Brevet FR2751557A1 — publié le 19980130

Procédé d'évaporation partielle d'un produit liquide et application de ce procédé à la fabncatlon d'une poudre La présente invention a pour objet un procédé d'évaporation partielle du composant le plus volatil d'un produit liquide constitué d'au moins deux composants de volatilité différente ; elle a également pour objet un procédé de fabrication d'une poudre mettant en oeuvre ce procédé d'évaporation partielle. Pour procéder à l'évaporation partielle susmentionnée, il est habituel de traiter ledit produit liquide dans un évaporateur dans lequel l'évaporation est pratiquée en transférant des calories audit produit liquide par échange thermique indirect entre ce dernier et une source de calories. Un tel échange thermique indirect fait appel à des surfaces d'échange qui présentent l'inconvénient de limiter les applications et performances de ce type d'évaporateur. Ainsi, le degré d'évaporation, et donc le degré de concentration, est limité quand le produit liquide à traiter contient des substances sensibles à la chaleur et/ou susceptibles de précipiter (ou cristalliser) sur la surface d'échange. De plus, L'échange thermique est d'autant plus difficile que la viscosité du produit traité augmente, de sorte qu'à partir d'un certain seuil d'évaporation, il devient nécessaire, si l'on veut poursuivre la concentration, de mettre en oeuvre une source de calories très chaude, ce qui non seulement est économiquement peu satisfaisant, mais encore est de nature à altérer la qualité et les propriétés du produit. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus des techniques antérieures. Pour ce faire, elle propose un procédé d'évaporation partielle du composant le plus volatil d'un produit liquide constitué d'au moins deux composants de volatilité différente, qui se caractérise en ce qu'il comprend l'opération consistant à amener et maintenir ledit produit liquide en contact direct avec un gaz condensable à une température suffisante pour obtenir d'un part, une phase gazeuse comprenant la vapeur d'évaporation dudit composant le plus volatil et d'autre part, un produit liquide enrichi en le (ou les) composant(s) moins volatil(s). En raison de l'absence de surface d'échange thermique, tous les inconvénients liés à l'utilisation d'une telle surface sont supprimés dans le procédé proposé. Par ailleurs, dans la mesure où le temps de contact entre le gaz chaud et le produit liquide est relativement court, surtout si le produit liquide est amené en contact avec le gaz condensable, à l'état pulvérisé, c'est-à-dire sous forme d'une dispersion de fines gouttelettes, les risques de dégradation dudit produit sont fortement limités. D'autre part, les problèmes d'échange thermique sont très fortement réduits en raison de la faible taille desdites gouttelettes. Ainsi, le procédé selon l'invention permet d'atteindre des concentrations du produit liquide plus élevées que celles atteintes avec les techniques antérieures, sans pour autant affecter les qualités et propriétés de ce produit, en particulier quand celui-ci est sensible à la chaleur. Le produit liquide peut être amené au contact avec le gaz condensable, sous différentes formes telles que par exemple sous forme pulvérisée comme déjà indiqué ci-dessus, ou encore sous forme d'un rideau de liquide ou de fins jets de liquide. On notera que le gaz condensable sera avantageusement constitué par la vapeur surchauffée du composant le plus volatil du produit liquide ; en opérant de cette manière, il n'y a pas introduction dans le système d'évaporation de produit étranger aux composants du produit liquide. Il est de la sorte avantageusement possible de prélever une partie de la phase gazeuse, de la soumettre à un traitement de surchauffe, puis de la recycler dans le procédé en tant que gaz condensable surchauffé, étant précisé que la phase gazeuse restante peut, si on le souhaite, etre utilisée comme source de calories pour un usage quelconque. On ajoutera que le traitement de surchauffe susmentionné pourra comprendre une opération de compression de la phase gazeuse et/ou une opération d'apport de calories à cette phase gazeuse. En particulier, ce traitement de surchauffe d'une partie de la phase gazeuse pourra comprendre la compression (compression mécanique et/ou thermocompression) d'une autre partie de la phase gazeuse et l'échange thermique indirect entre le gaz résultant de cette compression et ladite partie de la phase gazeuse à surchauffer, ladite compression étant suffisante pour réaliser la surchauffe souhaitée. