Chap 06-05 Evaporateur

Manuel de transformation du lait/Chapitre 6.5 133

Evaporateurs

Extraction de l’eauLa concentration d’un liquide implique l’extraction d’un solvant, dans la plupart descas de l’eau. La concentration se distingue du séchage en ce que le produit final - leconcentré - reste liquide.

Il existe plusieurs raisons de concentrer des liquides alimentaires; par exemplepour :• réduire le coût du séchage• provoquer une cristallisation• réduire les coûts de stockage et de transport• réduire l’activité de l’eau pour augmenter la stabilité microbiologique et chimique• récupérer des sous-produits dans des effluents.La concentration d’un liquide par évaporation sous vide est apparue en 1913. Leprocédé reposait sur un brevet anglais de E.C. Howard, utilisant un cuiseur sous videà double fond chauffé à la vapeur, avec un condenseur et une pompe à air.

EvaporationDans l’industrie laitière, l’évaporation est utilisée pour des opérations de concentration,par exemple du lait, du lait écrémé et du sérum. On l’utilise également comme étapepréliminaire du séchage. Les produits laitiers destinés à la fabrication de lait enpoudre sont habituellement concentrés d’une teneur en extrait sec initiale de 9 à 13%à une concentration finale de 40 à 50 % d’extrait sec total, avant pompage du produitdans le système de séchage.

Dans l’industrie laitière, l’évaporation s’effectue en extrayant l’eau de la solutionpar ébullition. Ceci exige une amenée de chaleur. Les produits à évaporer sonthabituellement sensibles à la chaleur et cette dernière risque de les détruire. Pourréduire ce choc thermique, l’évaporation s’effectue sous vide, parfois à destempératures ne dépassant pas 40°C. De même, l’évaporateur devra être conçu demanière à n’exiger que le plus court temps de séjour possible. La plupart des produitspeuvent être concentrés avec de bons résultats, pour autant que l’évaporateur soitconçu pour de faibles températures et un temps de séjour réduit.

Conception de l’évaporateurIl faut une grande quantité d’énergie pour extraire l’eau de la solution par ébullition.Cette énergie est fournie sous forme de vapeur. Pour réduire la quantité de vapeurnécessaire, l’unité d’évaporation est habituellement conçue sous forme d’évaporateurà multiple effet. Deux appareils ou plus fonctionnent à des pressions se réduisantprogressivement et donc à des points d’ébullition en diminution progressive. Dans cedispositif, la vapeur produite dans l’effet précédent peut être utilisée comme fluide dechauffage dans l’effet suivant. Il en résulte que la quantité de vapeur nécessaire està peu près égale à la quantité d’eau totale évaporée divisée par le nombr e d’effets.On utilise actuellement dans l’industrie laitière des évaporateurs atteignant jusqu’àsept effets.

Fig. 6.5.1 Principe général del’évaporation. Une cloison est chaufféepar de la vapeur brûlante et la vapeurd’eau s’évapore du liquide de l’autrecôté.

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Il est également possible d’employer l’électricité comme source d’énergie. Onutilise alors un compresseur ou un ventilateur électrique pour recomprimer la vapeur,à la sortie d’un effet, à la pression nécessaire côté chauffage de l’effet suivant.

Bien que les installations d’évaporateurs fonctionnent en général suivant le mêmeprincipe, elles diffèrent par leurs détails de conception. Les tubes constituant lescloisons entre vapeur et produit peuvent être horizontaux ou verticaux et la vapeurpeut circuler à l’intérieur ou à l’extérieur des tubes. Dans la plupart des cas, le produitcircule à l’intérieur de tubes verticaux et la vapeur est amenée à l’extérieur. Les tubespeuvent être remplacés par des plaques, des cassettes ou des lamelles.

Evaporateurs sous videLes évaporateurs sous vide peuvent être utilisés lorsqu’un faible degré de concentrations’impose ou qu’il n’est traité que de petites quantités de produit.

Pour la production de yaourt, par exemple, on utilise l’évaporation pour concentrerdu lait, respectivement de 1,1 à 1,25 fois, ou de 13 à 14,5 ou 16,25 % de teneur enextrait sec. Simultanément, ce traitement dégaze le produit et supprime les goûtsatypiques.

Le procédé d’évaporation sous vide est illustré sur la figure 6.5.2. Le lait, chaufféà 90°C, pénètre tangentiellement dans la chambre à vide à vitesse élevée et formeune fine couche tournant à la surface de la paroi - voir figure 6.5.3. Pendant qu’il

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7

8

Fig. 6.5.2 Chaîne de traitement d’un évaporateursous vide.

