_CM1.Introduction_2016

Les Fluides industriels

CM1 : Introduction aux fluides industriels
CM2 : Production de vapeur industrielle
CM3 : Distribution et usages de vapeur industrielle
CM4 : Nettoyage et désinfection
CM5.1 : Conception hygiénique
CM5,2 : Electricité et pompes
CM6 : Concentration par évaporation sous vide partiel

Oct. 2015 STIA4 – Les Fluides Industriels

Introduction aux fluides industriels

Objectifs et enjeux :
Sensibiliser aux fonctionnement des outils de productions industriels
Comprendre/identifier les flux et ce qu’ils impliquent
Parallèle Travaux Pratiques ATA

Oct. 2015 STIA4 – Les Fluides Industriels

Sommaire

3

Contexte des fluides industriels : le procédé
Des fluides de process
Les fonctions de ces fluides
Fluides & usages : Focus eau liquide

I. Généralités sur l’eau
II. Qualités de l’eau
III. Distribution : Conduite, Sécurité, Hygiène

Eaux de nettoyage (Cf. cours nettoyage)

19/01/12

Contexte : les procédés alimentaires (1/3)

4

C’est quoi un process alimentaire ?

(au sens large) moyen/opération permettant la TRANSFORMATION
d’un intrant (ou matière première) en produit alimentaire.

Mise en œuvre d’un ou d’une somme de principes physiques.
exemples : fractionnement d’élément granulaire,
dénaturation et/ou agrégation protéique,
gélatinisation amidon,
émulsion huile dans eau…

?
Boite noire ?
MP Process Produit

Contexte : les procédés alimentaires (2/3)

5

MP Process Produit

Maitrise / contrôle Gérer des flux de fluides de process

3 notions élémentaires

COMPRENDRE les principes physiques à l’œuvre

PLANIFIER notamment les phases de productions

PILOTER : moyens/actions concrèt(e)s à exercer

Fluides = moyens nécessaires au fonctionnement

Les installations distribuent et utilisent les propriétés des fluides

Contexte : les procédés alimentaires (3/3)

6

MP Process Produit

Maitrise / contrôle

Gestion des flux de fluides de process

C.à.d. fixer des paramètres quantifiés/quantifiables (effect./régul.)
Notion de variance d’un système

v = (n - r - p) + k – φ Nb. paramètres
= C +2–φ Nb. phases

Nb. composants

Nombre de paramètres (intensifs et indépendants) qui caractérisent un état
d’équilibre.

En Bref…

7

Toute machine/installation UTILISE et REJETTE des fluides

Gestion dans l’entreprise implique des critères quantitatifs et qualitatifs

Quel que soit l’état d’avancement du procédé des fluides de
process sont impliqués de manière déterminante

Lavage/tri Transformation Stabilisation Conditionnement

Notions abordées lors de ce cours

- Spécificités
8 - Similitudes

FLUIDES
INDUSTRIELS

PROPRIÉTÉS MANAGEMENT

- Composition RÉSEAUX - Coût financier
- Caractéristiques physiques - Développement durable
- Fonctions et utilités

- Caractéristiques de production/distribution
- Incompatibilités

Des fluides industriels

9

À distinguer de la matrice alimentaire.

/!\ matrice souvent fluide Exemples d’applications
/!\ distinction pas toujours évidente
Pasteurisation, nettoyage
Les principaux Fluides Stérilisation UHT, générateur
Séchage, fonctionnement vérin
Eau Liquide /
Vapeur Alim. moteur, chauffage ohmique

Air Stockage/production énergie ‘’utile’’

‘’Électricité’’

Energies fossiles

Mais aussi Solvants organiques Extraction d’huile
Huiles Friture
Fluides frigorigènes Congélation
Autres… Selon applica1ti9o/n01s/p1é2cifique

Les fonctions des fluides (1/3)

10

Fluide : notion de dynamique/mouvement
véhicule pour des flux d’énergie (micro-macro)

(Rappel) Etot = Ec + Ep + U
U = H – PV

Variation d’énergie mécanique : cinétique, pesanteur
Variation d’enthalpie : chaleur/rayonnement, réaction

chimique

Variation pression/volume : travail

Les bilans énergétiques sont réalisés sur les fluides

Les fonctions des fluides (2/3)

11

Fonction Exemples d’applications
Transport/transfert thermique
Energie de réaction Échange thermique du
Apport de travail caloporteur (échangeur chaleur)
Véhicule de matière
Support d’information Inactivation prot., granulation,
cuisson…