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le produit liquide à traiter comprend un composant liquide dans lequel est dissous ou en suspension au moins un composant solide, auquel cas le composant le plus volatil est ledit composant liquide et le gaz condensable est la vapeur surchauffée dudit composant liquide. Ainsi, le produit liquide à traiter pourra par exemple être du lactosérum ou du lait entier ou partiellement ou totalement écrémé, auquel cas le composant le plus volatil est l'eau et le gaz condensable surchauffé est la vapeur d'eau surchauffée. Le procédé qui vient d'être décrit peut avoir les applications les plus diverses. L'une de ces applications concerne la fabrication de poudre. On rappellera à ce sujet que, conformément à la technique antérieure, une poudre est habituellement fabriquée à partir d'un produit liquide à teneur en matière sèche en soumettant ce produit liquide à une concentration préalable dans un évaporateur à surface d'échange thermique, avant de le soumettre à un séchage par atomisation au moyen d'air chaud. Du fait de la mise en oeuvre d'une surface d'échange, il existe le risque de dépôt de matière sèche sur cette surface, surtout dans le cas d'un produit liquide contenant une substance susceptible de précipiter ou de cristalliser au cours de l'évaporation En outre, si la concentration préalable est trop poussée, le produit est susceptible de se dégrader, ce qui affecte défavorablement la qualité et les propriétés de la poudre finale. De ce fait, la concentration préalable ne devra pas dépasser un seuil déterminé il y aura alors obligation d'évaporer plus dans le sécheur par atomisation, ce qui est économiquement peu satisfaisant puisqu'il est bien établi que la consommation énergétique d'un sécheur par atomisation est plus du double de celle par exemple d'un évaporateur à flot tombant, pour produire la même évaporation. L'application du procédé d'évaporation partielle susmentionnée à la fabrication d'une poudre permet de supprimer tous les inconvénients ci-dessus. Ainsi, la présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de poudre, telle que de la poudre de lait, à partir d'un produit liquide à teneur en matière sèche tel que du lait, comprenant une opération de concentration dudit produit liquide pour obtenir un produit liquide concentré, suivie d'une opération de séchage par atomisation de ce produit liquide concentré par mise en contact de ce dernier à l'état pulvérisé, avec un gaz chaud non condensable tel que de l'air chaud, ce procédé étant caractérisé en ce que ladite opération de concentration comprend l'évaporation partielle dudit produit liquide conformément au procédé d'évaporation partielle exposé ci-dessus. Il est de la sorte possible d'obtenir par évaporation partielle un produit liquide concentré d'une concentration supérieure à celle pouvant être obtenue par une évaporation classique par échange thermique indirect, sans que cela ait pour autant une influence négative sur la qualité et les propriétés de la poudre finale telles que par exemple sa qualité organoleptique et sa solubilité. On ajoutera qu'une partie de la phase gazeuse produite par l'évaporation partielle pourra, dans un souci d'économie d'énergie, être avantageusement soumise à un échange thermique indirect avec un gaz non condensable, le gaz réchauffé résultant étant alors mis en oeuvre après un chauffage final en tant que gaz chaud condensable dans l'opération de séchage par atomisation. On précisera encore que l'opération de concentration pourra en outre comprendre une préconcentration du produit liquide par échange