Description du procédé CMV

L’évaporateur sous vide utilisé est un matériel industriel de petite capacité 40 kg/h de type Vacudest 40, commercialisé par la société H2O.

Cet évaporateur possède une technique à compression mécanique de vapeur (CMV). Il est composé de trois éléments (cf. Figure 22) :

– une cuve d’évaporation (le bouilleur) ; – un compresseur volumétrique de vapeur ; – un condenseur à faisceau tubulaire immergé.

4.1.1. Principe

Le principe de base de la compression mécanique de vapeur est le suivant : la vapeur d’eau provenant de l’évaporation du liquide est comprimée et sert à chauffer le fluide à traiter par transfert de sa chaleur latente de condensation dans le faisceau tubulaire. Les publications dans le domaine sont développées par les auteurs suivants [Peureux, 1997] [Gauthier, 1985] [Gauthier, 1984] [Reynaud, 1984].

La compression mécanique de vapeur permet, moyennant une faible dépense d’énergie, de valoriser la quantité d’énergie thermique importante contenue dans la vapeur « basse pression ». L’intérêt de cette technologie est l’utilisation d’une faible quantité d’énergie pour évaporer de l’eau.

L’énergie mécanique absorbée par le compresseur ne représente qu’une faible part de l’énergie thermique échangée lors de la condensation : par exemple pour le Vacudest 40 le compresseur absorbe 95 kWh par tonne d’eau évaporée, alors que cette même tonne d’eau cède environ 630 kWh lors de sa condensation à 100 °C (Chaleur latente de vaporisation de l’eau à 100°C est égale à 2257 kJ/kg).

4.1.2. Procédé

Le schéma de procédé en Figure 22 présente le parcours des fluides dans le Vacudest. L’entrée du système est l’alimentation de l’effluent (1), il est préchauffé par un échangeur de chaleur à tube coaxial (2), l’effluent est contenu dans le compartiment « bouilleur » de la chambre d’évaporation (3). La vapeur produite lors de l’ébullition de l’effluent passe par un séparateur de gouttes (4), avant d’être comprimée (5) par le compresseur. La vapeur surchauffée sortie du compresseur entre dans le condenseur à faisceau tubulaire vertical (6). La vidange du résidu s’effectue par la sortie (7) en fin de cycle de concentration. Le distillat, issu de la condensation de la vapeur, est ensuite évacué lors de sa production (8).

Figure 22 : Schéma de procédé (source : société H20).

4.1.3. Cycle thermodynamique de l’eau

Le diagramme de Mollier [Bailly, 1971] Figure 23 permet de suivre le changement d’état de l’eau dans l’évaporation CMV. Ce diagramme représente la variation de

La définition de l’entropie permet d’évaluer la dégradation du système caractérisé par son degré de désordre (exprimée en cal/°C).

Le cycle thermodynamique de l’eau débute au point A, c’est la température ambiante 25°C de l’effluent, le segment AB ascendant vers la droite, correspond à l’échauffement de l’eau liquide de 25°C à 86°C. Le préchauffage est effectué en premier par un échangeur à tube de type coaxial, dont la température de sortie est environ 65°C et en second par le bouilleur.

Le point B correspond au liquide bouillant à la pression de travail. Au cours de la vaporisation sous vide à 600 mbar, la température demeure constante et égale à 86°C,

d’où le palier BC avec augmentation d’entropie, dû au passage de l’état liquide à l’état

vapeur. C’est le phénomène de changement d’état de l’eau, passage de l’état liquide à vapeur qui se produit dans le compartiment d’évaporation (cf.Figure 22(3) bouilleur et chambre d’évaporation).

Le point C correspond à la vapeur saturante qui est en équilibre avec le liquide bouillant. A partir de C, commence un nouveau segment CD, ascendant vers la droite qui correspond à la surchauffe de la vapeur produite par le compresseur volumétrique (cf.Figure 22(5)). Le point C est sur l’isobare d’aspiration du compresseur, le point D se trouve sur l’isobare de refoulement du compresseur à 1000 mbar avec une vapeur surchauffée à 120°C.