Détente, évaporation sous vide,
alimentation turbines…

Acheminement matrice,
solubilisation, évaporation…

Régulation/pilotage
pneumatique, électronique…

Possibilité de multiples fonctions pour un même fluide
doivent être clairement identifiées pour les bilans

Les fonctions des Réception des
fluides (3/3) betteraves
B
12 e
t
L’eau aux multiples t
fonctions e
r
Exemple : fabrication du a
v
sucre de betterave e
s
Vapeur Aspiration Lavage
+ créant un Découpe
vide partiel C
condensats o
s
Même s
principe e
qu’en TP t
t
Parfois e
recyclage s
chaleur
fatale Boues de carbonatation
Sucres de
/!\ considérer aussi les phases du 1er, 2ème,
3ème jets &
process : démarrage, prod, nettoyage mélasses
Générateur
Condenseur

19/01/12

Fluide & usages : focus eau liquide

13

Une molécule aux propriétés très spécifiques

Omniprésente : composition de nombreuses matrices
alimentaires

Place prépondérante dans les procédés

A - Propriétés chimiques (solvant, structurant…)
B - Propriétés physiques (états, viscosité…)

Notamment ses propriétés thermiques

Impact en hygiène et sécurité

19/01/12

I. Généralités

14

A. Propriétés chimiques

Une molécule polarisée qui permet sous sa forme liquide :

Solvatation (espèces ioniques) / suspension (particules colloïdales)
Structuration à l’échelle moléculaire et macroscopique

Impacts directement les
procédés

I. Généralités – propriétés chimiques impacts procédés

15

A1. Affinité pour la phase aqueuse

Extraction de composés d’intérêt (sucres, protéines…)
Réduction d’interaction entre macromolécules

(imprégnation : transition cristallin vitreux)
Nettoyage souillures organiques/minérales

pour cela :

la modification de formulation des solutions (posmotique, pH, [I],
réactif…)

Variation P et T

I. Généralités – propriétés chimiques impacts procédés

16

A2. Eau libre/liée (aspect séchage)

Stabilisation d’un produit :

Aw => Réaction biologique
Faible Aw Coût énergétique

(Rappel) Aw évalue eau libre
eau liée

I. Généralités – propriétés chimiques impacts procédés

17

A3. Eau libre/liée (aspect microstructure)

Réhydratation du produit ‘’sec’’ fonction:

caractère hydrophobe/hydrophile des constituants et à leur répartition
présence de pores de petit diamètre
Etat physique : zones visqueuses,

solide amorphe caoutchouteux ou vitreux,

Provient cristallin

du procédé : atomisation, soufflerie, rouleau…
des paramètres procédés : T, P, vitesse

I. Généralités – propriétés chimiques impacts procédés

18

A4. Structuration échelle macro

Mise en suspension pour la formation d’une émulsion

Ne tient pas qu’à la formulation, aussi procédé de
fractionnement, T, P, vitesse

Structuration macro aussi liée à l’état ()

I. Généralités

19

B. Propriétés physiques

B1. Les états physiques de l’eau :

Congélation hp Domaine alimentaire
Déconta hp

Congélation Cuisson
Séchage

Lyophilisation

I. Généralités – propriétés physique impacts procédés

20

B2. Propriétés de l’Eau liquide

un fluide dit ‘’incompressible’’ :

Application en haute pression hydrostatique et d’homogénéisation

énergivore comparable aux traitements thermiques

Chauffage 1 m3 eau 5 à 95 °C : Q=m.Cp.ΔT

Compression 1 m3 eau 1 à 4 kbar : W=ΔP.V soient ≈4.105 kJ

Application aux effecteurs hydraulique de levage
Force impliquée peuvent être très importante

un fluide relativement dense et peu visqueux

Adapté au transport de matière sur des longues distances

Pompable

Applicable pour séparation physique de composés organique type graisse

I. Généralités – propriétés physique impacts procédés

21

Matériaux Cp J.kg-1.K-1
Eau liquide 4185
Air sec 1005
Acier 444

Condition h J.s-1.m-2.K-1

Convection libre 10-1000

Convection forcée 50-20000

Ebullition – condensation 2500-100000

h

I. Généralités – propriétés physique impacts procédés

22

B3. Les propriétés thermiques de l’eau

Un excellent fluide calorifique,
Certes… Mais

Toutes opérations nécessitant un
changement d’état coutera CHER en énergie

23

Fluide
critique

H V

2257 kJ.kg-1

Cp ≈ Cste L Cp =f(T)
≈5x
4185 J.kg-1.K-1 Moy 2000 J.kg-1.K-1

419 kJ.kg-1

L+V

SOIT l’évolution de l’enthalpie avec la température pour Pabsolue = 1Bar
Échange de Chaleur sensible avant et après ébullition : Q = mCpΔT
Échange de chaleur latente à l’ébullition (T=cste) : Q = mLv

