Chapitres

Définition

L’√©vaporation sous vide est une op√©ration qui consiste √† concentrer une dissolution en √©liminant du solvant par √©bullition. Dans ce cas, elle s’effectue √† une pression inf√©rieure √† l’atmosph√®re. Ainsi, la temp√©rature d’√©bullition est substantiellement inf√©rieure √† celle correspondant √† la pression atmosph√©rique, ce qui conduit √† une importante √©conomie √©nerg√©tique.

L’√©vaporation sous vide suppose une avanc√©e importante dans le traitement des effluents liquides, ce qui permet de traiter des effluents de mani√®re efficace, propre, s√Ľre et compacte, ce qui n’est pas viable avec des techniques physiques chimiques.

Certains avantages et possibilit√©s¬†pr√©sent√©s par l’√©vaporation sous vide:

  • R√©duction drastique du volume de d√©chet liquide (ce qui permet une √©conomie dans la gestion des d√©chets).
  • Concentration de d√©chets corrosifs ou incrustants
  • R√©utilisation de l’eau r√©cup√©r√©e
  • Mise en place d’un syst√®me d’√©coulement z√©ro

Evaporateur √† vide - Principes de base de l'√©vaporation sous vide L’√©vaporation est une op√©ration contr√īl√©e uniquement par la vitesse de transfert de chaleur.

Facteurs dont d√©pend la vitesse d’√©vaporation

  • Diff√©rence de temp√©rature entre l’agent chauffant et le liquide √† √©vaporer

    La temp√©rature d’√©bullition du liquide √† √©vaporer augmente √† mesure qu’il se concentre. Cependant, en fonctionnant en conditions de vide, la diff√©rence entre l’agent chauffant et le liquide √† √©vaporer augmente, car la temp√©rature d’√©bullition du m√©lange est tr√®s inf√©rieur √† celle correspondant √† l’atmosph√®re. Plus la diff√©rence de temp√©rature est importante, plus la vitesse d’√©vaporation augmente.

  • Zone d’√©change

    La zone d’√©change effective d√©pend de la g√©om√©trie de l’appareil et des ph√©nom√®nes inh√©rents √† la concentration de la dissolution, comme c’est le cas de la d√©position de solides ou d’incrustation sur la surface d’√©change. Plus la zone est √©tendue plus la capacit√© d’√©change de chaleur est importante et plus la vitesse d’√©vaporation est √©lev√©e.

  • Coefficient global de transfert de chaleur (U)

    Ce coefficient d√©pend des propri√©t√©s physiques des fluides qui interviennent (agent chauffant et liquide √† √©vaporer), du mat√©riau de la paroi o√Ļ se produit l’√©change de chaleur, du design et de la g√©om√©trie de l’appareil, ainsi que des param√®tres de flux (vitesses de circulation des fluides, etc.). Plus le coefficient est √©lev√©, plus l’appareil a de facilit√© √† √©changer de la chaleur.

  • Propri√©t√©s du liquide √† √©vaporer

    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 param√®tre principal du¬†design d’un √©vaporateur¬†est la¬†zone d’√©change n√©cessaire pour l’√©vaporation. Pour calculer cette zone, il faut poser les √©quilibres de mati√®re et d’√©nergie. Dans le cas d’un √©vaporateur dans lequel est aliment√© un courant F et sont extraits deux courants, celui du concentr√© S et celui du distillat E comme sur l’illustration:

Param√®tres d'√©vaporation sous vide Param√®tres dans l’√©vaporation sous vide

Il est possible de poser ces √©quilibres de mati√®re et d’√©nergie:

√Čquilibre de mati√®re globale

F = E + S
V = C

√Čquilibre de mati√®re pour le solut√©

F x F = S x S

√Čquilibres d’√©nergie:

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

  • Q: d√©bit de chaleur transmis au travers de la surface de chauffage de l’√©vaporateur.
  • U: le coefficient global de transfert de chaleur.
  • A: la zone n√©cessaire pour l’√©vaporation
  • őĒT: la diff√©rence de temp√©rature entre l’agent chauffant et le liquide √† √©vaporer

L’un des √©l√©ments qui √©tablit des diff√©rences importantes de fonctionnement entre les types d’√©vaporateurs sous vide est la technologie utilis√©e pour chauffer l’effluent √† √©vaporer, aspect qui d√©termine les co√Ľts d’exploitation.

