Chapitre 9

Opérations unitaires GCH 210 – Chapitre 9 Jean-Michel Lavoie (Ph.D)

Chapitre 9

Évaporation


Références

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

• Chapitre 16


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


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


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


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


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


Schématisation


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


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


• 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

Facteur 5Pression et température


• 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

Facteur 6Déposition d’écailles et matériaux de construction


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


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


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


Tubes horizontal à circulation naturelle


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


Tubes verticaux à circulation naturelle


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


Long tubes verticaux


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)


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


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


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


Méthode d’opération

• Évaporation à effet unique:


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


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


Évaporateur triple effet


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


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


Schématisation


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


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


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


Valeurs représentatives


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

TUAq


Schématisation


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:

SS hH

VLF LF XX LF


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:

SVLSF ShVHLhSHFh


Si on simplifie

VLF

VLSSF

VLSSF

VHLhSFh

VHLhhHSFh

VHLhShSHFh

)(

)(

SS hH

ShHSq SS )(

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


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


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.


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


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

TUAq


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


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


Loi de Dühring


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.


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


Schématisation


Problème typique• Évaporation d’une solution de NaOH: Un évaporateur est

employé pour concentrer 4536 kg/h d’une solution de NaOH à 20% entrant à 60oC pour produire une solution à 50%. La pression de la vapeur saturée utilisée est de 172.4 kPa et la pression dans l’espace libre (de vapeur) dans l’évaporateur est 11.7 kPa. Le coefficient de transfert de chaleur généralisé est de l’ordre de 1560 W/m2*K. Calculez la vapeur d’eau utilisée, l’économie de vapeur en kg vaporisé p/r à la vapeur d’eau utilisée et la surface de chauffage en m2.


Évaporateurs à effets multiples

• Chaque partie de l’évaporateur multiple est considéré comme un évaporateur simple

• Le premier chauffage nous vient de la vapeur d’eau

• Les autres de la vapeur de la solution qui condense

• Pou optimiser, certaines parties doivent être sous vide


Tombée en température

• Le taux de transfert de chaleur dans la première partie de l’évaporateur multiple:

• Ainsi:

• Et donc:

1111 TAUq

2222 TAUq

333222111 TAUTAUTAU



• Pour des raisons pratiques A1=A2=A3

• Alors:

• ΣΔT:

332211 TUTUTUA

q

3321 TTTTTT S



• Dans un évaporateur à effet multiple les valeurs de ΔT sont approximativement inversement proportionnelles à U

• Ainsi:

321

11 111

1

UUU

UTT


Capacité

• On estime la valeur de q (taux d’échange de chaleur total de notre système)

• En assumant que A et U sont semblables

• Se compare à un évaporateur simple

321 qqqq

)()( 321 TUATTTUAq

)( TUAq


Calculs• Ce que nous devons habituellement chercher:

– Aire de la surface de chauffage– Le nombre de kg de vapeur d’eau devant être fourni– La quantité de vapeur sortant, surtout à la fin

• Ce que nous savons habituellement:– Pression de vapeur dans la première station– Pression finale de la vapeur de la dernière station– Condition de débit et écoulement dans la première partie– La concentration finale du liquide quittant l’évaporateur– Propriétés physiques des liquides et vapeurs– Coefficient de transfert de chaleur généralisé


Évaporateur multiple – approche

1. De la concentration et pression à la sortie:– Déterminer le point d’ébullition dans la dernière

partie

2. Faire un bilan de matériel pour connaître la quantité de vapeur et ainsi trouver L1, L2 et L3

3. Évaluer les tombées de température4. En utilisant le bilan de chaleur et matériel

calculer la quantité vaporisée et le débit de liquide dans chaque station


Évaporateur multiple – approche5. Calculer la valeur de q pour chaque station,

calculer la valeur de A puis de Am avec une moyenne arithmétique simple

6. Pour débuter le deuxième essai, utiliser les valeurs de L1, L2 et L3 avec les valeurs de V1, V2 et V3 calculées dans l’étape 4, calculer la nouveau bilan de masse de solides

7. Calculer de nouvelles valeur de ΔT (ΔT’)

8. Répéter les calculs au point 4


Problème typique• Évaporation d’une solution de sucre dans un évaporateur triple: Un

évaporateur triple à chargement avant est utilisé pour évaporer une solution contenant 10 % en masse de solide jusqu’à une concentration de 50%. La montée du point d’ébullition de la solution (indépendant de la pression) peut être estimée de l’équation MPE=1.78x + 6.22x2 où x représente la fraction massique de sucre dans la solution. De la vapeur saturée à 205.5 kPa (121.1oC) est employée. La pression dans la partie destinée à la vapeur de la troisième station est de 13.4 kPa. Le débit est de 22680 kg/h à 26.7oC. La capacité calorifique de la solution liquide est de cp=4.19-2.35x kJ/kg*K. La chaleur de la solution est considérée comme étant négligeable. Le coefficient de transfert de chaleur a été estimé à U1=3121, U2=1987 et U3=1136 W/m2*K. Si chacune des stations a la même surface, calculez l’aire, le débit massique de vapeur et l’économie de vapeur.


Condensateur pour évaporateurs• Dans un évaporateur multiple:

– Dernière partie souvent sous vide– Nécessaire de condenser les vapeurs

• Comment y arriver:– Refroidir les vapeurs– Provoquer la condensation

• Deux types envisageable:– Condensateur de surface– Condensateur à contact direct


Condensateur de surface

• Quand on ne peut mélanger le condensat avec de la vapeur d’eau

• Habituellement coquille et tubes• Présence de non-condensables dans

l’écoulement• Ces types de condensateurs:

– Plus cher– Pas employés si alternative


Condensateur à contact direct

• Fluide froid entre littéralement en contact• Un des plus communs :

– Condensateur contre-courant barométrique

• Avantages:– Peu dispendieux– Ne requiert pas beaucoup d’eau

• Habituellement de l’ordre de 10m de haut


Schématisation


Évaporation :produits biologiques• Fluides habituellement très sensibles• Contiennent de fines particules• Appareils doivent pouvoir être stérilisés

facilement• Types d’évaporateurs:

– Lait condensé: Vertical à long tubes– Jus de fruits: Film tombant– Gélatines, antibiotiques: Film agité– Produits pharmaceutiques: En cycles avec pompes


Problèmes supplémentaires• Problèmes 16.1 (McCabe p.516)

a) 17782 kg/h, 0.925, 56.4m2

b)18831 kg/h, 0.873, 59.7m2

c)16356 kg/h, 1.005, 51.9m2

• Problèmes 16.2 (McCabe p.516)247 m2 et 28340 kg/h

• Problème 16.5 (McCabe p.517)a)75320 lb/hb)3041 ft2

c)2.23d)45040000 Btu/h


Autres problèmes

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