1 Bac de lancement2 Pompe d’alimentation3 Section de préchauffage/Condenseur4 Section d’ajustement de la température

Vapeur

Fig. 6.5.3 Circulation du produit dans unechambre à vide.

ProduitVapeurFluide de refroidissementFluide de chauffage

5 Section de refroidissement/Condenseur

6 Chambre à vide7 Pompe de recirculation8 Pompe à vide

Entréeduproduit

Sortie duproduitconcentré

tourne autour de la paroi, une partie de l’eau est évaporée et la vapeur est soutiréevers un condenseur. L’air et autres gaz non condensables sont extraits du condenseurpar une pompe à vide.

Le produit perd finalement de sa vitesse et retombe vers le fond, incurvé versl’intérieur, d’où il est extrait. Une partie du produit est recyclée par une pompecentrifuge vers un échangeur de chaleur, aux fins d’ajustement de la température,puis vers la chambre à vide pour un supplément d’évaporation. Une grande partie duproduit doit être recyclée pour atteindre le niveau de concentration désiré. Le débitdans la chambre à vide est de 4 à 5 fois supérieur au débit d’entrée de l’installation.

Evaporateurs à flot tombantL’évaporateur à flot tombant est le type le plus souvent utilisé dans l’industrie laitière.Dans un évaporateur à flot tombant, le lait est introduit au sommet d’une surfacechauffante disposée verticalement et forme une mince pellicule qui coule vers le basde la surface chauffante. Cette dernière peut être constituée de tubes ou de plaquesen acier inoxydable. Les plaques sont empilées les unes à côté des autres, formantun ensemble avec le produit d’un côté des plaques et la vapeur de l’autre. Si l’onutilise des tubes, le lait forme un film à l’intérieur du tube, qui est entouré de vapeur.Le produit est tout d’abord préchauffé à une température égale ou légèrement


supérieure à la températured’évaporation - voir figure 6.5.4. Ensortie du préchauffeur, le produits’écoule vers le système dedistribution au sommet del’évaporateur. La création d’un videdans l’évaporateur réduit latempérature d’évaporation au niveaudésiré, inférieur à 100°C.

Evaporateur tubulaireLa clé de la réussite, avec desévaporateurs à flot tombant, passepar l’obtention d’une répartitionuniforme du lait sur la surfacechauffante. Il existe de nombreusesfaçons de l’obtenir.

Dans un évaporateur tubulaire,on peut résoudre le problème commesur la figure 6.5.5, en utilisant unebuse de forme spéciale (1) qui répartitle produit sur une plaque dedistribution (2). Le produit estlégèrement surchauffé et se dilatedonc dès qu’il sort de la buse. Unepartie de l’eau est immédiatementvaporisée et la vapeur force le produitcontre l’intérieur des tubes.

Evaporateur à plaquesLa distribution dans un évaporateur à flot tombant à plaques peut être assurée pardeux tubes traversant l’ensemble de plaques. Il existe, pour chaque plaque, côtéproduit, une buse de pulvérisation (n°1 de la figure 6.5.6) qui pulvérise le produit enun mince film uniforme sur toute la surface de la plaque. Le produit entre, dans ce cas,à la température d’évaporation, pour éviter une évaporation-éclair instantanéependant la phase de distribution.

Fig. 6.5.5 Partie supérieure d’unévaporateur à flot tombant.1 Buse d’alimentation en produit2 Plaque de distribution3 Vapeur de chauffage4 Tubes coaxiaux5 Orifices6 Vapeur7 Tubes d’évaporation

2

1

2

3

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5

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Condensat

Vapeur

Sortie du laitconcentré

Fig. 6.5.4 Evaporateur àflot tombant à simple effet.

ProduitVapeurFluide de chauffage


Vapeur dechauffage

1

Entréedu lait

Fig. 6.5.6 Evaporateur à cassette àplaques.

1 Tubes de distribution à buses depulvérisation

2 Séparateur de vapeur


L’eau du mince film de produit s’évapore rapidement lorsque le produit passe surla surface chauffante. Un séparateur de vapeur à cyclone (2) est monté en sortie del’évaporateur. Il sépare la vapeur du liquide concentré.

Le volume de liquide diminue et le volume de vapeur augmente à mesure que laséparation s’effectue. Si le volume de vapeur dépasse l’espace disponible, la vitessede la vapeur augmente, entraînant une perte de charge plus élevée. Ceci exige unedifférence de température supérieure entre la vapeur de chauffage et le produit. Pourl’éviter, il faut augmenter l’espace disponible pour la vapeur à mesure que le volumede vapeur s’accroit.