On peut donc trouver les évaporateurs suivants:

Types d’√©vaporateurs

Les √©vaporateurs sous vide permettent de traiter un courant r√©siduel aqueux efficacement, simplement et sans utiliser d’agents r√©actifs. Ils sont tr√®s efficaces m√™me lorsque les technologies conventionnelles ne sont pas viables. Le fait de travailler en conditions sous vide permet de r√©duire la temp√©rature d’√©bullition, la consommation √©nerg√©tique est donc r√©duite. Il est aussi possible de concentrer un effluent r√©siduel autant de fois qu’on le souhaite efficacement et simplement, pouvant parvenir √† un d√©versement z√©ro si n√©cessaire.

Pour r√©sumer, il convient de souligner que l’√©vaporation sous vide permet le traitement d’effluents qui, de par leur composition, par leurs caract√©ristiques ou par leur complexit√© de gestion ne peuvent pas √™tre trait√©s par des techniques physiques-chimiques conventionnelles. Leur consommation √©nerg√©tique contenue permet de r√©duire de mani√®re drastique le volume des d√©chets, de r√©cup√©rer un grand d√©bit d’eau pour sa r√©utilisation et √™me mettre en place un syst√®me de d√©versement z√©ro avec un co√Ľt √©conomique r√©ellement abordable. Ils permettent d’obtenir plus de 95 % d’eau propre et une concentration de d√©chets qui peuvent √™tre r√©utilis√©s ou vendus en tant que mati√®re premi√®re.

Les évaporateurs sous vide par pompe à chaleur

Le fonctionnement de ce syst√®me se base sur le cycle frigorifique d’un gaz, lequel se trouve dans un circuit ferm√©. Le gaz frigorifique est comprim√© gr√Ęce √† l’action d’un compresseur qui augmente sa pression et sa temp√©rature. Il circule au travers de l’√©changeur de chaleur de l’√©vaporateur, en chauffant l’aliment.

Comme le fonctionnement est sous vide, la temp√©rature d’√©bullition est de l’ordre de 40¬ļ C. Le liquide r√©frig√©rant abandonne l’√©changeur de l’√©vaporateur et, gr√Ęce √† un robinet d√©tendeur, il se d√©comprime et se refroidit. En passant par un deuxi√®me √©changeur de chaleur, le condensateur permet que la vapeur qui est form√©e dans l’√©vaporateur se condense, en m√™me temps que sa temp√©rature augmente juste avant de passer par le compresseur et ainsi le cycle recommence.

Le m√™me fluide r√©frig√©rant permet d’√©vaporer l’aliment, ainsi que de condenser la vapeur g√©n√©r√©e, le syst√®me ne n√©cessite donc pas d’autres sources de chaleur ou de r√©frig√©ration. Cela permet au processus d’√™tre tr√®s avantageux d’un point de vue √©conomique et de gestion. Elles b√©n√©ficient aussi d’un faible co√Ľt de maintenance et sont totalement automatis√©es, et elles assurent une qualit√© constante du distillat en offrant une s√©paration totale des m√©taux et des surfactants. Ces √©vaporateurs disposent √©galement d’un syst√®me de contr√īle de mousse.

C’est une technologie id√©ale pour traiter des d√©bits non √©lev√©s de liquides corrosifs, incrustants ou visqueux. Leur fonctionnement peut supposer une consommation d’√©nergie de 130-170 kWh par m√®tre cube de distillat. Ils offrent une importante r√©duction de la DQO dans le distillat et une faible quantit√© du concentr√© de d√©chargement.

√Čvaporateurs sous vide par compression m√©canique de vapeur

Cette technologie se base sur la r√©cup√©ration de la chaleur de condensation du distillat en tant que source de chaleur pour √©vaporer l’aliment. Pour y parvenir, la temp√©rature de la vapeur g√©n√©r√©e lors de l’√©vaporation augmente en comprimant celle-ci m√©caniquement. Cette vapeur comprim√©e, et donc surchauff√©e, lorsqu’elle passe par l’√©changeur de l’√©vaporateur, remplit un double objectif : (1) elle chauffe le liquide √† √©vaporer et (2) elle condense, en √©conomisant l’utilisation d’un fluide r√©frig√©rant.

