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Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 9 Évaporation.

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1 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 9 Évaporation

2 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Références Unit Operations of Chemical Engineering par W.L. McCabe, J.C. Smith et P. Harriott (7 ième édition) Chapitre 16

3 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporation La vapeur dune solution à ébullition est envlevée Un solution plus concentrée demeure Dans la plupart des cas: – Évaporation fait référence à enlever leau dune solution aqueuse

4 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Exemples dutilisation Concentration de solutions aqueuses: – Sucre, sel (NaCl), NaOH, glycerol, colles, lait – Habituellement le but: Solution concentrée Leau na pas de valeur dans un tel processus Parfois lévaporation a pour but: – Concentrer la solution – Provoquer la précipitation de cristaux

5 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteurs essentiels Quand nous voulons concevoir un évaporateur il est essentiel de sattarder: – Propriétés physiques et chimiques de la solution à concentrer – Propriétés physiques et chimiques de la vapeur à enlever Nous avons 6 facteurs de transformation

6 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteur 1 Concentration dans le liquide Habituellement lalimentation de lévaporateur: – Diluée – Faible viscosité – Haut coefficient de transfert de chaleur Lors de lévaporation: – Concentration de la solution – Augmentation de la viscosité – Diminution du coefficient de transfert de chaleur

7 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteur 2 Solubilité 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 quon peut obtenir par évaporation – Peut entraîner des problèmes évidents

8 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

9 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteur 3 Sensibilité 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

10 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteur 4 Moussage et écumage Quand on emploie certain type de solutions: – Solutions basiques – Aliments en solution (lait écrémé) – Acide gras On observe la formation dune mousse ou dune écume Ceci peut entraîner des pertes par entraînement

11 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) La point débullition du liquide est relié à la pression du système Plus la pression est haute et plus la température débullition sera elle aussi haute Si la concentration de lélément en solution augmente: – Nécessairement le point débullition pourra aussi augmenter Facteur 5 Pression et température

12 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Certains matériaux forment des dépôts solide à la surface des éléments chauffants – Ces dépôts portent le nom décailles Peuvent être formés – Produits de décomposition – Diminution de la solubilité Effets: – Lévaporateur doit être nettoyé Facteur 6 Déposition décailles et matériaux de construction

13 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Types dévaporateurs 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 deau Nous désignons 8 familles dévaporateurs

14 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Bouilloire ou cuve ouverte Plus simple système pour lévaporation 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 léconomie dE

15 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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 h o

16 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tubes horizontal à circulation naturelle

17 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tubes verticaux à circulation naturelle Dans ce type dévaporateur: – Tubes verticaux plutôt que horizontaux Le liquide: – Passe à lintérieur des tubes La vapeur: – Condense à lextérieur des tubes Ce type dévaporateur porte souvent le nom dévaporateur à tubes court

18 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tubes verticaux à circulation naturelle

19 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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

20 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Long tubes verticaux

21 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur à film tombant Variation de lévaporateur à long tube Le liquide est inséré au sommet de lévaporateur, descend le long des murs en film Utilisé pour condenser des substances sensibles à la chaleur Temps de rétention faible (5-10s)

22 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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 laide dune pompe Peut être fait avec les évaporateurs à long tube Évaporateur très utile pour des liquides visqueux

23 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur à film agité La plus grande résistance dans lévaporateur se fait du côté du liquide Une façon de contrer ceci: – Augmenter la turbulence dans le film On modifie lévaporateur: – Tube double parois – Avec agitateur interne Fluide entre par le haut Utilisé pour les fluides très visqueux

24 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur solaire Utilisé depuis très longtemps On place le liquide dans une récipient Et on le laisse évaporer sous leffet du soleil Utilisé encore de nos jours: – Production de sel – Avec eau de mer

25 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Méthode dopération Évaporation à effet unique:

26 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficient généralisé Dans le cas des évaporateurs on sen remet au coefficient de transfert de chaleur généralisé Les évaporateur à effet simple sont employés quand la capacité dopération requise est faible Aussi employé lorsque le coût de la vapeur est faible Ne sont pas les situations les plus économiques en énergie