I. Généralités – propriétés physique impacts procédés

24

B3. Les propriétés thermiques de l’eau

Bien évidement les équilibres Liquide / Vapeur
dépendent de P et T
Air
Eau gaz 60% HR, 20 ⁰C, Air ‘’sec’’ non saturé
en eau
Patm

Eau Liquide

Notion de pression de vapeur saturante

En terme de process, bien définir la stratégie d’échange et
DONC le chemin a emprunter par le caloporteur sur les

diagrammes enthalpiques en fonction de P et T

I. Généralités – propriétés physique impacts procédés

25

B3. Les propriétés thermiques de l’eau 1
2
Bien évidement les équilibres Liquide / Vapeur
dépendent de P et T

Scenario 2 Notion de pression de vapeur saturante

En terme cdheepmroinc6eesmsp, rbuiennté5dpéafirnlier laSsctreantéagriioe 1d’échange et
DONC le caloporteur sur les
43
diagrammes enthalpiques

I. Généralités – propriétés physique impacts procédés

26

B3. Les propriétés thermiques de l’eau

Enfin, bien évidemment les diagrammes et
équilibres présentés ne sont valables que pour de
l’eau pure…

…ou au moins des fluides aqueux de compositions
suffisamment peu différentes de l’eau pure

Cp de la solution à 20 °C 4200
(J/kg/K) 4150
4100
4050 10 20 30 40
4000 Concentration en NaCl (g/L)
3950
3900
3850
3800

0

II. Qualité de l’eau

27

A. L’eau dans les procédés alimentaires

Recyclage

Entrée Process Effluents
d’eau

Usages à contact Solvant/mouillant Les questionnements de
alimentaire Caloporteur l’ingénieur :
ou
Action mécanique Quelle qualité de l’eau en entrée ?
non alimentaire Nettoyage Quelle qualité en sortie ?
Quels coûts ?
Contexte réglementaire ?
Stratégie ?

II. Qualité de l’eau

28

A. Qualité de l’eau en entrée :
De l’eau de surfaces aux
eaux utilisables en IAA

Problématiques de qualité liée aux espèces véhiculées :

Organiques encrassement des installations

Minérales qualité thermique moindre

Biologiques risque sanitaire (polluant, pathogène,

Traitement(s) :

Compromis coût / qualité

+ Cadre réglementaire

II. Qualité de l’eau

29

Qualité & Coûts

II. Qualité de l’eau

30

A1. Quelques notions & définitions

Eau potable : Directive n° 98/83/CE du

03/11/98 relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine

Eaux ‘’pures’’ (EP, EHP, EPPI) : Normes pharmacopées
Eaux purifiées définies par technologie d’obtention

Exemple : Distillée, déionisée, adoucie, osmosée, microfiltrée, mili-Q…
Pas de définition normative stricte en terme de composition
Qualité obtenue dépend des spécifications de l’installation et donc de

l’équipementier (Dialogue)

Indice de qualités : Turbidité, COT, dureté, pH, conductivité, dosage ions…
Qualité requise dépend de l’usage et donc doit répondre

au cahier des charges pour une application donnée (dialogue)

exemple chaudière v/s tour de refroidissement

II. Qualité de l’eau

31

A2. procédés de traitement

Niveau Traitement/ Séparation Séparation Déconta-
Séparation mécanique thermique mination
Epuration chimique
Mécanique grossier Chloration
Traitement biologique (dégrillage, tamisage, UV
Chaulage/coagulation décantation) Ozonation
Ozonation/oxydation Filtration (filtre à sable
<10-100µm) Chauffage
Purification Electrolyse Distillation Irradiation
Echange d’ions Microfiltration (<0,1-
Adsorption 0,2µm)
Osmose inverse Ultra-filtration (<kDa)
Nanofiltration (<100nm)

Pour obtenir une même qualité d’eau souvent plusieurs
procédés ou somme de procédés

process à par entière à inclure dans une installation

II. Qualité de l’eau

Purification Séparation Séparation Séparation thermique
mécanique
32 chimique Distillation
Principes

VDW

Na+ Efficacité fonction
distribution de taille des
P2, D2 pores (Norme NF X 45-
Membrane semi-perméable 303 ou EN 13443-2)

