Comparaison des technologies MVR, d’évaporation à effets multiples et de TVR (recompression thermique de la vapeur)

La technologie MVR comprime la vapeur secondaire, qui nécessiterait autrement une condensation, jusqu’à une pression plus élevée au moyen d’un compresseur, augmentant ainsi son énergie interne. Cela permet une recirculation et une réutilisation continues de cette énergie, remplaçant ainsi la vapeur d’appoint. En ne consommant qu’une quantité minimale d’énergie électrique, elle rend possible la récupération et la réutilisation de l’importante énergie interne de la vapeur à basse pression.

Principe MVR

1. L’énergie électrique permet de comprimer et d’exploiter pleinement la vapeur secondaire produite lors de l’évaporation, ce qui entraîne pratiquement aucune perte de vapeur au sein du système.

2. Le condensat et le concentré sont évacués afin d’échanger de la chaleur avec la solution d’alimentation.

3. Le gaz incondensable est mis en contact thermique avec le liquide d’origine.

4. Le moteur du compresseur utilise un contrôle de vitesse à fréquence variable.

Réduire ou supprimer le besoin d’alimentation en vapeur vive, récupérer la vapeur issue des rejets thermiques, diminuer la consommation d’eau de refroidissement et améliorer l’efficacité du système.

Comparaison des technologies MVR, d’évaporation à plusieurs effets et de TVR (recompression thermique de la vapeur)

Une comparaison de trois technologies utilisées dans les appareils d’évaporation et de distillation

L’évaporation, la distillation, la cristallisation par évaporation ainsi que les équipements de séchage par évaporation consomment tous des quantités importantes d’énergie.

La consommation d’énergie représente une part importante des coûts d’exploitation de ces appareils ; par conséquent, réduire et optimiser la consommation spécifique d’énergie est essentiel pour diminuer les dépenses d’exploitation globales.

À l’heure actuelle, trois technologies principales permettent de réduire la consommation d’énergie spécifique; elles peuvent être appliquées séparément ou conjointement :

■ Évaporateur à effet multiple (MEE)

■ Technologie du recompresseur à vapeur thermique (TVR)

■ Technologie du recompresseur mécanique de vapeur (MVR)

1. Technologie à multi-effets

Dans un système d’évaporation à plusieurs effets, la vapeur produite dans le premier effet par chauffage avec de la vapeur vive ne passe pas par un condenseur ; elle est au contraire réutilisée comme fluide caloporteur pour le second effet. Cette approche permet de réduire la consommation de vapeur vive d’environ 50 %. En étendant ce principe à des effets supplémentaires, il est possible d’obtenir de nouvelles économies de vapeur vive. La différence de température totale entre la température de chauffage la plus élevée du premier effet et la température d’ébullition la plus basse du dernier effet est répartie entre les différents effets. Par conséquent, la différence de température propre à chaque effet diminue à mesure que le nombre d’effets augmente. Afin de maintenir un débit d’évaporation donné, il est donc nécessaire d’accroître la surface de chauffe. Selon des estimations préliminaires, la surface de chauffe totale requise pour l’ensemble des effets croît proportionnellement au nombre d’effets ; en conséquence, si les économies de vapeur diminuent progressivement, les investissements initiaux augmentent sensiblement.

A Produit B Vapeur résiduelle C Concentrat D Vapeur vive

E Condensat de vapeur d’alimentation F Condensat de vapeur secondaire V Pertes de chaleur