27 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur à effet multiple Alimentation vers lavant Évaporateur à effet unique: – Pas très efficace énergétiquement La vapeur générée nest pas réutilisée Elle est éliminée Dans le cas dun évaporateur multiple: – On réutilise cette énergie

28 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur triple effet

29 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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

30 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur à effet multiple Alimentation vers larrière Lentrée de la solution de fait à larrière Progresse vers lavant Avantageux pour les liquides froid Plus coûteux car requiert des pompes Aussi utilisé pour liquides très visqueux

31 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

32 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur à effet multiple Alimentation en parallèle Implique linsertion et lenlèvement 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 lévaporation de saumure pour isoler les sels

33 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) U dans les évaporateurs Comprend: – Condensation de la vapeur (env W/m 2 *K) – Parois métallique (haute valeur de k) – La résistance des écailles – Le coefficient du film de liquide (dans les tubes) Lestimation du coefficient de la vapeur: – Équations du chapitre 7

34 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Formation décailles La formation décailles 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 décailles Avantage certain des évaporateurs à circulation forcée

35 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Valeurs représentatives

36 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Méthodes de calculs Léquation 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

37 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

38 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Ainsi En assumant que Ts reste contant pour la vapeur deau et le condensat: – Ceci implique que la vapeur deau ne donne que sa chaleur latente de vaporisation λ Comme la vapeur est à léquilibre avec le liquide, leur température peut être dite constante:

39 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Ensuite Si on considère: Chaleur à lentrée +chaleur dans la vapeur deau = chaleur dans le liquide concentré + chaleur dans la vapeur + chaleur dans la vapeur deau condensée – Si on assume aucune perte de chaleur par convection ou radiation:

40 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Si on simplifie Si on assume toujours que nous navons pas de pertes par convection ou par radiation

41 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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 dénergie

42 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Transfert de chaleur – évaporateur simple: Un évaporateur simple fonctionnant en continu sert à concentrer 9072 kg/h dune solution de sel à 1.0 % (masse) qui entre à 311 K (37.8 o C) à une concentration finale de 1.5 % (masse). Lespace ou se retrouve la vapeur dans lévaporateur est à kPa et la vapeur deau est saturée à kPA. Le coefficient généralisé de transfert de chaleur est de 1704 W/m 2 *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 débullition que leau en raison du fait que cest une solution diluée.

43 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Variables de procédé Effet de la température à lentrée La température dentrée a un effet notoire sur la opérations de lévaporateur Dans lexemple précédent le liquide entre froid et une grande quantité de vapeur deau est employée pour le réchauffer Au total, ¼ de la vapeur a été utilisée pour chauffer le liquide, ¾ pour la vaporisation du liquide

44 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Variables de procédé Effet de la pression Dans lexemple du problème: – Pression de 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

45 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Variables de procédé Effet de la pression de la vapeur deau Quand on augmente la pression de la vapeur deau: Pousse à une augmentation du ΔT également Permet de réduire la taille de lévaporateur Éventuellement aussi les coûts Toutefois: – Vapeur deau à haute pression peut parfois savérer très couteuse

46 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Augmentation du point débullition Dans la plupart des cas: – Solutions ne sont pas diluées – Les solutions peuvent différer significativement de leau Différence de capacité calorifique et point débullition Pour des solution riches en sels: – Augmentation du point débullition est difficile à prédire

47 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Loi de Dühring

48 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Utilisation de léquation de Dühring: La pression dans un évaporateur est de 25.6 kPa et une solution contenant 30% est amenée à ébullition. Déterminez la température débullition de la solution de NaOH et la montée du point débullition par rapport à la température débullition de leau dans des conditions identiques.

