Quelle technologie choisir pour augmenter l’efficacité énergétique des évaporateurs ? À multiples effets, MVR ou TVR ?

La technologie d’évaporation la mieux adaptée aux besoins spécifiques de chaque client dépend essentiellement de trois facteurs :

• Le coût de l’énergie
• Le produit final
• L’efficacité énergétique

Il existe essentiellement trois technologies d’évaporation, qui peuvent être combinées de différentes manières afin de maximiser le rendement énergétique de l’ensemble du système. Dans cet article, nous passerons en revue différentes solutions technologiques, de la plus traditionnelle à la plus innovante.

Technologie d’évaporation à multiples effets

La technologie à multiples effets incarnée par nos évaporateurs Venus (pour le concentré de tomates), Mixflow (pour les purées de fruits) et Poséidon (pour les jus de fruits) est un type d’évaporation traditionnel. L’objectif final est de parvenir, grâce au développement d’un processus d’évaporation à plusieurs stades, à concentrer un produit par soustraction de l’eau, afin d’obtenir environ un kilogramme d’évaporat à chaque stade du système contre un kilogramme de vapeur dépensée en énergie thermique. L’efficacité de l’évaporateur est donc égale au nombre d’effets : du simple au quadruple (dans le cas du traitement des fruits un plus grand nombre est mis en œuvre). Par conséquent, une unité de vapeur de chaudière évapore une unité de vapeur de produit dans l’effet simple (efficacité 1:1) et quatre unités dans l’effet quadruple (efficacité 1:4). Dans la production de concentré de tomates la solution la plus économique en termes de coûts d’investissement et d’exploitation est l’évaporateur à triple effet (efficacité 1:3).

Figure 1 – Fonctionnement de la technologie d’évaporation à multiples effets

Technologie d’évaporation TVR

La recompression thermique de la vapeur ou TVR (Thermal Vapour Recompression) est une technologie qui utilise l’effet Venturi pour récupérer les vapeurs de produit à basse température en les recomprimant avec de la vapeur de chaudière à haute pression. De cette manière, la consommation de vapeur de chaudière est réduite de moitié si l’on considère une augmentation de la température de la vapeur recomprimée de 10 °C. 

Technologie d’évaporation MVR

La recompression mécanique de la vapeur ou MVR (Mechanical Vapour Recompression) reste la technologie la plus économe en énergie dans les évaporateurs destinés à l’industrie alimentaire.

La MVR repose sur la réutilisation de la vapeur secondaire et de sa chaleur latente, produite par le système d’évaporation lui-même, comme source de chauffage du liquide à évaporer. La température de la vapeur générée dans la concentration est augmentée par sa compression mécanique dans des conditions de saturation. De cette manière, la vapeur recomprimée (environ 6-8 °C) peut être recyclée à travers un échangeur, ce qui permet d’atteindre un double objectif :

• Remise à zéro de la consommation de vapeur de la chaudière
• Réduction presque totale de la nécessité d’installer des tours de refroidissement pour condenser les vapeurs excédentaires

La solution CFT la plus représentative de cette technologie à haut rendement énergétique est l’évaporateur à flux descendant Apollo MVR.

Figure 2 – Fonctionnement de la technologie d’évaporation MVR

Le choix du type de compresseur pour l’évaporateur MVR fait l’objet d’une analyse plus approfondie sur les économies d’énergie. Le compresseur de l’évaporateur MVR peut en effet être alimenté par :

• Un moteur électrique
• Une turbine à vapeur

Lorsque les conditions de services dans l’usine le permettent, la solution avec turbine est préférable car elle permet des économies d’énergie électrique supplémentaires. Elle peut être utilisée pour créer un réseau à basse pression, à partir de la vapeur d’échappement de la turbine elle-même, qui est récupérée pour alimenter les installations situées en aval de la ligne, le cas échéant.

Associer plusieurs technologies d’évaporation

Les différentes technologies d’évaporation peuvent être combinées pour réaliser des économies d’énergie supplémentaires.

MVR et TVR comme solution de préchauffage du produit

Afin de maximiser l’efficacité de l’évaporateur MVR, il est nécessaire que le produit entrant ait une température supérieure à la température d’ébullition interne de 75 °C : de cette manière, le processus d’évaporation commencera dès le sommet du faisceau de tubes, ce qui minimisera le gaspillage d’énergie.

C’est ce qui se passe lorsque le produit arrive à l’évaporateur MVR en provenance d’un traitement thermique Hot Break, alors que s’il arrive d’un traitement différent et à une température inférieure à la température de concentration, il devra être préchauffé. C’est le cas du concentré de tomates Cold Break, du lait et des jus de fruits.

