PARTIE II : Matériels et Méthodes
1. Évaporateur pilote à flot tombant
L’équipement utilisé pour les essais de concentration est un évaporateur pilote à flot tombant
simple effet (GEA Process Engineering, Saint-Quentin-en-Yvelines, France) (Figure 21).
Figure 21 : Vue générale de l’évaporateur pilote et du pupitre de commande
L’évaporateur est composé de 3 faisceaux d’évaporation en série (F1, F2, F3), connectés au
même séparateur auquel un condenseur indirect y est intégré (Figure 22).
Les tubes d’évaporation mesurent 4 mètres de haut et ont un diamètre interne de 36 mm
(1
er tube) ou 23 mm (2
ème et 3
ème tube). L’épaisseur de la paroi des tubes est égale à 1 mm. Les
faisceaux disposent d’un hublot en façade, à environ 1 mètre du sol, qui permet d’inspecter l’état
des parois internes des faisceaux.
Chaque faisceau dispose de sa propre chaudière pour la production de vapeur vive. Elles sont
alimentées en eau adoucie et fonctionnent en circuit fermé. Un appoint en eau est réalisé, en
automatique ou en manuel, quand le niveau d’eau dans les chaudières est trop bas. Les puissances
des chaudières sont modulables, entre 0 et 8,4 kW. Le pilote fonctionne à flux de chaleur constant.
Figure 22 : Schéma de principe de l’évaporateur pilote simple effet
La pompe à vide permet de faire le vide dans l’ensemble du pilote lors de la phase de démarrage
et d’évacuer les gaz incondensables (oxygène, azote, CO
2
…) extraits de la partie supérieure du
faisceau d’évaporation, côté chauffe. C’est la condensation des buées de vapeur, par contact indirect
avec l’eau du réseau dans le condenseur, qui maintient le vide dans l’installation en cours d’essai.
La température d’évaporation, associée à la valeur du vide, est fixée par le débit (300-800 kg.h
-1
) et
la température (< 20 °C) de l’eau de refroidissement dans le condenseur. Les condensats sont
extraits par la pompe condensats.
Le produit est alimenté par une pompe d’alimentation (50-100 L.h
-1
). Il traverse un échangeur
de chaleur tubulaire composé de 9 canaux de 830 mm de long et 11,6 mm de diamètre. L’échangeur
est connecté à un thermorégulateur (Vulcanic, Neuilly-sur-Marne, France) qui permet la circulation
d’eau thermostatée à contre-courant dans la double enveloppe de l’échangeur et le réchauffage du
produit à la température d’évaporation en amont de l’évaporateur. Le produit est distribué en tête
de chaque tube d’évaporation via un disperseur de forme concave (Figure 23). Puis, il s’écoule sous
forme d’un film mince sur toute la hauteur du tube et est repris en bas de chaque faisceau par une
pompe pour être amené en tête du faisceau suivant.
Une vanne 3 voies permet le raccordement d’une cuve sur roulettes de 150 L de produit à
l’évaporateur et le passage en continu de l’eau sur le produit.
buées de vapeur
produit
liquide
vapeur vive
condensats
échangeur
de chaleur
tubulaire
pompe
d’alimentation
chaudière
concentré
gaz
incondensables
condensats
Séparateur/condenseur
pompe à vide
eau de
refroidissement
faisceau
d’évaporation F1
F2 F3
Circulation produit
Buées de vapeur du produit
Gaz incondensables
Vapeur vive
Condensats de vapeur
Circuit eau de refroidissement
Figure 23 : Disperseur de produit installé en tête des faisceaux d’évaporation
Les bilan-matières, bilan énergétique et distribution des temps de séjour de ce pilote ont été
étudiés lors de la concentration de lait écrémé (Silveira et al., 2015, 2013). Ainsi, la capacité
évaporatoire de l’évaporateur est de 27 kg.h
-1
d’eau évaporée à un débit d’alimentation en produit
de 70 kg.h
-1 et une puissance de chauffe de 25,2 kW. L’écoulement y est majoritairement transitoire.
La température d’évaporation usuelle pour les essais expérimentaux est 60 °C, ce qui correspond à
un vide de 80 kPa. Le débit d’alimentation en produit est fixé à 70 kg.h
-1.
