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La concentration des liquides est une opération unitaire largement répandue dans les procédés des industries agroalimentaire, chimique et papetière. Elle se déroule la plupart du temps dans des évaporateurs de taille importante, dont la capacité évaporatoire est comprise entre 5 et 100 t/h. Les matériels installés sont généralement définis au cas par cas, sur le principe d'évaporateurs à simple ou à multiple effet, avec thermocompression ou compression mécanique de vapeur (CMV). Au-dessous d'une capacité évaporatoire de 5 t/h, les besoins sont plus diffus. Ils concernent, pour une faible part, les procédés des industries mentionnées ci-dessus ainsi que la production d'eau distillée et le dessalement de l'eau de mer, mais surtout, et de plus en plus, le traitement des effluents dans tout type d'industrie. Ainsi, sont plus particulièrement concernées les industries des métaux (traitement de surface, mécanique ... ), de l'agro-alimentaire, des matériels électriques et électroniques, de la chimie fine et du textile. L'offre en concentrateurs de petite capacité évaporatoire concerne soit des matériels sur mesure soit, comme c'est de plus en plus le cas pour le traitement des effluents liquides, des matériels standard figurant au catalogue des constructeurs. Dans cet article, on présente un panorama des besoins des industriels en matériel de concentration de petite capacité, ainsi que l'offre des constructeurs pour des matériels ne faisant appel qu'à l'énergie électrique. Plusieurs cas concrets de réalisation sont exposés.
Concentrer une solution aqueuse est une opération unitaire qui consiste à éliminer une partie plus ou moins importante de l'eau qu'elle contient par évaporation ou ébullition sous une pression donnée, d'où le nom donné à cette opération de concentration par évaporation. Les appareils utilisés sont appelés le plus souvent évaporateurs et parfois concentrateurs.
Des opérations de concentration à petite capacité se rencontrent principalement dans l'industrie agroalimentaire, en particulier pour la concentration de jus de fruits (tomate, raisin ... ) et dans la chimie fine. La concentration des liquides n'est alors qu'une étape dans un ensemble de procédés (chimie) ou une opération destinée à permettre leur conservation dans le temps et à limiter leur volume en vue d'un stockage (agroalimentaire). En raison de la taille croissante des sites de l'industrie agroalimentaire, les besoins en petite capacité évaporatoire sont de plus en plus rares. Dans l'industrie de la chimie fine on constate que les réacteurs chimiques satisfont très souvent à la fois aux besoins de réaction et de concentration.
Les raisons qui conduisent dès à présent les industriels à envisager la concentration de leurs effluents liquides sont au nombre de quatre :
La concentration des effluents liquides peut s'opérer soit au moyen d'évaporateurs, soit au moyen de techniques membranaires (osmose inverse, ultrafiltration). Cet article traite le cas de la concentration par évaporation. Les principales applications, réelles ou potentielles, de la concentration d'effluents liquides par évaporation de petite capacité sont les suivantes. INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE
Les besoins de concentration d'effluents avec petite capacité évaporatoire se rencontrent principalement dans l'industrie de la viande, en conserverie dans les caves vinicoles. INDUSTRIE TEXTILE Plusieurs unités de grosse capacité sont actuellement en service pour la concentration des eaux de lavage de laine. Les applications potentielles de concentrateurs de petite capacité évaporatoire concernent les effluents des ateliers d'ennoblissement (teinture, apprêt ... ). INDUSTRIE CHIMIQUE Les effluents de l'industrie de la chimie fine et de la pharmacie sont de nature très variée. Les possibilités de concentration y sont à examiner au cas par cas. Néanmoins, des traitements à la source devraient se développer et créer une demande plus importante en concentration par évaporation. INDUSTRIE DE LA MÉCANIQUE ET DU TRAITEMENT DE SURFACE La charge polluante des effluents de l'industrie mécanique et du traitement de surface est, dans certains cas, de nature organique. Dans d'autres, elle est de nature minérale, ou minérale et organique. Lorsqu'elle est de nature minérale, la pollution a souvent trait à des produits toxiques, irritants ou dangereux. C'est la raison pour laquelle l'industrie de la mécanique et du traitement de surface est considérée comme l'une des plus polluantes, à l'origine d'environ 30% de la pollution toxique des eaux de surface. Mais comme nous le verrons plus loin, des solutions de dépollution existent qui satisfont aux normes de rejets en vigueur. La pollution des effluents concerne les rejets des bains de traitement des pièces métalliques et les eaux de rinçage. Son origine est double :
La lutte contre la pollution dans l'industrie de la mécanique et du traitement de surface fait l'objet d'une réglementation sévère, suite à différents arrêtés dont les spécifications sont les suivantes :
On peut prévoir que les normes iront en se durcissant. Une des solutions visant à satisfaire à ces normes de rejets consiste à concentrer les effluents par évaporation sous vide (certains constituants des bains sont thermosensibles). Le concentré obtenu est destiné soit à subir un traitement complémentaire (électrolyse ... ) de manière à récupérer le métal dissous et à le recycler, soit à être évacué vers un centre de traitement spécialisé sous un volume réduit. Les condensats de l'évaporation, eux, peuvent être rejetés dans l'environnement ou recyclés. Les principales applications de la concentration par évaporation à petite capacité concernent principalement les ateliers de cadmiage, chromage, laitonnage, zingage, étamage, argenture.
