Plusieurs solutions de contrôle de température pour des équipements en cuve et leurs applications

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Ce post a été modifié pour la dernière fois par yunrun le 31/07/2019 à 19:19. Le contrôle de la température des équipements de type cuve consiste, en bref, en un processus de régulation visant à faire monter ou baisser la température du matériau jusqu’à atteindre la température souhaitée. Cet article compare les avantages et inconvénients de plusieurs méthodes de contrôle de la température pour ces équipements, afin de fournir une référence pour leur gestion thermique. Il existe généralement plusieurs méthodes pour réguler la température des matières dans les équipements en récipients : ① Mettre en contact direct le médium de chauffage ou de refroidissement avec la matière ； ②Transmission de chaleur par le gaine du réservoir ； ③Utiliser un échangeur de chaleur. Lors du processus de régulation de la température, le régulateur de température contrôle le moment et l’intensité d’alimentation du fluide de chauffage ou de refroidissement, en se basant sur les signaux de température fournis par les capteurs, afin de réguler la température des matières contenues dans le réservoir et de répondre aux exigences du procédé. Le choix du système de contrôle de la température est généralement déterminé par la structure des équipements en cuve, les conditions de traitement et les investissements nécessaires. Changhui Instruments présente plusieurs solutions courantes de contrôle de température pour les équipements en réservoir, à titre d’exemple. 1. Système de contrôle de température permettant d’alimenter le gaine du réservoir en un fluide de chauffage ou de refroidissement. Le principe de conception de ce système repose sur un échange thermique par paroi intermédiaire, dont la caractéristique est que les fluides chaud et froid sont séparés par une paroi solide, et le transfert de chaleur s’effectue à travers cette paroi solide. Dans cette conception, la vapeur et le fluide frigorigène sont introduits directement dans l’enveloppe ; en raison de la différence de température avec le matériau à l’intérieur du réservoir, un transfert de chaleur se produit à travers la paroi du réservoir, ce qui fait augmenter ou diminuer la température du matériau. Le système utilise la durée et l’intensité de l’alimentation en vapeur ou en fluide frigorigène pour contrôler la température des matériaux stockés dans des réservoirs. Les systèmes de contrôle de température qui font circuler un fluide chauffant ou refroidissant dans l’enveloppe du réservoir sont couramment utilisés pour le contrôle de la température des cuves de préparation de solutions et des cuves de stockage de matières, ainsi que dans certains réacteurs. ①Système de contrôle de température sans retour de fluide frigorigène. Le système de contrôle de température sans retour de fluide frigorigène est illustré à la figure 1 : lorsque le matériau n’a pas besoin de contrôle de température, aucun vapeur ni fluide frigorigène n’est introduit dans l’enveloppe. Lorsque le contenu du réservoir doit être chauffé ou maintenu à une température élevée, de la vapeur est introduite depuis l’interface supérieure de l’enveloppe. Lorsqu’elle entre en contact avec les parois du réservoir, qui sont à une température plus basse, la vapeur libère de la chaleur et se condense en liquide. Sous l’effet de la gravité, ce liquide reste collé aux parois, tandis que la chaleur est transmise au contenu du réservoir par l’intermédiaire de ces dernières, ce qui permet de le chauffer ou de le maintenir à une température élevée. Lorsque le contrôle de la température est terminé, on cesse l’alimentation en vapeur. On introduit alors de l’air comprimé depuis la partie supérieure du gaine pour purger la vapeur et l’eau de condensation restantes à l’intérieur, puis on arrête l’alimentation en air comprimé une fois le nettoyage achevé. Lorsque le contenu du réservoir doit être refroidi ou maintenu à basse température, le fluide frigorigène est introduit depuis l’interface inférieure de la doublure. Lorsqu’il entre en contact avec la paroi du réservoir, plus chaude, il absorbe de la chaleur par transfert thermique, et grâce à l’afflux et au retrait continus du fluide frigorigène, le contenu du réservoir est refroidi. Lorsque la phase de refroidissement est terminée, on cesse l’alimentation en fluide frigorigène. On introduit alors de l’air comprimé depuis la partie supérieure du gaine pour expulser le fluide frigorigène restant à l’intérieur de celle-ci vers le tuyau de vidange. Une fois le nettoyage achevé, on arrête l’alimentation en air comprimé. Une valve de sécurité doit être