P1, D1 P1, D3

Limites / -Saturation / -Colmatage / régénération - Coût énergétique
propriétés régénération ou par NEP important / acidification
changement
-Application en filtration - Mise en œuvre simple
-des systèmes compacts tangentiels sur membrane /grande pureté/ non
à plus grande échelle synthétique ou céramique adapté aux gros débits

II. Qualité de l’eau

33

II. Qualité de l’eau

34

B. Qualité de l’eau en sortie (les effluents)

Que faire ? Rejet ? Raccordement réseaux ? Traitements ?
Cadre réglementaire :

Loi n° 76-663 du 19 juillet 1976, relative aux installations classées pour la

protection de l’environnement

ISO 14046:2014 : Environmental management, Water footprint: Principles,

requirements and guidelines

Traitements

Prétraitement : séparation mécanique (dégrillage, dégraissage, désablage)
Primaire : bassin décantation (60% MVS, 30% DCO & DBO)
Secondaire : biologique (type bassin aération boues activées)
Tertiaire/quaternaire : non systématique (débactérisation, micropolluants)
Traitement des boues

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

35 B

A. Problématique

A

Raccords, conduites et dispositifs

Facile, trivial… Pas si sur !
Questionnement de l’ingénieur :

Matériaux : coût, compatibilité, hygiène, dimension ?

Type de raccordement : démontabilité, tenue, étanchéité ?

Dimensionnement et singularités : perte de charge et de chaleur ?

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

36

B. Choix d’un matériau :

Matériaux Application Caractéristiques Inconvénient Cout
Ciment Avantage
PVC Écoulement ouvert effluent Peu hygiénique Faible
Admission eau Écoulement ouvert
Admission eau froide Faible
Effluent Pservice 1-3bar (8-10 bar)
T 4-40°C

Eau chaude ou froide Pservice 1-3bar (10-16bar) Peu/pas nettoyable Assez faible
Fluide peu corrosif
PER/multicouche T 4-100°C Migration

Souple, montage facile Altération

Résistance modéré

acide base

Caoutchouc / Raccordement souple et Dépend des caractéristiques Moyen à très

polymères spéciaux variable d’équipement Souvent quick clamp, P/T & acide/base résistant élevé

Fonte Conduite vapeur Pservice 1-10bar Oxydation, corrosion Moyen
T 4-200°C

Cuivre Fluide non corrosifs chauds / Idem fonte Oxydation Élevé
échange chaleur Catalyseur

Fluides techniques (acide, HP / HT, durabilité, Coût, Elevé à très

Aciers inoxydables base, oxydant, chauds) contact alim. mise en œuvre élevé

Dépend de qualité inox

(Inox 304, 316, 316 L…)

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

37

B. Choix d’un matériau :

Le matériau ne fait pas tout : le fini

Tube roulé soudé / étiré sans soudure:

Singularité

Etat de surface : G2B, 2R, electro-polis… Coût ?
Conception hygiénique ?

Rugosité, Ra 0,4-0,8/ 0,2-0,3/ 0,08-0,1µm

Revêtement : Teflon, F-DLC… Energie de surface, hydrophile/phobe

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

38

B. Choix d’un matériau :

Le matériau ne fait pas tout : le fini

Tube roulé soudé / étiré sans soudure:

Singularité

Etat de surface : G2B, 2R, electro-polis… Coût ?
Conception hygiénique ?

Rugosité, Ra 0,4-0,8/ 0,2-0,3/ 0,08-0,1µm

Revêtement : Teflon, F-DLC… Energie de surface, hydrophile/phobe

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

39

B. Choix d’un matériau :

Dimension ou pourquoi mes éléments ne montent pas les
uns avec les autres ?

Divers normes de construction… Exemple

ISO-gaz / BS / SMS / METRIQUE / DIN / ANSI…
DN Dext (mm) Dint (mm)

DIN11850 dit METRIC 8 10 6 10
10 13

ISO 1127 dit ISO 8 13,5 10,3
10 17,2
14

Impérial dit BS 3/8’’ 9,53 7,75
3/4‘’ 19,05 15,75

ANSI B36 dit ANSI 3/8’’ 17,1 13,8

/!\ les traitements de surface de type érosion modifient les dimensions

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

40

C. Raccordement :

Conduites linéaires : DONE !
Maintenant il faut raccorder

Quelques questions :

Fixe ou démontable ? Si démontable à quelle fréquence ?

Quel niveau d’étanchéité à la pression ?

Quelle résistance T, acide, base ?