L'offre d'évaporateurs d'une capacité inférieure à 5 t/h se limite à ce jour à trois types d'appareils :
Les évaporateurs à petite capacité de conception classique fonctionnent selon le même principe que ceux de grande capacité; leur potentiel évaporatoire est compris entre 0,05 et 5 t/h ; ils sont à flot tombant ou à circulation forcée. Leur chauffage peut être assuré, soit en simple ou en multiple effet, par la vapeur de chaufferie, avec ou sans thermocompression, soit avec CMV. Parmi les utilisateurs d'évaporateurs de conception classique et de petite capacité évaporatoire fonctionnant avec CMV, on peut citer les Établissements Toupnot, à Lourdes (65), la Société Viver, à Port Sainte Marie (47) et Alcatel, à Coutances (50).
L'évaporateur installé aux Établissements Toupnot est représenté ci-dessus. Il est destiné à la concentration de jus de cuisson de viande, il comporte deux sections dans un seul corps et fonctionne à flot tombant. Sa capacité évaporatoire est égale à 3,2 t/h pour du jus concentré de 2% à 60 % de matière sèche. Un finisseur chauffé à la vapeur de chaufferie permet de porter le concentré à 80 % de matière sèche. L'évaporateur fonctionne avec CMV, il est équipé d'une soufflante permettant de porter l'ensemble des buées produites de 75 °C à 80 °C. Une partie des buées à 80 °C est récupérée par un thermocompresseur pour chauffer le deuxième passage dans lequel le jus, fortement concentré, présente un retard à l'ébullition non négligeable. La soufflante est entraînée en accouplement direct par un moteur à vitesse variable dont la puissance électrique absorbée est égale à 42 kW pour 3,2 t/h de buées comprimées. Les ratios de consommation énergétique de l'ensemble de l'unité de concentration (évaporateur + finisseur) sont les suivants :
La puissance électrique moyenne appelée par le surpresseur est égale à 45 kW, mais cette puissance peut être ajustée, en fonction du débit d'eau qu'on souhaite évaporer, grâce à un entraînement par moteur à vitesse variable. Le ratio de consommation électrique moyen de l'unité de concentration est égal à 35 kWh/m3 d'effluent traité. Le ratio de coût énergétique correspondant est de l'ordre de 14 F/m3 traité. Parallèlement, la DCO des condensats est faible : elle est de l'ordre de 0,6 à 1 g/l, ce qui autorise son recyclage partiel vers le process. Parmi les fournisseurs d'évaporateurs classiques de petite capacité évaporatoire, en plus des constructeurs mentionnés ci-dessus, on peut citer sans que cette liste soit exhaustive : NiroFrance, Niro-Kestner, APV, Rossi et Catelli, Favier division Setrem, Serit, Evatex, Stord, TGE, Landry, EPS,Fenco... Parmi les fournisseurs de compresseurs ou de soufflantes, on peut indiquer notamment : Hibon (Roots), Piller, Schiele, MPR; (soufflantes)... Les principales applications des appareils de ces constructeurs concernent avant tout l'industrie agroalimentaire, l'industrie chimique, ainsi que les industries papetière et textile. Ils sont utilisés pour la concentration de liquides en cours de process ou pour la concentration d'effluents.