La figure 3 montre comment deux technologies de recompression de la vapeur peuvent être combinées pour réduire la consommation d’énergie nécessaire au préchauffage du produit. Cette solution consiste à réutiliser une partie de la vapeur qui, étant en excès, ne se condense pas dans la calandre de l’évaporateur MVR (flèche bleue à gauche) pour alimenter un évaporateur TVR. Grâce à cette configuration, l’évaporateur TVR augmente la température du produit entrant avec une quantité de vapeur de chaudière réduite de moitié en raison de la réutilisation de la vapeur de l’évaporateur MVR.

Figure 3 – MVR et TVR comme technologies d’évaporation combinées pour le préchauffage

MVR et TVR comme solution pour l’efficacité des finisseurs

L’utilisation combinée des technologies MVR et TVR s’applique également lorsqu’un finisseur, c’est-à-dire une colonne de concentration supplémentaire, doit être installé.

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles un finisseur doit être installé :

• Dans le cas des jus de fruits et des aliments protéiques liquides, ces produits sont soumis au phénomène d’élévation de la température d’ébullition, qui est la différence observée entre la température d’ébullition du produit et la température de ses vapeurs. L’écart de température (produit-vapeur) érode le Δt au sein de l’évaporateur MVR, de sorte que l’ajout d’un finisseur ayant un Δt supérieur à celui de l’évaporateur MVR est nécessaire pour finaliser la concentration.
• L’autre cas où l’utilisation d’un finisseur s’avère nécessaire est celui où le produit sortant de l’évaporateur MRV (par exemple la tomate) est très visqueux. Pour compenser la diminution du coefficient de transfert thermique, qui tend à diminuer avec les produits très visqueux, la température des vapeurs à introduire dans le finisseur est augmentée. Pour y parvenir de manière efficace sur le plan énergétique, un petit finisseur à circulation forcée est ajouté.

Dans les deux cas, pour diminuer la consommation de vapeur de chaudière nécessaire pour augmenter la température de la vapeur dans le finisseur (et donc le Δt), un évaporateur TVR peut être utilisé et alimenté par une partie de la vapeur de produit provenant de l’évaporateur MVR. Celles-ci sont recomprimées avec la même quantité de vapeur de chaudière, qui est ainsi réduite de moitié.

Figure 4 – MVR et TVR : des technologies d’évaporation combinées pour rendre le finisseur plus efficace

Le TVR comme solution pour renforcer la technologie à effets multiples

La recompression thermique de la vapeur (TVR) est une technologie qui permet d’accroître l’efficacité de la technologie à multiples effets auxquels elle est appliquée.

La figure 5 montre le fonctionnement de la technologie TVR appliquée à un évaporateur à double effet (efficacité 1:2).  La vapeur sortant du deuxième effet est divisée en deux parties égales : l’une va au condenseur, tandis que l’autre est envoyée à l’éjecteur pour être recomprimée avec la même quantité de vapeur de la chaudière, augmentant ainsi sa température de 10 °C. Le mélange de vapeurs ainsi créé retourne alimenter le premier effet, engendrant un nouveau cycle. Il est ainsi possible d’évaporer jusqu’à quatre kilos de vapeur de produit avec un seul kilo de vapeur : en d’autres termes, un évaporateur à double effet, auquel est appliquée la technologie TVR, a le même rendement qu’un quadruple effet, mais un coût d’investissement beaucoup plus faible.

Figure 5 – TVR et technologie à multiples effets comme technologies d’évaporation combinées

Conclusion

Les technologies d’évaporation étudiées s’appliquent aux évaporateurs CFT offrant des solutions hybrides de pointe à haut rendement. En particulier, la technologie MVR, applicable jusqu’à une concentration maximale d’environ 16°Bx correspondant à 83 % de l’eau évaporée totale, permet d’économiser jusqu’à 98 % de la vapeur de chaudière grâce à la recompression mécanique des vapeurs acides. Elle garantit des produits finis de haute qualité grâce à des temps de résidence réduits et à un faible Δt entre le produit et les vapeurs de chauffage.

Le rendement énergétique très élevé de cette technologie permet d’augmenter le rendement énergétique de l’ensemble de la ligne, lorsqu’elle est utilisée en combinaison avec d’autres types d’évaporation plus énergivores tels que la technologie à multiples effets. La solution d’évaporation hybride CFT est non seulement plus efficace en termes de consommation d’énergie par rapport à l’évaporation traditionnelle, mais elle offre également des avantages significatifs en termes d’environnement, de fiscalité et de coûts d’exploitation, ainsi qu’une grande souplesse de production.