Chapitre 9

1. Chapitre 9 Évaporation

2. Références Unit Operations of Chemical Engineering par W.L. McCabe, J.C. Smith et P. Harriott (7ième édition) Chapitre 16

3. Évaporation • La vapeur d’une solution à ébullition est envlevée • Un solution plus concentrée demeure • Dans la plupart des cas: • Évaporation fait référence à enlever l’eau d’une solution aqueuse

4. Exemples d’utilisation • Concentration de solutions aqueuses: • Sucre, sel (NaCl), NaOH, glycerol, colles, lait • Habituellement le but: • Solution concentrée • L’eau n’a pas de valeur dans un tel processus • Parfois l’évaporation a pour but: • Concentrer la solution • Provoquer la précipitation de cristaux

5. Facteurs essentiels • Quand nous voulons concevoir un évaporateur il est essentiel de s’attarder: • Propriétés physiques et chimiques de la solution à concentrer • Propriétés physiques et chimiques de la vapeur à enlever • Nous avons 6 facteurs de transformation

6. Facteur 1Concentration dans le liquide • Habituellement l’alimentation de l’évaporateur: • Diluée • Faible viscosité • Haut coefficient de transfert de chaleur • Lors de l’évaporation: • Concentration de la solution • Augmentation de la viscosité • Diminution du coefficient de transfert de chaleur

7. Facteur 2Solubilité • En chauffant la solution: • Augmentation de la concentration dans le soluté • Peut excéder la solubilité de la matrice liquide • Précipitation de cristaux • Effet négatif: • Pourra limiter la concentration qu’on peut obtenir par évaporation • Peut entraîner des problèmes évidents

8. Schématisation

9. Facteur 3Sensibilité thermique du matériel • Plusieurs produits: • Nourriture • Matières biologiques • Sont sensibles à la température • Peuvent se dégrader après exposition prolongée • La dégradation est fonction: • Température • Temps

10. Facteur 4Moussage et écumage • Quand on emploie certain type de solutions: • Solutions basiques • Aliments en solution (lait écrémé) • Acide gras • On observe la formation d’une mousse ou d’une écume • Ceci peut entraîner des pertes par entraînement

11. Facteur 5Pression et température • La point d’ébullition du liquide est relié à la pression du système • Plus la pression est haute et plus la température d’ébullition sera elle aussi haute • Si la concentration de l’élément en solution augmente: • Nécessairement le point d’ébullition pourra aussi augmenter

12. Facteur 6Déposition d’écailles et matériaux de construction • Certains matériaux forment des dépôts solide à la surface des éléments chauffants • Ces dépôts portent le nom d’écailles • Peuvent être formés • Produits de décomposition • Diminution de la solubilité • Effets: • L’évaporateur doit être nettoyé

13. Types d’évaporateurs • Dans un évaporateur, on ajoute de la chaleur à une solution pour vaporiser le solvant • La chaleur est fournie généralement: • Condensation de vapeur • Habituellement de la vapeur d’eau • Nous désignons 8 familles d’évaporateurs

14. Bouilloire ou cuve ouverte Plus simple système pour l’évaporation La chaleur est fournie par de la vapeur condensant dans la double parois Dans certaines situations la bouilloire peut être chauffée directement Avantageux $$$ Peu avantageux pour l’économie d’E

15. Tubes horizontaux à circulation naturelle • Ressemble à un échangeur de chaleur • La vapeur condense sur les parois des tubes • On utilise des chicanes: • Pour éviter un emportement • Utilisé pour: • Liquides non-visqueux • Liquides avec de forts ho

16. Tubes horizontal à circulation naturelle

17. Tubes verticaux à circulation naturelle • Dans ce type d’évaporateur: • Tubes verticaux plutôt que horizontaux • Le liquide: • Passe à l’intérieur des tubes • La vapeur: • Condense à l’extérieur des tubes • Ce type d’évaporateur porte souvent le nom d’évaporateur à tubes court

18. Tubes verticaux à circulation naturelle

19. Long tubes verticaux Comme le coefficient de transfert de chaleur est grand du côté de la vapeur Une grande vélocité de liquide est nécessaire pour profiter du transfert de chaleur Les tubes font 3 à 10 m de long Les bulles de vapeur confèrent une haute vélocité au liquide en montant Système commun pour la production de lait condensé

20. Long tubes verticaux

21. Évaporateur à film tombant Variation de l’évaporateur à long tube Le liquide est inséré au sommet de l’évaporateur, descend le long des murs en film Utilisé pour condenser des substances sensibles à la chaleur Temps de rétention faible (5-10s)

22. Évaporateur à circulation forcée Le transfert de chaleur entre le liquide et le film peut être optimisé en pompant Provoque la circulation forcée du liquide dans les tubes à l’aide d’une pompe Peut être fait avec les évaporateurs à long tube Évaporateur très utile pour des liquides visqueux

23. Évaporateur à film agité • La plus grande résistance dans l’évaporateur se fait du côté du liquide • Une façon de contrer ceci: • Augmenter la turbulence dans le film • On modifie l’évaporateur: • Tube double parois • Avec agitateur interne • Fluide entre par le haut • Utilisé pour les fluides très visqueux

24. Évaporateur solaire • Utilisé depuis très longtemps • On place le liquide dans une récipient • Et on le laisse évaporer sous l’effet du soleil • Utilisé encore de nos jours: • Production de sel • Avec eau de mer

25. Méthode d’opération Évaporation à effet unique:

26. Coefficient généralisé Dans le cas des évaporateurs on s’en remet au coefficient de transfert de chaleur généralisé Les évaporateur à effet simple sont employés quand la capacité d’opération requise est faible Aussi employé lorsque le coût de la vapeur est faible Ne sont pas les situations les plus économiques en énergie

