Depuis plusieurs dizaines d'années l'industrie utilise, tout comme les collectivités, les techniques de dépollution par voie biologique et les traitements physico-chimiques pour l'épuration des effluents. Si ces procédés ont depuis longtemps fait la preuve de leur efficacité, elles ont aussi montré leurs limites quant aux possibilités de recyclage d'eau et de valorisation des sous-produits. L?évaporation est quant à elle employée depuis longtemps dans les procédés de fabrication des industries chimiques et dans les industries agroalimentaires comme par exemple les sucreries et les distilleries.
Si ces procédés ont depuis longtemps fait la preuve de leur efficacité, elles ont aussi montré leurs limites quant aux possibilités de recyclage d’eau et de valorisation des sous-produits.
L’évaporation est quant à elle employée depuis longtemps dans les procédés de fabrication des industries chimiques et dans les industries agroalimentaires comme par exemple les sucreries et les distilleries.
Si l’évaporation était considérée comme peu applicable à la dépollution, cela venait principalement de son coût de fonctionnement jugé excessif en comparaison avec les autres techniques de dépollution. Or des améliorations considérables ont été apportées depuis vingt ans par les constructeurs de machines tournantes destinées à la compression mécanique de vapeur, tout particulièrement dans les applications à faibles surpressions ; dans le même temps, les industriels ont beaucoup travaillé aux économies d'eau, ce qui s’est traduit par une diminution des débits rejetés concomitamment avec une augmentation des concentrations en polluants.
Ces évolutions rendent aujourd’hui l’évaporation avec compression mécanique des vapeurs non seulement compétitive, mais en outre supérieure techniquement grâce aux possibilités accrues de recyclage, jusqu’à atteindre le zéro rejet.
L’évaporation
Définitions
L’évaporation correspond au passage de l'état liquide à l'état vapeur.
La concentration par évaporation a pour objet la vaporisation d’un solvant (généralement de l’eau) d'une solution qui, de ce fait, s’enrichit en produit dissous (soluté) à mesure que le solvant s’élimine.
Il y a donc concentration du produit dissous dans la phase liquide. En fin d’opération, on récupère ce que l’on appelle le concentrat. À la limite, si on pousse l’évaporation jusqu’à la vaporisation complète du solvant, on réalise le séchage.
L’évaporateur est l'appareil ou l’ensemble
Eau pure
sécurité ou repliée
Les effluents sont acheminés en partie haute de l’évaporateur, dans la boîte supérieure de l’échangeur tubulaire. Dans cette boîte, un dispositif de distribution assure une répartition homogène du liquide dans les différents tubes.
Fonctionnement
L’évaporateur classique est chauffé par de la vapeur qui se condense sur une surface d’échange en cédant son énergie de condensation à la solution qui se trouve de l’autre côté de la surface d’échange.
La température d’ébullition peut être adaptée aux solutions traitées par ajustement de la pression de chauffage : de 20 °C (vide poussé pour le traitement de produits sensibles à la température ou pour limiter les risques de corrosion) jusqu’à 100-110 °C.
Deux types principaux d’évaporateurs peuvent être souvent associés dans une même installation :
Évaporateur à flot tombant
Un évaporateur à flot tombant est composé d’un échangeur tubulaire vertical et d’un séparateur liquide concentré/vapeur produite. Le liquide à concentrer s’écoule par gravité, en film mince, le long de la paroi interne des tubes et une partie de l’eau s’évapore grâce aux calories apportées par la vapeur de chauffage qui se condense à l’extérieur des tubes, dans la calandre. Le mélange liquide concentré/vapeur produite est séparé par gravité dans le séparateur.
Les tubes de cet évaporateur peuvent avoir jusqu’à 14 m de longueur. La disposition verticale de l’évaporateur rend les installations très compactes (faible surface occupée au sol).
