Pourquoi un évaporateur à film raclé (WFE) est-il le choix idéal ?

Qu'est-ce qu'un évaporateur à film essuyé ?

L'évaporateur à film mince (WFE), également appelé évaporateur à couche mince, est un appareil de distillation qui crée un film liquide mince et rotatif sur une surface chauffée afin d'évaporer rapidement les composés volatils d'un mélange, même en présence de produits thermosensibles, visqueux ou encrassants. Ses principaux avantages sont un temps de séjour court, une surface d'échange thermique maximale et une dégradation thermique minimale. Les WFE sont largement utilisés dans des industries telles que la pharmacie, la chimie et l'agroalimentaire pour la purification et la récupération de composés précieux.

Application de l'évaporateur à film essuyé dans le procédé de concentration du collagène

Exigence : Concentrer une solution de collagène de 1,2 % à 1,5 % à 7 % à 9 %, avec une capacité de traitement de 200 kg/heure.

Le matériau est thermosensible et le processus de concentration doit être réalisé à une température inférieure à 30 °C. Sa viscosité, avant et après concentration, est proche de celle de l'eau. La concentration est principalement obtenue par évaporation partielle de l'eau afin d'augmenter la concentration en collagène.

Pourquoi un évaporateur à film raclé (WFE) est-il le choix idéal ?

L'évaporateur à film raclé est particulièrement adapté au procédé de concentration de collagène que vous avez décrit. Ses avantages sont particulièrement importants compte tenu des propriétés de votre matériau (thermosensible, basse température, faible viscosité).

1. Excellente efficacité de transfert de chaleur et temps de séjour court :

Le WFE utilise des pales de rotor pour étaler le matériau en un film liquide très mince et uniforme (généralement de 0,5 à 1,0 mm) sur la paroi chauffante, la surface d'évaporation.

Le temps de séjour du matériau dans l'évaporateur est extrêmement court, généralement de quelques secondes à quelques dizaines de secondes**. Ceci évite parfaitement tout risque de dénaturation, de dégradation ou de perte de bioactivité que le collagène pourrait subir lors d'un chauffage prolongé.

2. Capacité d'évaporation à basse température :

La température d'évaporation dépend du niveau de vide créé par la très faible pression absolue du système. Pour obtenir une évaporation en dessous de 30 °C, il suffit de maintenir la pression absolue du système à environ 4,3 kPa (environ 32,5 mmHg) ou moins (car la pression de vapeur saturante de l'eau à cette température est d'environ 4,25 kPa). Le WFE permet d'atteindre et de maintenir un tel niveau de vide poussé, garantissant ainsi l'évaporation à la basse température souhaitée.

3. Capacité à gérer les variations de viscosité :

Bien que vous ayez indiqué que la viscosité est proche de celle de l'eau avant et après concentration, elle pourrait légèrement augmenter aux alentours de 9 %. Le système de raclage du WFE agite et renouvelle en continu le film liquide, empêchant ainsi efficacement l'encrassement ou l'entartrage de la surface d'échange thermique et assurant un écoulement et une évaporation stables, même pour les matériaux à viscosité élevée. Ceci est essentiel pour garantir une production continue et stable.

4. Rapport de concentration élevé :

Un taux de concentration élevé peut être atteint en un seul passage. Le facteur de concentration, de 1,2 % à 9 %, est de 9 / 1,2 = 7,5. Ceci est parfaitement réalisable avec un évaporateur à eau. Le taux d'évaporation d'eau requis est également important, ce qui souligne la haute efficacité de ce type d'évaporateur.

Conception et calcul des paramètres clés du processus (en fonction de vos besoins)

1. Bilan matière et taux d'évaporation :

Débit d'alimentation (F) : 200 kg/h

Concentration de l'aliment (Xf) : Prendre la valeur moyenne de 1,35 %

Concentration du produit (Xp) : Prendre la valeur moyenne de 8 %

Soit P le débit du produit (kg/h) et V le débit d'eau évaporée (kg/h).

Bilan massique total : `F = P + V` => `200 = P + V`

Bilan des solutés (collagène) : `F Xf = P Xp` => `200 0,0135 = P 0,08`

Résolution : `P = (200 0,0135) / 0,08 = 33,75 kg/h`

Donc : `V = 200 - 33,75 = 166,25 kg/h

Conclusion : Il faut évaporer environ 166,25 kg/h d'eau.

2. Réglage de la température et du niveau de vide :

Température d'évaporation cible ≤ 30 °C

Pression absolue correspondante : Consultez les tables de vapeur, la pression de vapeur saturée de l'eau à 30 °C est de 4,246 kPa (environ 31,9 mmHg).

Pression de conception du système : Pour garantir l’évaporation à 30 °C, voire moins, la pression absolue de fonctionnement du système doit être légèrement inférieure à 4,25 kPa. La valeur cible est généralement fixée à une pression absolue de 3,0 à 4,0 kPa (environ 22,5 à 30 mmHg). Ceci nécessite un système de vide haute performance (par exemple, une combinaison pompe mécanique + pompe Roots, ou un purgeur d’air froid + pompe à éjecteur de vapeur).