Ci-dessous, sont présentés les évaporateurs de petite capacité, chauffés à la vapeur ou équipés de CMV, de conception autre qu'à flot tombant, à grimpage/descendage ou à circulation forcée. On distingue:
Les évaporateurs à tubes échangeurs horizontaux : ces appareils ne sont utilisables que pour la concentration de produits présentant un minimum de risques d'encrassement. Les concentrateurs à tubes échangeurs horizontaux ont pour particularité de faire circuler la vapeur de chauffage à l'intérieur des tubes et le liquide à concentrer à l'extérieur de ces tubes. Parmi les avantages de ce concept, il faut noter que, grâce à une bonne turbulence du liquide à concentrer autour des tubes, le coefficient de transfert de chaleur est important; il en découle une surface d'échange réduite et un encombrement limité. De plus, en raison de l'évaporation à l'extérieur des tubes, le volume massique des buées produites n'est pas un facteur limitant ; cela rend possible une large gamme de températures d'évaporation, de 20°C à plus de 100 °C.
Comme exemple de réalisation d'une unité d'évaporation à tubes horizontaux équipée de CMV (cf. figure ci-dessus), citons l'usine de la Société Knipping Gmbh à Kierspe près de Düsseldorf. Cette usine réalise le chromage et le zingage de petites pièces pour l'industrie automobile. Afin de pouvoir recycler intégralement l'eau qu'elle utilise pour le rinçage de ses pièces, l'usine dispose de petits évaporateurs dont un évaporateur Entropie avec CMV qui régénère l'eau de rinçage à partir de rinçages morts. L'évaporateur est équipé d'un compresseur volumétrique de type Roots, qui permet de concentrer la saumure sortant du traitement physico-chimique auquel sont soumis les bains morts. Sa capacité évaporatoire est égale à 1 t/h, la solution à régénérer est concentrée de 7 à 220 g/l de chlorure de sodium (NaCl). Les condensats sont recyclés dans les bains morts. La saumure concentrée est cristallisée. La consommation énergétique spécifique de la CMV est égale à 60 kWh/t d'eau évaporée, pour une température d'évaporation de 80 OC. Autres évaporateurs :
Le constructeur Manesmann Demag est le seul à proposer des évaporateurs de petite capacité évaporatoire équipés en série de CmV. Les appareils proposés ont une capacité évaporatoire comprise entre 30 et 600 l/h, et une structure cylindrique horizontale renfermant un faisceau échangeur tubulaire. Ce faisceau est noyé dans la solution à concentrer. Un séparateur de buées est disposé dans la partie haute du cylindre. Les buées sont comprimées par un surpresseur Roots qui assure, de plus, la mise sous vide de l'installation. Un échangeur tubulaire assure la récupération d'énergie sur les condensats, pour le réchauffage de la solution entrante. Les puissances électriques absorbées annoncées par le constructeur sont de 3,2 kW et de 8 kW pour des appareils traitant respectivement 35 et 100 l/h d'eaux usées. Un tel appareil est facilement transportable, et fonctionne en continu, sans surveillance, car il est entièrement automatisé; de plus, il est raccordé électriquement en courant alternatif triphasé 380 V. Ses principales applications sont les effluents de l'industrie du traitement de surface des métaux et les solvants pollués.
Les évaporateurs de petite capacité évaporatoire équipés d'une pompe à chaleur ont été développés pour répondre aux besoins de l'industrie du traitement de surface relatifs à la concentration des effluents liquides. Ces effluents sont destinés à être valorisés ou recyclés. C'est la raison pour laquelle leur contenu, thermosensible (sels, ions métalliques, huiles, acides, bases, adjuvants de dégraissage ... ), ne doit pas subir de dégradation sous l'effet de la chaleur. Il est dès lors indispensable de leur faire subir tous les traitements, dont la concentration, à basse température. En raison de la taille importante des concentrateurs qui serait nécessitée par un chauffage à la vapeur à basse température, un bon compromis relatif à la taille et à la consommation énergétique spécifique a consisté à adapter une pompe à chaleur sur les évaporateurs de petite capacité fonctionnant sous vide. Le schéma d'un évaporateur sous vide équipé d'une pompe à chaleur est représenté sur la figure ci-dessous.
L'évaporateur comprend une cuve hermétique, généralement en acier inoxydable. Dans la partie basse de la cuve, on introduit l'effluent à concentrer, de manière que son niveau noie en permanence le serpentin constituant le condenseur de la pompe à chaleur. L'énergie thermique cédée par la condensation du fluide frigorigène permet de maintenir l'effluent à ébullition. Les buées produites par l'ébullition sont évacuées dans la partie haute, vers la périphérie de la cuve où se trouve disposé un serpentin constituant l'évaporateur de la pompe à chaleur et un séparateur de gouttelettes. L'énergie thermique fournie par la condensation de ces buées permet d'évaporer le fluide frigorigène dans l'évaporateur de la pompe à chaleur. Un dispositif de pompe à jet d'eau permet d'assurer la mise sous vide et l'évacuation des condensats destinés à être recyclés.