Un √©vaporateur sous vide par compression m√©canique de la vapeur est con√ßu pour le traitement efficace d’effluents r√©siduels industriels des processus productifs et rejets de stations de traitement des eaux (us√©es) avec un co√Ľt √©nerg√©tique faible. Son efficacit√© est √©lev√©e gr√Ęce √† l’utilisation d’une soufflante rotative ou compresseur de vapeur, ce qui permet d’augmenter la chaleur latente de celui-ci par l’action m√©canique de compression volum√©trique avec une faible consommation √©lectrique du moteur qui actionne ce compresseur.

Cette chaleur de la vapeur comprim√©e sera abaiss√©e gr√Ęce √† un √©changeur de chaleur afin de chauffer l’effluent √† √©vaporer et en cons√©quence elle permettra la condensation de la vapeur pour produire l’eau distill√©e. En fonctionnant sous vide, cr√©√© par la soufflante rotative ou √† l’aide d’une pompe √† vide auxiliaire, les temp√©ratures d’√©bullition et de vapeur sont comprises entre 60¬ļ C et 90¬ļ C.

Ci-dessous, vous trouverez un bref r√©sum√© des 3 cat√©gories principales d’√©vaporateurs sous vide par compression m√©canique de vapeur:

  • √Čvaporateurs de circulation naturelle: Il s’agit de dispositifs tr√®s comp√©titifs id√©aux pour les cas o√Ļ l’on souhaite une production de vapeur faible, 10-120 L/h. Ces syst√®mes fonctionnent √† l’√©nergie √©lectrique et ils sont faciles √† utiliser et √† entretenir. Ils repr√©sentent √©galement un excellent investissement de par leur combinaison de qualit√© de distillat, technologie √©lev√©e et leur solidit√©.
  • √Čvaporateurs de pellicule descendante, ou falling film: Ce sont des √©vaporateurs de derni√®re g√©n√©ration, avec un syst√®mes de nettoyage int√©gr√© dans le dispositif et qui peuvent atteindre une production de 4 000 L/h. Gr√Ęce √† leur s√©parateur √† rendement √©lev√©, ils ne g√©n√®rent pratiquement pas de mousse. De plus, la division int√©rieure dans les zones chaudes et froides r√©duit l’usure des dispositifs de contr√īle et de r√©gulation.Ils disposent d’un syst√®me de lavage int√©gr√© et automatique dans l’appareil, ce qui garantit sa disponibilit√© en continu. Tous les param√®tres de processus importants sont affich√©s sur un √©cran tactile et leur design, avec de grandes portes des deux c√īt√©s, facilite leur utilisation et leur maintenance.Il s’agit d’une technologie tr√®s efficace pour l’obtention d’eau de grande qualit√© √† partir d’un effluent avec une concentration de polluants √©lev√©e. Les √©vaporateurs √† pellicule descendante utilisent de l’√©nergie thermique, mais en fonctionnant en conditions sous vide la temp√©rature d’√©bullition se r√©duit, la consommation √©nerg√©tique diminue donc √©galement.
  • √Čvaporateurs de circulation forc√©e: Ce sont les dispositifs par compression m√©canique de la vapeur avec le moins de consommation √©nerg√©tique et ceux qui permettent de traiter les d√©bits les plus importants (jusqu’√† 20 000 L/h). Ils sont particuli√®rement indiqu√©s lorsque le d√©bit √† traiter est complexe : substances incrustantes, viscosit√©s, cristallisations, eaux salines (ou saumures), eaux huileuses, eaux de bains de travail, rejets d’osmose invers√©e ou autres √©l√©ments qui emp√™chent de parvenir √† une circulation naturelle.L’√©vaporation sous vide est une technologie qui permet le traitement d’effluents complexes qui sont g√©n√©ralement envoy√©s √† un prestataire de service externe.La vid√©o suivante montre en d√©tail le fonctionnement d’un mod√®le d’√©vaporateur sous vide par circulation forc√©e (Envidest MVR FC), con√ßu et fabriqu√© par Condorchem Envitech. Il s’agit d’un syst√®me efficace pour le traitement d’une grande vari√©t√© d’eaux us√©es. Elle est capable de¬†produire jusqu’√† 2000 litres/heure de distillat¬†(eau trait√©e).