Évaporateur à circulation forcée
Un évaporateur à circulation forcée est composé d’un faisceau tubulaire et d’un séparateur liquide concentré/vapeur produite. Ce type d’évaporateur est utilisé lorsque les propriétés physiques (viscosité, etc.) du fluide entraînent des échanges calorifiques difficiles. Une pompe assure une circulation active du liquide (turbulence). La solution est chauffée (pas d’ébullition) à l’intérieur des tubes en absorbant les calories de condensation de la vapeur de chauffage. Le liquide s’écoule dans toute la section des tubes. Le mélange liquide concentré/vapeur produite est séparé par détente dans le séparateur.
Économie d’énergie
Un évaporateur « simple effet » nécessite un peu plus de 1 kg de vapeur pour évaporer 1 kg d’eau. Un chauffage direct de ce type est donc coûteux en énergie (environ 80 FF pour évaporer 1 m³ d’eau).
C’est pourquoi différents systèmes ont été développés pour réduire ce coût :
• le multiple effet, qui consiste à mettre en série plusieurs évaporateurs à simple effet, chaque évaporateur fonctionnant à une pression différente ;
• la thermo-compression, qui utilise de la vapeur haute pression (5 à 10 bar, ou plus) dite « vapeur motrice » pour aspirer et comprimer une partie de la vapeur produite sur l’évaporateur (vapeur basse pression) et la refoule en tant que vapeur de chauffage (vapeur moyenne pression) ;
• la CMV.
La compression mécanique de vapeur (C.M.V.)
Les compresseurs de vapeur utilisés aujourd’hui sont caractérisés par de faibles taux de compression (on les appelle des « soufflantes ») amenant des augmentations de température de l’ordre de 5 °C. Ces machines à faible vitesse radiale s’assimilent ainsi à des ventilateurs à la mécanique simple, fiable et peu onéreuse.
Exemple de zéro rejet : le peignage de laine de Rio Llobregat (Espagne)
Capacité : 25 m³/h DCO brute : 20 à 60 g/l
Consommations spécifiques :
– Électricité : 19 kWh/m³ – Vapeur : 60 kg/m³
L’évaporation :
Appareil monocorps autoporté à huit passes (flot tombant + CF). Concentration entrée : 3 à 7 % Concentration sortie : 30 à 40 % L’installation est conçue pour travailler de 10 à 25 m³/h.
La CMV :
Les buées sont comprimées, après lavage, par une soufflante. Taux de compression : 3 à 6 °C Puissance installée : 400 kW Entraînement par variateur de vitesse à changement de fréquence.
Le stripping :
Stripping à l’air suivi d’un stripping à la vapeur de l’ensemble des condensats intégré à la boucle CMV. DCO en sortie : < 100 mg/l
L’oxydation des gaz :
Les produits volatils sont dirigés vers une chaudière qui produit la vapeur nécessaire à l’installation. Ni odeur ni rejets à l’atmosphère.
L’opinion du directeur, Monsieur Guy Teindas :
Très belle installation dont l’originalité de process permet d’apporter une solution définitive aux problèmes d’environnement liés au lavage industriel de la laine.
Le compresseur est généralement entraîné par un moteur dont la vitesse peut être adaptée grâce à un variateur de vitesse à changement de fréquence. Ce système permet de moduler à souhait la capacité évaporatoire de l’installation. En régime établi d’évaporation, l’énergie mécanique absorbée par le compresseur représente la seule énergie à fournir à l’installation (elle ne représente qu’une faible part de l’énergie thermique échangée), ce qui rend le système particulièrement économique. La consommation d’énergie pour le compresseur est d’environ 10 à 12 kWh par m³ d’eau évaporée (soit moins de 5 francs français par m³ d’eau évaporée sur la base du coût d’1 kWh à 0,4 FF).
Le programme Eureka Evapotextile
La mondialisation du marché de l’ennoblissement textile a rendu particulièrement vul-
Exemple de zéro rejet : le lavage de laine de Jandakot Wool Washing (Australie)
Capacité : 68 m³/h d’effluent alimenté
Lieu géographique : Kwinana industrial estate, East Rockingham, West Australia
Prestation Evatex : Unité clé-en-main. Conçue et mise en service par Evatex. Construction et management local par JORD Engineers Pty Ltd (partenariat avec Evatex).
Spécificité technique : 2 évaporateurs en parallèle (flot tombant + CF).
