Évaporation (ZLD)

L'évaporation, comme le séchage, élimine les substances volatiles d'une solution, mais les deux processus diffèrent par les éléments suivants,

• Évaporation
  • Élimination de la plupart de l'eau de la solution
  • A normalement lieu au point d'ébullition de l'eau
• Séchage
  • Élimination d'une petite quantité d'eau d'un matériau solide (humidité)
  • Se produit à une température inférieure au point d'ébullition et est généralement influencé par l'humidité

Eles vaporisateurs comprennent un échangeur de chaleur dont la tâche est de faire bouillir la solution et ils ont également une méthode pour séparer la vapeur de la solution bouillante. Les types d'évaporateurs peuvent être classés en fonction de leur longueur et du positionnement (horizontal ou vertical) des tubes de l'évaporateur (Fig.1) qui peuvent être à l'intérieur ou à l'extérieur de la cuve principale.

La plupart des matériaux ne sont pas tolérables à des températures élevées, donc normalement les évaporateurs fonctionnent à pression réduite de sorte que le point d'ébullition (BP) est réduit. Cela signifie qu'une pompe à vide ou un système de vide à éjecteur à jet sur le dernier effet de l'évaporateur est nécessaire.

Fig.1, Types d'évaporateur. (a) tube horizontal, (b) tube vertical, (c) tube vertical long et (d) circulation forcée

1. Sélection de l'évaporateur approprié

La sélection du bon évaporateur au cas par cas se fait en fonction d'un certain nombre de facteurs, qui sont,

1. Flux
2. La viscosité de la solution (et son augmentation lors de l'évaporation)
3. Nature du produit et du solvant (par exemple, sensibilité à la chaleur et corrosivité)
4. Caractéristiques d'encrassement
5. Caractéristiques moussantes

Type d'évaporateur	État de l'alimentation							Approprié pour chaleur sensible
	Viscosité, cP			Moussant	Mise à l'échelle ou Encrassement	Cristaux production	Solides dans Suspension
	Élevé >1000	Moyen 100-1000	Faible <100
Calandria (tube court vertical)
Circulation forcée
chute de film
Circulation naturelle
Film agité (passe unique)
Film tombant à long tube
Film de levage de tube long

2. Effet unique vs effet multiple

Fig.2, Configurations des évaporateurs à effet simple et multiple.

Il y a trois critères qui affectent les performances d'un évaporateur,

1. Capacité (kg vaporisé / temps)
2. Économie (kg vaporisé / kg vapeur entrant)
3. Consommation de vapeur (kg/h)

Où Consommation = Capacité / Économie.

L'économie (ou économie de vapeur) correspond aux kilogrammes d'eau vaporisée de tous les effets (par kilogramme de vapeur utilisé). Pour un évaporateur à simple effet, l'économie de vapeur est d'env. 0,8 (<1), ce qui se traduit par 0,8 tonne de vapeur nécessaire pour évaporer 1 tonne d'eau.

Afin de réduire l'économie de vapeur de l'évaporateur, la conception à effets multiples utilise les vapeurs d'échappement du produit pour chauffer l'effet d'évaporation en aval et réduire la consommation de vapeur.

La capacité d'un évaporateur à effets multiples (n effets) est d'env. n * capacité de l'évaporateur à simple effet et l'économie est d'environ 0,8 * n.

Les évaporateurs ont également besoin de pompes, de tuyaux d'interconnexion et de vannes nécessaires au transfert de liquide d'un effet à un autre effet et ils augmentent à la fois le CAPEX et l'OPEX du processus

	Vapeur en direct	Vapeur	Steam Economy
plante à 1 effet	1 kg/h	1 kg/h	100%
plante à 3 effets	1 kg/h	3 kg/h	33%

Tableau 1, Diminution de l'économie de vapeur de l'évaporateur en utilisant un évaporateur à trois effets

Effet unique (SE)

• Petite capacité mais gaspillage d'énergie (1 kg de vapeur vaporise 1 kg d'eau)
• La chute de température globale pour un seul effet est quelque peu égale à un effet multiple

Effet multiple (ME)

• Chaque effet individuel aura une plus petite différence de température, donc une grande surface de surfaces chauffantes
• Coût en capital plus coûteux
• Coût d'exploitation - économie de vapeur, nécessaire uniquement pour le premier effet (1 kg de vapeur vaporise 3 kg d'eau)

3. Types d'évaporateurs

La température de l'alimentation a un effet important sur l'économie et les performances de l'évaporateur. S'il n'est pas déjà à son point d'ébullition, alors des effets thermiques doivent avoir lieu. Si l'alimentation est au-dessus du point d'ébullition, l'évaporation flash est utilisée à l'entrée.

