température d’ébullition du mélange est très inférieur à celle correspondant à l’atmosphère. Plus la différence de température est importante, plus la vitesse d’évaporation augmente.

• Zone d’échange

  La zone d’échange effective dépend de la géométrie de l’appareil et des phénomènes inhérents à la concentration de la dissolution, comme c’est le cas de la déposition de solides ou d’incrustation sur la surface d’échange. Plus la zone est étendue plus la capacité d’échange de chaleur est importante et plus la vitesse d’évaporation est élevée.

• Coefficient global de transfert de chaleur (U)

  Ce coefficient dépend des propriétés physiques des fluides qui interviennent (agent chauffant et liquide à évaporer), du matériau de la paroi où se produit l’échange de chaleur, du design et de la géométrie de l’appareil, ainsi que des paramètres de flux (vitesses de circulation des fluides, etc.). Plus le coefficient est élevé, plus l’appareil a de facilité à échanger de la chaleur.

• Propriétés du liquide à évaporer

  La viscosité, la possibilité de formation de mousses, sa capacité à corroder, etc. ont une influence en pratique sur la vitesse de transfert de chaleur.

Paramètres

Le paramètre principal du design d’un évaporateur est la zone d’échange nécessaire pour l’évaporation. Pour calculer cette zone, il faut poser les équilibres de matière et d’énergie. Dans le cas d’un évaporateur dans lequel est alimenté un courant F et sont extraits deux courants, celui du concentré S et celui du distillat E comme sur l’illustration:

Il est possible de poser ces équilibres de matière et d’énergie:

Équilibre de matière globale

F = E + S
V = C

Équilibre de matière pour le soluté

F x F = S x S

Équilibres d’énergie:

V HV + F hF = C hC + E HE + S hS
Q = V HV – C hC = V (HV – hC) = U A ΔT

• Q: débit de chaleur transmis au travers de la surface de chauffage de l’évaporateur.
• U: le coefficient global de transfert de chaleur.
• A: la zone nécessaire pour l’évaporation
• ΔT: la différence de température entre l’agent chauffant et le liquide à évaporer

L’un des éléments qui établit des différences importantes de fonctionnement entre les types d’évaporateurs sous vide est la technologie utilisée pour chauffer l’effluent à évaporer, aspect qui détermine les coûts d’exploitation.

On peut donc trouver les évaporateurs suivants:

Types d’évaporateurs

Les évaporateurs sous vide permettent de traiter un courant résiduel aqueux efficacement, simplement et sans utiliser d’agents réactifs. Ils sont très efficaces même lorsque les technologies conventionnelles ne sont pas viables. Le fait de travailler en conditions sous vide permet de réduire la température d’ébullition, la consommation énergétique est donc réduite. Il est aussi possible de concentrer un effluent résiduel autant de fois qu’on le souhaite efficacement et simplement, pouvant parvenir à un déversement zéro si nécessaire.

Pour résumer, il convient de souligner que l’évaporation sous vide permet le traitement d’effluents qui, de par leur composition, par leurs caractéristiques ou par leur complexité de gestion ne peuvent pas être traités par des techniques physiques-chimiques conventionnelles. Leur consommation énergétique contenue permet de réduire de manière drastique le volume des déchets, de récupérer un grand débit d’eau pour sa réutilisation et ême mettre en place un système de déversement zéro avec un coût économique réellement abordable. Ils permettent d’obtenir plus de 95 % d’eau propre et une concentration de déchets qui peuvent être réutilisés ou vendus en tant que matière première.

Les évaporateurs sous vide par pompe à chaleur

Le fonctionnement de ce système se base sur le cycle frigorifique d’un gaz, lequel se trouve dans un circuit fermé. Le gaz frigorifique est comprimé grâce à l’action d’un compresseur qui augmente sa pression et sa température. Il circule au travers de l’échangeur de chaleur de l’évaporateur, en chauffant l’aliment.

Comme le fonctionnement est sous vide, la température d’ébullition est de l’ordre de 40º C. Le liquide réfrigérant abandonne l’échangeur de l’évaporateur et, grâce à un robinet détendeur, il se décomprime et se refroidit. En passant par un deuxième échangeur de chaleur, le condensateur permet que la vapeur qui est formée dans l’évaporateur se condense, en même temps que sa température augmente juste avant de passer par le compresseur et ainsi le cycle recommence.

