L’évaporation, telle que nous l’entendons, correspond au passage de l’état liquide à l’état vapeur. Nous englobons dans ce même concept la vaporisation calme en surface d’un liquide et celle avec formation de bulles dans la masse que l’on appelle ébullition.
De même, nous ne ferons pas de distinction entre les bouilleurs et les rebouilleurs.
Plus généralement, l’évaporateur est l’appareil, ou l’ensemble d’appareils, destiné à réaliser l’évaporation, c’est‐à‐dire le passage de tout ou partie d’un liquide à l’état de vapeur.
L’évaporation peut se limiter à un simple changement de phase d’un liquide pur dont la composition ne change pas. Ce phénomène permet le transfert de chaleur d’un fluide à un autre et l’absorption d’énergie dans des conditions de température et de pression constantes pour le fluide vaporisé. C’est le cas des chaudières ou des vaporiseurs de gaz liquéfiés qui interviennent dans certains procédés et, en particulier, dans les pompes à chaleur à compression.
L’évaporation peut avoir pour objet la vaporisation du solvant d’une solution qui, de ce fait, s’enrichit en soluté à mesure que le solvant s’élimine. Il y a donc concentration du produit dissous dans la phase liquide. En fin d’opération, on récupère ce que l’on appelle le concentrat.
L’enrichissement de la phase liquide peut dépasser la limite de saturation et l’apparition d’une phase solide cristallisée est la conséquence de l’évaporation.
À la limite, si l’on pousse l’évaporation jusqu’à la vaporisation complète du solvant, on réalise le séchage.
Dans le présent article, nous traiterons essentiellement de l’évaporation comme moyen de concentration. Le solvant vaporisé est le plus souvent de l’eau, ce qui explique que, par la suite, on parlera généralement d’eau évaporée.
Le moyen de chauffage le plus utilisé est la vapeur d’eau, que l’on récupère, en fin d’opération, sous forme de condensat.
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Remarque importante : le bilan matière doit toujours être établi en masse ; les calculs sur les volumes sont entachés d’erreurs dues aux variations de densité intervenant au cours de la concentration. Ces erreurs sont très souvent importantes.
Pour établir le bilan énergétique, on écrit l’égalité de l’énergie thermique totale des éléments entrants et de celle des éléments sortants (principe de la conservation de l’énergie totale).
On a donc à considérer :
à l’entrée :
l’enthalpie massique totale des solutions d’alimentation :
,
l’enthalpie massique totale de la vapeur de chauffage : H vc ;
à la sortie :
l’enthalpie massique totale des solutions concentrées :
,
l’enthalpie massique totale de la vapeur d’évaporation : H ve ,
l’enthalpie massique totale de l’eau condensée provenant de la vapeur de chauffage :
...
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