Soutenance mémoire
Présentation générale
Le procédé d’évaporation flash sous vide est très largement utilisé depuis plusieurs décennies dans diverses industries. On le retrouve dans différentes applications telles que : le dessalement de l’eau de mer, la concentration et la pasteurisation du lait ou le traitement des eaux usées chargées en huiles solubles (eaux de lavages des sols, eaux de machines à laver, liquide de refroidissement et de lubrification des pièces usinées,…). Au cours de ces dernières années, une nouvelle application de ce procédé a vu le jour par le biais deux scientifiques Réunionnais qui ont traités certains fruits et légumes par évaporation flash, dans le but d’obtenir des jus et des purées ayant des caractéristiques rhéologiques et physico-chimiques différentes des produits traditionnels. Le matériel végétal traité par ce procédé présente une viscosité et une intensité colorante supérieures à celles des produits traditionnels. Dans l’industrie agroalimentaire ce procédé est déjà appliqué pour la production de purées de tomate plus colorantes et plus visqueuses, la concentration de jus de fruits tropicaux (fruit de la passion, goyave et mangue), l’extraction des huiles essentielles d’écorces d’agrumes, ou encore au prétraitement de la vendange juste après la récolte. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire, ont été réalisés dans le cadre d’un projet P3AN (POLE AQUITAIN AGRO-ALIMENTAIRE ET NUTRITION) en collaboration avec la société LES VIGNOBLES ANDRE LURTON (producteur de vins dans la région bordelaise). Cette collaboration a débuté en 1998-1999 et s‘est concrétisé par trois Projets de Fin d’Etudes de l’ENSAM [1], et un brevet international [2] en préambule à ce travail. L’objectif est de mettre en œuvre une démarche de conception architecturale dite «Conception Inversée Intégrée» pour la conception et l’optimisation d’un évaporateur flash appliqué au traitement de la vendange et d’aller vers un outil d’aide à la décision.
Le pilote expérimental
Nous nous intéressons aux aspects thermodynamiques de ce procédé. En effet, le LEPT-ENSAM, travaille depuis quelques années [1, 2, 3, 4] sur ce concept ; un premier pilote mono-étagé (une seule cuve de détente) a été conçu, réalisé et étudié (modélisation du comportement thermodynamique et expérimentations). Suite à ces travaux, un nouveau pilote bi-étagé (refroidissement en cascade) a été réalisé dans le but de réduire le volume de l’installation (Figure 1.1), d’augmenter sa capacité (tonnes de produit traitées par heure) et d’avoir une meilleure maîtrise de la température de refroidissement de la vendange.
La vendange est constituée de jus et de baies le plus souvent écrasées (Figure 1.2). Pour pouvoir réaliser la base de connaissance nous avons dû utiliser un fluide de référence disponible toute l’année. Les travaux présentés dans ce mémoire concernent le refroidissement d’eau conditionnée en température dans une cuve tampon chauffée.
Fonctionnement et comportement thermodynamique du pilote
Fonctionnement
La chambre de détente bi-étagée et les deux condenseurs sont mis sous vide (permet d’abaisser la température de saturation dans la système) au moyen du dispositif pompe à vide – éjecteur ; une fois que l’on a atteint une pression de 30 millibar environ, on ouvre la vanne (V1), la vendange ainsi chauffée préalablement dans la cuve de chauffage (à une température entre 70 et 90 °C) est aspirée dans l’étage supérieur de la chambre de détente par la différence de pression à laquelle elle est soumise. Elle subit alors une détente brusque accompagnée d’une libération violente de vapeur (prenant de l’énergie au produit et ainsi le refroidissant) avec arrachement de gouttelettes qui augmente la pression de vapeur à 100 millibar environ dans l’étage haute pression. L’accroîssement du niveau de vendange accumulée au fond de l’étage supérieur, actionne le flotteur qui ouvre le passage de la vendange vers l’étage basse pression dans lequel a lieu un second flash moins violent que le précédent. L’étage haute pression dispose d’un dévésiculeur qui assure la récupération sous forme de condensats des gouttelettes transportées par la vapeur. Au niveau de l’étage basse pression, il n’y a pas de dévésiculeur en raison de la faible intensité de la détente qui ne provoque pas d’arrachement de gouttes. On récupère dans les deux condenseurs tubes et calandre horizontaux reliés à chaque étage du bi-cuve, les quantités d’eau évaporées, celles-ci peuvent être réintroduites (ou non) dans la vendange traitée. La durée des essais est de 10 minutes au maximum ; en effet c’est une contrainte liée à la capacité du système de chauffage (250 litres). Le pilote industriel est prévu pour des débits de vendange de 10 tonnes par heure et pourra fonctionner en continu car il disposera de systèmes de chauffe (chauffage à vapeur, échangeur « tube in tube » en forme de serpentin,…) capable de l’alimenter.
