Appareillages
Appareils à grimpage (ou film grimpant)
Évaporateurs à flot grimpant
Le corps de chauffe de ces appareils est tubulaire et disposé verticalement.
Le produit à traiter circule à l'intérieur des tubes chauffés extérieurement suivant un mouvement ascendant.
Circulation naturelle
Ces appareils peuvent fonctionner en circulation naturelle ou circulation forcée.
L'ébullition du produit commence dans la partie inférieure du corps de chauffe. La force ascensionnelle des bulles de vapeur entraîne le liquide le long des tubes où l'ébullition se poursuit.
La séparation liquide-vapeur, favorisée par un mouvement centrifuge du produit, a lieu dans une partie supérieure de l'évaporateur.
Une partie du concentrat est alors recyclée vers la partie inférieure.
Ces évaporateurs présentent la particularité de nécessité des écarts de températures entre la vapeur de chauffe et le produits élevés, à cela deux raisons :
la circulation du produit par convection nécessite un gradient de température suffisant entre vapeur et produit.
la pression hydrostatique de la colonne de liquide dans les tubes occasionne un ΔT supplémentaire.
Ce ΔT à pour inconvénient de limiter le nombre d'effets de ces évaporateurs.
Circulation forcée
Certains produits ne peuvent être traités dans un évaporateur à circulation naturelle: les produits de masses volumiques élevées ou à hautes viscosités. Les produits corrosifs ou tendant à incruster ne doivent pas bouillir dans le corps de chauffe.
Pour tous ces produits, on utilise des évaporateurs à circulation forcée, c'est à dire assurée par une pompe centrifuge ou à hélices.
Le liquide est surchauffé dans le corps de chauffe qui n'est pas forcément tubulaire.
On maintient dans le corps de chauffe une pression hydrostatique suffisante pour que l'ébullition ne puisse avoir lieu à ce niveau.
L'évaporation se produit ensuite par détente dans le séparateur appelé détendeur et le produit refroidit à la température correspondante à la pression de vapeur saturante régnant dans le détendeur.
Le principal avantage de ce genre d'évaporateurs est que la circulation du liquide dans l'appareil ne dépend plus du ΔT, ce qui entraîne les conséquences suivantes :
plus grande souplesse dans la détermination des surfaces de chauffe.
plus grande souplesse dans la conception des corps de chauffe qui ne sont plus forcément verticaux.
En contrepartie, la circulation forcée comporte les inconvénients suivants :
plus grande consommation d'énergie en raison de la pompe de circulation.
moins bonne souplesse de fonctionnement en raison d'un volume mort important.
recirculation du liquide dans le corps de chauffe. Ce qui signifie temps de séjour important, donc ne convient pas aux produits fragiles.
Appareils à films tombant
Évaporateurs à flot tombant ou film descendant :
Leur principal progrès par rapport aux appareils à flot grimpant réside dans une amélioration du transfert thermique grâce à de meilleures conditions d'écoulement du liquide.
Le corps de chauffe est vertical et de type tubulaire, le liquide entre par le haut de l'appareil et s'écoule gravitairement en formant des films contre les parois internes des tubes.
Le principal problème technique inhérent à ce genre d'appareil est l'écoulement uniforme du liquide le long des tubes. Il est indispensable que toute la surface de chauffe soit en permanence en contact avec le produit faute de quoi, il risque d'y avoir à l'endroit qui a été découvert une surconcentration donnant lieu à une incrustation. Il faut donc que le « mouillage » soit correct.
Cette notion de mouillage, introduite par les constructeurs pour caractériser l'aptitude du produit à recouvrir toute la surface de chauffe, correspond au débit d'alimentation de l'évaporateur, rapporté au périmètre total des sections des tubes chauffants.
Il est clair qu'à surface de chauffe égale, on obtiendra un meilleur mouillage en diminuant le nombre de tubes et en augmentant la hauteur. Ceci explique la hauteur impressionnante de ces évaporateurs: 8 m et plus. Le flot tombant apporte essentiellement les deux avantages suivants :
bon coefficient de transfert thermique, ce qui signifie un temps de séjour court, donc meilleure qualité du concentrat, et un faible ΔT, donc économie d'énergie et possibilité de multiplier le nombre d'effets.
faible volume de liquide, donc souplesse de fonctionnement, avec mise en service et arrêt rapide.
On peut cependant reprocher à ces appareils leur encombrement important surtout dans le sens vertical et leur difficulté de démontage et d'entretien.
Évaporateurs rotatifs ou à couches minces
Il existe plusieurs variantes de ces appareils dont la principale raison d'être est l'établissement d'un excellent coefficient de transfert thermique.
Le corps de chauffe est constitué par un manchon cylindrique vertical. Le produit entrant par la partie supérieure de l'appareil est projeté par un rotor à pales contre la paroi interne sous forme d'un film à grande turbulence.
Le liquide coule par gravité vers le bas et subit une évaporation intense. Les vapeurs montent à contre-courant et traversent le séparateur. Les gouttelettes sont projetées par le rotor contre les chicanes fixes et retombent dans la zone d'évaporation.
Ces appareils rotatifs sont particulièrement aptes au traitement des produits thermosensibles en raison de leurs coefficients d'échange thermique remarquables, et tolèrent des viscosités élevées grâce à l'action centrifuge du rotor. Les temps de séjour des produits sont très courts (moins d'une seconde). De plus, la capacité évaporatoire de ces appareils étant élevée par unité de surface de chauffe, ceux-ci sont compacts et facilement accessibles.
En contrepartie, la présence d'un élément mécanique, le rotor, entraîne les inconvénients suivants :
consommation d'énergie mécanique assez considérable.
fiabilité moins bonne: les risques d'arrêts sont plus importants dans le cas des évaporateurs rotatifs, d'autant plus que les paliers des rotors sont fragiles.
D'autre part, ces appareils sont généralement conçus pour fonctionner à un seul effet, d'où une consommation de vapeur élevée.
En raison de leur coût de fonctionnement et d'investissement, les évaporateurs rotatifs ne se justifient que pour le traitement des produits fragiles à valeur marchande suffisante.
Cuves simple
Évaporateur ordinaire fonctionnant sous vide
Appareils d'évaporation et domaine d'utilisation
Évaporateur à longs tubes verticaux : lait
Évaporateur à film tombant: jus de fruits
Évaporateurs à films agité: Latex, gélatine, antibiotiques,