- Chaque évaporateur est équipé d’une soufflante de 560 kW pour la CMV. L’installation peut fonctionner entre 25 et 100 % de la capacité.
- Un stripping élimine l’ammoniac présent dans les condensats.
- L’unité d’osmose inverse augmente la qualité finale des condensats pour un recyclage intégral des eaux.
- Les produits volatils sont oxydés par la chaudière qui produit la vapeur nécessaire à l’installation.
Consommations :
- Vapeur vive : 45-55 kg par m³ traité (stripping inclus).
- Électricité : 15-17 kW par m³ traité (éclairages inclus).
Caractéristiques de l’effluent :
Effluent de lavage de laine
Concentration à l’entrée : 2,3-2,9 % poids
Concentration en sortie : 60-70 % poids
Efficacité du traitement :
Plus de 99 % d’efficacité en termes d’abattement de la DCO.
- Qualité de l’eau recyclée : 50 mg/l < DCO < 70 mg/l
- Ni couleur ni odeur
Les industriels français et européens de ce secteur d’activité voient les contraintes réglementaires s’accroître. Ils doivent donc devenir de plus en plus performants, notamment pour la consommation d’eau, d’énergie et, naturellement, pour la réduction des rejets polluants.
Après plusieurs réalisations d’Evatex dans le domaine du lavage de laine, la société PIN FLOC, PME de la région Nord-Pas-de-Calais spécialisée dans la teinture de fibres courtes, a décidé de confier à Evatex la réalisation clé-en-main de la première unité de recyclage total de l’eau par évaporation avec CMV. Cette PME sera ainsi la première entreprise du secteur de l’ennoblissement textile à équiper, avec l’aide de l’Agence de l’Eau Artois-Picardie, sa toute nouvelle usine de Berck-sur-Mer en zéro rejet.
Sur cette unité, 100 % de l’eau sera recyclée, soit 50 m³/jour, et une partie du sel consommé pour le procédé de teinture sera récupérée après cristallisation, ce qui représentera une économie de 35 % sur la consommation de sulfate de sodium.
Cependant de nombreux ennoblisseurs textiles consomment de 500 à 2000 m³/jour, ce qui nécessite de grosses installations d'évaporation pour recycler 100 % de l'eau.
Pour réduire encore les investissements et les coûts de fonctionnement, Evatex s’est engagée dans un programme de recherche-développement avec des partenaires français et européens. Ce programme a obtenu le label Eureka en juin 1999 ; il est soutenu en France par l'ANVAR sous la référence Evapotextile 2047.
L’objectif de ce programme est d’optimiser l'association de l’évaporation avec les techniques membranaires.
Après plusieurs mois de travail à caractériser les effluents avec l'aide de l'ITF (Institut Textile de France) et d’essais de sélection des membranes organiques et minérales avec divers fournisseurs et partenaires, les premiers succès sont au rendez-vous et montrent la possibilité de séparer la plupart des polluants organiques colorés et non colorés des électrolytes minéraux, sel (NaCl) et soude utilisés dans le secteur textile. Il sera ainsi possible de recycler, outre la totalité de l'eau, plus de 70 % du sel utilisé en teinture.
Ce gain est multiple puisque le sel non consommé vient réduire à la fois la quantité et le coût d’élimination des résidus concentrés.
La seconde étape de la recherche sera consacrée au recyclage par osmose inverse des rinçages les plus dilués afin de réduire l’alimentation de l’évaporateur au volume des rétentats des membranes.
Les premiers clients potentiels sont plusieurs industriels de la région lilloise, déjà impatients de voir aboutir le programme, car ils sont « invités » à se déconnecter très rapidement de l'assainissement de la communauté urbaine de Lille.
Cette association innovante de l'évaporation et des techniques membranaires devrait faire des émules ; en effet, ce sont les deux techniques qui assurent la meilleure qualité de récupération de l'eau et des produits utilisés dans les procédés de fabrication ; ces techniques étaient jusqu'à maintenant utilisées séparément, l’optimisation de leur combinaison dans de nombreux secteurs d’activité est possible dans un avenir très proche. ■