Le même fluide réfrigérant permet d’évaporer l’aliment, ainsi que de condenser la vapeur générée, le système ne nécessite donc pas d’autres sources de chaleur ou de réfrigération. Cela permet au processus d’être très avantageux d’un point de vue économique et de gestion. Elles bénéficient aussi d’un faible coût de maintenance et sont totalement automatisées, et elles assurent une qualité constante du distillat en offrant une séparation totale des métaux et des surfactants. Ces évaporateurs disposent également d’un système de contrôle de mousse.

C’est une technologie idéale pour traiter des débits non élevés de liquides corrosifs, incrustants ou visqueux. Leur fonctionnement peut supposer une consommation d’énergie de 130-170 kWh par mètre cube de distillat. Ils offrent une importante réduction de la DQO dans le distillat et une faible quantité du concentré de déchargement.

Évaporateurs sous vide par compression mécanique de vapeur

Cette technologie se base sur la récupération de la chaleur de condensation du distillat en tant que source de chaleur pour évaporer l’aliment. Pour y parvenir, la température de la vapeur générée lors de l’évaporation augmente en comprimant celle-ci mécaniquement. Cette vapeur comprimée, et donc surchauffée, lorsqu’elle passe par l’échangeur de l’évaporateur, remplit un double objectif : (1) elle chauffe le liquide à évaporer et (2) elle condense, en économisant l’utilisation d’un fluide réfrigérant.

Un évaporateur sous vide par compression mécanique de la vapeur est conçu pour le traitement efficace d’effluents résiduels industriels des processus productifs et rejets de stations de traitement des eaux (usées) avec un coût énergétique faible. Son efficacité est élevée grâce à l’utilisation d’une soufflante rotative ou compresseur de vapeur, ce qui permet d’augmenter la chaleur latente de celui-ci par l’action mécanique de compression volumétrique avec une faible consommation électrique du moteur qui actionne ce compresseur.

Cette chaleur de la vapeur comprimée sera abaissée grâce à un échangeur de chaleur afin de chauffer l’effluent à évaporer et en conséquence elle permettra la condensation de la vapeur pour produire l’eau distillée. En fonctionnant sous vide, créé par la soufflante rotative ou à l’aide d’une pompe à vide auxiliaire, les températures d’ébullition et de vapeur sont comprises entre 60º C et 90º C.

Ci-dessous, vous trouverez un bref résumé des 3 catégories principales d’évaporateurs sous vide par compression mécanique de vapeur:

• Évaporateurs de circulation naturelle: Il s’agit de dispositifs très compétitifs idéaux pour les cas où l’on souhaite une production de vapeur faible, 10-120 L/h. Ces systèmes fonctionnent à l’énergie électrique et ils sont faciles à utiliser et à entretenir. Ils représentent également un excellent investissement de par leur combinaison de qualité de distillat, technologie élevée et leur solidité.
• Évaporateurs de pellicule descendante, ou falling film: Ce sont des évaporateurs de dernière génération, avec un systèmes de nettoyage intégré dans le dispositif et qui peuvent atteindre une production de 4 000 L/h. Grâce à leur séparateur à rendement élevé, ils ne génèrent pratiquement pas de mousse. De plus, la division intérieure dans les zones chaudes et froides réduit l’usure des dispositifs de contrôle et de régulation.Ils disposent d’un système de lavage intégré et automatique dans l’appareil, ce qui garantit sa disponibilité en continu. Tous les paramètres de processus importants sont affichés sur un écran tactile et leur design, avec de grandes portes des deux côtés, facilite leur utilisation et leur maintenance.Il s’agit d’une technologie très efficace pour l’obtention d’eau de grande qualité à partir d’un effluent avec une concentration de polluants élevée. Les évaporateurs à pellicule descendante utilisent de l’énergie thermique, mais en fonctionnant en conditions sous vide la température d’ébullition se réduit, la consommation énergétique diminue donc également.
• Évaporateurs de circulation forcée: Ce sont les dispositifs par compression mécanique de la vapeur avec le moins de consommation énergétique et ceux qui permettent de traiter les débits les plus importants (jusqu’à 20 000 L/h). Ils sont particulièrement indiqués lorsque le débit à traiter est complexe : substances incrustantes, viscosités, cristallisations, eaux salines (ou saumures), eaux huileuses, eaux de bains de travail, rejets d’osmose inversée ou autres éléments qui empêchent de parvenir à une circulation naturelle.L’évaporation sous vide est une technologie qui permet le traitement d’effluents complexes qui sont généralement envoyés à un prestataire de service externe.La vidéo suivante montre en détail le fonctionnement d’un modèle d’évaporateur sous vide par circulation forcée (Envidest MVR FC), conçu et fabriqué par Condorchem Envitech. Il s’agit d’un système efficace pour le traitement d’une grande variété d’eaux usées. Elle est capable de produire jusqu’à 2000 litres/heure de distillat (eau traitée).