installée dans le circuit de la gaine pour éviter que la pression dans celle-ci ne devienne trop élevée et provoque des accidents. Un capteur de température doit être installé dans le réservoir pour surveiller la température en temps réel du matériau. Un voyant d’écoulement doit être installé à l’endroit d’évacuation de l’eau de condensation du gaine pour assurer un évacuation efficace de celle-ci. Afin d’assurer une précision dans le contrôle de la température, il est nécessaire d’utiliser un régulateur de température pour contrôler le moment et l’intensité d’alimentation en vapeur ou en fluide frigorigène dans le gaine, et effectuer des ajustements en temps réel en fonction de la température du matériau. Les systèmes de contrôle de température sans retour de fluide frigorigène sont largement utilisés dans l’industrie pharmaceutique pour le contrôle de la température des cuves de préparation de solutions où le milieu de refroidissement est de l’eau, des cuves de stockage de matières premières, ainsi que de certaines cuves de réaction. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310102131689.png Figure 1 Système de contrôle de température sans refoulement du fluide frigorigène ② Système de contrôle de température avec refoulement du fluide frigorigène Lorsqu’il est nécessaire d’utiliser au maximum le fluide frigorigène, dans le but d’économiser les coûts de fonctionnement ou de réduire les polluants, le fluide frigorigène restant dans l’enveloppe après échange thermique n’est pas évacué directement, mais est entièrement récupéré par le biais des tuyaux de refoulement. Le système de contrôle de température pour le retour du fluide frigorigène est présenté à la figure 2 ; cette solution ajoute des tuyaux de retour du fluide frigorigène en des emplacements appropriés. Le contrôle du processus de chauffage, de refroidissement et de maintien de la température des matériaux est identique au système de contrôle de température sans retour de fluide frigorigène. Lorsque le contrôle de la température est terminé, on cesse l’alimentation en fluide frigorigène et on introduit de l’air comprimé depuis la partie supérieure du gaine pour purger l’espace, afin d’envoyer le fluide frigorigène restant dans le circuit de retour pour sa récupération. Dans la production pharmaceutique, lorsque le milieu de refroidissement des équipements en cuve n’est pas de l’eau, mais plutôt une solution comme l’éthylène glycol, ce concept de conception peut être utilisé. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310112086229.png Figure 2 Système de contrôle de température par refoulement du fluide réfrigérant 2. Système de contrôle de température où le fluide de chauffage ou de refroidissement est introduit directement dans le réservoir Le principe du système de contrôle de température où le fluide de chauffage ou de refroidissement est introduit directement dans le réservoir est celui d’un échange thermique mixte, dont la caractéristique est que les fluides chauds et froids effectuent un échange thermique directement au sein du réservoir. Dans ce système, la vapeur et le fluide frigorigène sont introduits dans le réservoir, où ils se mélangent directement avec la matière pour transférer de la chaleur, permettant ainsi d’augmenter ou de diminuer sa température ou de la maintenir constante. Par rapport à la méthode de contrôle de la température par gaine, ce design permet une augmentation significative du coefficient de transfert thermique et de la surface de transfert thermique, offrant ainsi des avantages tels qu’un taux de transfert thermique élevé et une conception simplifiée du dispositif. Le système contrôle la durée et l’intensité de l’alimentation en vapeur ou en fluide frigorigène, afin de réguler la température du matériau à l’intérieur du réservoir. Cependant, le fluide de chauffage ou de refroidissement de ce système étant en contact direct avec la matière, une évaluation des risques est nécessaire pour s’assurer qu’il n’a pas d’effets négatifs sur sa qualité. Le système de contrôle de température, qui permet d’insuffler directement dans le réservoir un milieu chauffant ou refroidissant, est représenté à la figure 3 ; lorsque le matériau n’a pas besoin de contrôle de température, aucun vapeur ni fluide réfrigérant n’est introduit dans le réservoir. Lorsque le matériau à l’intérieur du réservoir doit être chauffé ou maintenu à une température élevée, de la vapeur est introduite depuis l’interface de vapeur. Lorsqu’elle entre en contact avec le matériau à température plus basse, la vapeur libère de la chaleur et se condense en liquide, ce qui permet de chauffer ou de maintenir le matériau à haute température. En même temps, l’eau