27. Évaporateur à effet multipleAlimentation vers l’avant • Évaporateur à effet unique: • Pas très efficace énergétiquement • La vapeur générée n’est pas réutilisée • Elle est éliminée • Dans le cas d’un évaporateur multiple: • On réutilise cette énergie

28. Évaporateur triple effet

29. Système avantageux Si on considère que 1 kg de vapeur qui condense permet de produire 1 kg vapeur Nous avons dans ce cas besoin de 1kg de vapeur pour en produire 3 Théoriquement on optimise la production de vapeur par un facteur 3 Mais bien sûr on aura des pertes de chaleur dans le système

30. Évaporateur à effet multipleAlimentation vers l’arrière • L’entrée de la solution de fait à l’arrière • Progresse vers l’avant • Avantageux pour les liquides froid • Plus coûteux car requiert des pompes • Aussi utilisé pour liquides très visqueux

31. Schématisation

32. Évaporateur à effet multiple Alimentation en parallèle Implique l’insertion et l’enlèvement de la solution fraîche dans chacune des stations La vapeur est encore employée pour chauffer la station suivante On utilise cette technique quand la solution originale est très concentrée Comme lors de l’évaporation de saumure pour isoler les sels

33. U dans les évaporateurs • Comprend: • Condensation de la vapeur (env. 5700 W/m2*K) • Parois métallique (haute valeur de k) • La résistance des écailles • Le coefficient du film de liquide (dans les tubes) • L’estimation du coefficient de la vapeur: • Équations du chapitre 7

34. Formation d’écailles • La formation d’écailles ne peut être prédite • Incidemment la résistance des écailles non plus • Un moyen de contourner: • Augmentation de la vélocité du fluide • Diminution de la formation d’écailles • Avantage certain des évaporateurs à circulation forcée

35. Valeurs représentatives

36. Méthodes de calculs L’équation fondamentale pour ces procédures: La valeur de ΔT est donnée par la différence de température entre la vapeur qui condense et le liquide à ébullition

37. Schématisation

38. Ainsi • En assumant que Ts reste contant pour la vapeur d’eau et le condensat: • Ceci implique que la vapeur d’eau ne donne que sa chaleur latente de vaporisation λ • Comme la vapeur est à l’équilibre avec le liquide, leur température peut être dite constante:

39. Ensuite • Si on considère: • Chaleur à l’entrée +chaleur dans la vapeur d’eau = chaleur dans le liquide concentré + chaleur dans la vapeur + chaleur dans la vapeur d’eau condensée • Si on assume aucune perte de chaleur par convection ou radiation:

40. Si on simplifie Si on assume toujours que nous n’avons pas de pertes par convection ou par radiation

41. Problématique des paramètres La chaleur latente peut être trouvée à température de saturation (Ts) dans plusieurs tables de référence Les enthalpies sont plus difficiles à trouver Les valeurs sont disponibles pour peu de substances en solution Des approximations doivent être faites pour faire un bilan de masse et d’énergie

42. Problème typique Transfert de chaleur – évaporateur simple: Un évaporateur simple fonctionnant en continu sert à concentrer 9072 kg/h d’une solution de sel à 1.0 % (masse) qui entre à 311 K (37.8 oC) à une concentration finale de 1.5 % (masse). L’espace ou se retrouve la vapeur dans l’évaporateur est à 101.325 kPa et la vapeur d’eau est saturée à 143.4 kPA. Le coefficient généralisé de transfert de chaleur est de 1704 W/m2*K. Calculez la quantité de vapeur et de produit liquide (provenant de la concentration) et la surface de transfert de chaleur requise. Assumer que la solution a la même température d’ébullition que l’eau en raison du fait que c’est une solution diluée.

43. Variables de procédéEffet de la température à l’entrée La température d’entrée a un effet notoire sur la opérations de l’évaporateur Dans l’exemple précédent le liquide entre froid et une grande quantité de vapeur d’eau est employée pour le réchauffer Au total, ¼ de la vapeur a été utilisée pour chauffer le liquide, ¾ pour la vaporisation du liquide

44. Variables de procédéEffet de la pression • Dans l’exemple du problème: • Pression de 101.32 atm • ΔT entre vapeur et liquide à ébullition seulement de 10 • On cherchera à augmenter ΔT car permettra de diminuer la surface de notre évaporateur

45. Variables de procédéEffet de la pression de la vapeur d’eau • Quand on augmente la pression de la vapeur d’eau: • Pousse à une augmentation du ΔT également • Permet de réduire la taille de l’évaporateur • Éventuellement aussi les coûts • Toutefois: • Vapeur d’eau à haute pression peut parfois s’avérer très couteuse

46. Augmentation du point d’ébullition • Dans la plupart des cas: • Solutions ne sont pas diluées • Les solutions peuvent différer significativement de l’eau • Différence de capacité calorifique et point d’ébullition • Pour des solution riches en sels: • Augmentation du point d’ébullition est difficile à prédire

47. Loi de Dühring

48. Problème typique Utilisation de l’équation de Dühring: La pression dans un évaporateur est de 25.6 kPa et une solution contenant 30% est amenée à ébullition. Déterminez la température d’ébullition de la solution de NaOH et la montée du point d’ébullition par rapport à la température d’ébullition de l’eau dans des conditions identiques.

49. Enthalpie p/r à la concentration • Si la chaleur de la solution aqueuse se faisant concentrer est grande • Ceci peut causer des erreurs dans le bilan de chaleur • Cette tendance peut être expliquée comme suit: • Si du NaOH est dissout dans de l’eau • On remarque une augmentation de température • Ceci porte le nom de chaleur de solution

50. Schématisation