Normalement, la solution d'alimentation est chauffée avec un échangeur de préchauffage pour réduire la demande de chaleur d'évaporation en transférant la chaleur du condensat chaud au flux d'alimentation.

L'alimentation chauffée est ensuite mélangée avec le liquide de l'évaporateur et le mélange est chauffé par l'échangeur de chaleur principal qui peut utiliser de la vapeur, de l'électricité, de l'huile chaude ou d'autres formes d'énergie disponible. Le mélange bout, produisant un flux liquide concentré et un flux de vapeur d'eau qui peut être déchargé ou condensé.

L'évaporation par compression de vapeur (VC) a été la norme de la technologie ZLD au cours des dernières décennies, récupérant env. 95 % d'eau de l'alimentation. Le flux liquide concentré (saumure) peut ensuite être conduit vers un cristallisoir afin d'être solidifié.

L'évaporation est plutôt coûteuse et n'est pas économiquement réalisable avec des débits d'alimentation importants, c'est pourquoi une étape de pré-concentration est appliquée au procédé ZLD.

Il existe différents types d'évaporateurs,

1. chute de film
2. film montant
3. circulation forcée
4. surface grattée/film fin
5. évaporateur combiné

Les principaux sont,

1. Évaporateurs à film tombant (FFE)

Les FFE présentent de nombreuses fonctionnalités d'évaporation à effets multiples et de compression mécanique de la vapeur à économie d'énergie. Un FFE fonctionne avec une température de fonctionnement très faible et permet,

• contrôles faciles
• démarrage et arrêt rapides grâce à une rétention de liquide minimale

Les FFE sont choisis pour les flux visqueux avec de faibles concentrations de solides en suspension. Un FFE a une capacité de débit petite à grande.

1. Évaporateurs à circulation forcée (FCE)

En raison du débit de circulation élevé et de l'évaporation ayant lieu à l'extérieur de l'échangeur de chaleur, les FCE sont choisis pour les flux très visqueux contenant une forte concentration de matières en suspension et de contaminants d'encrassement. Il a une capacité de débit moyenne à grande.

1. Évaporateurs à couche mince (TFE)/Sécheurs

Les TFE sont principalement choisis afin de réduire la teneur en eau jusqu'à < 5% (cristallisation). Comme les FFE, cette technologie est facile à contrôler et rapide à démarrer et à arrêter en raison d'une très faible rétention de liquide. Les TFE sont choisis pour les produits très entartrés et les fluides très visqueux. Il a une capacité de débit petite à moyenne.

Le flux de distillat des évaporateurs est généralement < 10 ppm de TDS (Total des Solides Dissous). Le plus utilisé est le FFE (également appelé concentrateur de saumure) qui peut conduire la concentration d'alimentation jusqu'à 300 000 ppm ce qui conduit à une élévation du point d'ébullition (BPR) de la saumure et nécessite soit une grande surface de transfert de chaleur (grand CAPEX) soit un grande température de chaleur (grand OPEX).

4. Explication du processus

Les évaporateurs peuvent traiter des flux à forte concentration de chlorures et théoriquement séparer l'eau de toutes les espèces dissoutes, produisant un produit solide stable pouvant être mis en décharge et un produit d'eau distillée de haute qualité.

Les étapes du processus d'évaporation sont (Fig.3),

• ajout de produits chimiques (réservoir d'alimentation)
• préchauffage (préchauffeur d'aliments)
• désaération
• Evaporation primaire (concentrateur de saumure)

Fig.3, Processus d'évaporation organigramme et photo d'un module réel. < /strong>

Étapes 1 et 2 ; De l'acide est ajouté au réservoir d'alimentation pour neutraliser l'alcalinité du bicarbonate afin que la solution soit préchauffée dans les échangeurs de chaleur à plaques. Des antitartres sont également ajoutés pour empêcher l'entartrage dans les préchauffeurs avec du carbonate de calcium.

Étape 3 ; Le flux préchauffé est dégazé à l'aide de la vapeur de l'évaporateur (ligne rouge sur la figure 3) pour éliminer le dioxyde de carbone dissous (réduction de l'alcalinité), l'oxygène dissous et tout autre gaz non condensable afin de réduire le potentiel de corrosion de l'évaporateur.