    Le r√©servoir de la chaudi√®re de l’√©vaporateur se remplit lorsque la pompe √† vide se met en marche depuis le poste de commande principal. Comme le syst√®me est sous vide, cela permet de g√©n√©rer des valeurs proches des 600 millibars (mb) (0.6 bar). Une fois que le r√©servoir de la chaudi√®re est rempli, la pompe de recirculation est activ√©e et les r√©sistances √©lectriques commencent √† travailler pour atteindre une temp√©rature de fonctionnement de 600 ¬ļC (1400F).

    Lorsque la temp√©rature de fonctionnement est atteinte, les r√©sistances √©lectriques s’arr√™tent et √† cause du vide du syst√®me, on atteint des valeurs proches de 240 MB (2.4bar) dans le r√©servoir de la chaudi√®re de l’√©vaporateur. √Ä partir de ce moment, l’eau us√©e commence √† s’√©vaporer et la pompe root est activ√©e. Celle-ci prend l’eau us√©e √©vapor√©e depuis le r√©servoir de la chaudi√®re et elle la comprime par √©l√©vation de la temp√©rature et la pression de vapeur. Elle transf√®re ensuite l’eau us√©e trait√©e √† l’√©changeur de plaques. Dans l’√©changeur de chaleur √† plaques on trouve l’eau us√©e entrante d’un c√īt√© et de l’autre la vapeur de l’eau us√©e d√©j√† trait√©e.

    √Ä cause de la diff√©rence de temp√©rature entre les deux plaques, l’eau us√©e entrante plus froide est chauff√©e et la vapeur d’eau us√©e perd de la chaleur, en revenant √† son √©tat liquide. Ce liquide, appel√© distillat, sort de l’√©changeur de chaleur et il est r√©cup√©r√© dans un r√©servoir de distillat.L’eau us√©e entrante, qui a maintenant b√©n√©fici√© du transfert de chaleur dans l’√©changeur de chaleur √† plaques, s’√©coule vers le r√©servoir de la chaudi√®re de l’√©vaporateur initial. √Ä mesure que le niveau dans le r√©servoir initial de la chaudi√®re baisse, une vanne d’alimentation d’entr√©e s’ouvre pour permettre automatiquement l’entr√©e de plus d’eau us√©e. Le distillat qui a √©t√© accumul√© dans le r√©servoir de distillat est d√©charg√© gr√Ęce √† une pompe centrifuge. Celui-ci passe au travers d’un second √©changeur de chaleur √† plaques. Sur le c√īt√© oppos√© des plaques se trouve l’eau us√©e entrante.

    Cet √©changeur de chaleur suppl√©mentaire augmente encore plus l’efficacit√© du syst√®me gr√Ęce √† la mont√©e de la temp√©rature des eaux us√©es √† traiter. Il aide aussi √† refroidir le distillat du d√©chargement. √Ä mesure que le syst√®me continue de traiter les eaux us√©es, le niveau de concentr√© dans le r√©servoir de la chaudi√®re de l’√©vaporateur augmente . Ce r√©servoir est configur√© de mani√®re √† pouvoir effectuer des d√©charges partielles programm√©es du concentr√©, lequel sera retourn√© au r√©servoir d’approvisionnement des eaux us√©es.

√Čvaporateurs sous vide √† effet multiple

Cette technologie consiste en un ensemble d’√©vaporateurs connect√©s entre eux en s√©rie dans lequel le vide augmente progressivement du premier au dernier. Cela provoque en principe une diminution de la temp√©rature d’√©bullition, il est donc possible d’utiliser la vapeur g√©n√©r√©e dans un √©vaporateur (ou effet) en tant que fluide chauffant de l’effet suivant qui produit un effet cascade. Finalement, le distillat se condense gr√Ęce √† une tour de r√©frig√©ration, avec une consommation d’eau peu importante.

Ils utilisent comme source d’√©nergie de l’eau chaude ou de la vapeur en provenance d’un circuit externe, ce qui permet de mettre √† profit des flux r√©siduels √† 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 √† un √©vaporateur unique r√©side dans l’√©conomie de fluide chauffant ainsi que de fluide r√©frig√©rant. Pour traiter des d√©bits √©lev√©s, il s’agit de l’une des options les plus comp√©titives au niveau √©conomique.

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.