Solutions WGPHE pour les fluides très visqueux et chargés de particules

Les échangeurs de chaleur classiques tombent souvent en défaut avec les fluides très visqueux, les boues très chargées en solides et les milieux corrosifs, à cause d'un encrassement et d'un bouchage rapides. L'échangeur de chaleur à plaques soudées à larges canaux (WGPHE) offre des atouts techniques importants : excellente résistance au colmatage, rendement thermique élevé, faibles pertes de charge, résistance à la corrosion et à l'usure. Cet article analyse son utilisation dans l'industrie de l'alumine, la sucrerie, la papeterie et le traitement des eaux usées chimiques, et montre comment la structure à larges canaux garantit la continuité du procédé et l'efficacité de l'échange thermique.

1. Industrie de l'alumine : maîtriser l'érosion et l'entartrage dans le procédé Bayer

La production d'alumine est un pilier de la métallurgie moderne. Son procédé de référence, le procédé Bayer, est un procédé chimique complexe qui fait intervenir des températures et des pressions élevées, une base forte et une grande quantité de particules solides en suspension. L'étape de précipitation (décomposition) y est déterminante pour la qualité et le volume de production, et c'est aussi l'un des postes où l'exploitation et la maintenance des échangeurs sont les plus difficiles.

1.1 Caractéristiques de l'étape de précipitation

Dans les décomposeurs, la liqueur d'aluminate de sodium diluée doit précipiter des cristaux de gibbsite à température contrôlée. Cette réaction dégage beaucoup de chaleur et exige une régulation précise de la température pour maîtriser la vitesse de croissance des cristaux.

• Entartrage : la liqueur d'aluminate de sodium est dans un état métastable sursaturé. Lorsque la vitesse du fluide diminue près de la surface d'échange, créant des zones mortes, ou que l'écart de température est trop grand, l'aluminate et le silicate de sodium germent spontanément sur la paroi et forment un tartre dur. Cette couche conduit très mal la chaleur : elle freine fortement l'échange thermique et continue de s'épaissir jusqu'à boucher les canaux.
• Érosion : pour limiter l'entartrage et la sédimentation des particules, la boue doit circuler à une vitesse relativement élevée. Or elle transporte en suspension des germes d'hydroxyde d'aluminium très durs et des résidus de bauxite. Dans les échangeurs classiques, cet écoulement diphasique solide-liquide rapide agit comme un sablage humide : il use en continu les entrées, les coudes et les points de contact des plaques, ce qui amincit rapidement les parois et peut aller jusqu'au percement et à la fuite.

1.2 La solution de SHPHE

Face à ces contraintes, Shanghai Heat Transfer Equipment Co., Ltd. (SHPHE) a mis au point, à partir de travaux sur la mécanique des fluides multiphasiques, un WGPHE dédié à la boue de précipitation.

1.2.1 Atouts structurels de l'échangeur à plaques vertical à larges canaux

• La boue circule verticalement ; son énergie cinétique et la poussée d'Archimède maintiennent les particules en suspension et l'écoulement reste homogène.
• Les plaques sont placées de part et d'autre des canaux verticaux, ce qui limite l'accumulation de solides dans les ondulations basses et réduit l'entartrage.
• Associé à un système de nettoyage par ébullition alcaline, il réduit la fréquence de démontage et de nettoyage de l'échangeur.

1.2.2 Atouts structurels de l'échangeur à plaques horizontal à larges canaux

• Un contrôle précis de la vitesse garantit qu'au fond du canal elle reste supérieure à la vitesse critique de mise en suspension.
• Le dessin amélioré des ondulations favorise la turbulence en partie basse et réduit les zones de stagnation sur les plaques.
• Démontage, nettoyage et maintenance faciles.

1.2.3 Un distributeur d'entrée spécifique

Pour remédier à l'érosion en entrée, SHPHE a conçu un distributeur de fluide spécifique à l'entrée de la boue.

• Dissipation d'énergie et redressement du flux : le dispositif amortit le jet rapide issu de la conduite d'alimentation et supprime les tourbillons et les zones de haute pression locales.
• Répartition homogène : il assure un débit et une vitesse uniformes dans chaque canal sur toute la largeur du paquet de plaques, ce qui évite qu'une mauvaise répartition crée à la fois des zones d'érosion à grande vitesse et des zones d'entartrage à faible vitesse.

1.2.4 Cas d'application

Lors de la modernisation d'une grande usine d'alumine, les refroidisseurs tubulaires d'origine devaient être arrêtés toutes les 2 à 3 semaines pour un nettoyage à l'eau haute pression, et leurs faisceaux tubulaires duraient moins d'un an. Après leur remplacement par le refroidisseur de boue de précipitation à larges canaux de SHPHE, l'intervalle de nettoyage est passé à 3 à 6 mois, ce qui a fortement réduit les arrêts et les effluents de nettoyage. L'entartrage étant nettement plus lent, le coefficient d'échange moyen (valeur K) est resté élevé tout au long du cycle de fonctionnement : la température des décomposeurs est mieux maîtrisée et la granulométrie de l'alumine produite s'en trouve directement améliorée.

Comparaison des performances en service : WGPHE ou échangeur tubulaire

2. Sucrerie et fermentation : viscosité élevée et fibres de biomasse

Le traitement de la biomasse pose un double défi : des fibres végétales qui colmatent les points de contact et une viscosité qui augmente de façon exponentielle pendant la concentration.