thermique indirect entre une source de calories et ce produit liquide, cette préconcentration étant effectuée avant ladite évaporation partielle. Une telle pré concentration sera réalisée à un degré tel qu'il n'aura aucun effet néfaste sur la poudre finale et de manière qu'il ne se produise aucun dépôt de matière sèche sur la surface d'échange. Un mode de réalisation préféré de la présente invention sera décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dont la figure unique est une représentation schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de poudre selon l'invention. Cette installation comprend de manière connue en soi un sécheur par atomisation 1 comportant une enceinte délimitée par une paroi latérale cylindrique verticale 2, une paroi supérieure horizontale 3 et un fond 4 en forme de cône renversé. Le sommet de ce cône est pourvu d'une sortie 5 de poudre ; la paroi latérale 2 est pourvue à sa partie inférieure d'une sortie 6 de gaz et la paroi supérieure 3 est pourvue d'une arrivée 7 de gaz non condensable chaud et d'une arrivée 8 de produit liquide débouchant dans la partie haute du sécheur 1 et se terminant par un moyen de pulvérisation 9 de liquide, tel qu'une buse de pulvérisation. Cette installation comprend en outre, toujours de manière connue en soi, des moyens de concentration préalable du produit liquide à partir duquel on souhaite fabriquer la poudre. Conformément à la présente invention, ces moyens de concentration préalable comprennent un dispositif d'évaporation 10 comportant une enceinte délimitée par une paroi latérale cylindrique verticale 11, une paroi supérieure horizontale 12 et un fond 13 en forme de cône renversé. Le sommet de ce cône est pourvu d'une sortie 14 de liquide concentré; la paroi latérale 11 est pourvue à sa partie inférieure d'une sortie 15 de gaz ; et la paroi supérieure 12 est pourvue d'une arrivée 16 de gaz condensable chaud et d'une arrivée 17 de liquide débouchant dans la partie haute du dispositif 10 et se terminant par un moyen de pulvérisation 18 de liquide, tel qu'une buse de pulvérisation. Il est à noter que l'extrémité de la sortie 14 est reliée à l'arrivée 8 par une pompe de circulation 18a. Par ailleurs, la sortie 15 de gaz est reliée à un moyen de mise en circulation 19 tel qu'un ventilateur. Le refoulement de ce ventilateur est raccordé à tout moyen apte à transférer des calories au gaz issu du moyen de mise en circulation 19 avant d'être envoyé dans le dispositif d'évaporation 10 par l'arrivée 16. Il pourra par exemple s'agir d'une enceinte traversée par ledit gaz issu du moyen de mise en circulation 19 et dans laquelle est disposée une résistance électrique chauffante. Il pourra encore s'agir d'une enceinte comportant un serpentin dont l'une des extrémités est raccordée au refoulement des moyens 19 et l'autre extrémité est raccordée à l'arrivée 16, enceinte qui est en outre équipée d'un brûleur de gaz. Il pourra s'agir également, comme le montre la figure unique, d'une enceinte 20 pourvue d'une arrivée de gaz 21 en communication avec le refoulement des moyens de mise en circulation 19 et d'une sortie 22 en communication avec l'arrivée 16. Cette enceinte 20 est traversée par un serpentin 23 comportant une arrivée 24 de fluide caloporteur et d'une sortie 25 pour ce même fluide caloporteur. L'installation ainsi décrite est complétée par un dispositif de préconcentration. Celui-ci peut par exemple être constitué par un évaporateur à surface d'échange thermique tel qu'un évaporateur à flot tombant ou à circulation forcée. La figure unique représente un évaporateur à flot tombant 26 qui comprend un faisceau de tubes (non représenté) disposé dans un corps de chauffe 27 pourvu d'une arrivée 28 de vapeur de chauffe et d'une sortie 29 de condensats. Ce faisceau de tube assure la communication entre la chambre supérieure 30 d'alimentation en produit liquide à préconcentrer et une chambre inférieure 31 de réception du produit liquide pré concentré. Cette dernière est pourvue à sa base d'une sortie 32 de produit liquide pré concentré reliée à l'aspiration d'une