de condensation reste dans le réservoir et se mélange au matériau. Lorsque le chauffage est terminé, arrêtez l’alimentation en vapeur. Lorsque le contenu du réservoir doit être refroidi ou maintenu à basse température, le fluide frigorigène est introduit depuis la surface de refroidissement. Lorsqu’il entre en contact avec le matériau à température plus élevée, il absorbe de la chaleur afin de refroidir le matériau ou de le maintenir à basse température, tout en restant dans le réservoir et en se mélangeant au matériau. Lorsque la refroidissement est terminé, arrêtez l’alimentation en fluide frigorigène. Comme l’eau de condensation du vapeur et le fluide frigorigène restent dans le réservoir après avoir été ajoutés, lors du contrôle de la température par cette méthode, il est nécessaire de prendre en compte les quantités à ajouter de vapeur et de fluide frigorigène pour atteindre l’effet de contrôle de température souhaité. Ce système peut être utilisé pour le contrôle de la température des matériaux pour lesquels les exigences en matière de précision de contrôle sont faibles et qui ne sont pas sensibles à la température, ainsi que pour le contrôle de la température dans des cuves de traitement servant à inactiver certains déchets. Par exemple, les cuves d’inactivation des effluents bactériens provenant des ateliers de production de produits pharmaceutiques à protéines recombinantes peuvent utiliser ce système de contrôle de température. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310123583701.png Figure 3 Système de contrôle de température où le médium de chauffage ou de refroidissement est introduit directement dans le réservoir 3. Système de contrôle de température par contrôle indirect via un gaine par l’intermédiaire d’un circuit de régulation de température. Le principe du système de contrôle de température par contrôle indirect via un gaine par l’intermédiaire d’un circuit de régulation de température repose sur un échange thermique par paroi intermédiaire ; ce système nécessite la mise en place d’un circuit de régulation de température, composé d’une gaine, de tuyaux, de pompes, d’échangeurs thermiques, d’un régulateur de température et de capteurs de température. Le circuit de régulation de la température est rempli d’un fluide caloporteur qui circule en permanence sous l’effet de la pompe. Lorsqu’il traverse le gaine, il échange de la chaleur avec le contenu du réservoir à travers sa paroi, permettant ainsi d’augmenter, de diminuer ou de maintenir la température du contenu. Le fluide calorifère peut être de l’eau ou de l’huile thermique, etc. Le système régule la température du vecteur thermique au moyen d’un échangeur de chaleur, et contrôle la température du matériau dans le réservoir grâce à un échange de chaleur par paroi intermédiaire dans la gaine. Le système nécessite l’installation de vannes pour le remplacement et le rechargement du fluide caloporteur, ainsi que d’un réservoir d’expansion ou d’une cuve d’expansion afin de maintenir une pression stable du fluide caloporteur dans le circuit. Le système de contrôle de température par régulation indirecte via un circuit de régulation de température est illustré à la figure 4 ; lorsque le matériau n’a pas besoin d’une régulation de température, le circuit de régulation peut ne pas fonctionner ou fonctionner sans exercer de contrôle de température. Lorsque le contenu du réservoir doit être chauffé ou maintenu à une température élevée, le fluide calorifère du circuit de régulation de température est chauffé, puis transmet la chaleur à travers l’enveloppe pour la faire passer par la paroi du réservoir et ainsi chauffer ou maintenir à température élevée le contenu. Lorsque le contenu du réservoir doit être refroidi ou maintenu à une température basse, le fluide calorifère du circuit de régulation de température est refroidi, puis circule dans l’enveloppe pour emporter la chaleur du contenu du réservoir à travers la paroi du réservoir, permettant ainsi de refroidir le contenu ou de le maintenir à une température basse. Lors de la fin du contrôle de la température, on arrête le fonctionnement de la pompe dans le circuit de régulation ou le contrôle de la température du vecteur thermique, ce qui met fin au contrôle de la température du matériau. Si nécessaire, des prises d’air comprimé peuvent également être installées sur le circuit pour purger l’ensemble du circuit ou la partie en gaine. La température du matériau dans le réservoir est contrôlée grâce au fluide calorifère présent dans la gaine, et ce fluide calorifère est lui-même régulé par un échangeur thermique intégré au circuit de régulation de température. Le processus nécessite deux échanges