49 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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 leau – On remarque une augmentation de température – Ceci porte le nom de chaleur de solution

50 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

51 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Évaporation dune solution de NaOH: Un évaporateur est employé pour concentrer 4536 kg/h dune solution de NaOH à 20% entrant à 60 o C pour produire une solution à 50%. La pression de la vapeur saturée utilisée est de kPa et la pression dans lespace libre (de vapeur) dans lévaporateur est 11.7 kPa. Le coefficient de transfert de chaleur généralisé est de lordre de 1560 W/m 2 *K. Calculez la vapeur deau utilisée, léconomie de vapeur en kg vaporisé p/r à la vapeur deau utilisée et la surface de chauffage en m 2.

52 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateurs à effets multiples Chaque partie de lévaporateur multiple est considéré comme un évaporateur simple Le premier chauffage nous vient de la vapeur deau Les autres de la vapeur de la solution qui condense Pou optimiser, certaines parties doivent être sous vide

53 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tombée en température Le taux de transfert de chaleur dans la première partie de lévaporateur multiple: Ainsi: Et donc:

54 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tombée en température Pour des raisons pratiques A 1 =A 2 =A 3 Alors: ΣΔT:

55 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Tombée en température Dans un évaporateur à effet multiple les valeurs de ΔT sont approximativement inversement proportionnelles à U Ainsi:

56 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Capacité On estime la valeur de q (taux déchange de chaleur total de notre système) En assumant que A et U sont semblables Se compare à un évaporateur simple

57 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Calculs Ce que nous devons habituellement chercher: – Aire de la surface de chauffage – Le nombre de kg de vapeur deau 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 lévaporateur – Propriétés physiques des liquides et vapeurs – Coefficient de transfert de chaleur généralisé

58 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur multiple – approche 1.De la concentration et pression à la sortie: – Déterminer le point débullition dans la dernière partie 2.Faire un bilan de matériel pour connaître la quantité de vapeur et ainsi trouver L 1, L 2 et L 3 3.Évaluer les tombées de température 4.En utilisant le bilan de chaleur et matériel calculer la quantité vaporisée et le débit de liquide dans chaque station

59 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporateur multiple – approche 5.Calculer la valeur de q pour chaque station, calculer la valeur de A puis de A m 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 létape 4, calculer la nouveau bilan de masse de solides 7.Calculer de nouvelles valeur de ΔT (ΔT) 8.Répéter les calculs au point 4

60 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Évaporation dune 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 jusquà une concentration de 50%. La montée du point débullition de la solution (indépendant de la pression) peut être estimée de léquation MPE=1.78x x 2 où x représente la fraction massique de sucre dans la solution. De la vapeur saturée à kPa (121.1 o C) est employée. La pression dans la partie destinée à la vapeur de la troisième station est de 13.4 kPa. Le débit est de kg/h à 26.7 o C. La capacité calorifique de la solution liquide est de cp= x kJ/kg*K. La chaleur de la solution est considérée comme étant négligeable. Le coefficient de transfert de chaleur a été estimé à U 1 =3121, U 2 =1987 et U 3 =1136 W/m 2 *K. Si chacune des stations a la même surface, calculez laire, le débit massique de vapeur et léconomie de vapeur.

61 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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

62 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Condensateur de surface Quand on ne peut mélanger le condensat avec de la vapeur deau Habituellement coquille et tubes Présence de non-condensables dans lécoulement Ces types de condensateurs: – Plus cher – Pas employés si alternative

63 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) 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 deau Habituellement de lordre de 10m de haut

64 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

65 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Évaporation :produits biologiques Fluides habituellement très sensibles Contiennent de fines particules Appareils doivent pouvoir être stérilisés facilement Types dévaporateurs: – Lait condensé: Vertical à long tubes – Jus de fruits: Film tombant – Gélatines, antibiotiques: Film agité – Produits pharmaceutiques: En cycles avec pompes

66 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problèmes supplémentaires Problèmes 16.1 (McCabe p.516) a) kg/h, 0.925, 56.4m 2 b)18831 kg/h, 0.873, 59.7m 2 c)16356 kg/h, 1.005, 51.9m 2 Problèmes 16.2 (McCabe p.516) 247 m 2 et kg/h Problème 16.5 (McCabe p.517) a)75320 lb/h b)3041 ft 2 c)2.23 d) Btu/h

67 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres problèmes

68 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 9Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Autres problèmes


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