Fréquence démontage Type de raccordement Matériaux applicable Contrainte

Jamais Colle PVC P/T faible
Rarement Soudure/Brasure Métaux P/T fort
Emboitement /Sertissage Souple sur Métal P/T faible-fort

Racc. à vis + fillasse / téflon PER/cuivre P/T modéré-fort

Occasionnel Racc. À vis et joint PVC/Métaux Dépend du joint
Fréquent à très fréquent Brides Métal sur Métal P/T fort-très fort

Quick clamp Dépend du joint & du
Push and lock type de conception

Montage Soudure / brasure :
fixe /!\ à la nature des
matériaux
/!\ au fini de surface

41

Usage typique pour besoin
peu technique type
sanitaire…

Raccord à vis /!\ Pservice varie avec le type
d’étanchéité et le matériaux

des joints

Exple : MBS ½ ‘’ : teflon dans les filets
30bar, CR 150bar, BSR 275, BSP conique
315bar, ORFS 650bar…

Pression de serviceMais aussi du matériau des
maximale en Bar raccord et de leurs diamètres

400
Exple : BSP conique

300 filets à filets

200

100

0 0 1/2 1 1 1/2 2

Taille du raccord filleté en Inch

Et la température

Sertie

42

Démontable Bride
Bride à vis SMS
Et tant d’autres

Raccords Rapides Clamp

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

43

C. Raccordement :

Mais pourquoi mes éléments ne montent pas les uns avec
les autres ?

Les normes de constructions encore et toujours

ISO-gaz / BS / SMS / METRIQUE / DIN / ANSI…

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

44

C. Dimensionnement & singularités :

Dispositifs de sécurité / contrôle

Clapets anti retour

Réducteur pression

Vase d’expansion

Dégazeur

Vannes

Compteur

Manomètre

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

45

C. Dimensionnement & singularités :

Les écoulements ouverts

= écoulement gravitaires
/!\ pente suffisante et vidange (min 3%)
/!\ raccordement de plusieurs réseaux
/!\ Charge et raccordement écoulement fermé (pompe de relevage, clapets…)

Les écoulements fermés (ou forcés)

/!\ diamètre de conduite et restriction/expansion = perte de charge
/!\ bras morts – zones de stagnation = risque hygiénique
/!\ préférer écoulement turbulent (cf. Re)
Pour fluides chaud : /!\ calorifugation – perte de chaleur (sera abordé dans le

cours vapeur CM3)

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

46

C. Dimensionnement & singularités :

Perte de charges sur un cas simple : fluide incompressible

Bilan énergétique sLe cas particulier de la vapeur sera abordé ultérieurement
e
é= +

++ = ++ + é

11 é W( f )
2 + ℎ + =2 + ℎ + +

11 + ℎ+ + Homogènes à
+ ℎ+ =
22 ℎ une pression

Les pertes de charge s’expriment comme une différence de pression ou de hauteur

∆ = ∆ℎ ΔP s’écrit aussi J

Expérimentalement se mesurent simplement… Important de prévoir

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

47 2

C. Dimensionnement & singularités : 4·
=é è
Les types de perte de charges
2
Régulière ou linéaire

∆ é=

é

Singulière ou accidentelle

∆ =

La perte de charge totale est la somme

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

48

C. Dimensionnement & singularités :

Perte de charges RÉGULIÈRE fluide incompressible

∆ é= 2

λ coefficient de frottement : semi empirique

Formule Condition Origine

Écoulement Particularité

64 Laminaire Hagen-Poiseuille
= Re<2000
1
Non exhaustif = 2 · ln − 0,8 Turbulent général Conduite lisse Prandtl-Von Karman,
Re>106
Re.ε/DH<65 1934
Turbulent approx
= 0,3164 · , 4000<Re<100000 Conduite parfaitement Blasius, 1911
lisse

Abaque de Moody 1 = −2 ⋅ log10  2.51 + ε  Large intervalle Moody, basé sur
λ Re⋅ λ 3.7 ⋅ dH Colebrook & White

1 6,9 ,
= −1,82 · + 3,7
Turbulent >2500 Conduite rugueuse Haaland
65<Re.ε/DH<1300

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène

49

C. Dimensionnement & singularités :

Perte de charges RÉGULIÈRE fluide incompressible

∆ é= 2

λ coefficient de frottement : semi empirique

III. Distribution : conduite, sécurité, hygiène ,

50

C. Dimensionnement & singularités :

Perte de charges SINGULIÈRE

∆ =2
Détermination empiriques pour CHAQUE TYPE de singularité

Formule de Wiesbach

Δ = 0,131 + 1,847 ·
90

Références :
- Bouteloup Guay

Liguen,
''distribution des
fluides'‘

- I.E. Idel'cik,
''Mémento des
pertes de
charges'‘