Si l’on pouvait négliger la viscosité de la vapeur, un compresseur parfait (sans fuite interne et sans échange de chaleur avec l’extérieur) permettrait de comprimer la vapeur suivant l’isentrope (verticale du diagramme). Dans la réalité, la vapeur n’est pas un fluide parfait, et le compresseur est lui aussi imparfait. Le travail réel (ou polytropique) requis pour la compression est supérieur au travail isentropique. Nous obtenons par conséquent une vapeur dans un état surchauffé de l’ordre de 120°C et non pas une vapeur saturante de 100°C à la pression de 1000 mbar.

La désurchauffe de la vapeur permet d’utiliser au maximum la surface d’échange du condenseur, pour cela nous injectons de l’eau (point E) en sortie de compresseur (la vaporisation de l’eau refroidit la vapeur surchauffée). Au point F, la vapeur change d’état et se condense sous les conditions suivantes : 1000 mbar et 100°C dans le faisceau tubulaire vertical (cf.Figure 22(6)). Au point G l’ensemble de la vapeur est condensé et le liquide entre dans l’étape de refroidissement dans la réserve de distillat. La sortie du distillat au point H s’effectue à la température de 90°C.

Figure 23 : Diagramme de Mollier [Bailly, 1971].

4.1.4. Moyens de mesure

Mesure de température

Les températures sont mesurées par une sonde de type Pt100. Ces sondes ont été étalonnées et assurent une précision de l'ordre de 1°C. Les données du constructeur sur le temps de réponse en fonction du milieu sont de 1 seconde dans l’eau et 0,5 seconde dans la vapeur d’eau.

Évaporation- Bouilleur Condensation Faisceau tubulaire A B H G F C E _D Compression mécanique

T (°C)

S (cal/°C)

A : Effluent à température ambiante AB : Préchauffage

BC : Ébullition

CD : Compression de la vapeur saturante D : Vapeur surchauffée

E : Désurchauffe par ajout d’eau FG : Condensation

GH : Refroidissement dans la réserve de distillat

Liquide bouillant Vapeur saturante

Évaporation- Bouilleur Condensation Faisceau tubulaire A B H G F C E _D Compression mécanique

T (°C)

S (cal/°C)

A : Effluent à température ambiante AB : Préchauffage

BC : Ébullition

CD : Compression de la vapeur saturante D : Vapeur surchauffée

E : Désurchauffe par ajout d’eau FG : Condensation

GH : Refroidissement dans la réserve de distillat

Les sondes de température sont situées aux points suivants (cf. Figure 10): – alimentation du fluide, TI1 ;

– tube coaxial, TI2 ; – bouilleur, TI3 ; – de vapeur, TI4 ;

– refoulement du compresseur, TI5 ; – sortie condenseur, TI6 ;

– réserve distillat, TI7 .

Le contrôle de la gamme de température pour les sondes est pris à 5 % par rapport à un étalonnage dans un bain d’huile.

Mesure de pression

Des transmetteurs de pression DMP 331 BD sensor (échelle 0-1 bar absolu et 0-1,6 bar absolu) étalonnés donnent la dépression PI1 (pression d’évaporation) et la pression au refoulement du compresseur PI2. La précision est de 1 % pleine échelle. L’effet thermique n’a pas d’influence sur la mesure dans la gamme de 0 à 70 °C.

Pour les capteurs de pression, pas d’étalonnage particulier, juste la vérification que la valeur lue est inférieure à 5 %. Les valeurs mesurées présentent un écart de 1,2 % pour la mesure de la pression d’évaporation, (de 654 mbar) et de 0,3 % pour la pression de refoulement du compresseur (à 1008 mbar).

Mesure de débit

Le débit mesuré est le débit distillat du Vacudest : débitmètre électromagnétique Danfoss DN6 étalonné (échelle 25,4 à 1018 l/h) ; la précision de la mesure est de 1 % du débit lu. Le certificat d’étalonnage donne 0,2 % d’erreur.

Variation de vitesse

Le variateur de vitesse BERGES Modèle ECP 3604-0 dont la plage de fonctionnement est comprise entre 30 et 50 Hz, donne pour la fréquence de 50 Hz, une vitesse de 3980 tr/min au lieu de 4000 tr/min.

Mesure de puissance