pompe de reprise 33 dont le refoulement est relié par un conduit 34 à l'arrivée 17 ; la chambre supérieure 30 est pour sa part pourvue d'une arrivée 35 de produit liquide à préconcentrer. La chambre 31 est en outre pourvue d'une sortie 36 de vapeur en communication avec un séparateur vapeur-liquide 37. On précisera que l'évaporateur 26 représenté sur la figure unique est un évaporateur simple effet, mais que dans le cadre de la présente invention cet évaporateur pourrait être à multiple effet. L'installation ainsi décrite fonctionne de la manière suivante. On introduit par l'arrivée 35 un produit liquide que l'on souhaite transformer en poudre. Il peut s'agir de tout liquide à teneur en matière sèche tel que par exemple du lactosérum ou encore du lait (entier ou totalement ou partiellement écrémé). Ce produit liquide, par exemple du lait, s'écoule de haut en bas dans le faisceau de tubes de l'évaporateur 26 où il subit une évaporation sous l'effet de la vapeur de chauffe amenée par l'arrivée 28. Il en résulte un lait pré concentré, étant précisé que les conditions d'évaporation sont choisies pour éviter toute altération du lait. Ce lait préconcentré est extrait de la chambre 31 par la sortie 32 et la pompe 33, avant d'être pulvérisé au sommet du dispositif d'évaporation 10, sous forme de fines gouttelettes, à l'aide du moyen de pulvérisation 18. Sous l'effet du gaz condensable pénétrant dans le dispositif 10 par l'arrivée 16, gaz qui dans l'exemple présentement décrit n'est autre que de la vapeur d'eau surchauffée, le lait pré concentré subit un réchauffage éventuel et une évaporation supplémentaire. Il en résulte un produit liquide concentré qui est extrait à la base du dispositif 10 par la sortie 14 et la pompe 18a. Il en résulte en outre une phase gazeuse constituée par la vapeur d'eau de chauffage amenée par l'arrivée 16 et la vapeur d'eau générée par l'évaporation du lait. Une partie de cette phase gazeuse est extraite du dispositif 10 par la sortie 15 et le moyen de mise en circulation 19 et amenée ensuite dans l'enceinte 20 où elle est surchauffée (sous l'effet des calories qui lui sont transférées depuis le fluide caloporteur circulant dans le serpentin 23) avant d'être renvoyée via la sortie 22 et l'arrivée 16 dans le dispositif 10. On notera que la pression régnant au sein de ce dernier dispositif pourra être réglée à volonté par exemple en fonction de la sensibilité thermique du produit liquide à concentrer ; ainsi dans le cas du lait (produit relativement thermosensible), il est souhaitable d'opérer sous pression réduite. Le produit liquide concentré issu de la pompe 18 est ensuite envoyé dans le moyen de pulvérisation 9 à l'aide duquel il est pulvérisé sous forme de fines gouttelettes avant de subir une dernière évaporation dans le sécheur 1 sous l'effet du gaz chaud non condensable (par exemple de l'air chaud) amené dans le sécheur par l'arrivée 16, les conditions de cette évaporation étant choisies pour obtenir une poudre qui se rassemble dans le fond du sécheur 1 avant d'en être extraite par la sortie 5. Quant à l'air chaud chargé de la vapeur d'eau générée par l'évaporation, elle est extraite du sécheur par la sortie 6. Dans un souci d'économie d'énergie, on préfère que la vapeur d'eau extraite par la sortie 15 et non soumise à l'opération de surchauffe dans l'enceinte 20 soit utilisée pour préchauffer de l'air froid dans un premier échangeur de chaleur indirect 38 pourvu d'une part d'une arrivée 39 d'air froid et d'une sortie 40 d'air préchauffé, et d'autre part d'une arrivée 41 de vapeur d'eau en communication avec la sortie 15 et d'une sortie 42 de condensats. L'air ainsi préchauffé est ensuite amené à sa température finale (suffisante pour réaliser l'évaporation souhaitée dans le sécheur 1) dans un deuxième échangeur de chaleur 43. Enfin, il est à noter que le fluide caloporteur destiné à alimenter l'arrivée 24 de l'enceinte 20 peut, si on le souhaite, être constitué par une vapeur obtenue en soumettant une partie de la vapeur extraite par la sortie 15 et non mise en oeuvre dans l'enceinte 20, à une