Comportement thermodynamique
Ce procédé reste complexe à appréhender du fait des phénomènes physiques liés au vide et au couplage entre les composants du dispositif. Pour expliquer succinctement le comportement thermodynamique du pilote, résultats des mesures relevées au cours de deux essais. Elles montrent l’évolution des températures et des pressions dans les deux étages de la chambre de séparation.
on observe après la phase de mise sous vide (les pressions atteignent des valeurs comprises entre 25 et 30 millibar) et l’ouverture de la vanne d’alimentation du produit, que l’évolution des températures et des pressions peut être scindée en deux régimes thermiques :
➤ Régime transitoire :
Le pilote est initialement à la température ambiante inférieure à la température d’évaporation dans la chambre de séparation. Pour cette raison, il se produit en début d’expériences, un fort débit de vapeur qui décroît avec l’augmentation de la température dans le système, et ce pour atteindre un débit de fonctionnement à la fin de la période transitoire. L’écart entre le débit en début d’expériences et ce débit d’équilibre (de fonctionnement), représente l’énergie nécessaire pour compenser la masse thermique du pilote (matières premières de fabrication du pilote : acier, plastique,…). Ce phénomène se traduit par une augmentation continue des pressions et des températures jusqu’à l’état d’équilibre. La complexité de ce comportement réside dans le fait que le système s’autorégule pour tendre vers un état d’équilibre. Cette autorégulation est responsable des interactions entre toutes les grandeurs physiques.
➤ Régime permanent :
Après environ 300 secondes, le système s’équilibre à des pressions, des températures et des débits de vapeur et de produit quasi constantes. Cet équilibre est dû au fait que le système s’est affranchi de sa masse thermique pendant le régime transitoire (par une élévation de la température du pilote), et que les pertes par rayonnement et convection à travers les parois sont assez faibles.
Il est important, dans le cadre de ce travail, d’obtenir par les expériences ces paliers d’équilibres de températures dans chacun des étages de la machine. Ces températures d’équilibres sont des paramètres pertinents de la conception car, d’une part, elles sont imposées dans le cahier des charges. Et, d’autre part, dans la phase d’identification et de modélisation des phénomènes et pour chaque expérience nous prenons en compte seulement les valeurs des grandeurs physiques à l’état d’équilibre. Pour obtenir l’équilibre thermodynamique dans le cas du fonctionnement expérimental décrit cidessus, nous avons effectué un préchauffage du condenseur basse pression. En effet, sans préchauffage, le condenseur provoque une dérive tout au long de l’expérience sur la température et la pression dans l’étage basse pression (cf. figure1.5). La raison essentielle qui est à l’origine de cette dérive repose sur le fait que le condenseur (BP) est surdimensionné par rapport au débit de vapeur qui le traverse. Le flash qui se produit dans l’étage basse pression sert uniquement à affiner la température de refroidissement du produit. Le débit de vapeur est alors assez faible dans cet étage de la cuve car l’essentiel du flash se produit dans l’étage haute pression.