Pour obtenir des conditions d’évaporation optimales, le film de produit doit avoirà peu près la même épaisseur sur toute la longueur de la surface chauffante. Levolume de liquide disponible diminuant régulièrement à mesure que le produits’écoule vers le bas de la surface chauffante, le périmètre de cette dernière doit êtreréduit pour garder constante l’épaisseur du film. Ces deux conditions sont rempliespar la conception des plaques de l’évaporateur à flot tombant à cassette illustré surla figure 6.5.6. Ce système exclusif permet une évaporation avec des différences detempérature très faibles à basses températures.

Le temps de séjour dans un évaporateur à flot tombant est bref par rapport auxautres types. L’impact thermique sur le produit dépend de la combinaison detempérature et de temps de séjour utilisée dans l’évaporateur. L’utilisation d’unévaporateur à flot tombant opérant à basse température constitue un avantageconsidérable pour la concentration de produits laitiers sensibles au traitementthermique.

Evaporation à multiple effetOn utilise habituellement l’évaporation à multiple effet. En théorie, lorsque deuxévaporateurs sont raccordés en série, le second fonctionne sous un niveau de videsupérieur (et donc à une température inférieure) au premier. La vapeur extraite du

Fig. 6.5.7 Evaporateur à cassette à double effet avecthermocompresseur.1 Thermocompresseur2 Premier effet d’évaporation3 Second effet d’évaporation4 Séparateur de vapeur du premier effet5 Séparateur de vapeur du second effet6 Condenseur à plaques7 Préchauffeur

produit dans le premier effet peut ensuite être utilisée comme fluide de chauffagedans le second, qui fonctionne sous un niveau de vide supérieur (à une températureinférieure). On peut évaporer 1 kg d’eau du produit avec un apport de vapeur primaired’environ 0,6 kg, même en tenant compte des pertes de chaleur.

On peut également raccorder plusieurs évaporateurs en série, pour réduire laconsommation vapeur. Ceci rend le matériel plus coûteux et plus complexe à utiliser.Ce dispositif exige en outre une température plus élevée dans le premier effet et le

1

2 3

A D E4 5

7

6B C

A Premier passage du premier effetB Second passage du premier effetC Premier passage du second effetD Second passage du second effetE Troisième passage du second effet



volume total de produit dans le système augmente avec le nombre d’effets. Ceciconstitue un inconvénient lors du traitement de produits sensibles à la chaleur. Onutilise cependant des évaporateurs atteignant jusqu’à sept effets, dans l’industrielaitière, pour économiser l’énergie.

ThermocompressionLa vapeur extraite du produit peut être comprimée et utilisée comme fluide dechauffage. Ceci améliore le rendement thermique de l’évaporateur. On utilise à cettefin un thermocompresseur.

La figure 6.5.7 montre un évaporateur à double effet équipé d’unthermocompresseur, pour l’évaporation du lait. Une partie de la vapeur issue duséparateur de vapeur est amenée au thermocompresseur, auquel est raccordée dela vapeur haute pression (600 à 1 000 kPa). Le compresseur utilise la pression élevéede la vapeur pour augmenter l’énergie cinétique et la vapeur est éjectée à vitesseélevée par la buse. Ceci mélange la vapeur haute pression et celle du produit etcomprime le mélange à une pression supérieure. Un évaporateur à simple effet avecthermocompresseur est aussi économique qu’un évaporateur à double effet sansthermocompresseur. L’utilisation de la thermocompression conjointement à desévaporateurs à multiple effet optimise le rendement thermique.

Le lait est pompé dans un bac de lancement vers le pasteurisateur, où latempérature est amenée à la température d’ébullition du premier effet. Le lait poursuitsa route jusqu’au premier effet (2) de l’évaporateur, qui est sous un vide correspondantà une température d’ébullition de 60°C. L’eau s’évapore et le lait est concentrélorsque le mince film de lait passe entre les plaques.

Le concentré est séparé de la vapeur dans le cyclone (4) et pompé dans le secondeffet (3). Dans cet effet, le vide est plus poussé, correspondant à une température de50°C.

Après un supplément d’évaporation dans le second effet, le concentré est séparéde la vapeur dans le cyclone (5) et pompé hors du système, en passant par lepréchauffeur (7).

L’injection de vapeur haute pression dans le thermocompresseur (1) augmentela pression de la vapeur extraite du produit dans le second effet. Le mélange vapeurdu produit/vapeur sous pression est alors utilisé comme fluide de chauffage dans lepremier effet (2).

