Options de chauffage pour installations de séparation thermique
Traditionnellement, un évaporateur ou un cristallisoir est chauffé avec de la vapeur vive, mais de la chaleur issue des déchets ou perdue (par exemple de la vapeur recompressé, de la vapeur de sécheur, de l'eau chaude ou du pétrole produit par méthode thermique) peut également être utilisée en tant que source d’énergie, l’essentiel étant de fournir la quantité d’énergie requise pour le procédé de séparation thermique.
Chauffé à la vapeur (effet simple/multiples effets)
A Produit / B Concentré / C Condensat / D Vapeur chauffante / E Vapeur
Pour l’évaporation de l’eau dans un évaporateur à simple effet, près de 1 t/h de vapeur vive produira environ 2 t/h de vapeur car les valeurs de chaleur d’évaporation spécifique sur les côtés chauffant et produit sont pratiquement les mêmes.
Si les vapeurs de produit d’un effet d’évaporation sont utilisées pour chauffer un autre effet d’évaporation mis en œuvre à une pression inférieure, la consommation de vapeur de l'ensemble du système sera réduite en conséquence.
Si la quantité de vapeur produite par l’énergie primaire est utilisée comme flux chauffant pour un deuxième effet de flash détente, la consommation d’énergie de l'ensemble du système est réduite d’environ 50 %. Ce principe peut être poursuivi pour d’autres effets afin d'économiser encore plus d’énergie.
| Vapeur vive [t/h] | Vapeur [t/h] | Consommation de vapeur spécifique | |
| Installation simple effet | 1 | 1 | 100 % |
| Installation deux effets | 1 | 2 | 50 % |
| Installation trois effets | 1 | 3 | 33 % |
| Installation quatre effets | 1 | 4 | 25 % |
La température de chauffage maximale du premier effet en combinaison avec la température d'ébullition plus basse de l’effet final, définit une différence de température générale qui peut être divisée entre les effets individuels.
Cela signifie que dans le cas où le nombre d’effets augmenterait, la différence de température par effet diminuerait en conséquence.
Pour cette raison, les surfaces chauffantes des effets individuels doivent avoir des dimensions plus grandes pour atteindre le taux d'évaporation requis à une différence de température moyenne plus basse (∆ Tm). Une première approximation montre que la surface de chauffage totale de tous les effets augmente proportionnellement au nombre des effets. Résultat, les coûts d'investissement augmentent considérablement tandis que la quantité d’énergie économisée devient proportionnellement plus basse.
Recompression thermique de vapeur (RTV)
A Produit / B Concentré / C Condensat / D Vapeur chauffante / E Vapeur
Durant la recompression de vapeur, la vapeur du séparateur est recompressée à la pression supérieure d’un côté chauffant du faisceau de tubes.
Approximativement la moitié des vapeurs produites par le processus d’évaporation peut être réutilisée pour le chauffage, tandis que l’autre moitié s’écoule jusqu’à l’effet suivant. Une certaine quantité de vapeur, appelée vapeur motrice, est nécessaire au fonctionnement d'un recompresseur thermique de vapeur.
Pour la recompression thermique de vapeur (RTV), des compresseurs à jets de vapeur sont utilisés. Leur fonctionnement repose sur le principe de la pompe à jet de vapeur. Ils ne comportent pas de pièces mobiles et, par conséquent, pas de pièces d’usure, ce qui assure une fiabilité de fonctionnement maximale. Les recompresseurs thermiques de vapeur sont conçus en interne.
GEA a plus d’une centaine d’années d’expérience dans la fourniture de pompes à jet de vapeur et de compresseurs.
Recompression mécanique de vapeur (RMV)
A Produit / B Concentré / C Vapeur chauffante / D Vapeur / E Vapeur / El Énergie électrique
Tandis que les compresseurs à jet de vapeur ne compressent qu'une partie de la vapeur qui quitte l’évaporateur, les recompresseurs mécaniques de vapeur (RMV) sont en mesure de la recycler dans son ensemble.
La vapeur est recompressée à la pression correspondant à la température de la vapeur de chauffage de l’évaporateur, en utilisant une petite quantité d’énergie électrique par rapport à l’enthalpie récupérée dans la vapeur. L'énergie du condensat de vapeur est fréquemment utilisée pour le préchauffage de la charge de produit.
En fonction des conditions d'exploitation de l'installation, une petite quantité de vapeur supplémentaire ou la condensation d’une petite quantité de vapeur en excès peut être requise pour maintenir le bilan thermique général de l’évaporateur et assurer des conditions de fonctionnement stables, en particulier au démarrage.
Grâce à leur simplicité et à leur conception facilitant la maintenance, des ventilateurs centrifuges à un étage (fournis en tant que ventilateurs haute pression) sont utilisés dans les installations d’évaporation. Ces ventilateurs fonctionnent à des vitesses d'écoulement élevées et sont, par conséquent, adaptés aux débits élevés à des rapports de compression de vapeur de 1:1,2 à 1:2. Les vitesses de rotation sont en général comprises entre 3000 et 12 000 tr/min. Pour les fortes hausses de pression, il est possible d’utiliser plusieurs ventilateurs.
