Évaporation : Classification des évaporateurs

1.1 - Industrie sucrière
1.2 - Industries alimentaires
1.3 - Industrie papetière
1.4 - Industries textiles
1.5 - Industrie de l’alumine
1.6 - Industries du chlore et des chlorures
1.7 - Industries des engrais
1.8 - Industries des acides divers
1.9 - Industries des extraits
1.10 - Dépollution des eaux résiduaires
1.11 - Production d’eau pure
1.12 - Hydrométallurgie
1.13 - Bio‐industries
1.14 - Remarque

2 - Problèmes de l’évaporation

2.1 - Température d’ébullition élevée
2.2 - Production de mousses
2.3 - Sensibilité à la température
2.4 - Viscosité élevée
2.5 - Entartrage
2.6 - Précipitation de sels
2.7 - Corrosion

3 - Classification des évaporateurs

3.1 - Évaporateurs naturels
3.2 - Évaporateurs à feu nu
3.3 - Évaporateurs à double enveloppe ou à serpentins
3.4 - Évaporateurs chauffés à la vapeur et à surface d’échange tubulaire

Figure 2 - Évaporateur à serpentins Figure 7 - Évaporateur à panier
3.5 - Évaporateurs à plaques

Figure 12 - Évaporateur à film agité Figure 13 - Évaporateur à plaques
3.6 - Évaporateurs à détentes étagées
3.7 - Évaporateurs à chauffage spécial

Tableau 1
3.8 - Choix du type d’évaporateurs

Tableau 2

4 - Choix des caractéristiques thermiques

4.1 - Transferts de chaleur
4.2 - Coefficients de transmission thermique
4.3 - Écarts de température

Tableau 3
4.4 - Quantité de chaleur à transmettre
4.5 - Calcul de la surface d’échange

5 - Simple effet et multiple effet

5.1 - Définition
5.2 - Comparaison

Tableau 4
5.3 - Choix du nombre d’effets
5.4 - Évaporation sous vide

6 - Calcul des évaporateurs

6.1 - Bilan matière
6.2 - Bilan énergétique
6.3 - Exemple de calcul d’un simple effet
6.4 - Exemple de calcul d’un multiple effet

7 - Modes d’alimentation du multiple effet

7.1 - Différents schémas de circulation possibles
7.2 - Comparaison et choix

8 - Méthodes diminuant la consommation d’énergie

8.1 - Préchauffage des solutions
8.2 - Récupération de la chaleur des condensats
8.3 - Récupération de la chaleur des concentrats
8.4 - Éjectocompression
8.5 - Compression mécanique de la vapeur
8.6 - Pompes à chaleur

9 - Séparation de la vapeur

9.1 - Séparateurs cyclones
9.2 - Séparateurs de gouttes
9.3 - Lavage de la vapeur

Figure 29 - Chicane centrifuge
9.4 - Lutte contre les mousses

10 - Annexes à l’évaporateur

10.1 - Chauffage. Extraction d’air
10.2 - Condensation
10.3 - Enlèvement des condensats
10.4 - Évacuation des gaz incondensables
10.5 - Enlèvement des cristaux
10.6 - Détartrage
10.7 - Calorifugeage
10.8 - Contrôle et régulation

Bibliographie & annexes

Présentation

Auteur(s)

René LELEU : Ingénieur IDN (Institut Industriel du Nord) - Ancien Directeur Technique de la Société Kestner - Professeur à l’École Centrale de Lille

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INTRODUCTION

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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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j2320

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3. Classification des évaporateurs

3.1 Évaporateurs naturels

Lorsqu’une solution aqueuse est exposée à l’air, elle tend à se vaporiser jusqu’à saturer l’air ambiant en eau. C’est le principe appliqué pour l’évaporation naturelle, dite évaporation solaire, telle qu’on la trouve toujours mise en pratique dans les marais salants. Ceux‐ci sont simplement constitués de cuvettes de terre imperméable, remplies d’eau de mer qui s’évapore naturellement. L’évaporation est d’autant plus importante que l’air est suffisamment renouvelé pour rester loin de la saturation en eau. L’évaporation est proportionnelle à la surface. On a essayé d’augmenter artificiellement cette surface de contact de la solution avec l’air par des tours à garnissage. Celles‐ci ne sont plus guère utilisées que pour le refroidissement de l’eau (réfrigérants atmosphériques). Les essais effectués en vue de l’utilisation de ces appareils pour la concentration de solutions n’ont connu que peu de succès ; on leur reproche de capter les poussières de l’air et de favoriser le développement de microorganismes.

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3.2 Évaporateurs à feu nu

Un autre moyen d’augmenter l’évaporation naturelle est d’élever la température des solutions à évaporer. La pression de vapeur augmentant avec la température, l’évaporation est ainsi activée.

Si l’on excepte les générateurs de vapeur, ce type d’appareil, qui fut le premier utilisé, est en voie de disparition. On peut encore trouver quelques poêles à sel, des cuves de fusion de soude (concentration de 50 à 98 % en masse de NaOH), des cuves de concentration d’acide sulfurique à haute densité (plus de 90 % en masse de H₂ SO₄).

On reproche à ces appareils :

leur manque de souplesse d’exploitation ;
les grandes surfaces d’échange nécessaires [le coefficient de transmission thermique gaz‐liquide 4.2 ...

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