Étape 4 ; La majeure partie de l'évaporation de l'eau a lieu à l'intérieur du récipient du concentrateur de saumure qui est ensemencé avec du sulfate de calcium pour minimiser l'entartrage. Les eaux usées sont généralement saturées de sulfate de calcium, qui précipitera et formera du tartre sur les tubes de l'évaporateur. En utilisant des germes de cristaux de sulfate de calcium, le sulfate de calcium dissous précipite préférentiellement sur les germes de cristaux plutôt que sur les tubes de l'évaporateur.

Le processus nécessite également de l'électricité pour le cycle de compression mécanique de vapeur (MVC). Comme MVC recycle la chaleur latente de vaporisation, l'apport d'énergie est assez faible, dans la plage de 15 kWh/m³ d'alimentation pour minimiser la taille et le coût du séparateur de vapeur et du compresseur, l'évaporation se produit à la pression atmosphérique.

5. Économie d'énergie

Certaines des méthodes appliquées pour minimiser la consommation d'énergie des installations d'évaporation comprennent,

• Arrangement à effets multiples (ME)
• Recompression thermique de vapeur (TVR)
• Recompression mécanique de vapeur (MVR)
• Compression mécanique de vapeur (MVC)
• Utilisation de l'énergie résiduelle

Pour les évaporateurs, l'approche MVC est la plus largement utilisée.

5.1 Compression mécanique de vapeur

Dans l'évaporateur MVC, la chaleur est transférée au flux en circulation en condensant la vapeur du ou des compresseurs (augmentant la température et la pression de la vapeur). Ce faisant, il nécessite beaucoup moins d'énergie qu'un évaporateur par défaut.

Pendant le processus (Fig.4), la vapeur générée par le flux en circulation a une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur latente à une température des eaux usées bouillantes. Pour que l'échangeur de chaleur principal fonctionne, une température plus élevée sera nécessaire. Afin d'atteindre la température plus élevée nécessaire, la vapeur est comprimée par le compresseur de vapeur. La compression de la vapeur augmente sa pression (donc sa température de saturation également) et produit le transfert de chaleur nécessaire dans l'échangeur de chaleur principal permettant de recycler l'énergie contenue par la vapeur, améliorant considérablement l'efficacité énergétique totale.

1. Les eaux usées d'alimentation vont de la pompe d'alimentation à l'échangeur de chaleur de la charge d'alimentation et dans le flux en circulation. L'échangeur de chaleur de la matière première transfère la chaleur sensible du condensat chaud à l'alimentation plus froide.

Fig.4, Processus de compression mécanique de vapeur

2. La pompe de recirculation fait circuler les eaux usées du réservoir de séparation à travers l'échangeur de chaleur principal, vers la plaque à orifice et de nouveau dans le réservoir de séparation. La chaleur latente de la vapeur comprimée est transférée aux eaux usées via l'échangeur de chaleur principal.
3. Une plaque à orifice est utilisée pour réduire la pression du flux en circulation. La pression en aval est suffisamment basse pour permettre le flashage du flux en circulation dans les composants liquides et vapeur.
4. Le liquide et la vapeur s'écoulent ensuite vers le réservoir de séparation où ils sont séparés. La vapeur liquide sort du réservoir par le bas et retourne à la pompe de recirculation. Le flux de vapeur sort du réservoir par le haut et s'écoule vers le(s) compresseur(s) de vapeur.
5. Un tampon anti-brouillard est fourni en haut du réservoir de séparation pour éliminer les petites gouttelettes de liquide de la vapeur.
6. Le compresseur de vapeur comprime la vapeur (en augmentant la température et la pression) et envoie la vapeur vers l'échangeur de chaleur principal, où elle transfère sa chaleur latente aux eaux usées dans la boucle de recirculation.
7. Le condensat à haute température sort de l'échangeur de chaleur principal et s'écoule vers le réservoir de condensat, où toute vapeur restante est séparée. Le condensat chaud est ensuite pompé vers l'échangeur de chaleur de la charge d'alimentation, où il transfère la chaleur sensible aux eaux usées d'alimentation entrantes.
8. Une fois l'état d'équilibre atteint à la concentration cible, les eaux usées concentrées sont purgées de la boucle de recirculation, à l'aide de la vanne de résidus. Selon le bilan énergétique, de l'énergie peut être ajoutée au système par des radiateurs électriques / de la vapeur de procédé ou l'excès d'énergie peut être retiré du système par la soupape de décharge de vapeur.