3. Sélection du fluide caloporteur :

La température d'évaporation étant d'environ 30 °C, la température du fluide caloporteur n'a pas besoin d'être très élevée ; un écart de température (ΔT) suffisant suffit pour assurer le transfert de chaleur. Un ΔT excessif risque d'entraîner une surchauffe locale.

Fluide recommandé : eau tiède (30-40 °C). On peut généralement utiliser un système de circulation d’eau, la température étant régulée par un échangeur de chaleur à plaques alimenté par l’eau d’une tour de refroidissement. L’utilisation de vapeur ou d’huile thermique haute température est strictement interdite.

Suggestions de sélection d'équipement et de configuration système

1. Estimation de la taille de l'évaporateur :

Un taux d'évaporation de 166 kg/h est de petite à moyenne échelle pour un WFE.

Le coefficient de transfert thermique (K) est généralement relativement élevé dans des conditions de faible viscosité et de vide poussé. On suppose K = 2000 W/m²·K (une estimation relativement prudente).

La surface de transfert de chaleur requise (A) peut être estimée approximativement par la formule `A = Q / (K ΔT)`, où Q est la charge thermique et ΔT est la différence de température entre le fluide caloporteur et la température d'évaporation du produit (par exemple, prendre 10°C).

Il s'agit d'un calcul complexe qui exige une évaluation précise de la charge thermique. Généralement, les fabricants d'équipements effectuent des calculs professionnels basés sur le taux d'évaporation, l'élévation du point d'ébullition, etc.

Estimation empirique : Dans ces conditions de fonctionnement, un évaporateur à film raclé d’une surface d’échange thermique d’environ 0,5 à 1,5 m² pourrait convenir. Les dimensions définitives doivent être confirmées par le fournisseur de l’équipement au moyen de calculs de procédé précis.

2. Composants clés du système :

Préchauffage : Bien qu’une basse température soit requise, il est recommandé de préchauffer l’alimentation à la température de fonctionnement (par exemple, 28-29 °C) afin de réduire la charge thermique sur le corps principal de l’évaporateur et d’améliorer le rendement. Un échangeur de chaleur à plaques doit être utilisé, avec de l’eau chaude comme source de chaleur.

Corps principal de l'évaporateur : **Matériau recommandé : acier inoxydable 316L** pour garantir la propreté et la résistance à la corrosion. La conception de la lame raclante doit être adaptée aux liquides à faible viscosité.

Condenseur : Utiliser un condenseur à plaques ou tubulaire pour condenser complètement la vapeur d’eau évaporée à l’aide d’eau glacée (ou d’eau de refroidissement). L’efficacité du condenseur influe directement sur le vide du système.

Système de vide : Il s’agit d’un élément essentiel du système. L’utilisation d’une pompe à anneau liquide associée à une pompe Roots est recommandée, ou bien d’une pompe à vide à piège froid associée à une pompe à vis sèche, afin d’obtenir et de maintenir le vide poussé requis de manière écoénergétique.

Système de contrôle : Doit être équipé d'un système PLC ou DCS avancé pour le contrôle automatique interverrouillé du débit d'alimentation, de la température du fluide caloporteur et du niveau de vide du système (c.-à-d. la température d'évaporation), assurant des paramètres de processus stables et protégeant le matériau thermosensible.

Description succincte du processus

1. La matière première de collagène à 1,2 %-1,5 % est stockée dans un réservoir d'alimentation.

2. La matière première est transportée par une pompe d'alimentation vers un préchauffeur à plaques et chauffée à environ 28-29°C.

3. Le liquide préchauffé pénètre par le haut de l'évaporateur.

4. À l'intérieur de l'évaporateur, le matériau est réparti en un film extrêmement mince par des lames racleurs rotatives, et l'eau s'évapore rapidement en dessous de 30 °C sous vide poussé.

5. La solution concentrée de collagène (7 %-9 %) est déchargée en continu par une pompe située au fond.

6. La vapeur d'eau produite monte jusqu'au sommet de l'évaporateur et entre dans le condenseur, où elle est entièrement condensée.

7. Le condensat (eau distillée) est évacué par une pompe à condensat et peut être récupéré et réutilisé.

8. Le système de vide élimine en continu les gaz non condensables du système, maintenant ainsi un environnement de vide poussé.

Résumé

Pour la concentration de 200 kg/h d'une solution de collagène, de 1,35 % à 8 % environ, à une température inférieure à 30 °C, l'évaporateur à film raclé est actuellement la solution technologique la plus fiable et la plus adaptée. Il répond parfaitement à vos exigences en matière de sensibilité à la chaleur, de basse température et de haute efficacité.

Prochaines étapes :

Communiquez les paramètres et exigences ci-dessus aux fabricants professionnels d'évaporateurs à film raclé (fournisseurs nationaux ou internationaux de premier plan). Ils pourront effectuer des calculs de procédé précis et vous fournir une proposition technique détaillée, un devis et les spécifications techniques.