Vapeur ou électricité
Selon les conditions locales et les coûts des utilités du projet, il est possible d’évaluer les options de chauffage pour identifier la plus écologique et la plus rentable en s'appuyant sur les chiffres de consommation types.
La possibilité d’utiliser l'électricité de sources renouvelables au lieu de la vapeur de carburants fossiles est un des plus gros avantages qu’offre le chauffage électrique.
Consommation d’utilités spécifique par tonne d’évaporation
| Vapeur [t] | Électricité [kWh] | Eau de refroidissement [m³ (∆T = 10K)] | |
| Vapeur vive | 1 | mineur | 60 |
| Deux effets | 0,5 | mineur | 30 |
| Trois effets | 0,33 | mineur | 20 |
| Quatre effets | 0,25 | mineur | 15 |
| RTV | ~0,5 | mineur | 30 |
| RMV | mineur | ~30-50 | mineur |
Pas moins important et d’importance particulière dans les régions arides, l'utilisation de chauffage électrique réduit considérablement le besoin d’eau de refroidissement. Au total et compte tenu du rôle toujours plus important que jouent l’économie circulaire et les nouvelles tendances à la réduction de la consommation d'énergie, la RMV s’impose comme une option intéressante.
Plusieurs processus de cristallisation se déroulent à basse température à cause des contraintes du système à étages ou des produits sensibles à la température. Par conséquent, un refroidissement efficace est requis et peut être induit soit par refroidissement sous vide, soit par refroidissement superficiel.
Chauffage par les vapeurs d’un sécheur (installations d’évaporation)
Le principal critère à prendre en compte pour utiliser la vapeur d’un sécheur pour chauffer les installations d’évaporation est le point de rosée du mélange vapeur d’eau/air constitué par la présence de gaz inertes et/ou d’air dans cette vapeur. Plus le point de rosée est élevé, plus la teneur en vapeur d'eau l’est et, par conséquent, plus il y a d’énergie utilisable.
Si les vapeurs du sécheur contiennent de la poussière et des vapeurs de graisse, elles pourraient finir dans la calandre perturbant, voire empêchant le transfert thermique du chauffage à la chambre d'ébullition. Cela peut être évité en nettoyant la vapeur du sécheur dans un épurateur de vapeur GEA. En général, un évaporateur à jets, un ventilateur à jet liquide auto-amorçable est parfaitement adapté à cette application.
L’épurateur de vapeur peut fonctionner avec le condensat de vapeur de l’installation d’évaporation. Le système ne requiert ainsi pas d’eau de process supplémentaire et l’énergie est réutilisée pour chauffer l’évaporateur et, simultanément, nettoyer l'échappement du sécheur.
Refroidissement sous vide (installations de cristallisation)
Le refroidissement sous vide est la méthode de référence car le refroidissement n’est généré que par la détente adiabatique du solvant et aucune surface de refroidissement active n’est requise. Une telle surface de refroidissement active devrait être relativement importante compte tenu des coefficients de transfert de chaleur limités et présenterait un risque d’entartrage à cause de solubilités décroissantes à basse température.
Le principal paramètre ainsi que la limitation du refroidissement sous vide est la pression des vapeurs générées durant le procédé. Selon la pression requise, le mélange le plus économique en termes de coûts doit être choisi entre les options disponibles suivantes :
- condensation en surface ou directe ;
- eau de refroidissement ou eau réfrigérée ;
- avec éjecteur de vapeur ou sans éjecteur de vapeur.
Refroidissement superficiel (installations de cristallisation)
Le refroidissement superficiel est appliqué quand la température requise ne peut pas être atteinte avec le refroidissement sous vide.
Cette méthode utilise une surface de refroidissement active (échangeurs thermiques à faisceau tubulaire) refroidie par tout milieu de refroidissement disponible adapté aux températures de process requises.
Ces systèmes présentent un risque d’entartrage des tubes de l'échangeur thermique à cause de sursaturations locales élevées sur les surfaces froides.
Pour maximiser le cycle d’exploitation de ces unités, leur conception doit être extrêmement sophistiquée sur le plan du profil de refroidissement, des coefficients de transfert de chaleur de conception, des masses volumiques des solides et des vitesses des tubes ainsi que la qualité de la tuyauterie. En plus de cela, des procédures de nettoyage efficaces sont disponibles, ce qui minimise le temps d’arrêt le ramenant à un niveau acceptable.
Éjecteur de vapeur ou refroidisseur ? (installations de cristallisation)
Pour le refroidissement, il est possible d'utiliser un éjecteur de vapeur ou un refroidisseur.
Tandis que les éjecteurs de vapeur compressent les vapeurs à un niveau de température, permettant la condensation contre l'eau de refroidissement, les refroidisseurs utilisent l’énergie électrique pour générer un milieu froid permettant la condensation des vapeurs basse pression.
Selon les conditions du site local ainsi que la disponibilité des utilités et de leur prix, la décision est prise cas par cas pour offrir la solution la plus efficace en termes de coûts et la plus écoénergétique à chaque client.
Compte tenu du rôle toujours plus important que jouent l’économie circulaire et les nouvelles tendances à la réduction de la consommation d'énergie, le refroidisseur s’impose comme l’option la plus intéressante. Des installations existantes ont été modernisées afin d’en remplacer l’éjecteur de vapeur par un refroidisseur.