  Le réservoir de la chaudière de l’évaporateur se remplit lorsque la pompe à vide se met en marche depuis le poste de commande principal. Comme le système est sous vide, cela permet de générer des valeurs proches des 600 millibars (mb) (0.6 bar). Une fois que le réservoir de la chaudière est rempli, la pompe de recirculation est activée et les résistances électriques commencent à travailler pour atteindre une température de fonctionnement de 600 ºC (1400F).

  Lorsque la température de fonctionnement est atteinte, les résistances électriques s’arrêtent et à cause du vide du système, on atteint des valeurs proches de 240 MB (2.4bar) dans le réservoir de la chaudière de l’évaporateur. À partir de ce moment, l’eau usée commence à s’évaporer et la pompe root est activée. Celle-ci prend l’eau usée évaporée depuis le réservoir de la chaudière et elle la comprime par élévation de la température et la pression de vapeur. Elle transfère ensuite l’eau usée traitée à l’échangeur de plaques. Dans l’échangeur de chaleur à plaques on trouve l’eau usée entrante d’un côté et de l’autre la vapeur de l’eau usée déjà traitée.

  À cause de la différence de température entre les deux plaques, l’eau usée entrante plus froide est chauffée et la vapeur d’eau usée perd de la chaleur, en revenant à son état liquide. Ce liquide, appelé distillat, sort de l’échangeur de chaleur et il est récupéré dans un réservoir de distillat.L’eau usée entrante, qui a maintenant bénéficié du transfert de chaleur dans l’échangeur de chaleur à plaques, s’écoule vers le réservoir de la chaudière de l’évaporateur initial. À mesure que le niveau dans le réservoir initial de la chaudière baisse, une vanne d’alimentation d’entrée s’ouvre pour permettre automatiquement l’entrée de plus d’eau usée. Le distillat qui a été accumulé dans le réservoir de distillat est déchargé grâce à une pompe centrifuge. Celui-ci passe au travers d’un second échangeur de chaleur à plaques. Sur le côté opposé des plaques se trouve l’eau usée entrante.

  Cet échangeur de chaleur supplémentaire augmente encore plus l’efficacité du système grâce à la montée de la température des eaux usées à traiter. Il aide aussi à refroidir le distillat du déchargement. À mesure que le système continue de traiter les eaux usées, le niveau de concentré dans le réservoir de la chaudière de l’évaporateur augmente . Ce réservoir est configuré de manière à pouvoir effectuer des décharges partielles programmées du concentré, lequel sera retourné au réservoir d’approvisionnement des eaux usées.

Évaporateurs sous vide à effet multiple

Cette technologie consiste en un ensemble d’évaporateurs connectés entre eux en série dans lequel le vide augmente progressivement du premier au dernier. Cela provoque en principe une diminution de la température d’ébullition, il est donc possible d’utiliser la vapeur générée dans un évaporateur (ou effet) en tant que fluide chauffant de l’effet suivant qui produit un effet cascade. Finalement, le distillat se condense grâce à une tour de réfrigération, avec une consommation d’eau peu importante.

Ils utilisent comme source d’énergie de l’eau chaude ou de la vapeur en provenance d’un circuit externe, ce qui permet de mettre à profit des flux résiduels à perte de chaleur.

Ce sont généralement des unités composées de 1 (évaporateur effet simple), 2 (évaporateur effet double) ou 3 (évaporateur triple effet) étapes.

Son principal avantage par rapport à un évaporateur unique réside dans l’économie de fluide chauffant ainsi que de fluide réfrigérant. Pour traiter des débits élevés, il s’agit de l’une des options les plus compétitives au niveau économique.

La vidéo suivante présente une station de traitement des eaux usées industrielles qui opère avec un évaporateur sous vide à effets multiples à trois étapes.