Le débit d’alimentation du produit, la température d’évaporation dans l’installation et la
puissance de chauffe de chacune des chaudières sont les 5 variables opératoires qui peuvent être
modifiées par l’opérateur pour tester différentes conditions de fonctionnement.
1.2. Modes de conduite de l’évaporateur pilote
Deux modes de conduite sont possibles :
- Concentration par passage successifs dans l’évaporateur. Il s’agit d’un mode de concentration
incrémental. Le produit initial à 20-25 °C est placé dans une cuve de 150 L qui alimente
l’évaporateur. Une 2
nde
cuve collecte le concentré en sortie de l’évaporateur et le refroidit à
20-25 °C. Lorsque l’intégralité du produit initial a été traitée, la cuve de concentré est placée en
entrée de l’évaporateur et devient la cuve d’alimentation. Ainsi, un lactosérum est concentré de
60 à 560 g.kg
-1 ES en 4 passages successifs dans l’évaporateur.
- Concentration en batch. Le produit est concentré progressivement en continu. Une seule cuve
est utilisée : le concentré en sortie de l’évaporateur est collecté dans la cuve d’alimentation.
L’intérêt du mode de concentration par passage successifs par rapport au mode de concentration
en batch est qu’il permet une meilleure maîtrise du process et aussi la préparation de concentrés à
des extraits secs ciblés. Le débit d’alimentation étant fixé à 70 kg.h
-1
, l’extrait sec attendu en sortie
de l’évaporateur est atteint en modulant la puissance de chauffe des chaudières.
produit
1.3. Enregistrement des paramètres de fonctionnement
L’évaporateur pilote est équipé de nombreux capteurs qui permettent de suivre l’évolution des
paramètres opératoires au cours de la concentration :
- température du produit en sortie de l’échangeur (T
p
) et dans chaque faisceau d’évaporation
(T
pd1
, T
pd2
, T
pd3
) ;
- débits de produit en entrée de l’évaporateur (Q
A
) et en bas de chacun des faisceaux (Q
1
, Q
2
,
Q
3
) ;
- conductivité du produit en bas de chacun des faisceaux (1, 2, 3)
- pour chaque chaudière, températures de la vapeur vive (T
Vp1
, T
Vp2
, T
Vp3
) et des condensats de
vapeur (T
Cd1
, T
Cd2
, T
Cd3
) ;
- débit (Q
E
) et températures d’entrée et de sortie (resp. T
Ee
et T
Es
) de l’eau de refroidissement au
niveau du condenseur;
- débit d’extraction des condensats des buées de vapeur (QCp) ;
- pression dans le condenseur (P
VIDE
).
Toutes ces données sont enregistrées sur deux systèmes d’acquisition (Endress Hauser,
Huninge, France) accessibles sur le pupitre de commande. A partir de ces enregistrements, il est
possible de calculer la capacité évaporatoire de chacun des faisceaux, le coefficient de transfert
global et de suivre l’encrassement du pilote.
Comme l’évaporateur fonctionne à flux de chaleur constant, une baisse du coefficient de
transfert de chaleur sera compensée par une augmentation de l’écart de température entre la vapeur
vive et le produit. Cette baisse peut être due à une plus forte résistance thermique du produit,
directement liée à sa concentration croissante (diminution du la conductivité thermique et de la
capacité calorifique du concentré, augmentation de la viscosité), et/ou une résistance thermique
générée par la formation d’un dépôt d’encrassement sur la paroi interne de l’évaporateur.
Dans le cas du mode de conduite par passages successifs dans l’évaporateur, comme le produit
entre à extrait sec constant, une augmentation du T au cours d’un passage est dû principalement à
l’encrassement.
Figure 24 : Position des capteurs installés sur l’évaporateur pilote
1.4. Nettoyage du pilote
Après chaque essai, le pilote est rincé à l’eau puis nettoyé suivant la procédure standard
suivante : 1) nettoyage acide pendant 15 minutes avec une solution d’acide nitrique à 0,5 % w/w
à 65 °C et 78 L/h ; 2) rinçage à l’eau ; 3) nettoyage basique pendant 20 minutes avec une solution
de lessive de soude à 0,8 % w/w, à 70 °C et 78 L.h
-1
; 4) rinçage à l’eau.
Pour une meilleure efficacité du nettoyage, l’ordre des séquences peut être alterné suivant le
produit traité : soude-acide sur du lait et acide-soude sur du lactosérum.