2.1 Sucrerie : bagacillo et sirops très visqueux

Dans la production de sucre de canne, le jus mélangé issu du broyage contient beaucoup de bagacillo (fines particules de bagasse), ce qui entraîne :

• Encrassement par les fibres (accrochage des fibres) : les points de contact des ondulations des échangeurs à plaques classiques piègent les fibres. Une fois accrochées, elles s'accumulent vite et forment un feutre dense qui bloque l'écoulement.
• Écoulement laminaire à haute viscosité : lorsque le jus est concentré en sirop ou en mélasse dans les évaporateurs à multiples effets, sa viscosité peut atteindre plusieurs milliers de centipoises. Dans les échangeurs tubulaires, un fluide aussi visqueux s'écoule en régime laminaire, ce qui crée une couche limite thermique très épaisse contre la paroi et réduit fortement l'efficacité de l'échange.

Les solutions de SHPHE

• Canal en S sans obstacle : le WGPHE de SHPHE utilise des plaques spécifiques dont le canal a une section lisse et ondulée, sans aspérités ni zones mortes. Son écartement très large, de 20 à 30 mm, laisse passer sans difficulté les fibres longues.
• Turbulence à faible nombre de Reynolds : le motif en écailles de poisson des plaques crée des écoulements secondaires, comme des tourbillons de Dean, dans le sirop même à une vitesse de 0,2 à 0,3 m/s seulement. Ce brassage intense améliore l'échange et évite la caramélisation du sucre due à une surchauffe locale.
• Valorisation de la chaleur en cascade : grâce à son rendement thermique élevé, l'équipement SHPHE peut utiliser la vapeur résiduelle à basse température (60 à 70 °C seulement) du dernier effet de l'évaporation pour préchauffer le jus brut. Il récupère ainsi une chaleur qui serait autrement perdue et réduit nettement la consommation de vapeur vive.

2.2 Éthanol carburant : refroidissement du moût et encrassement biologique

Le moût de fermentation de l'éthanol est une boue complexe qui contient des résidus de céréales, des levures, des protéines et de l'amidon non fermenté.

• Encrassement biologique : à température favorable, la matière organique forme facilement un biofilm sur les surfaces d'échange. Ce film a une très forte résistance thermique, il est très difficile à nettoyer et peut même corroder l'acier inoxydable.
• Comportement non newtonien : le moût se comporte généralement comme un fluide rhéofluidifiant. Dans les équipements classiques, une répartition inégale des vitesses provoque localement une viscosité excessive et une stagnation, d'où des zones mortes.

Les solutions de SHPHE

• Pas de zone morte au nettoyage : la construction entièrement soudée offre des surfaces internes lisses. Les solutions acides et alcalines du nettoyage en place (NEP/CIP), à grande vitesse, balaient toutes les surfaces sans zone morte, éliminent complètement le biofilm et empêchent la prolifération bactérienne.
• Optimisation rhéologique : le dessin des canaux est adapté aux fluides non newtoniens pour assurer une répartition uniforme du taux de cisaillement dans les canaux, éviter les zones de forte viscosité et garantir un refroidissement homogène du moût.

3. Papeterie : récupérer la chaleur des eaux blanches

La papeterie est une industrie typiquement grande consommatrice d'énergie et d'eau. Pour réduire la consommation d'énergie par tonne de papier, il faut récupérer la chaleur des eaux blanches et de la liqueur noire produites pendant la fabrication.

3.1 Les eaux blanches de la machine à papier : un mélange de fibres et de charges

Les eaux blanches sortent de la table de formation de la machine à papier et contiennent des fibres fines de cellulose, des charges et des additifs chimiques. Dans les échangeurs classiques, les fibres se déposent et encrassent très facilement les surfaces ; c'est pourquoi les papeteries renoncent généralement à récupérer cette chaleur à bas niveau (45 à 55 °C).

3.2 La solution de SHPHE

L'échangeur à plaques à coussins (pillow plate) est formé de deux tôles soudées au laser puis hydroformées. Sa surface présente des bossages réguliers en forme de coussins, et la section de passage s'élargit et se resserre périodiquement. En traversant ces canaux à section variable, le fluide accélère et ralentit de façon périodique, ce qui crée une turbulence auto-entretenue. Les larges canaux laissent un passage libre aux fibres, tandis que les variations de vitesse et le brassage turbulent les maintiennent constamment en suspension et en mouvement : elles ne peuvent pratiquement ni adhérer ni se déposer.

3.3 Cas d'application

Dans une grande papeterie, des échangeurs à plaques à coussins de SHPHE installés à la sortie du bac d'eaux blanches récupèrent directement leur chaleur pour réchauffer l'eau propre. L'équipement fonctionne en continu depuis un an sans aucun bouchage et assure une récupération effective de la chaleur fatale.

4. Applications en génie de l'environnement

Les eaux usées chimiques, par exemple celles des pesticides, des colorants et de la pharmacie, présentent généralement une forte salinité (TDS), une DCO (demande chimique en oxygène) élevée et une forte corrosivité.

• Anti-cristallisation et anti-sédimentation : les sels cristallisent facilement lors de l'évaporation et de la concentration des eaux usées très salines. Les larges canaux du WGPHE laissent passer les cristaux, et un fort débit de balayage empêche le bouchage. Pour les eaux usées chargées de boues huileuses, le large écartement évite la formation de ponts et l'accumulation des boues.
• Rentabilité : comparé aux échangeurs en graphite ou aux échangeurs tubulaires en matériaux spéciaux, le WGPHE a un coefficient d'échange plus élevé et nécessite moins de surface. Avec de l'Hastelloy (C-276) ou un alliage titane-palladium, le coût total des matériaux est donc plus faible et le rapport performance/prix meilleur.

Analyse comparative