L'activité de Sten concerne essentiellement le traitement de surface de pièces destinées à l'industrie aéronautique. Pour le traitement des effluents, deux concentrateurs sous vide avec pompe à chaleur ont été installés en 1993 sur une ligne de cadmiage "zéro rejet". Le premier concentrateur, de type ECO 2700, a pour rôle de concentrer des éluats et des concentrés acidochromiques ainsi que des éluats et des concentrés cyanurés acides ou alcalins. Sa capacité évaporatoire est égale à 2700 l/j (110 l/h) pour de l'eau pure et sa puissance électrique installée est égale à 22 kW. Les concentrés obtenus sont soumis à une électrolyse dans laquelle le cadmium est récupéré aux électrodes. Les effluents liquides issus de l'électrolyse subissent respectivement une déchromatation et une décyanuration; ils sont filtrés et concentrés après mélange, dans un second concentrateur dont la capacité évaporatoire est égale à 250 l/j tandis que la puissance électrique installée est égale à 10 kW. Le produit final que l'on extrait de cet appareil est une poudre de sels. Les condensats extraits des deux concentrateurs sont recyclés. Une campagne de mesures effectuée pendant trois semaines sur le plus gros concentrateur a donné les résultats suivants :
L'activité de Rabourdin Industrie concerne la production d'éléments normalisés pour des moules de plasturgie et de petites pièces pour l'industrie automobile et aéronautique. L'implantation de l'entreprise sur le site de Bussy Saint-Georges a nécessité de prévoir la suppression de tout rejet d'effluents liquides. Ces effluents liquides sont issus des eaux usées de machines à laver, des eaux de lavage de sols chargées d'huiles solubles ainsi que de la vidange périodique de la centrale de traitement des huiles solubles. Dans le traitement de ces effluents, un concentrateur sous vide avec pompe à chaleur a les qualités suivantes :
Les condensats, récupérés dans une cuve, sont recyclés comme eau de lavage. Le concentré, récupéré dans une cuve, est évacué périodiquement vers un centre de traitement spécialisé. Une campagne de mesures effectuée pendant trois semaines a fourni les résultats suivants :
Les débits de vapeur comprimée varient de 0,2 et 3,2 t/h. Les écarts de température saturante entre la vapeur aspirée et la vapeur refoulée peuvent atteindre 5 °C. Parmi les développements en cours pour ces petites soufflantes, certains s'appliquent à des concentrateurs de capacité évaporatoire comprise entre 200 et 700 l/h, pour le traitement de liquides à faible retard à l'ébullition. La principale application visée est celle du traitement d'effluents, en particulier dans l'industrie mécanique pour le traitement de surface des pièces métalliques. Une soufflante de ce type a été couplée avec succès, par la Direction des Études et Recherches d'EDF, sur un concentrateur de capacité évaporatoire de 500 l/h. Ce prototype est actuellement en service sur site industriel. Grâce à son automatisation, il fonctionne de manière autonome et sans présence humaine. La consommation énergétique spécifique totale est égale à 20 kWh/t d'eau évaporée (soit 12 kWh/t d'eau évaporée pour la soufflante).
Le principal marché visé par les concentrateurs de petite capacité évaporatoire est celui de la concentration d'effluents. Mais ces concentrateurs peuvent également être utilisés pour la concentration de liquides en cours de process. La réglementation concernant les rejets liquides dans l'environnement est de plus en plus contraignante pour les industriels. Ces rejets, notamment lorsque la nature de leur charge est minérale, ou minérale et organique, ne sont pas admis dans les stations d'épuration conventionnelles. Ils doivent donc être dirigés vers des centres de traitement agréés, à défaut d'être valorisés sur place. Le coût du traitement dans les centres agréés varie entre 700 et 2500 F/t. Il convient donc, afin de réduire les coûts de transport vers ces centres ainsi que les coûts de traitement, de les concentrer à la source. La concentration à la source, par évaporation avec pompe à chaleur ou CMV, avec petite ou grande capacité évaporatoire, apparaît donc comme une bonne solution, car elle présente les avantages suivants :
Alain GAUTHIER Jean-Louis PEUREUX
T.FROMENT LES CAHIERS DE L'INNOVATION, Réf: NOV, 232 EDF INDUSTRIE Fiche réalisation numéro 1.42.2,0714 Fiche réalisation numéro 1.44.2.0015 Fiche réalisation numéro 1. 42.2.0315
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BESOINS DANS LES PROCÉDÉS 
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