Effet de l’évaporation flash sur la qualité d’un vin
La conception et l’optimisation de ce procédé pour une application aussi spécifique que le prétraitement de la vendange, nécessite la compréhension de l’incidence de l’évaporation brutale sous vide du produit sur l’amélioration de l’extraction des composés polyphénoliques et par conséquent sur la qualité organoleptiques (couleur, odeur, saveur) d’un vin. Le paragraphe suivant est une synthèse d’un ensemble d’études oenologiques menées sur les vins traités par évaporation flash. Le processus de production d’un vin de qualité peut être scindé en deux étapes. La première étape concerne tous les traitements dispensés à la vigne depuis le choix du cépage adapté au terroir à la récolte. Le terroir est un ensemble de conditions naturelles telles que les conditions climatiques (sécheresse, pluviométrie,…) et pédologiques (perméabilité des sols, nature de la roche,…). Des terroirs très différents sont capables de produire des vins de grande qualité à partir de cépages similaires. Le cépage est un ensemble des variétés de plant de vigne cultivée. On dénombre environ cinq cents cépages différents classés selon leur intérêt œnologique, il existe deux grandes classifications pratiques des cépages : selon la destination (types de vins que l’on veut produire), et selon la date de maturité (lorsque la teneur en sucre atteint son maximum). La deuxième étape concerne la transformation de la vendange (cf. figure 1.6). Dans cette phase diverses techniques et technologies sont mise en œuvre pour tenter d’extraire une grande partie du potentiel polyphénolique de la baie de raisin. En effets les cellules de l’épiderme renferment des composées aromatiques (tannins, anthocyanes) qui sont à l’origine de la typicité du vin. L’évaporateur flash est un moyen technologique conçu dans le but d’améliorer l’extraction du potentiel qualitatif. L’effet du vide permet une désaération de la vendange favorisant ainsi la destruction des oxydases. Ces derniers qui activent la fixation de l’oxygène sur les autres corps (responsable du brunissement des jus de fruits). D’autre part, la brutalité de la détente qui dépend du niveau de vide imposé dans le système (la différence de pression à laquelle est soumise la vendange) et la température de chauffe de la vendange, fragilise et déstructure les pellicules favorisant ainsi l’intensification des phénomènes diffusionnels durant la phase de macération (cf. figure 1.4). Cette étape de la vinification consiste à mettre en contact les pellicules qui forment le chapeau de marc et le jus pour assurer au vin coloration et richesse tannique.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Présentation générale
1.2 Le pilote expérimental
1.3 Fonctionnement et comportement thermodynamique du pilote
1.3.1 Fonctionnement
1.3.2 Comportement thermodynamique
1.4 Effet de l’évaporation flash sur la qualité d’un vin
1.5 Objectifs généraux de la thèse
2 Démarche générale
2.1 Introduction
2.2 Conception architecturale
2.2.1 Conception Inversée Intégrée
2.2.2 Analyse et structuration
2.2.3 Formulation par contraintes
2.2.4 Résolution par satisfaction de contraintes
2.3 Mise en œuvre et qualification de la formulation par contraintes
2.4 Le solveur de contraintes utilisé
2.5 Description systémique par approche fonctionnelle
2.5.1 Organigramme technique
2.5.2 Bloc diagramme fonctionnel
2.6 Démarche de modélisation
2.7 Niveaux des connaissances
2.8 Orientation des travaux
3 Etude du couplage chambre de séparation – condenseur
3.1 Introduction
3.2 Chambre de séparation
3.3 Condenseur
3.4 Etude expérimentale et qualification des modèles
3.4.1 Qualification par rapport à l’étude de Berman
3.4.2 Analyse expérimentale
3.5 Conclusion
4 Etude du dispositif de mise sous vide et du système de traitement des gouttelettes
4.1 Dispositif de mise sous vide (pompe à vide – éjecteur)
4.1.1 Définition et principe de fonctionnement
4.1.2 Modélisation de l’écoulement dans l’éjecteur
4.1.3 Analyse expérimentale et qualification des modèles
4.2 Choix d’une technique de séparation en adéquation avec les contraintes imposées par le procédé
4.3 Les principes physiques des différentes techniques
4.4 Principaux dévésiculeurs
4.4.1 Chambre de sédimentation
4.4.2 Séparateur centrifuge ou cyclone
4.4.3 Dévésiculeur à lames ondulées ou en chicanes
4.4.4 Dévésiculeur à lames ondulées
4.4.5 Dévésiculeur en chicanes
4.4.6 Séparateur électrostatique
4.4.7 Laveur de gaz (scrubber) et venturi
4.4.8 Dévésiculeur à diffusion
4.4.9 Matelas tissés
4.5 Critères de sélection
4.6 Propriétés des dévésiculeurs
4.7 Choix de la technique et de l’appareil de séparation compatible
4.8 Conditions de fonctionnement
4.9 Analyse théorique
4.9.1 Etude d’un séparateur centrifuge
4.9.2 Etude des séparateurs à lames ondulées ou en chicanes
4.9.3 Séparateur à lames ondulées commercialisé
4.9.4 Vitesse optimale de Katz
4.9.5 Modèle de Calvert spécifique au dévésiculeur en zigzag à coude pointu
4.10 Qualification et analyse expérimentale
5 Analyse à l’échelle du système par plans d’expériences
5.1 Objectifs
5.2 Présentation
5.3 Phase analyse
5.3.1 Problème à résoudre
5.3.2 Réponse mesurée
5.3.3 Identification des facteurs à prendre en compte
5.3.4 Choix du nombre d’expériences, des facteurs et de leurs domaines
5.3.5 Choix du plan d’expériences
5.4 Phase d’exécution et de traitement des données
5.4.1 Expérimentation
5.4.2 Traitement des résultats
5.4.3 Interprétation et exploitation
5.5 Conclusion
6 Conclusion
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