Efficacité de l’évaporationUn évaporateur à flot tombant à deux effets avec thermocompresseur exige environ0,25 kg de vapeur pour évaporer 1 kg d’eau, et un évaporateur à cinq effets environ0,20 kg de vapeur. Sans thermocompresseur, il leur faudrait respectivement à peuprès 0,60 et 0,40 kg de vapeur.

De la nécessité d’une réduction de la consommation sont nés des évaporateursà plus de six effets. La température d’ébullition maximale côté produit est habituellementde 70°C dans le premier effet et de 40°C dans le dernier.

Une différence de température de 40 à 70°C permet de disposer de 30°C pour ledimensionnement de l’installation. Plus le nombre d’effets sera élevé et plus ladifférence de température sera faible dans chaque effet.

La différence de température est également perdue sous forme de perte decharge et d’augmentation du point d’ébullition. Leur somme, dans une unité àmultiple effet, peut correspondre à une différence de température de 5 à 15°C. Ceciexige des surfaces d’échange thermique plus importantes et des investissementssupérieurs. Des surfaces d’échange thermique plus importantes imposent de plusgrandes contraintes au matériel pour répartir efficacement le liquide sur les surfaces.

Une longueur accrue des surfaces d’échange thermique ajoute un autre élémentnégatif : il faut plus longtemps au produit pour franchir la surface d’échangethermique, ce qui allonge son temps de séjour dans l’évaporateur.

Un évaporateur à sept effets avec thermocompresseur permet d’évaporer 12 kgd’eau avec 1 kg de vapeur. La consommation de vapeur spécifique est donc de 0,08.

Des caractéristiques du produit comme la viscosité et la résistance à la chaleurdéterminent jusqu’à quel point peut être poussé le processus de concentration. Lesconcentrations maximales de lait écrémé et de lait entier peuvent respectivementatteindre 48 et 52%.

Un évaporateur à cinq effets avecthermocompresseur exige environ0,20 kg de vapeur pour évaporer1kg d’eau.


Si du concentré à teneur en extrait sec plus élevée s’impose, l’évaporateur devraavoir un effet de finition (épaississant).

Compression mécanique de la vapeurA la différence du thermocompresseur, un système de compression mécanique dela vapeur soutire toute la vapeur de l’évaporateur et la comprime avant de la ramenerà ce dernier.

L’augmentation de pression est assurée par l’énergie mécanique entraînant lecompresseur. Aucune énergie thermique n’est fournie à l’évaporateur (excepté lavapeur de pasteurisation dans le premier effet). Il n’y a pas de vapeur excédentaireà comprimer.

Dans la compression mécanique de la vapeur, tout le volume de vapeur circuledans l’installation. Ceci permet un niveau de récupération de chaleur élevé.

La figure 6.5.8 illustre une installation à triple effet à compression mécanique dela vapeur. La vapeur comprimée est ramenée du compresseur (3) au premier effet(4), pour chauffer le produit. La vapeur extraite du premier effet est alors utilisée pourchauffer le second effet, la vapeur amenant le produit à ébullition dans le second effetpour chauffer le troisième etc.

Le compresseur augmente la pression de la vapeur de 20 à 32 kPa, faisant passerla température de condensation de 60 à 71°C.

Une température de condensation de 71°C ne suffit pas à pasteuriser le produitdans le premier effet. On monte donc un thermocompresseur (1) avant le premiereffet, pour élever la température de condensation au niveau désiré.

Après séparation de la vapeur dans le troisième effet, la vapeur poursuit sa routejusqu’à un petit condenseur, où est extrait le surplus de la vapeur injectée. Lecondenseur contrôle également la répartition de chaleur dans l’évaporateur.

La compression mécanique de la vapeur permet d’évaporer 100 à 125 kg d’eauavec 1 kW. L’utilisation d’un évaporateur à triple effet avec compression mécaniquede la vapeur peut réduire de moitié les coûts d’exploitation, par rapport à uneinstallation à sept effets avec thermocompresseur.

Des ventilateurs à haute vitesse constituent une autre forme de compressionmécanique. On les utilise de manière identique aux compresseurs de vapeurthermiques, ou lorsque l’augmentation de température requise ne dépasse pasquelques degrés.

1 Thermocompresseur2 Pompe à vide3 Compresseur de vapeur mécanique4 Premier effet5 Deuxième effet

6 Troisième effet7 Séparateur de vapeur8 Réchauffeur de produit9 Condenseur à plaques

Fig. 6.5.8 Evaporateur à triple effet avec compression mécanique de la vapeur

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ProduitVapeurCondensatFluide de chauffage

9

2

Injection de condensat

Produitconcentré

Alimentationen produit

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4

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3

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