thermiques par transfert de chaleur à travers une paroi intermédiaire, ce qui réduit l’efficacité de l’échange thermique ; cependant, ce système permet d’atteindre une précision de contrôle de température élevée. Comme le circuit de régulation de la température n’est pas en contact direct avec la matière, le choix des composants n’a pas besoin de respecter des exigences de conception hygiénique, ce qui réduit les coûts de construction. Un système de contrôle de température qui utilise un circuit de régulation de la température pour un contrôle indirect par gaine est généralement utilisé dans les processus de production pharmaceutique où des exigences élevées en termes de précision de température sont nécessaires, ainsi que pour un contrôle de température sur de longues périodes, et où les matériaux ne doivent pas être soumis à des agitations intensives. Ce système peut être employé, par exemple, dans les cuves d’inactivation par Pasteur ou S/D utilisées dans la production de produits sanguins. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310135175535.png Figure 4 Système de contrôle de température avec régulation indirecte par gaine grâce à un circuit de régulation de température 4. Système de contrôle de température avec régulation directe à l’intérieur du réservoir grâce à un circuit de régulation de température. Le principe du système de contrôle de température avec régulation directe à l’intérieur du réservoir via un circuit de régulation de température est le transfert de chaleur par paroi intermédiaire ; ce système est composé d’un circuit de régulation de température et d’équipements en forme de réservoir formant un système circulatoire, le circuit de régulation de température étant constitué de tuyaux, de pompes, d’échangeurs thermiques, d’instruments, etc. Les matériaux sont stockés dans des réservoirs, et circulent en permanence dans un circuit de régulation de température grâce à des pompes. Lorsqu’ils passent par un échangeur de chaleur, ils sont chauffés ou refroidis, puis retournent dans les réservoirs pour se mélanger avec d’autres matériaux. Les capteurs de température situés dans les réservoirs permettent d’ajuster le moment et l’intensité d’alimentation en vapeur ou en fluide frigorigène de l’échangeur de chaleur, ce qui permet de contrôler la température des matériaux. Le système de contrôle de température permettant un contrôle direct de la température à l’intérieur du réservoir par l’intermédiaire d’un circuit de régulation est présenté à la figure 5 ; lorsque le matériau n’a pas besoin de contrôle de température, le circuit de régulation peut ne pas fonctionner ou fonctionner sans effectuer de régulation. Lorsque la température du matériau dans le réservoir doit être contrôlée, on met en marche la pompe du circuit, ce qui permet au matériau de circuler dans l’équipement de stockage et dans le circuit de régulation de température. Le matériau est chauffé ou refroidi lorsqu’il traverse le échangeur thermique, puis retourne dans le réservoir pour se mélanger à d’autres matériaux avant de reprendre son cycle. Ce processus de circulation continue permet de régler ou de maintenir la température du matériau à un niveau approprié. Dans ce concept de conception, la température du matériau à l’intérieur du réservoir est chauffée ou refroidie directement par un échangeur de chaleur ; seul un échange thermique par paroi intermédiaire est nécessaire, ce qui assure une efficacité élevée de l’échange thermique. De plus, ce système permet également une précision de contrôle de la température très élevée. Dans cette conception, les matières doivent circuler dans un circuit de régulation de température ; par conséquent, toutes les parties du système en contact avec ces matières doivent respecter les exigences relatives aux bonnes pratiques de fabrication, afin de ne pas avoir d’impact négatif sur la qualité des médicaments. Cela entraîne donc une augmentation des coûts de construction et de maintenance. Un système de contrôle de température qui permet un contrôle direct de la température à l’intérieur du réservoir par l’intermédiaire d’un circuit de régulation de température est adapté aux systèmes où les matériaux doivent être stockés en quantités importantes, où il est nécessaire de les fournir simultanément à plusieurs points d’utilisation, où des exigences élevées en matière de température sont requises et où ces matériaux supportent bien des agitations intensives, comme dans les systèmes de distribution d’eau pour l’industrie pharmaceutique ou les systèmes à éthanol à basse température utilisés dans la production de produits sanguins. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310152492161.png Figure 5 Analyse de l’application du système de contrôle de température par circuit de régulation directe à l’intérieur du réservoir. Les différents procédés de production ont des exigences différentes en matière de contrôle de la température des matériaux ; les concepteurs doivent donc choisir des solutions de conception adaptées aux différentes conditions opérationnelles. Les plusieurs concepts de conception mentionnés ci-dessus sont des concepts de base. Dans la pratique, en plus de pouvoir utiliser un concept de conception isolément, il est également possible de le simplifier ou d’associer diverses variantes de ces concepts. Voici quelques exemples typiques d’applications : ① Réservoir de stockage de solution. Un réservoir de stockage de solution conventionnel a généralement uniquement besoin d’une fonction de refroidissement, à condition que la température ne dépasse pas une valeur prédéfinie. Dans ce cas, on peut simplifier le système de contrôle de température en faisant circuler directement le fluide de chauffage ou de refroidissement dans l’enveloppe, en conservant uniquement sa fonction de refroidissement ; voir la figure 6 pour plus de détails. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310157545181.png Figure 6 Conception du contrôle de température du réservoir de stockage de solutions nécessitant uniquement une fonction de refroidissement ② Réservoir d’inactivation des déchets biologiques Le réservoir d’inactivation des déchets biologiques peut combiner les caractéristiques d’un système de contrôle de température où un fluide chauffant ou refroidissant est introduit directement dans le réservoir, et d’un système de contrôle de température où ce même fluide est introduit directement dans l’enveloppe du réservoir. Il est conçu de manière à ce que de la vapeur soit introduite dans le réservoir pour un chauffage mixte, tandis qu’un fluide réfrigérant est introduit dans l’enveloppe pour un refroidissement par paroi intermédiaire. Cela permet d’accroître à la fois la vitesse de traitement de l’inactivation des déchets et la quantité de déchets traités par lot, comme le montre la figure 7. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310201461155.png Figure 7 Température dans les cuves d’inactivation des déchets biologiques avec chauffage direct et refroidissement indirect ③ Équipements de cuves à procédé plus complexe Pour certains équipements de cuves à procédé plus complexe, tels que les cuves de fermentation, à condition que le milieu de culture ne soit pas sensible à la température, on peut utiliser un système de contrôle de température qui combine l’alimentation directe de médium de chauffage ou de refroidissement dans l’enveloppe et un système de contrôle de température indirect par circuit de régulation, comme le montre la figure 8. Des points d’entrée pour la vapeur et le fluide réfrigérant sont ajoutés au circuit de régulation de la température ; un système de contrôle de température utilisant un médium chauffant ou refroidissant introduit directement dans l’enveloppe est employé lors de la stérilisation du milieu de culture, afin d’améliorer l’efficacité du transfert de chaleur et de raccourcir le temps de traitement. Lors de la culture en fermentation, un système de contrôle de température utilisant un revêtement isolant pour une régulation indirecte par circuit de contrôle thermique est employé, afin d’assurer une stabilité et une précision optimales de la température de culture, permettant ainsi une production strictement conforme au procédé défini. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310209083062.png Figure 8 Conception du contrôle de température dans le réacteur de fermentation pour la stérilisation rapide du milieu de culture et le contrôle précis de la température pendant le processus de fermentation. En plus des conditions énumérées ci-dessus, il existe de nombreuses autres conditions de contrôle de température pour les équipements à réacteur. Lors de la conception des systèmes de contrôle de température pour les équipements en cuve, il est nécessaire, tout en respectant le processus de production, de prendre en compte à la fois les coûts de construction et les exigences réglementaires, afin de concevoir des systèmes de contrôle de température répondant à toutes ces conditions. Les approches de conception et les modes de fonctionnement de plusieurs systèmes de contrôle de température décrits dans ce texte ont été efficacement mis en œuvre dans le processus de production réel. De plus, ces solutions de contrôle peuvent servir de référence pour la conception de systèmes de contrôle de température. Auteur : Yan Liujun Source : Bibliothèque technique yunrun.com.cn/tech/