compression mécanique et/ou une thermocompression (dans un compresseur 44) pour l'amener à un niveau énergétique suffisant pour surchauffer la vapeur traversant l'enceinte 20. La présente invention sera en outre illustrée par l'Exemple de référence et les Exemples suivants Exemple de référence Celui-ci a pour but d'illustrer la technique antérieure. Du lait à 9 % de matière sèche (20 000 kgm) est concentré dans un évaporateur à 4 effets bi-therm d'une consommation spécifique Cs= 0,15 kg de vapeur par kg d'eau évaporée. En consommant 2460 kg/h de vapeur vive dans cet évaporateur, on crée une évaporation de 16 400 kg d'eau par heure, pour obtenir un lait concentré à 50 % de matière sèche (3 600 kg/h). Ce concentré est ensuite traité dans un sécheur par atomisation (sécheur 2 temps ; C, = 2,1 kg de vapeur par kg d'eau évaporée) ; pour des raisons de facilité de comparaison, on considérera que le chauffage de l'air de ce sécheur est réalisé au moyen de vapeur vive (3 622 kg/h). A la sortie de ce sécheur, on obtient 1 875 kg de poudre de lait par heure (à 96 % de matière sèche) pour une consommation totale de vapeur (évaporateur + sécheur) de 6 082 kg/h. Exemple: Cet exemple illustre le procédé selon l'invention, dans lequel pour des raisons de simplicité, la vapeur d'eau surchauffée a été produite par utilisation de vapeur vive dans le circuit 24 > 23 b 25. Par ailleurs, la concentration spécifique C3 du sécheur par atomisation a été légèrement augmentée (C3 = 2,2 kg de vapeur par kg d'eau évaporée) par rapport à l'Exemple de référence ci-dessus et ce, pour tenir compte de la concentration plus élevée à l'entrée du sécheur. Ainsi, les conditions et résultats sont comme suit - lait à 9 % de matière sèche : 20 000 kg/h - consommation en vapeur vive de l'évaporateur : 2 460 kg/h - concentré obtenu à la sortie de l'évaporateur : 3 600 kg/h à 50 % de matière sèche - consommation de vapeur vive dans le sécheur à vapeur surchauffée : 360 kg/h - concentré obtenu à la sortie du sécheur à vapeur surchauffée : 3 273 kg/h à 55 % de matière sèche - vapeur d'eau issue du sécheur à vapeur surchauffée et non recyclée : 327 kg - consommation de vapeur vive pour chauffer l'air du sécheur par atomisation 3 076 kg/h - poudre à la sortie du sécheur par atomisation : 1 875 kg/h à 96 % de matière sèche - consommation totale de vapeur vive : 2 460 kg/ h + 360 kg/ h + 3 076 kg/h = 5 896 kg/h Il ressort de ce qui précède que le procédé selon l'Exemple 1 fait apparaître une économie de vapeur vive de 186 kg/h par rapport au procédé de l'Exemple de référence ci-dessus ne prévoyant pas de sécheur à vapeur surchauffée ; à quoi s'ajoute la récupération des calories disponibles dans les 327 kg/h de vapeur d'eau issue du sécheur à vapeur surchauffée et non recyclée. On ajoutera également que la puissance électrique nécessaire à la mise en oeuvre du procédé de l'exemple est négligeable, puisque cette puissance n'est que celle consommée d'une part par le ventilateur 19 destiné à l'extraction et au recyclage d'une partie de la vapeur issue du sécheur à vapeur surchauffée et d'autre part par la pompe 18a qui permet d'alimenter en lait concentré le sécheur par atomisation à air chaud. Exemple2: L'installation objet de cet exemple est identique à celle de l'exemple 1. Cependant, les conditions mises en oeuvre dans l'installation objet de cet exemple 2 et les résultats obtenus sont comme suit - lait à 9 % de matière sèche : 24 325 kg/h, soit 21,6 % de plus que par rapport à l'installation de l'exemple de référence - consommation en vapeur vive de l'évaporateur : 2 992 kg/h - concentré obtenu à la sortie de l'évaporateur : 4 378 kg/h à 50 % de matière sèche - consommation de vapeur vive dans le sécheur à vapeur surchauffée : 438 kg/h - concentré obtenu à la sortie du sécheur à vapeur surchauffée : 3 980 kg/h à 55 % de matière sèche - vapeur d'eau issue du sécheur à vapeur surchauffée et non recyclée : 398 kg/h - consommation de vapeur vive pour chauffer l'air du sécheur par atomisation 3 740 kg/h - poudre à la sortie du sécheur par atomisation : 2 280 kg/h à 96 % de