Diagramme du flux de chaleur de l’évaporateur à chauffage direct à second effet

2. Technologie de recompression thermique à la vapeur

Dans la recompression thermique par vapeur, fondée sur le principe de la pompe à chaleur, la vapeur issue de la chambre d’ébullition est comprimée jusqu’à une pression plus élevée dans la chambre de chauffage, ce qui augmente son énergie. La température de saturation correspondant à cette pression accrue dans la chambre de chauffage étant plus élevée, la vapeur peut être réutilisée pour le chauffage. Des compresseurs à jet de vapeur sont utilisés à cette fin. Fonctionnant selon le principe de la pompe à jet, ils ne comportent aucune pièce mobile, présentent une conception simple mais efficace et garantissent une fiabilité opérationnelle maximale. L’utilisation d’un seul compresseur à vapeur thermique procure les mêmes avantages en matière d’économie de vapeur et d’efficacité énergétique que l’ajout d’un effet supplémentaire à l’évaporateur. Le fonctionnement d’un compresseur à vapeur thermique nécessite une certaine quantité de vapeur fraîche, appelée vapeur motrice. Cette vapeur motrice doit soit être acheminée vers l’étape suivante, soit être évacuée vers le condenseur sous forme de vapeur résiduelle. L’énergie résiduelle contenue dans cette vapeur résiduelle est approximativement équivalente à l’énergie fournie par la vapeur motrice.

Un produit B vapeur secondaire B1 vapeur résiduelle C liquide concentré

D Puissance de la vapeur E Condensat de la vapeur D Perte de chaleur

Diagramme du flux de chaleur d’un évaporateur à compression de vapeur thermique

3. Technologie de recompression mécanique de la vapeur

Dans la recompression mécanique de vapeur, un compresseur entraîné par une source mécanique comprime la vapeur générée dans l’évaporateur jusqu’à une pression plus élevée. Par conséquent, le recomresseur agit également comme une pompe à chaleur, augmentant ainsi l’énergie contenue dans la vapeur. Contrairement aux pompes à chaleur à compression qui utilisent un fluide de travail circulant — c’est‑à‑dire un système fermé fonctionnant selon un cycle frigorifique —, le recomresseur de vapeur opère en régime ouvert et peut donc être considéré comme un type particulier de pompe à chaleur à compression. Après la compression de la vapeur et la condensation de la vapeur chauffée ainsi produite, le condensat quitte le cycle. La vapeur de chauffage (côté chaud) et la vapeur secondaire (côté froid) sont séparées par la surface d’échange thermique de l’évaporateur. Une comparaison entre les pompes à chaleur à compression à système ouvert et à système fermé montre que, dans le système ouvert, la surface de l’évaporateur remplit essentiellement la fonction de la détente dans le système fermé. En ne consommant qu’une quantité relativement faible d’énergie — à savoir l’énergie mécanique de la roue du compresseur dans une pompe à chaleur à compression —, l’énergie est transférée au fluide caloporteur du procédé et maintenue au sein d’un cycle continu. Dans ces conditions, aucune vapeur primaire n’est nécessaire comme fluide de chauffage.

Un produit B vapeur secondaire B1 vapeur résiduelle C liquide concentré

D Énergie électrique E Condensat de vapeur sous pression V Pertes de chaleur

Diagramme du flux de chaleur d’un évaporateur à recompression mécanique de vapeur

Dans un système de recompression thermique à plusieurs effets, la chaleur de condensation à évacuer demeure substantielle. Dans une configuration à n effets, cette chaleur de condensation représente environ 1/n de l’énergie primaire apportée. En outre, le compresseur à jet de vapeur ne peut comprimer qu’une fraction de la vapeur secondaire, et l’énergie résiduelle de la vapeur motrice doit être rejetée sous forme de chaleur perdue vers l’eau de refroidissement. Toutefois, en recourant au principe d’une pompe à chaleur à compression à cycle ouvert, la chaleur rejetée par le condenseur peut être considérablement réduite, voire totalement éliminée. Afin d’atteindre un équilibre thermique global, il peut néanmoins rester nécessaire d’apporter une faible quantité d’énergie résiduelle ou de condenser la vapeur restante, ce qui permet de maintenir un rapport de pression constant et des conditions de fonctionnement stables. Les raisons d’adopter la recompression mécanique de la vapeur incluent :

■ Faible consommation d’énergie spécifique

■ La faible différence de température assure une évaporation douce du produit.

■ En raison de l’utilisation d’un évaporateur à effet unique, le temps de séjour du produit est court.

■ Processus simple et très pratique

■ Excellentes caractéristiques de fonctionnement en charge partielle

■ Faibles coûts d’exploitation