matière sèche. Dans cette installation, l'évaporation dans le sécheur par atomisation par air chaud est de 1 700 kg/h, ceci correspondant sensiblement à l'évaporation du sécheur par atomisation de l'exemple de référence. Dans ces conditions, l'augmentation de production de poudre est de 405 kg/h, soit de 21,6 %. Or, l'investissement au niveau du sécheur par atomisation est peu importante puisque l'on ne change pas sa capacité évaporatoire. On obtient donc une augmentation appréciable de la production de la poudre de lait à moindre frais, puisque seule l'installation de pré-évaporation devra être modifiée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'évaporation partielle du composant le plus volatil d'un produit liquide constitué d'au moins deux composants de volatilité différente, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à amener et maintenir ledit produit liquide en contact direct avec un gaz condensable à une température suffisante pour obtenir d'un part, une phase gazeuse comprenant la vapeur d'évaporation dudit composant le plus volatil et d'autre part, un produit liquide enrichi en le (ou les) composant(s) moins volatil(s). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit produit liquide est amené en contact avec le gaz condensable, à l'état pulvérisé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit gaz condensable est constitué par la vapeur surchauffée dudit composant le plus volatil. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le produit liquide comprend un composant liquide dans lequel est dissous ou en suspension au moins un composant solide, caractérisé en ce que le composant le plus volatil est ledit composant liquide et le gaz condensable est la vapeur surchauffée dudit composant liquide. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le produit liquide est du lactosérum ou du lait entier ou partiellement ou totalement écrémé, caractérisé en ce que le composant le plus volatil est l'eau et le gaz condensable surchauffé est la vapeur d'eau surchauffée. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations consistant à surchauffer une partie de ladite phase gazeuse et à recycler le gaz surchauffé ainsi obtenu en tant que gaz condensable surchauffé. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les opérations consistant à surchauffer une partie de ladite phase gazeuse comprennent une opération de compression de la phase gazeuse et/ou une opération d'apport de calories à cette phase gazeuse. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les opérations consistant à surchauffer une partie de la phase gazeuse comprennent la compression d'une autre partie de la phase gazeuse et l'échange thermique indirect entre le gaz résultant de cette compression et ladite partie de la phase gazeuse à surchauffer, ladite compression étant suffisante pour réaliser la surchauffe souhaitée. 9. Procédé de fabrication de poudre telle que de la poudre de lait, à partir d'un produit liquide à teneur en matière sèche tel que du lait, comprenant une opération de concentration dudit produit liquide pour obtenir un produit liquide concentré, suivie d'une opération de séchage par atomisation de ce produit liquide concentré par mise en contact de ce dernier à l'état pulvérisé, avec un gaz chaud non condensable tel que de l'air chaud, caractérisé en ce que l'opération de concentration comprend l'évaporation partielle dudit produit liquide conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une partie de la phase gazeuse obtenue par ladite évaporation partielle est soumise à un échange thermique indirect avec un gaz non condensable, le gaz réchauffé résultant étant mis en oeuvre, après un chauffage final, en tant que gaz chaud non condensable dans l'opération de séchage par atomisation. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'opération de concentration comprend en outre une pré-concentration effectuée avant ladite évaporation partielle, cette pré-concentration comprenant une évaporation par échange thermique indirect entre une source de calories et le produit liquide.